隧道及地下工程安全风险管理
JournalofEngineeringGeology 工程地质学报 1004-9665/2006/14(04)20462208
隧道与地下工程风险评估方法研究进展
路美丽 刘维宁 罗富荣 (①北京交通大学隧道与岩土工程研究所(②3
①①②)摘 要 ,是系统地识别工程风险和科学合理地管理风险之间重要的纽带,是决策分析的基础。、国内外风险评估方法的研究和应用现状以及近年来主要应用的几种风险评估方法。探讨了目前风险评估方法需要解决的问题和今后的研究方向。关键词 隧道与地下工程 风险评估方法 基本概念 研究进展中图分类号:U459 文献标识码:A
REVIEWONRISKASSESSMENTMETHODSFORTUNNELLINGANDUN2DERGROUNDPROJECTS
LUMeili LIUWeining LUOFurong LIXinggao
(②BeijingMetroConstructionManagementCo.Ltd.,Beijing
①
①
②
①
(①InstituteofTunnel&GeotechnicalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044)
100037)
Abstract Theriskassessmentisthecoreofriskmanagementforthetunnelandundergroundprojects,animpor2tantjointbetweenriskidentificationandriskmanagementandalsoafoundationofdecisionanalysis.Thispaperpresentsareviewonthebasicconceptofriskassessmentonthetunnelandundergroundprojects,thepresentsitua2tionandthedevelopmentofriskassessmentmethodsaswellastherecentlymostcommonlyusedmethods.Thepa2perfurtherdiscussestheproblemstobesolvedandthefuturedevelopmentneedsontheriskassessmentmethods.Keywords Tunneling,Undergroundprojects,Riskassessment,Iiterature
1引 言
重要的纽带,是决策分析的基础。近年来隧道风险
评估方法在国外得到了大量的研究及应用,除了将其他工程行业已有的风险评估方法成功地用于隧道与地下工程中外,还根据隧道工程的特点发展了许多适合隧道工程的风险评估模型。而我国隧道与地下工程研究和实践的时间都比较短,还属于发展阶段,因此风险评估方法在工程中的应用还比较少,目前也仅限于最简单的风险指数法。
隧道与地下工程与其他工程相比,其隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境的不确定性更为突出,加大了施工技术的难度和建设的风险性。
风险评估是隧道与地下工程风险管理的核心,是系统地识别工程风险和科学合理地管理风险之间
3收稿日期:2005-10-17;收到修改稿日期:2006-02-17.
第一作者简介:路美丽(1976-),女,博士生,主要从事隧道及地下工程施工技术及风险评估研究,Email:lu_meili@http://
隧道及地下工程安全风险管理
2风险评估的基本概念
得到了改进并在实际工程中得到大量应用。
在Einstein研究的基础上,剑桥大学的Salazar.G.F(1983),将不确定性的影响和工程造价联系起来。G.Narayanan指出了风险分析在降低软土隧道
[3]
造价中的作用。
[4]
Einstein(1994)对Adler隧道的3种施工方案进行比较时,,,。
[5]
(1996)提出了一个关于地下工程的以概率方法和有效的统计及风险分析为工具的决策和风险分析系统,将其应用于斯德哥尔摩环形公路隧道工程几种不同设计方案的选择中,从风险和可靠性角度得到了有关隧道技术的有价值的结论。
[6]
Kampmann(1998)运用风险评估技术为哥本哈根地铁工程提出了包括40多种灾害的10种风险类型;对事件发生的可能性、影响结果提出了具体的分类体系;提出了48个风险减轻措施;然后使用蒙特卡罗方法和计算机电子表格来构建风险模型。
[7,8]
Isaksson(1998,1999)在对隧道工程成本估计中,考虑了不希望的潜在事件发生的可能性、影响结果和不同地质因素对生产率的影响,提出了工程总成本的表达式,并将其提出的经济模型用于瑞士Grauholz隧道在选择不同盾构隧道方法的选择中。
[9]
Snel(1999)针对阿姆斯特丹南北地铁线路,
所谓风险,包括两个基本要素:一是风险是活动或事件发生的潜在可能性;二是对工程产生不良或不利的后果。国际隧道协会定义风险是对人身安全、财产、环境有潜在损害和对工程有潜在经济损失或延期的不利事件发生的频率和影响结果的综合
[1]
。根据这一定义,可将其表达为
R=f(Pr,q)
式中,Pr为风险事件发生的可能性(qAl-Bahar,
定量地分析风险的不确定性以评价其影响程度的过[2]
程。国际隧道协会定义风险评估是风险分析与
[1]
风险评价的综合。其中风险分析是对风险的识别和定性或定量的描述,风险评价是将风险分析的结果与风险的接受准则或其他决策准则进行比较的过程。因此依据风险的描述方式,风险评估也分为定性的和定量的两种方法。
