公路隧道設計階段風險評估中的問題與對策

田偉， 王文星

(浙江省交通規劃設計研究院有限公司， 浙江 杭州 310030)

公路隧道工程的安全狀態與地形地貌、工程地質、水文等建設條件，工程設計、施工組織方案及運營管理經驗、交通流量和組成等使用環境息息相關，并在勘察設計、施工建設、運、管、養等各階段、各環節都不同程度地存在。風險評估是隧道建設領域降低項目全生命周期安全風險的通用做法。考慮到初步設計是確定工程建設方案的階段，也是工程安全管控的重要環節，交通運輸部于2010年下發《關于在初步設計階段實行公路橋梁和隧道工程安全風險評估制度的通知》，要求從當年9月1日開始在初步設計階段推行公路橋梁和隧道工程方案的安全風險評估制度，對需要評估的四類特殊隧道作了界定，并在《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》(下稱《指南》)中對評估流程和方法作了要求。這一制度的實施對于強化公路隧道設計和建設過程中的安全風險意識、降低事故概率、減少經濟損失起到了積極作用。

安全風險評估是涉及路線、地質、結構、通風、照明、監控和交通安全等多個專業的系統性工程。國內外學者結合具體工程，對風險評估流程、方法作了研究，如Rita L. Sousa、Audun Borg等采用貝葉斯方法開展風險評估，Ondrej Nyvlt等采用故障樹法進行隧道運營火災風險事故評估，王立軍利用專家分析法和層次分析法確定風險控制因素與權值，白文琦等采用Monte Carlo法確定地質風險評估參數的敏感性和波動性，何美麗等引入信息熵理論確定塌方風險源指標的權重并依照置信度識別準則判定風險等級，秦勝伍等采用最大熵原理和屬性區間識別理論建立了隧道塌方風險評價模型，侯東賽等采用綜合賦權-TOPSIS法評估隧道突水涌泥風險，楊卓等采用BP神經網絡方法預測巖溶隧道突涌水風險，黃宏偉等開發了基于數據庫的隧道工程風險管理軟件。總體而言，現有研究主要針對某一風險事件的評估方法，對風險評估指標體系的完備性、圍巖穩定量化計算、風險綜合等級判定準則一致性等方面還有待進一步研究。此外，評估單位與專家之間的職責分工含糊，有些單位將專家調查表直接作為風險評估報告。該文結合近年來參與的30余座隧道風險評估體會，從安全等級判斷標準、數值分析作用、模糊綜合法評價指標體系、交通事故和火災定量化評價、評估小組與專家對評估結論貢獻度等方面探討公路隧道設計階段風險評估中存在的問題與對策。

1 風險等級判斷標準偏于寬松和簡單化

風險損失暨事故發生后果包括人員傷亡、經濟損失、質量問題、工期延誤和環境影響等方面，每類后果等級分為5級。《指南》中有關風險等級的判斷標準偏于寬松和簡單化。

1.1 單個事故發生后果的判斷標準偏于寬松

風險損失等級判斷標準直接決定評估結論，但目前的標準過于寬松。如人員傷亡等級參考國務院《生產安全事故報告和調查處理條例》和《企業職工傷亡事故分類標準》確定判斷標準(見表1)。

表1 人員傷亡等級判斷標準

當前，公路工程建設已普遍落實安全生產責任制，全面推進施工安全標準化建設，目標是實現公路建設“零事故、零傷亡”。《指南》中如此寬松的人員傷亡等級判斷標準，已無法體現新時代尊重生命、以人為本的理念，也無法達到風險控制的預期效果，建議大幅度提高標準(見表1)。

環境影響等級判斷標準也類似，如2級判斷標準為“需緊急轉移安置人數50人以上100人以下”，這種情況已經是非常嚴重的社會影響。建議從地下水流失、危化品泄露、地表植被破壞面積等方面加以細化，并降低標準指標值。

