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隧道及地下工程领域风险评估研究现状综述

花匠小妙招
2024-11-13 03:28

1、隧道及地下工程领域风险评估研究现状综述学号：12102020262 姓名：曹洲一、国外研究现状自隧道及地下工程风险评估当做一门科学来研究，人们就进行了大量科研，试图通过风险评估工具来解决隧道及地下工程的投资、安全、质量、工期、环境等风险问题，实现隧道及地下工程经济、安全、按期完工等目标。在隧道及地下工程领域，工程投资/工期风险评估上，国外开展了大量的研究工作，取得了丰富的科研成果，特别是以美国的麻省理工学院Einstein.H.H教授为首的团队。Einstein.H.H教授是世界上第一个采用风险评估来研究隧道工程不确定问题的学者，其主要贡献是提出了隧道工程应该采用风险评估来考虑不确定性问题的理

2、念用以解决工期，成本与投资风险的关系，给后来的学者指明了一个解决隧道工程不确定性问题的道路。其在1974年发表的 Geological modelfor tunnel ostmedel文章中，采用风险评估方法去研究硬岩隧道的工期与投资风险问题，并建立了一种适用于硬岩隧道的基于计算机模拟的隧道工期与成本模型，以用来估算出硬岩隧道在修建过程中考虑地质条件、生产率、生产成本等不确定因素下对工期与投资的影响程度。这个评估模型是一个允许在估算过程中，考虑不确定性因素导致评估结果出现不确定的强有力估算工具。在Einstein研究的基础之上，Einstein教授的学生，剑桥大学的Salazar.GF博士19

3、83年开展了隧道工程投资风险评估方法研究。提出了一种用在考虑不确定性因素和隧道工程造价之间的风险评价方法。研究结果表明使用了该评价方法建设的工程最终造价比以前美国的传统设计方法造价节省总造价的12%一17%。1994年Einstein.H.H教授又进一步对隧道工程的投资风险评估进行了深入研究，其文章发表在隧道及隧道工程杂志上。文章以Adier隧道为工程背景，业主方以是否考虑长期风险为条件，提出了三种施工方案。Einstei几H.H教授提出采用风险矩阵法即风险发生概率和后果等级综合评判的风险评估方法，给出了Adler隧道三种施工方案风险对总成本价格的影响程度，并对三种分析结果进行了比较，实现了A

4、dter隧道业主方希望考虑长期性能评价和工程造价方面的联系的要求。Einstein.H.H教授团队共花了20年，研发的n灯(neeisionaidsforteling)隧道风险决策辅助系统，随后投入使用。DAT系统的贡献在于它可以考虑隧道在施工过程中的包括地质不确定性和施工过程变化等各种不确定性。学者针对隧道工程风险发生的概率估算方法展开了研究，提出了采用“mediation”的方式去定量估计出隧道工程中不可预见的影响工程目标的一定事件的发生概率。而单个事件的风险损失EH.WEISS等学者指出可以通过传统的成本和时间评估获得。Clark等学者提出采用风险指数的评估方法对美国西雅图地下交通线工程

5、规划和初步设计阶段开展了地质风险、合同风险、设计和施工风险的评估工作。Kolic研究了公路隧道投标阶段可能影响其设计、施工、成本估计和合同关系方面的风险，并针对克罗地亚 MalaKapela公路隧道的设计和施工，通过引入定性和定量的风险评估方法，进行了TBM和NATM两种技术的投资风险估计，并对评估进行了比较。在隧道及地下工程领域风险管理方面，Snel等人以阿姆斯特丹南北地铁为工程背景，开展了用于地铁线路隧道工程的工期、造价和质量方面的风险研究工作，研究结果主要包括:导致风险事件发生的主要因素清单;预防措施和额外措施的IPB风险管理模式。2004年可以说是国际隧道工程风险评估高速发展年，也可以

6、说是国际隧道工程风险研究里程碑的一年，隧道工程风险评估的理念慢慢被大多数人接受，并且越越来多的在工程中得到了应用。这一年出台的隧道及地下工程领域风险管理文件，为规范和发展隧道工程风险评估研究做出了很大的贡献。国际隧协 WorkGro即11的 sorenDegnEskesen和 perTengbo等撰写了隧道工程风险管理作业指南，为隧道及地下工程提出了从工程规划阶段到开始运营整个寿命周期内一整套参照的标准。并介绍了隧道工程行业以外已经发展的风险评估技术;国际隧协主席J.Reilly和J.Brown在2004年安全、费用与风险的专题年会上，提交了隧道及地下基础设施投资风险管理及控制的研究论文。该论

