岩石力学与工程学报 Vol.24 No.1
2005年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2005
岩石隧道工程风险浅析
陈 龙，黄宏伟
(同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)
摘要：近年来，由于我国经济的飞速发展，岩石隧道修建突飞猛进，如何减少事故发生率，减少灾害损失是亟待解决的问题；但是事故资料的不完整性以及风险因素的不确定性都给风险分析带来了困难。借鉴了日本等国家20 a来有关岩石隧道事故灾害的统计资料，对目前岩石隧道建设过程中的风险因素进行了归类，并给出了处理措施。同时还讨论了风险分析的方法在岩石隧道工程中的应用，提出了一种实用的风险分析方法。 关键词：隧道工程；岩石隧道；风险分析；灾害；不确定因素
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)01–0110–06
RISK ANALYSIS OF ROCK TUNNEL ENGINEERING
CHEN Long，HUANG Hong-wei
(Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract：The risks of rock tunnel engineering are classified based on the data of accidents in rock tunnel of Japan and other countries over the past 20 years. The application of risk analysis to rock tunnel engineering is discussed. Finally，a practical case study of risk analysis is presented.
Key words：tunnel engineering；rock tunnel；risk analysis；accident；uncertainty
1 引 言
以往在山岭中修建的岩石隧道由于自然条件的恶劣以及施工设备的落后，致使在施工过程中以及运营期间均可能出现大量的工程事故，例如：崩塌、冒顶、岩爆、火灾等等，从而造成巨大的财产损失和人员伤亡。因此，如何尽可能地减小岩石隧道事故发生率以及灾害损失，已经成为一个迫切需要重视的课题。风险分析理论可望为此提供一条可行的途径。
目前，国外对岩石隧道工程风险的研究还处于起步阶段，无论是理论还是实际应用都尚待完善，而且目前所取得的成果基本上都是针对运营阶段的
收稿日期：2003–01–26；修回日期：2003–04–24 基金项目：上海市重点学科建设资助项目
风险(例如火灾，通风等问题)，国内在此方面的研究相对就更少，基本上还停留在纯技术分析层面。
本文结合日本隧道协会安全环境委员会于1991年对隧道工程灾害情况的调查报告、日本建设行业劳动灾害防治协会和中央劳动灾害防治协会的安全卫生年鉴，以及欧盟关于隧道运营中火灾事故的调查资料，总结出了在岩石隧道中可能发生的各类风险因素，并结合风险分析的手段对岩石隧道的风险研究提出了若干建设性意见。
2 岩石隧道工程事故统计分析
随着隧道技术的不断发展，要求施工技术更趋安全化、自动化、省力化及系统化，因而隧道施工
作者简介：陈 龙(1976–)，男，1999年毕业于同济大学地下建筑与工程系，现为博士研究生，主要从事地下工程风险分析方面的研究工作。E–mail：Cldragon1976@vip.sina.com。
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中的灾害正逐渐趋于减少，但相比于其他建设行业其发生次数仍偏多，尤其是导致重大灾害或人员伤亡的情况较多。从1976～1996年的20 a中，日本建筑工程的统计资料表明了这种情况[1]
。
在隧道工程施工中常用的施工方法为矿山法、盾构法和顶管法。表1[2]给出了3种工法施工中发生灾害事故的统计资料，可以看出矿山法施工是最危险的工法，事故比例接近50%。
表1 1987～1991年日本隧道工程事故之比较 Table 1 Comparison of tunnel engineering accidents in
Japan from 1987 to 1991
施工方法 次数/次 所占比例/% 矿山法 167 47.3 盾构法 109 30.9 顶管法
77
21.8
图1为日本从1976～1996年20 a中对岩石隧道人员死亡灾害事故种类的统计[1]
