（中铁西北科学研究院，甘肃，兰州，730000）
Overview of Tunnel Collapse Risk Assessment
Nan Yuhong，Zhao Song，Yang Zhengmao
（China Railway Northwest Research Institute, Lanzhou, 730000）
【摘 要】将隧道塌方风险评估研究按侧重点分为理论研究和应用研究两个方面予以论述。描述了隧道塌方风险评估问题国内外研究现状、主要模型、技术特点及存在的问题，并对下一步研究方向进行了展望。
【关键词】隧道工程；塌方；风险评估；综述
【Abstract】The question of tunnel collapse is analyzed in two ways, that are theory research and application research. The state, main models, technologies and disadvantages are surveyed in this paper. The paper ends with a short conclusion and future work.
【Key words】tunnel engineering; collapse; risk assessment; overview
引言
近年来，我国基础设施建设得以大力发展，海底隧道、山岭隧道和地下隧道等隧道建设进入高潮。塌方成为最严重的隧道工程灾害之一。据我国资料统计[1-3]，南昆铁路隧道工程中，隧道塌方率为15％。青藏铁路关角隧道建设中，塌方事件60余起。在建兰新铁路第二双线某段的6座隧道施工中发生大小塌方64次，直接经济损失7800万。在建的兰渝铁路隧道工程，发生30次塌方事件，直接经济损失2100万。1994~2010年间300例隧道塌方事故的统计分析结果显示，公路隧道、铁路隧道、地铁隧道事故比例分别为69. 3%、26%、4.7%。塌方事件成为影响隧道工程安全的首要问题。隧道塌方风险评估和预防成为解决隧道塌方问题的关键。隧道塌方风险评估是预防塌方事件发生，将损失降低在可控范围内的重要途径和措施。我国铁道部先后发文[4]强调铁路隧道应进行风险评估与管理，风险评估和管理必须贯彻在铁路隧道设计和施工全过程中。目前，国内外关于隧道方面的研究，主要集中在设计及施工技术方面[5-9]，塌方风险评估方面的研究，也取得了一定的成果。
根据研究的侧重点，将隧道塌方风险评估研究分为理论研究和应用研究两方面。两个方面研究成果对于隧道工程建设管理提供了一定参考，但其实用性仍是下一步应关注的重点。
1．理论研究
1.1风险管理
十九世纪五十年代，欧美一些大公司受到了重大损失，开始对风险管理以学科的形式进行研究，并逐步形成了一定的理论，建立了风险管理的雏形。上世纪七十年代，Einstein.H.H建立了TCM（Tunnel Cost Model）模型，用来分析隧道成本，将风险管理理念应用于空间工程和隧道建设中，引起了国际上对施工安全管理的研究，并逐渐形成了独立的理论系统[10]。地下工程风险评估体系主要包括三部分：理论模型、技术方法和应用研究。2004年，McFest-Smith对50多个亚洲隧道的风险数据进行统计分析，提出了MS风险评价体系。该风险评价体系由33个风险类型组成，包含15个风险种类。同年，Hyun-HoChoi对地铁施工风险评估模型进行了简化，将工程风险评价方法分为风险识别、风险分析、风险评价和风险管理四个步骤，根据模糊理论建立了不确定性模型对不确定性范围进行分析，风险评估主要根据专家的经验判断并结合风险相关数据进行，从而建立了一套标准化的地下工程评价方法。2009年Hyu-Soung Shin 等建立了与实测数据拟合度较好的风险评估模型。
相对于国外，国内风险管理方面的研究起步较晚。二十世纪八十年代，中国处于改革开放初期，经济发展相比发达国家较为落后，市场多数商品处于供不应求阶段，较小的市场竞争风险限制了风险管理的应用。随着经济发展中各种问题的出现，风险管理理论逐渐被我国企业引用。尤其是近年来，高速公路建设和高铁建设的高速发展，进一步促进了隧道安全风险管理的研究。2001年，在广州地铁一期和上海地铁1号线的隧道工程建设中，丁士昭首次将风险管理理论应用于施工项目管理。2004年，陈龙建立了城市软土盾构隧道施工阶段风险评估模型，提出了“信心指数法”，处理专家调查数据。2005年，姚宣德等运用动态控制原理，从动态系统风险评估的角度，给出了地铁工程风险评估系统的理论框架及构建框架时应注意的问题。
1.2 风险评估方法