7、文介绍了基于风险估算方法管理，具有复杂成本的隧道工程基础设施项目的方法，该方法称为成本估计验证过程，己经被华盛顿州交通部采用实施;英国隧道协会和英国保险协会组织编写完成了隧道工程风险管理的联合规范。2007年，欧联盟颁布了欧洲隧道安全指南,这本指南由IngeTrijssenaar(TNo)，oabriel AlexanderKhoUry(FSD)，MensoMolag(TNO)联合制定。指南是在对整个欧洲的隧道工程(包括:公路隧道、铁路隧道)的基础上通过调查、识别、评估提出的，并给出了控制风险事故发生和事故后果的方法，目的在于完善和发展2006年泛欧联盟制定的2004/54甩C法规上的对隧道安

8、全的最小需求。在风险评估方法研究方面，国外也有不少的科研成果。B.Nilsen学者结合海底隧道开挖过程中地质复杂、多变性的特点，开展了海底隧道风险评估方法研究。B.Nilsen指出海底隧道施工建设中由于地质条件复杂具有比较大的工程风险。为了估算出海底隧道事故的发生概率以便来控制风险，提出了引入Lichtenberg方法来开展定性风险评估工作，并建立了适用于海底隧道工程风险评估的框架图。R.sturk，Lolsson，J.Johansson三位学者展开了以调查、统计和概率的方法对大型公路隧道工程可行性研究阶段的风险分析与决策进行了研究工作。研究工作以准备开工建设的斯德哥尔摩环形公路隧道为工程背景

9、，成立专业调查小组，对斯德哥尔摩环形公路隧道隧道的土壤、岩石和地下水，以及修建后对周围环境的影响、隧道修建的标准要求，都做了详细的调查工作。并运用数学统计理论对调查结果进行了数学分析，同时结合己有的风险评估方法，给出了一套更为严格的应用在工程风险评估方面的方法。为了简化还以此研发了一套大型复杂公路隧道风险分析及风险决策软件支持系统。R.Sturk等人以公路隧道修建为风险评估对象开展的风险评估研究，考虑了众多不确定性因素，分析目标也包括了安全风险、投资风险以及环境风险，可以说是一套比较完整的风险评估系统。K田卫pm对隧道工程(地铁项目)的风险类型、风险估计模型进行了研究。提出了隧道工程包括40多

10、种灾害的10种风险类型结果表，以及对事件发生的可能性、影响结果提出了具体的分类体系。根据提出的风险因素引入蒙特卡罗方法和计算机电子表格，构建了地铁风险估计模型。风险评估是一门新兴的交叉边缘学科，其雏形则可以追溯至公元前916年的共同海损制度和公元前400年的船货抵押制度。那时候人们已经认识到了风险因素的存在，以及这些风险因素可能会导致事故或者严重损失的可能性存在，但是人类真正把风险当做一门学科来研究是近代历史的事情。德国应该算是开始风险评估研究最早的国家之一，然而风险评估工作真正得到系统化、专业化研究，使之成为一门独立学科开展研究却是在美国。其后风险评估研究渗透到了非常多的学术领域，其中包括了

11、隧道及地下工程。在隧道及地下工程领域风险评估方面，美国麻省理工学院的Einstein.H.H教是代表人物。20世纪70年代Einstein.H.H教授首次将风险评估理论引入到隧道及地下工程领域中。其后全世界掀起了一股开展隧道及地下工程风险评估研究的热潮，50多个国家的相关学者开始进行了大量的研究。经历了30多年的发展历程，取得了丰富的研究成果，同时在工程领域中得到了大量的应用。我国于90年代才开始关注隧道及地下工程领域的风险评估工作。真正开始相关工作研究应该是在2001年3月马耳他会议评估还走上了程序化道路，比如麻省理工学院学院开发的DAT隧道工程风险评估决策系统以及美国华盛顿州交通部的CEV