。不难发现，建设机械造成的事故最多，为总数的25.5%，其次是崩塌冒顶，为19.5%，坠落为14.5%，爆炸和火灾为11.7%，翻车为9.4%，飞石掉落为7.8%，起重机为5%，其他为5%。
翻车9.4% 爆破和火灾11.7% 飞石掉落7.8% 坠落14.5% 起重机5.0% 处理搬运1.2% 电气0.5% 其他5.0%崩塌冒顶19.5% 建设机械25.5% 图1 日本1976～1996年岩石隧道事故统计 Fig.1 Statistics of rock tunnel accidents in Japan from
1976 to 1996
一般来说，岩石隧道洞内作业施工过程主要有开挖、出渣、支护和衬砌，图2给出了不同施工过程发生事故频率的比较[1]。可以看到开挖、支护过程的事故所占比例较多，在1976～1996年的累计比例中，开挖为22%，支护为17%，出渣和衬砌均为14%。
在调查中，对于事故灾害发生的地点也进行了统计，见表2[2]。从中可以看，出矿山法中，掌子面及洞内事故占总数的9成以上，掌子面几乎都是岩
50 40开挖 出渣 支护 衬砌 其他 数30次 20 10 0
1976～1981 1981～1986 1986～1991 1991～1996
年份 图2 洞内各工种引起死亡灾害的统计 Fig.2 Statistics of life loss from tunnel accidents
土介质崩塌和施工机械引起的，洞内事故类型主要为施工机械的翻车及与运输有关的事例。盾构法中按洞内、竖井、掌子面的顺序占事故总数的大多数，程度基本相同。至于顶管法中竖井事故占半数以上，余下的为洞外、洞内、掌子面事故。除了以上地点，顶管法在其他地点发生事故数量也占到20%。
表2 隧道工程灾害事故发生地点统计
Table 2 Statistics of accident sites of tunnel engineering %
顺序 地点 矿山法
盾构法
顶管法
1 掌子面 64.9 25.0 3.4 2 洞内 29.8 28.6 6.9 3 洞外 3.5 3.6 13.8 4
洞口 1.8 7.1
—
5 竖井 — 25.0 55.2 6
其他
—
10.7 20.7
除了在隧道建设过程中存在灾害事故等风险之外，在隧道运营过程中，像爆炸、火灾等重大性事故也屡见不鲜。1987年11月，英国伦敦肯斯克劳斯地铁站发生火灾，导致31人死亡；1995年10月，阿塞拜疆巴库地铁发生火灾，吞噬了289条生命；1996年11月18日，英法海底隧道发生火灾，所幸人员全部安全撤离；1999年3月24日法国勃朗峰公路隧道发生重大火灾，39人死亡；1999年5月29日，奥地利陶恩公路隧道发生火灾，12人死亡，49人受伤[3]。1997年，德国就公路隧道运营中事故发生原因进行了一个简单的统计，见表3[3]。此外，在隧道运营中还受到诸如结构物耐久性问题、振动荷载、自然灾害等风险因素的影响。
3 岩石隧道工程风险分析
3.1 风险分析的基本概念
• 112 • 岩石力学与工程学报 2005年
表3 1993～1997年德国公路隧道事故统计
Table 3 Statistics of accidents in German road tunnel from
1993 to 1997 %
事故原因
高速公路隧道 (单向行车)
公路隧道 (双向行车)
32
根据风险分析的目的和阶段不同，需要考虑的风险因素也不同。在项目立项时，由于需要对项目有一个全面的把握，从而作出正确的决策，因此应该考虑到方方面面的风险，包括政策、经济、环境、社会、技术、效益、设计、施工等各个方面。而对于施工期间，为了工程的顺利完成，减少事故的发
驾驶差错 17 追尾 69 其他 13
生，侧重点就在施工风险上。在运营过程中，则主34
要表现在效益风险，以及重大安全事故风险。因此，32
从上述事故统计资料可以发现，在岩石隧道中风险因素多，不确定性强，并且损失后果往往十分严重。因此，在岩石隧道的项目决策、设计、施工、运营管理中都必须重视风险的分析，从而达到控制风险的目的。控制风险不是为了消除风险，所谓有得必有失，获得安全的同时，必然需要付出其他方面的代价，诸如增加投入，延长工期等。而风险属于潜在危险的概率，未必就一定会发生。因此，在隧道工程中最关心的是应该以多少代价作为风险成本，而要解决该问题首先应该准确地把握风险。
风险是现代社会中经常用到的一个术语，是与人类的生产生活相伴产生的。对于风险的概念可以通俗地解释为：风险就是不幸事件发生的可能性；或者说风险是一个事件产生令人不希望的后果的可能性(概率)。国际隧道协会(ITA)对风险的定义为：灾害事故对人身安全及健康可能造成损害的概率。
风险具有普遍性与不确定性两大特征。作为最简单的理解，可以把风险定义为对目标参数造成损害的概率，对于单一事件，可以用下式来表示[4]：
PR=F(Pc，C) (1)