1.2 確定風險后果等級的方法不夠周全

《指南》中評估風險事件嚴重程度包括5個因素，并按照“就高”原則以等級最高的因素作為風險后果等級。如果各因素的等級非常接近，則這種確定風險后果等級的方法過于簡單化。評價一個風險事件的嚴重程度應綜合各種風險事件發生后的影響，考慮各種影響的累加效應。因此，建議將各種風險后果折算成經濟損失，如重傷1人的等價經濟損失為20萬元、死亡1人為300萬元、工期延誤1 d為10萬元等，最后的總風險后果等級指標值為5項等價經濟損失的累加值，再按照《指南》中經濟損失等級判斷標準綜合判斷風險后果等級。

2 風險發生概率缺乏定量化評估手段

《指南》推薦的風險源發生概率和風險損失評估方法包括專家調查法、概率分析法、層次分析法、事故樹法和模糊綜合評價法，并均推薦采用專家調查法。專家調查法、層次分析法、模糊綜合法以其簡便、明確的優點而成為最常用的風險評估方法。但這種以定性為主、指標體系法為輔的評估方法得出的結論與專家的經驗和樂觀程度有很大關系，實際評估中經常會出現不同專家給出的結論存在較大偏差的現象。因此，建議借助數值分析方法作為風險評估的重要手段。

2.1 基于有限元強度折減法洞口失穩概率分析

隧道洞口穩定性是一個三維問題，建議采用基于有限元強度折減法的邊坡穩定性系數作為評估洞口失穩風險事件發生的概率。強度折減法也稱為強度儲備法，其邊仰坡穩定安全系數定義為使邊仰坡剛好達到臨界破壞狀態時巖土體抗剪強度(凝聚力c、摩擦角φ)折減程度，即巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時折減后抗剪強度的比值。其計算過程是對強度指標凝聚力c、摩擦角φ進行折減[見式(1)、式(2)]，然后對隧道洞口進行數值計算分析，不斷加大折減系數反復計算，直至其達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數Fs。

(1)

(2)

式中：cF為折減后凝聚力(kPa)；Ftrial為折減系數；φF為折減后摩擦角(°)。

分析時，建議參照《建筑邊坡工程技術規范》對邊坡穩定安全系數的要求，將安全系數1.50、1.25、1.00分別作為風險事件發生概率等級1、3、5的定量分界值。

2.2 基于地層結構法的塌方和巖爆概率分析

地層結構法將隧道結構和圍巖作為一個整體進行分析，在滿足變形協調條件的前提下分析隧道襯砌內力及圍巖的位移場、應力場、應變場。圍巖通常可采用非線性彈性、彈塑性或粘彈塑性模型，并采用釋放荷載和增量法模擬施工過程，最后根據圍巖的屈服接近度、塑性區范圍、襯砌構件的安全系數等判斷圍巖和隧道結構的穩定性。

巖爆分析也可采用地層結構法，通過施工過程模擬得到隧道開挖后重分布的應力場，獲得最大主(拉)應力σ1、最大切向應力σθ，并根據巖石天然極限抗壓強度Rc、飽和單軸抗壓強度Rb，采用盧森判據σθ/Rc、陶振宇判據Rc/σ1、樊建平判據Rb/σ1預測巖爆的烈度。3種判據的判別標準見表2。

表2 巖爆判斷標準

實際分析時，推薦采用陶振宇判據，將輕微、中等、強烈巖爆分別作為風險事件發生概率等級1、3、5的定量分界值。

3 模糊綜合評價法亟需可操作的指標體系

模糊綜合法采用模糊理論和最大隸屬度原則對多因素系統進行評價，獲得目標風險的量化評價指標，進而獲得對應評價等級，其中評價等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對應的評價指標范圍分別為[1，1.5)、[1.5，2.5)、[2.5，3.5)、[3.5，4]。該方法的基礎是建立風險事件評價指標體系。但《指南》中并未給出各單一風險事件的評價指標體系，包括風險源的二級指標和權重、評價因素指標的分界值等，導致評估人員無據可依，只能按照各自的認知水準確定評價指標，很難保證不同工程師在背靠背情況下評估結論一致。下面以隧道施工過程中最常見的塌方和洞口失穩兩個風險事件為例，提出評價因素指標體系。

