吴剑疆，罗立哲

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010)

深埋长隧洞已在我国众多水利、铁路和公路等工程中广泛运用，但受自然地理条件和人为因素影响，施工存在各种不确定性风险。如不采取措施加以控制，可能带来巨大的人员伤亡和财产损失；反之，则可以较小的经济代价取得较大的安全保障。工程风险评价与控制是在综合工程学、经济学、管理学、概率统计学、系统学等多学科和现代工程技术的基础上，逐步发展形成的交叉性新兴科学。其目标是通过辨识、评价、控制和处理工程建设过程中因不确定因素而引发的风险，防止和减少损失，减轻和消除风险不利影响，以较低工程成本取得对项目安全保障的满意结果，保障项目的顺利进行。目前，铁路和公路等行业对隧洞施工风险评价和控制已有研究，并制订了相应的风险管理标准，但水利行业鲜有研究。

1 深埋输水隧洞施工风险因素

与普通隧洞相比，深埋输水隧洞具有线路长、埋深大、工期长，前期勘察难以实现对不良地质风险因素的准确预见，施工通道布置、开挖出渣和施工通风等技术难度大等特点。基于上述特点，安全事故发生的原因往往具有多样性、复杂性和不可预知性。根据深埋隧洞可能遇到的特殊不良地质条件，其施工风险可归结为岩爆、软岩大变形、涌水突泥、有毒有害气体、高地温与放射性物质等因素。

2 深埋输水隧洞施工风险评价思路及方法

2.1 风险评价技术框架

风险评价与决策对于工程建设的意义在于前瞻性与预判性。在前期工作阶段，风险评价人员能掌握的资料相对较少，可基于此阶段已掌握资料对深埋长隧洞施工风险进行粗评，提供此阶段风险决策依据。在详图设计阶段与工程施工阶段，工程的地质揭露、设计深度以及现场组织等工程建设的重要方面均已完备，风险评价人员可基于此阶段掌握资料，在粗评基础上进行专评，并对评价结果进行分级，为工程建设下一步决策提供依据和参考。具体技术框架如图1所示。

图1 深埋隧洞风险分析技术框架图

2.2 深埋隧洞施工风险粗评

深埋输水隧洞施工风险粗评主要目的是在掌握资料相对较少的情况下，对深埋隧洞进行风险初判，以初步评判评价对象的风险等级且判定待评价对象是否需进行专项风险评价。深埋隧洞施工风险粗评可采用赋值打分法与专家打分相结合的方式进行评价，主要考虑隧洞地质条件、断面尺寸、隧洞埋深、施工条件等因素，形成施工风险粗评表，见表1。分值采用下式：

表1 深埋输水隧洞工程施工粗评指标表

R=G(A+L+D+S+C)

(1)

式中，G—隧洞线路周围地质条件赋分值，围岩情况按围岩分类及长度占比进行评分，富水情况按沿程涌水突泥出现可能性进行评分，有毒气体含量按有毒气体出现可能性进行评分；A—开挖断面大小所赋分值，尺寸越大，分值越高；L—施工开挖单作业面长度所赋分值，长度越长，分值越高；D—隧洞最大埋深所赋分值，埋深越大，分值越高；S—成为隧洞断面形式所赋分值；C—隧洞进出口施工难易程度所赋分值。

当计算出R值超过一定分值时，隧洞纳入专项风险评价范围，本文采用20，即当R≥20时，隧洞进入深埋隧洞施工风险专项评价。

2.3 深埋输水隧洞施工风险专项评价

2.3.1技术路线

专项风险评价是在粗评基础上，对评价值偏大的隧洞进行进一步的细评，技术路线为：隧洞风险分段→专项风险评价指标体系构建→分段风险概率分析→分段风险损失分析→专项风险分析。在深入分析深埋隧洞施工风险因素且将各风险因素分解为致险因子的基础上，构建专项风险评价指标体系。然后基于隧洞分段机制，将待评价的深埋隧洞进行风险分段，选择适当的风险分析方法，对待评价的深埋隧洞分段开展风险概率评价与风险损失评价，最终得到深埋隧洞的专项风险分析结果。

2.3.2评价指标体系

建立全面、有效、实用的深埋隧洞施工风险评价指标体系是进行专项风险评价的基础，也是得到具有一定可信度的风险评价结果的重要保证，需遵循全面性、针对性和易采集性的原则。指标包括深埋隧洞施工中主要风险因素，在一定程度上符合深埋隧洞施工特点，且考虑各因素所需数据取得的难易程度，以保证指标体系的正常使用。本文主要针对岩爆、软岩大变形、涌水突泥、高地温、有毒有害气体、放射性物质等6个重要地质风险因素，构建隧洞专项施工风险的评价指标体系。施工专项风险为目标层，6个风险因素为一级指标作为准则层，10个风险因子为二级指标作为指标层，如图2所示。

图2 深埋隧洞专项施工风险评价指标体系

2.3.3专项风险分析

不同隧洞穿越地质条件差异较大，施工方案、管理水平等诸多因素也不尽相同，因此不同工程施工风险差异较大。遵循充分性、适用性、针对性和系统性的原则，选择合理的评价方法是深埋输水隧洞施工专项风险评价的关键。本文采用模糊层次综合评价法进行专项风险概率评估，采用专家调查法与层次分析法相结合的方式对专项风险损失进行评估。模型如图3所示。

图3 深埋隧洞施工专项风险评估模型

(1)专项风险概率评估模型

①建立风险概率评估的风险因素集与评价集，风险因素集为U={u1，u2，…，um}，风险概率评估集为V={v1，v2，v3，v4，v5}。

②确定施工风险因子隶属度函数。根据模糊集合理论，制定评判标准，将其量化后成为风险因子隶属度函数的变量，进而代入函数得到该风险因子对相应风险因素的风险概率评估结果。