1996年R.Sturk等人以地下工程为研究对象，从风险和可靠性的角度，利用故障树法尝试评估公路隧道风险，使用概率和统计分析的方法，结合风险分析工具，建立了一个风险分析系统，并将该系统应用于斯德哥尔摩环形公路隧道工程设计方案的选优中。2002年，Clark使用风险指数评估方法对美国西雅图地下交通工程规划和初步设计方案进行了风险分析。Isaksson在估算隧道工程成本中，给出了工程总成本模型，在瑞士将该模型使用于实际项目中。该工程总成本模型考虑了不希望潜在事件发生的可能性，影响结果和不同地质因素对工程建设的影响。在风险评估工具开发方面，美国华盛顿国家运输局在费用估算中，考虑了“可能费用”，提高了预测的精度，并开发了CEVP软件，并通过了美国联邦运输局的软件鉴定。同时，美国联邦运输局要求将风险费用作为以后费用估计必须考虑的因素。姚雪梅于2010年，在对国内风险管理及风险识别方法综述的基础上，建立了地下工程施工安全风险指标体系，该体系包括风险识别、风险评估、指标体系更新和施工动态监控四大模块。
2．应用研究
2.1 应用研究
1999年，针对隧道工程建设常用的矿山法、盾构法和顶管法，佐藤久采用统计方法对日本地下工程事故进行分析，并在隧道风险监控管理中使用了SIT系统统计数据。2004年Eskesen提出了一套关于隧道及地下工程整个生命周期（从工程规划阶段到开始运营）的参考标准，包括40多种具体灾害、10种风险类型和48项降低哥本哈根地铁风险的措施。Woude研究了整个Betuweroute盾构隧道建设中的风险管理问题。在初步设计和投标阶段进行了风险分析，在详细分析设计和隧道工程施工阶段进行了风险监控和控制，说明了风险管理在隧道建设各阶段的应用过程，明确了各阶段风险管理具体内容及责任人。
2002年，上海同济大学做了17个关于沪崇通道风险评估研究的专题报告，包括工程前期选线风险分析、施工风险管理、环境保护风险分析、运营事故控制风险分析、财务风险分析等。2004年，中铁西南科学研究院对宜万铁路野山关隧道展开了环境风险和安全风险评估研究，开创了国内首例大型山岭隧道风险评估研究。2006年，中铁第四勘察设计院对广深港客运专线狮子洋隧道进行了施工安全评价。该评价综合考虑了隧道结构类型、隧道下穿地层、地下水条件、运移特征等风险因素，给出了工程设计、施工和运营整个阶段的风险因素和风险分类。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆2011年，针对长大隧道工程，郗锋建立了层次分析法评估模型，给出了风险控制措施，并应用于中条山隧道初步设计风险评估中。
2.2 风险评估软件
ChungsikYoo（2006）基于隧道沉降预测方法，开发了IT-TURISK，即基于网络的建筑损坏评估系统，使隧道沉降评估从理论上升到实践，从而实现风险评估信息化。黄宏伟（2005）针对隧道及地下工程建设中的特点，开发了TRM1.0风险管理软件。
3．结论及展望
国内外学者隧道塌方风险评估研究在理论和应用方面均取得了一定的成果，主要存在的问题如下：（1）隧道事故基础数据库不健全，具有工程实践指导作用的风险评估体系尚需完善。（2）由于工程环境的复杂性，风险分析难以定量，“工程精算”难以实现。（3）定性定量模型存在较多假设，模型实用性较弱。风险评估工具功能有限。
纵观国内外研究现状，从易于计算机实现的角度，隧道工程塌方风险评估可从两个角度深入研究：（1）基础数据平台的建立。（2）实用建模，即实用的模型及相关工具开发。
3.1 基础数据平台的建立
大量有效数据是定性及定量分析问题的基础。统一规范的数据处理平台是隧道工程塌方风险评估的发展趋势。目前，隧道塌方数据源来自于不同项目，数据格式及形式各异，数据比较离散，数据组织和存储不规范，统一标准的数据平台有利于保证数据的一致性和完整性，便于实现数据共享及数据集成。数据平台主要包括：数据接口及数据结构两部分。数据接口应具有跨平台特性，统一不同数据源的数据描述，可以适应不同操作系统及应用系统之间的数据交换。数据结构必须具有灵活性，易于扩展和集成，满足不同用户需求。
3.2 实用建模及相关工具开发
目前，用于隧道塌方风险评估的模型绝大部分是根据经验和实验获得，是建立在已有数据基础上。但是，隧道塌方事件是随机事件，不确定因素较多，已有模型的实用性和灵活性不高。如何建立实用性较强的模型是建模者需考虑的重要问题，可从以下几个方面考虑。
（1）相关数据的标准化
明确塌方事件相关数据及数据描述，综合使用规范化、正规化、归一化等数据标准化方法对相关数据进行标准化处理，使数据无量纲，便于建模。
（2）建模方法