3.1 塌方事件的評價因素指標

導致塌方的原因主要有地質地貌、天氣水文、勘察設計、施工方法等4個客觀與主觀方面的因素，據此建立表3所示評價因素指標體系。

表3 塌方模糊綜合評價因素指標的分界值

注：B為隧道開挖洞徑(m)。

3.2 洞口穩定的評價因素指標

隧道洞口埋深較淺，圍巖壓力大，其穩定性受地質條件、水文條件、地形地貌、氣候、工程擾動等多種因素控制。因此，建立表4所示評價因素指標體系。

表4 洞口穩定模糊綜合評價因素指標的分界值

續表4

4 交通事故和火災風險事件缺乏量化標準

交通事故和火災是隧道運營階段的兩個主要風險事件，與隧道平面線形、縱坡、橫斷面、通風排煙方案、救援能力、監控方案等因素有關，交通事故和火災風險決定隧道能否如期發揮交通功能。但《指南》中欠缺這兩個風險事件發生概率和事故等級判斷量化標準。建議以交通事故率、火災發生率的定量化測算和隧道路段運行速度差作為兩個風險事件評估依據。

4.1 交通事故率和火災事故率的定量化測算

根據《公路隧道設計規范》16.3.2條條文說明，交通事故和火災發生率主要與長度、交通量有關，按下式計算：

P=αLq×365×10-9

(3)

式中：P為隧道內年事故概率估計值；α為隧道百萬車公里事故率；L為隧道長度(m)；q為隧道單洞年平均日交通量(輛/d)。

參考國外標準和中國國情，該規范取隧道百萬車公里事故率為0.1、火災事故率為0.04。

4.2 隧道路段的運行速度檢驗

公路交通事故與相鄰路段較大的運行速度差有直接關系。運行速度是指在特定路段(無橫向干擾等)，在干凈、潮濕條件和自由流的情況下，85%的駕駛員行車不會超過的行駛速度，簡稱v85，它與公路平面、縱面、橫斷面和車型比例等設計參數有關。運行速度差越大，則事故率越高，由追尾等交通事故誘發的火災發生率提高。因此，可將該指標作為交通事故和火災風險事件發生概率等級評定依據。

評估時，先對隧道或隧道群內路線進行單元路段劃分，然后按照《公路項目安全性評價指南》中的預測模型計算單元路段特征點的運行速度v85，進而得到各單元路段特征點的運行速度差Δv85。當同一隧道內或毗鄰隧道群內設計速度與運行速度的差值大于20 km/h時，則對該路段進行安全性檢驗，如平曲線半徑、緩和曲線長度、最小直線長度、停車視距等檢驗。建議將運行速度差10、15、20 km/h作為交通事故風險事件發生概率等級1、3、5的定量分界值。

5 評估單位和專家的關系欠明確

根據《指南》，風險評估中需邀請不少于10名專家進行風險發生概率等級、損失等級等調查，得到各事件區段風險等級值的一維矩陣[R1]；評估單位也需采用一些定量與定性相結合的方法得到各風險事件等級值[R2]。但《指南》并未明確如何根據這兩個風險事件等級值得到最終風險等級值[R]，有些單位則直接將專家調查結果作為風險評估等級。

為體現評估單位的主體責任，同時吸收專家的智慧，建議按照評估單位60%、專家調查40%的權重比例匯總得到最終風險等級值，即：

[R]=0.4×[R1]+0.6×[R2]

(4)

如果出現自評結果與專家調查結果偏差較大的情況，則進行偏差分析，以免較高等級的風險因為“被平均”而遺漏。

6 結語

針對公路隧道設計階段安全風險評估中存在的問題，結合大量風險評估體會，提出一些對策措施，如嚴格化風險事故后果的判斷標準，將各種風險后果折算成經濟損失并將總損失作為風險等級評價標準；在洞口穩定性、塌方、巖爆等風險事件評估中將數值分析結果作為風險發生概率評估依據；細化和完善模糊綜合評價法的指標體系；將交通事故和火災發生率、運行速度差作為評價交通事故和火災風險的依據；將評估單位和專家調查結果分別按60%、40%的權重比例匯總成最終風險等級值。這些對策措施尚屬個人淺見，還需收集更多的工程案例進行驗證，并開展多種評估方案之間的平行、對比研究，提高研究結論的客觀性和在背靠背情況下評估結果的一致性，為《指南》的修訂提供參考。