④施工风险因素风险概率分析。评价采用自下而上方式，先对第一风险因素ui进行评价，可得到风险概率的模糊矩阵R。

将模糊关系矩阵R和风险因子权重集W进行合成，计算得到某项风险因素的模糊综合评价向量B。

在此基础上，再依次对其他风险因素进行评价，最终得到各风险因素的风险概率等级与深埋隧洞施工风险等级。

(2)风险损失评估模型

与深埋隧洞施工直接相关的风险损失主要为风险事故发生后的直接经济损失、工期损失和人员损失，本文将以上三类损失作为专项风险损失评估对象，采用专家调查法评估风险损失等级。专家综合考虑经济损失、进度损失与安全损失，根据表3对风险损失程度进行打分，按一般、较大、严重、很严重、灾难性五个级别分别赋值为1、2、3、4、5。打分遵循就高原则，以三项损失中的最高分为准。

表3 风险损失等级与量化区间关系

3 工程实例

3.1 工程概况

滇中引水工程为解决滇中地区严重缺水问题的大型跨流域调水工程，其中香炉山隧洞2#施工支洞位于中甸褶皱带(Ⅲ1)所属的三级构造单元东旺-巨甸褶皱束内，紧邻龙蟠-乔后断裂。支洞在桩号XJ2K1+050m～XJ2K1+255m揭露龙蟠-乔后断裂带西支断裂(F10- 1)，轴线与断裂带方向小角度相交。支洞区50年超越概率10%水平向地震动峰值加速度值为0.3g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

隧洞一般埋深150～400m，最大埋深420m，施工期揭露的绿帘石(石英)片岩与薄层状绿泥片岩呈软硬相间互层状或夹层状分布，以小锐角斜切层面的中～陡倾角裂隙为主，局部为裂隙性断层，带内岩质松软、破碎。支洞由水平段、井身段、井底车场段及岔洞组成，总长1255.50m。水平及井身段按“双线四轨车道”设计，净断面尺寸为6.5m×6.0m(宽×高)。

3.2 风险粗评

根据风险粗评模型，对香炉山2#施工支洞进行风险粗评。支洞Ⅴ、Ⅳ围岩长度占全隧洞长度70%以上。隧洞洞身段断面尺寸39.90～57.04m2，属中断面；车场段90.24m2，属大断面。支洞单工作面长度为1217.5m，属长工作面长度。最大埋深约420m，属深埋隧洞。断面型式为城门洞型，施工条件较差，施工条件属于困难。风险粗评得分60，大于专评标准，香炉山2#隧洞进入风险专评。

3.3 风险专评

基于对香炉山隧洞2#施工支洞的主要风险源识别，拟定隧洞的专项风险指标体系如图4所示。

图4 香炉山2#隧洞施工专项风险评估指标体系分解图

根据香炉山隧洞2#施工支洞特性，拟定风险分析指标层评判标准与对应量化区间。根据施工支洞具体情况，评估施工专项风险各项指标因子参数，见表4。根据各项指标因子参数，应用属度函数，计算出各指标因子对于不同概率等级的隶属度，然后根据调查分析，确定指标层各指标因子对准则层各因素的权重与各因素对目标层的权重，进而计算各类风险发生概率评估结果，见表5—6。同时，对香炉山隧洞2#施工支洞风险损失程度进行调查，确定支洞的风险损失向量和准则层各风险因素对目标层的权重向量，并计算香炉山隧洞2#支洞综合风险损失值，见表7。香炉山隧洞2#支洞准则层各风险因素对目标层的权重向量为W=(0.33，0.21，0.36，0.10)，香炉山隧洞2#支洞综合风险损失z=Z.WT=2.79。最后，利用风险矩阵法构造深埋隧洞施工专项风险的风险等级矩阵，并得到施工风险分级，如图5所示。

表4 香炉山隧洞2#施工支洞各指标因素参数

表5 香炉山隧洞2#施工支洞施工专项风险各因素指标模糊评价矩阵

表6 香炉山隧洞2#施工支洞施工专项风险概率评价表

表7 香炉山隧洞2#施工支洞施工风险损失程度调查统计表

图5 香炉山2#施工支洞施工风险分级图

4 结语

随着我国社会经济的快速发展，生产生活对水资源的需求日益增强，建设长距离调水工程已成为解决水资源不均衡的重要举措。隧洞因可以大大缩短输水线路长度，减少建筑物数量和移民占地面积，减小工程运行管理难度，在工程实践中获得了广泛运用。但隧洞工程建设具有高风险性，特别是深埋输水隧洞往往穿越诸多不良地质，建设过程存在大量风险因素。识别和评价深埋输水隧洞施工过程中可能遇到的风险，建立风险分级与控制机制，减少或避免因风险因素带来的重大施工灾害损失和工期延误，是深埋输水隧洞施工必须关注的重要内容。因此，有必要针对深埋隧洞开展施工安全风险评价，建立考虑特殊地质条件、工程设计要素和施工管理等风险因素的评价指标体系，确立风险评价流程、评价模型及分级标准及管控机制。在项目前期阶段，由于掌握的资料相对较少，可考虑隧洞地质条件、建设规模、地形条件、隧洞结构等方面的因素，采用赋值打分法与专家打分相结合的方式进行粗评，为项目风险决策提供依据；项目实施阶段，可在粗评的基础上，根据获取的进一步工程资料，深入分析隧洞施工致险因素，构建专项风险评价的指标体系，对隧洞分段展开风险概率评估与风险损失评估，为隧洞的设计和施工提供指导。