12、P程序等。二、国内研究现状我国在隧道及地下工程的风险评估方面的研究起步较晚，但是近年来国内隧道工程风险评估研究工作进入了突发猛进的阶段，许多科研机构和高校开展了风险评估理论、程序开发和应用方面的研究，并取得了一定的成果。最早从事隧道及地下工程风险评估和管理研究应该属于同济大学的丁士昭教授。从1989年开始，由丁士昭教授牵头领导的同济大学和上海启明软件有限公司(中日合资)组成的科研小组历时两年，开发出了PMIS一SM(管理信息系统)系统，该系统是集成工程风险评估与管理为一体的综合管理辅助系统，并首次在上海市地铁一号线工程上应用，取得了成功。毛儒教授较早的把国外隧道工程风险评估与管理方面的技术引入

13、国内，论述了在我国推广风险评估与管理的重要性;路美丽等人探讨了地铁工程风险的定义、风险管理的定义及其内涵，从风险因素辨识、风险分析和评估、风险响应个方面详细分析了一般大型工程项目风险评估的研究现状。隧道及地下工程的风险评估方法及其理论研究方面，我国学者开展了相关工作，其中包括了风险因素识别研究、风险分级研究、以及工期风险、安全风险、质量风险等各类风险的估计方法研究。早期国内的风险评估理论方面的研究主要是结合可靠度来进行分析，比较有代表的学者有天津大学的白峰青教授，范益群教授等人。白峰青教授利用隧道稳定性的风险决策模型中，引入可靠性因子的方法，开展隧道工程项目的风险设计与决策研究，并对地下工程的

14、风险进行评价，结合具体实例探讨了地下工程风险评估与决策的方法和步骤。范益群教授以可靠度理论为基础提出了地下结构的抗风险设计概念，计算出基坑、隧道等地下结构风险发生的概率，定性评价风险造成的损失，并提出改进的层次分析法。毛儒教授开展了沉管隧道和圆形隧道的主要风险事故研究，并用风险矩阵法进行了沉管隧道和圆形隧道的风险评估分析，对评估结果还进行了比对。李林，李树承等学者在基于风险分析的项目工期的估算方法研究中提出，从分析影响项目工期的风险因素出发，确定其分布，并确定各种风险因素对各活动的影响，在此基础上确定项目工期，通过多次模拟确定项目工期的概率图，最后确定项目工期的分布和期望，该方法比传统的PER

15、T方法有了更大的改善。可以方便地判断出各种风险因素所起的作用的大小，为控制项目主要风险提供了一种科学的方法。台湾的游步上、沈劲利学者，应用多属性效用理论 (MultiPleAttributesutilityThcory)，从施工单位的角度出发，对隧道工程风险评估的决策程序作了完整的探讨52。徐上进学者，结合隧道工程施工风险的特点，介绍了风险评估与管理的过程及方法，并采用故障树法对隧道施工可能出现涌水的风险进行了评估，举例说明了风险评估方法在隧道施工中应用的实用性和可行性。吴贤国，王锋等人开展了使用R=Pxc风险矩阵法评估水下盾构隧道施工风险的研究。以黄宏伟教授为领导的风险评估小组在隧道工程投资

16、、工期、安全、质量风险评估方面都有相当深入的研究，提出了一种基于信心指数专家调查法的风险评估方法;将信息论中的嫡和嫡权概念引入地下工程风险评估中开展了相关研究。张国亮，张振刚等人采用风险乘数法对某个采用浅埋暗挖法施工的地铁车站结构施工风险进行了风险评估研究。1987年郭仲伟教授出版了风险分析与决策，全面详尽的介绍了风险分析相关理论及其方法，并对国内外风险研究成果做了综述，影响意义较大。1994年韩文秀、刘金兰综合模糊集和影响图理论创立了模糊影像图方法，并对该方法进行了初步研究;19%年结合大型建设项目的风险特点，在大型工程建设项目风险分析方法及应用中提出了大型工程项目动态风险分析法，并对其有效