式中：PR为项目风险(可能存在的差异程度)；Pc为差异可能出现的程度；C为风险损失，分别对应于工期损失C1，费用损失C2，质量损失C3等。
风险分析是对风险的危害性进行系统识别和对风险进行评估，通常分为如下3个步骤[4]：
(1) 风险辨识：分析所有的潜在风险因素，并进行归类整理，再进行筛选，重点考虑那些对目标参数影响较大的风险因素。
(2) 风险估计：对风险因素的发生概率和后果进行估计，给出风险的概率分布。
(3) 风险评价：对目标参数的风险结果参照一定标准进行评判。
3.2 岩石隧道的风险因素及辨识
对于风险的认识，一方面要有全局性，另一方面要有阶段性。
在各阶段的风险分析中，施工期的风险由于其事故的高发性而成为风险分析研究的焦点，在岩石隧道工程施工过程中的风险因素可以归纳为以下几个方面[5
～10]
：
(1) 自然风险
各种自然灾害，包括地震、滑坡、洪水、雷击、严寒、高温、雨季等。
(2) 环境风险
开挖造成的围岩扰动，岩体内有毒气体释放，影响地下水流，引起噪音、废气、废渣污染等。
(3) 施工风险
① 施工技术风险因素：新技术、新方法的应用困难或失败，施工工艺的落后，施工技术与方案不合理，施工进度不合理，现场工作不均衡系数大，隧道施工技术问题的不确定性，爆破控制不当，隧道轴线定位偏差，隧道变形超出控制以及质量检测技术失误等。
② 施工现场风险因素：地质资料的不确定性、工作面塌方、密封漏损、岩爆、瓦斯爆炸、有毒气体释放(硫化氢气体等)、岩溶、突涌水、洞外危崖落石、危石、洞口滑坡、施工用电事故、通讯不畅以及安全措施不力等。
③ 设备风险因素：包括隧道掘进机损坏、刀具磨损过快、施工设备备件短缺、施工设备维修不当、设备安装调试失误以及机电设备安装事故等。
④ 原材料和成品半成品材料风险因素：原材料和成品半成品的订货或供应不足、原材料和成品半成品品种和数量的差错、原材料和成品半成品质量和规格不合格、运输存储和施工损耗以及特殊材料或新材料质量稳定性等。
⑤ 进度施工管理及人员素质：施工控制计划不完善、施工控制计划可操作性差、施工控制计划组
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织机构人员不落实、施工控制信息不畅通、有效控制方法落后、管理人员素质差以及承包商和监理工程师不合作等。
(4) 重大事故风险：火灾、爆炸等。 3.3 风险估计
通常采用概率法并以试验、统计资料和专家评判为基础，对不同危害或事故的发生概率进行估计。为进行概率估计，我们会经常采用一些统计和风险分析的方法，主要有定量概率树分析、敏感度分析、德尔菲方法、层次分析法、影响图方法、蒙特卡洛法和模糊综合评判方法等等。
结果描述也是风险分析的重要部分，它为发生破坏或损坏后所应采用的补救措施提供了最基本的依据。在风险分析的这个阶段，往往采用“事故树分析”和“如果、怎样的分析法”进行分析。
在结果描述时，采用统一的形式，比如“费用”对于决策者来说是非常直观和明确的，但要把工期延误、人员伤亡、社会效益、环境破坏等全部以费用来描述，还有相当的困难，而且也未必合适。因此，对于多目标的决策问题，如何减少目标参数，从而简化分析过程，看来也非常重要。
在风险估计过程中，最重要的是得到对所关心的指标(例如质量、工期、费用)有影响的风险因素的发生概率和损失后果。例如：隧道瓦斯爆炸为一风险因素，可以通过统计资料或专家调查的方法得到发生概率Pc，以及瓦斯爆炸一旦发生，产生的工期延误及费用损失作为其风险损失C1，C2。通过对所有风险因素的相应分析，就可以得到一张风险因素发生概率及其损失的统计表。
针对所有的风险因素根据其概率进行随机组合，得到各种不同的风险组合，进而也就得到了每一种情况的概率和损失，将所有情况综合即可得到研究对象的每一个参数(工期、费用、质量)的概率分布。这种繁琐的计算可以采用蒙特卡洛方法借助计算机进行仿真模拟。 3.4 实用风险估计方法的建议
一般地，蒙特卡洛方法仍然要风险分析的专业人士才能进行，对于现场施工人员仍嫌繁琐。这里建议一种适合于隧道实际工程的方法，主要用于对控制指标的预测与监控。以对隧道变形指标的控制为例，首先给出风险度的定义[4]为
R=
σX
u (2)
X−X*
式中：R为风险度，σX为目标参数(隧道变形)的方差，uX为目标参数(隧道变形)的期望值， X*为目标参数的控制指标(变形控制值)。
根据概率理论，不难得出风险度的平方是隧道变形大于变形控制值概率的上限。因此，风险度越大，也就代表项目风险越大。这样，问题的关键就转变为如何得到隧道变形分布的期望和方差。经过对大量数据资料的分析，以及通过蒙特卡洛法的计算模拟，可以发现隧道变形的分布形式接近于正态分布，而正态分布的数学表达相对复杂，出于易操作的考虑，假设隧道变形服从伪正态分布，见图3[11]，即只需变形的下限a和上限b即可得到整个变形分布。首先参考前述的风险因素统计表，找出对隧道变形产生影响的因素及影响大小。下限即所有风险都不发生时的情况，用理论计算值代替，上限可以认为所有风险全部发生的情况，即将所有风险因素的影响综合考虑。上下限的变化范围即风险因素的影响范围，从而可得变形分布的期望和方差为