一般建模方法分为两种：1)经典的数学方法。2）算法描述。经典的数学方法有严格的理论依据，建模时应首先考虑。对于无法或较难用数学方式表达的问题，可采用算法描述的方法。经典数学中的图论以其直观、便于表示各元素之间的关系，可以作为隧道塌方问题主要建模方法。
（3）模型的检验
模型检验是评判模型可用性及效能的关键，也是建模的难点之一。由于大量有效测试数据较难获得，模型检验一般使用小样本测试数据，试验方案设计则显得尤为重要。在有限的测试数据条件下，合理的试验方案可以获得较优的总体性能。
（4）建模工具开发
完整的模型包括两部分：模型的结构和模型的语义。模型的表示离不开建模工具。目前建模工具功能较为简单，一般主要用于描述模型的结构，灵活性及可扩充性有待提高。事故树理论是隧道工程塌方风险评估常用的方法。事故树模型一般使用EasyDraw软件绘制。该软件除了绘制事故树模型外，也可以进行定性和定量分析，不足之处是事故树编辑功能较弱，模型的语义无法体现。参数化技术及图形智能化可作为基于图论的建模工具发展方向。
参考文献：
[1]刘科伟.公路隧道建造期塌方风险分析及控制的系统研究[D].湖南大学,2012.
[2]李风云.隧道塌方风险预测与控制研究[D].中南大学,2011.
[3]Qiu Daohong , Li Shucai, Xue Yiguo. Prediction study of tunnel collapse risk in advance based on efficacy coefficient method and geological forecast[J]. Journal of Engineering Science and Technology Review, 2014,7( 4):156-162.
[4]中华人民共和国交通运输部.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南[Z].2011-05.
[5]Cao Wengui , Zhai Youcheng,Wang Jiangying. Method of Set Pair Analysis for Collapse Risk During Construction of Mountain Tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2012, 25(2):90-99.
[6]丰明海,何振宁.铁路隧道施工中围岩变形失稳工程地质问题[J].工程地质学报.2014,22(4):677-683.
[7]Qiu Daohong , Li Shucai, Xue Yiguo. Prediction study of tunnel collapse risk in advance based on efficacy coefficient method and geological forecast[J]. Journal of Engineering Science and Technology Review, 2014, 7(4):156-162.
[8]Penglin Cai, Jia Wang, Shuwen Tian. Based on effect coefficient method of metro tunnel collapse risk evaluation model and its application[J].Applied Mechanics and Materials.2014,580-583:1412-16.
[9]Aliabadian Z, Sharafisafa M, Nazemi M. Numerical analyses of tunnel collapse and slope stability assessment under different filling material loadings: a case study[J]. Arabian Journal of Geosciences.2015,8(3): 1229-42.
[10]张岭.隧道工程施工安全风险管理研究[D].石家庄铁道大学,2013.
论文作者:南宇宏,赵颂,羊正茂
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/27
标签：隧道论文; 风险论文; 风险评估论文; 模型论文; 数据论文; 工程论文; 风险管理论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;