17、性进行了验证;1997年于九如教授结合三峡工程风险分析结果，撰写了投资项目风险分析，对大型工程中应用风险分析作了理论性上的探讨;1997年邱忠恩、黄建和、王忠法在风险分析方法与三峡工程投资风险分析中应用图示评审技术和含相关因素处理的蒙特卡洛随机模拟相结合的计算模型，对风险进行了量化分析;1998年杨建平、杜端甫在项目风险的一种模糊分析方法中提出用三角模糊数表征项目风险，分析比较三角模糊数大小来评判风险的大小，进而评估项目的优劣;2000年沈国柱在风险模糊分析法中初步讨论了风险模糊综合评判法在风险分析过程中的应用，揭示出风险模糊现象的有限范围特征和定性定量相结合的风险分析方法，便于对风险的模糊性

18、、不确定性以及随机性进行量化;2001年侯福均、肖贵平等人在模糊事故树分析及其应用研究中对基于三角模糊数算数运算的事故树分析方法进行了探讨，结合工程实际提出将不同模糊散转换成三长安大学硕士学位论文角模糊散，并给出了转换方法;2002年张建设、钟登华在基于AllP的工程项目风险分析方法中提出了基于层次分析法的工程项目风险分析法，采用该法对风险因素进行了重要度排序、风险度评价以及风险相应措施的选择;2003年余建星等人在基于过程分析的工程系统风险分析方法中提出了基于过程分析的风险分析法，对工程系统进行全面的描述，并给出了系统风险事件分布;2003年王晓东、柳再生在模糊神经网络系统在黄河防洪决策中的

19、应用中结合模糊系统与神经网络建立了决策分析模型;2004年朱木秀等人在风险分析方法研究中分析了目前常用的几种风险分析方法，提出了风险评价指数矩阵法;2004年程锡礼、张延林、崔新生在蒙特卡洛仿真在工程项目进度管理中的应用中运用蒙特卡洛法对工序时间具有随时性的复杂工程项目进行仿真，找出了该项目的关键工序并获得项目的完成时间分布;在对一新项目的仿真模型中，通过采用蒙特卡洛法处理工序时间的不确定性，获取了项目完成时间的频数图和相关统计量，通过灵敏度分析确定了各工序对项目完成时间变动的影响程度;2004年王志国在抽油泵可靠性的故障树及模糊综合评判中通过结合故障树分析和模糊综合评判分析建立了组合分析法，

20、并对对抽油泵进行了可靠性分析;2005年吴剑国、贺海挺、张爱辉在跨流域调水工程失效概率的模糊事件树分析方法中中基于L一R型模糊化函数和事件树分析法对跨流域调水工程结构体系的失效概率的模糊化做了初步研究;2005年李安云在层次分析法在工程项目管理中的应用中全面介绍了应用层次分析法分析项目风险的步骤、方法，以及应对措施。三、总结陈述综上所述，国外从1974年第一篇隧道工程风险评估文章面世以来，共发展了35年，其研究成果丰富，进步非常迅速。国外隧道工程风险评估研究的对象主要是公路隧道、地铁以及海底隧道;风险评估的方法从定性定量都有一定的研究，但国外研究不确定性的问题主要是针对不确定性因素对隧道工程的

21、投资与工期的影响来展开，风险管理对风险评估的影响未做深入研究。国外隧道工程风险学位论文第一章绪论因素，对隧道掘进的各个施工阶段现有的状况或者额外信息可能改变了规划(路径、工期和成本)，不但可在时间一成本配对的基础上，也可以在时间一成本不确定的基础上，对备用的走线和施工方法进行比较。该系统在多个国家多个项目上进行了应用，可以说是隧道风险评估软件中目前考虑因素最完善、评估结果最可靠、最智能化的一套系统。2004年对DAf系统进行了一次从硬件到软件上的升级，输速度更快、效率更高，而且还增加了对盾构隧道工期和成本评估等其他功能。2005年再一次更新了对投资、工期估计信息，引入了最新的投资、工期的评估方

22、法方面的成果。Isaksson，ReillyJ.J等人对盾构隧道的投资风险评估进行了研究。提出了盾构隧道在考虑了潜在事件发生的可能性及其影响结果以及不同地质因素对生产率响的总成本表达式，并将其提出的投资风险估计模型在瑞士Grauholz隧道，选择不同盾构隧道方法中进行了应用。Duijvestijn等人对阿姆斯特丹城市南北线地铁工程初步设计阶段，各方案的成本风险图和结构的可靠度进行了研究，提出了采用定量风险评估的手段，在最终设计过程中对影响工期、成本、技术质量和安全的所有可识别的风险进行了广泛的风险评估，是一项很好的风险评估应用案例。四、实例分析1、隧道概况祥云隧道位于湖南省醴陵市东富镇牛丫红村