u1
X=2
(a+b) (3a)
σ1
X=
36
(b−a)2 (3b) p
率概 险风
oa b 变形
图3 变形的伪正态分布
Fig.3 False normal distribution of deformation
通过以上的分析计算，现场人员可以很方便地预测变形超出控制的程度，为下一步采取措施提供依据。该方法最大的特点就是在决定论占主导的工程技术领域，引入了概率和风险的概念，使得采用确定性(决定论)判断转化为考虑各种不确定因素的综合评判，更加符合实际工程。该方法同样适用于对其他指标的控制及预测。 3.5 风险评价
对于每种选择方案的风险都要进行评价，以便进行最终的决策，目的是使风险减至最小或是选择
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方案具有更高的期望效益。如果以主观偏爱进行选择，那么可以考虑在评估可能有的多种结果的基础上进行直接分级。
显然，同时根据一个参数进行不同选择方案的比较要容易一些。但对于多目标的决策，诸如费用、工期、经济效益、社会效应、环境保护等等，问题就要复杂得多。很可能是某一种选择只在几个方面而不是所有方面优于其他种选择，在这种情况下必须对不同目标参数给定某种加权值。而分析的过程应该结合决策者的偏好，最好有决策者参与，对不同目标的重要性进行加权[12]。 3.6 风险控制
隧道工程的风险控制无外乎是风险转移和风险自留。
风险转移就是通过保险，以及分包等形式将风险转移出去，通俗地说，就是花钱买平安，但是目前国内有关隧道方面的保险费率研究相对比较落后，而且分析基本上是由保险公司单方面进行，业主基本上不作相应研究，这显然存在很大问题。而解决的办法应该是由业主委托独立的咨询公司进行分析，但国内类似的咨询公司基本没有。因此，工程保险对业主来讲仍然存在一定风险。
对于自留的风险，应该采取相应措施进行防治，尤其是那些会造成人员伤亡或重大工程事故的风险，要尽可能地消除。如对于隧道施工引起地面下沉、建筑物开裂，可以采取的控制措施可能有[8]：分部开挖方法、超前锚杆支护或超前管棚加固、采用控制爆破技术、加强隧道开挖后的支护以及加强施工检测等。但采取这些措施之前，要进行科学性、可行性、经济性的论证和优化，使自留的风险在合理的经济指标下达到最小。
4 隧道工程风险分析框架
通过以上的分析和讨论，可以看出隧道工程的风险分析具有鲜明的学科交叉的特点，因此，分析过程中清晰的研究思路及框架是非常重要的。这里给出隧道工程风险分析过程的框图[13]，见图4。
5 结 论
(1) 岩石隧道工程相对其他建筑工程，事故发
客观概率分析 主观概率分析风险归类
风险控制措施风险后果分析
风险转移 评价及决策 风险定性及定量分析
确定决策者的效用函数 确定风险评价标准
图4 隧道工程风险分析过程
Fig.4 Process of the risk analysis for tunnel engineering
生率高，灾害后果严重，因此，在岩石隧道工程中引入风险分析技术刻不容缓。
(2) 风险分析，最重要的就是在相关人员的头
脑中建立风险概念，这是目前最缺乏的。风险是建立在概率基础上的，一定不能认为没发生就是没有风险。
(3) 对待风险，既不能忽视，也不能盲目夸大，
以至增大投入。应保持一种客观的心态去正视风险，尤其是对那些项目决策者来说这点可能尤为重要。
(4) 对于风险分析的方法研究，在我国隧道工
程方面基本属于空白，因此，建立在统计资料上的客观概率分析方法目前并不太可行。为此，工程主管单位一方面要做好调查统计工作，另一方面要重视专家及现场技术人员的主观分析，争取能尽快建立相关的数据库，为进一步的研究提供依据。 参考文献(References)：
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佘诗刚同志担任《岩石力学与工程学报》常务副主编
2004年10月12日，经中国岩石力学与工程学会第五届三次常务理事会、理事会审议通过，学会理事
长钱七虎院士批准，同意佘诗刚同志担任《岩石力学与工程学报》常务副主编。
中国岩石力学与工程学会第三届青年科技奖评审结果
经学会评选，学会常务理事会、理事会审议通过。第三届青年科技奖名单如下： 金奖：陈卫忠 尚彦军 姚磊华 刘汉龙 朱大勇 银奖：李海波 张俊云 徐能雄 邓 建 赵海滨
潘一山 马芹永 徐 平 宋建波 任建喜
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