23、和莲石村交界处，为单洞双线隧道，隧道长度273m。线间距5.0m。起讫里程DK825+997DK826+270，中心里程DK825+133，围岩类别：级118m；级155m。祥云隧道设计标准高，围岩地质较差，为和级围岩，施工中存在一定的施工安全风险。2、评估对象及目标评估对象为祥云隧道施工中可能出现的安全、环境、工期、投资及第三方等各方面风险。拟通过风险评估，确定风险等级，并针对各项风险因素（事件），拟定初步处理方案，以将各类风险降到可接受的水平。3、风险评估程序和评估方法3.1、基本情况调查在施工图阶段的风险评估结果基础上，结合实施性施工组织设计，对祥云隧道进行评估。该隧道采用钻爆破法施工，

24、对塌方、瓦斯、突水（泥、石）、岩爆、大变形等典型风险进行评估。通过对勘测资料、设计图等进行分析，祥云隧道不涉及瓦斯、突水、岩爆、大变形等风险，主要风险因素见下：祥云隧道基本情况调查表里程范围长度（m）围岩级别风险事件成因起始里程终止里程DK825+997.00DK826+030.0033V塌方Dyl砂岩、粉砂质岩，紫红色，薄-中层状，W4W2，全、强风化层厚度为约610m，岩层产状315°<35°，节理裂隙发育，主要发育两组节理，产状：200°<50°，235°<55°，地下水主要为基岩裂隙水，水量不大，洞口附近埋深

25、较浅，岩体破碎，且粉砂质岩岩质较软，遇水易软化，施工易引起洞顶及洞壁的塌方，施工应做好支护措施。DK826+030.00DK826+050.0020IV掉块DK826+050.00DK826+113.0063IV掉块Dyl含砾砂岩、粉砂质岩、砂岩，局部层状、透镜状砾岩。黄褐紫红色，薄-中层状，洞身通过地段主要为基岩强弱风化，岩体节理裂隙发育，岩体较破碎，易行成掉块及小规模的塌方，施工应做好防护措施，地下水主要为基岩裂隙水，水量不大。DK826+113.00DK826+133.0020IV掉块DK826+133.00DK826+148.0015V塌方表层Q4l+pl粉质粘黏土，黄褐色，硬塑。厚约

26、0.55.0m，下伏Dyl含砾砂岩，紫红色，薄-中层状，全弱风化，全、强风化层厚度为2030cm，全风化呈砂土状，强风化岩体破碎，岩层产状245°<45°，节理裂隙发育，洞身通过地段主要为基岩全、强风化，地下水主要为基岩裂隙水，水量不大洞口附近埋深较浅，岩体破碎，施工易引起洞顶、洞壁围岩坍塌，施工应做好支护措施DK826+148.00DK826+165.0017V塌方DK826+165.00DK826+205.0040V塌方DK826+205.00DK826+235.0030V塌方DK826+235.00DK826+246.0011V塌方DK826+246.00DK8

27、26+270.0024V塌方3.2、危险源清单根据以上分析，本隧道施工中存在的主要风险为：坍塌和掉块，因此对祥云隧道主要存在的风险因素进行识别，识别结果见表下表：祥云隧道危险源调查与风险评价一览表序号危险源相关运行或活动可能导致的事故或危害风险评价控制计划1洞口失稳边、仰坡有危石；洞口天沟、边沟排水设施不畅；洞口未及时支护或衬砌。坍塌、物体打击一般措施控制2开挖面失稳未严格执行爆破方案；爆破后未及时清理危石；初期支护不及时。坍塌、掉块重大措施控制、应急预案3支护结构变形未及时施作二衬和仰拱，二衬距掌子面超过100-120米；仰拱距掌子面超过50-80米。坍塌重大措施控制4隧道粉尘超标洞内施工打

28、干风枪；初喷作业人员未戴防尘口噪；通风设备不满足要求。尘肺病一般措施控制5岩石坠落松动石未清除；工作区非作业人员停留；进隧道未戴安全帽。物体打击一般措施控制6临时用电高压电进洞，安全防护不到位；未严格执行“一机一闸一箱一漏”；未采用防爆型的电气设备；隧道内未使用防潮绝源导线。触电一般管理方案、措施控制7注浆、压浆机违章作业注浆管喷嘴对人放置；拔除压浆机喷嘴时未先撤除压力。高压液体伤人一般措施控制8装碴、运输不当装碴过程，漏斗下及回转范围有人通过；进洞车辆人料混载；洞内运输行驶超车；超载、超宽、超高运输。机械、车辆伤害一般措施控制9风枪、空压机噪音、振动伤害风枪作业未戴耳塞；风枪作业时间超标；空

29、压机操作人员作业时间超过8小时；操作人员住在空压机房。噪音耳、振动病一般措施控制3.3、风险评估内容借鉴安全评价思路，风险评估以定量、半定量为主，结合现有统计数据及现行规范、规定进行，根据已掌握的勘测、设计各方面资料分析确定各风险因素导致的风险事件可能发生的概率和可能产生的后果。铁路隧道风险分级包括：事故发生概率的等级标准、事故发生后果的等级标准和风险的等级标准。隧道风险等级综合考虑隧道工程地质、投资、工期和技术难度等因素确定。事故发生概率和后果分级标准分级因子12345事故发生概率的等级很不可能不可能偶然可能很可能事故发生后果的等级轻微的较大的严重的很严重的灾难性的依据铁路隧道风险评估暂行

30、规定（报批稿）风险等级标准将风险指数分为“极高（级）、高度（级）、中度（级）、低度（级）”四个等级。风险评估结果见下表：风险等级标准后果等级概率等级轻微的较大的严重的很严重的灾难性的12345很可能5高度高度极高极高极高可能4中度高度高度极高极高偶然3中度中度高度高度极高不可能2低度中度中度高度高度很不可能1低度低度中度中度高度风险接受准则风险等级接受准则处理措施低度可忽略此类风险较小，不需采取风险处理措施和监测。中度可接受此类风险次之，一般不需采取风险处理措施，但需予以监测。高度不期望此类风险较大，必须采取风险处理措施降低风险并加强监测，且满足降低风险的成本不高于风险发生后的损失。极高不可

31、接受此类风险最大，必须高度重视并规避，否则要不惜代价将风险至少降低到不期望的程度。祥云隧道风险评价与风险处理措施里程范围长度（m）风险事件初始风险风险处理措施起始里程终止里程概率等级后果等级风险等级DK825+997.00DK826+030.0033塌方44高度加强超前地质预测预报工作，洞口长管棚支护，三台阶临时仰拱法（设临时钢架）施工DK826+030.00DK826+050.0020掉块32中度加强超前地质预测预报工作，超前小导管支护，三台阶临时仰拱法施工DK826+050.00DK826+113.0063掉块32中度加强超前地质预测预报工作，超前小导管支护，三台阶临时仰拱法施工DK826

32、+113.00DK826+133.0020掉块32中度加强超前地质预测预报工作，超前小导管支护，三台阶临时仰拱法施工DK826+133.00DK826+148.0015塌方44高度加强超前地质预测预报工作，双层小导管预支护，三台阶临时仰拱法（设临时钢架）施工DK826+148.00DK826+165.0017塌方44高度加强超前地质预测预报工作，双层小导管预支护，三台阶临时仰拱法（设临时钢架）施工DK826+165.00DK826+205.0040塌方44高度加强超前地质预测预报工作，洞口长管棚支护，六步CD法（设横向临时钢架）施工DK826+205.00DK826+235.0030塌方44高

33、度加强超前地质预测预报工作，明挖，加强超前地质预测预报工作，边仰坡采用喷锚网或骨架护坡，施工避开雨季，并做好截排水措施。DK826+235.00DK826+246.0011塌方44高度加强超前地质预测预报工作，明挖，加强超前地质预测预报工作，边仰坡采用喷锚网或骨架护坡，施工避开雨季，并做好截排水措施。DK826+246.00DK826+270.0024塌方44高度加强超前地质预测预报工作，明挖，加强超前地质预测预报工作，边仰坡采用喷锚网或骨架护坡，施工避开雨季，并做好截排水措施。祥云隧道残余风险及处理措施里程范围长度（m）风险事件残余风险残余风险处理措施起始里程终止里程概率等级后果等级风险等级DK825+997