定性的风险评估主要用于工程建设前期,在可行性研究、合同阶段,由于可获得的工程信息量较少,可采用定性分析方法对其工期、费用做出预测并为方案决策提供基础;而在其结构的详细设计、施工和运营阶段,随着设计目标和各种地层条件、周围环境条件等参数的明确,借鉴已有的工程经验可选用定量的风险评估方法。不同的风险评估方法在分析问题的深度、广度和精确度方面是不一样的。
提出了一个包括列举主要因素清单、预防措施和额
外措施的IPB风险管理模式,来控制复杂的技术性的地下工程设计施工过程中的工期、造价和质量方面的风险。从而达到了以下两个目标:通过实施具体的工程解决方案利用了(有利的)机会;通过实施预防措施和规划备份措施达到连续地降低风险的目的。该方法的优势在于可以获取最佳的解决方案而不会出现陷入绝境的工程线路的风险。
[10]
Weiss(2001)提出采用mediation的方式获得工程中不可预见的影响工程目标的一定事件的发生概率,单个事件的损失可通过传统的成本和时间评估获得。
[11]
Dorbin(2002)认为随着承包商比以前承担更多的财政和施工风险,风险管理已经成为每个隧道承包商的一种必不可少的工具。对业主来讲,隧道行业是一种投资。对业主和承包商来讲,工期和造价估计必须准确;工程计划必须适当;必须识别合同风险;必须使用行为规划和一个风险管理系统。
3
3.1
风险评估方法研究及应用现状
国外现状
自20世纪70年代美国Einstein.H.H在隧道与地下工程中引入风险分析以来,风险评估方法及风险管理的研究在欧美国家取得了一定的研究成果,并得到了大量的应用。可以说Einstein.H.H是从事隧道工程风险分析的代表人物,他曾撰写多篇有价值的文献,指出了隧道工程风险分析
[3]
的特点和应遵循的理念,并提出了一种适用于硬岩隧道的基于计算机模拟的隧道成本模型(TunnelCostModel),该模型是隧道工程行业最早的一个将不确定性引入工程估计中的模型,在之后的研究中
[4,26,28～30]
隧道及地下工程安全风险管理
采用风险指数的评估方法对美
国西雅图地下交通线工程规划和初步设计阶段进行了地质风险、合同风险、设计和施工风险的分析工作。
[13,14]
美国华盛顿国家运输局(2002),就工程费用超支的问题研究开发了CEVP程序,它将“可能费用范围”的概念引入到费用估计中,提高了预测的准确性。随后,美国联邦运输局对此程序进行了鉴定,并要求以后的费用估计必须引入风险费用估计。
[15]
Woude(2003)对Betuweroute盾构隧道在初制,担者。
[16]
Duijvestijn(2003)采用定量风险分析的手段分析了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,并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识别的风险进行了广泛的风险分析。帮助决策者在设计的几个不同阶段做出合理的决策。
[17]
Kolic(2003)分析了MalaKapela公路隧道投标阶段所有可能影响其设计、施工、成本估计和合同关系方面的风险。针对克罗地亚MalaKapela公路隧道的设计和施工,引入定性和定量的风险分析方法比较了TBM和NATM两种技术的成本估计。
[1]
Eskesen(2004)介绍了哥本哈根地铁风险管理的经验。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,并列举了几个隧道工程行业以外已经发展的风险评估技术。
[18]
McFest-Smith(2004)在对亚洲范围内50多个隧道所包含的活动和相关风险的各个方面的调查基础之上,提出了由15个风险种类包含33个风险类型组成的IMS风险评价体系。3.2
Clark(2002)
[12]
构隧道施工阶段进行了风险与评估模型的研究,提
[21]
出了处理专家调查数据的“信心指数法”。毛儒将风险指数法引入到隧道工程风险评估中来,这一简单适用的风险评估方法在目前我国隧道工程界得
[22]
到了广泛应用和推荐。2004年11月27日中国员会的正式成立以及[3][23]
和金锋的文献中。如:同济大学的丁士昭(1992)对我国广州地铁首期工程、上海地铁一号线工程等地铁建设中的风险和保险模式进行过一定的研究;香港恒利保险顾问有限公司和同济大学建设监理研究所(1992)曾为广州提出“广州地铁首期工程风险管理与工程保险方案”,所建议的工程项目总体保险方案在项目实施中被采用;2002年以同济大学为主进行的沪崇通道的风险评估研究共提交了17个专题报告,涉及到工程建设的各个方面,包括前期选线、施工风险管理、环境保护、运营事故控制以及财务分析等;广州市地下铁道设计研究院(2001)编制广州市轨道交通3号线工程可行性研究报告中,增加了“风险分析”一章,对这个大系统的市场风险因素、资源风险因素、工程风险因素、资金风险因素、外部协作配套条件风险因素做了分项的分析,对风险的程度作了定性和定量的研究,从而提出防范和降低风险的对策;北京城建设计研究总院有限责任公司(2004)和重庆市轨道交通总公司,共同编制重庆市轨道交通1号线工程可行性研究报告时,采用专家调查法对本工程投资的重要风险因素、影响运营收入的主要风险因素及显著因素进行了风险暴露程度分析、项目综合风险度分析和经济风险定量分析,把风险管理的水平提高了一步。
纵观国内外风险评估的研究及应用现状,可以看到其研究方法主要可归结为两个方面,一方面是借鉴隧道工程行业以外已经发展的评估方法,应用一种或几种方法对工程系统或工程的某一部分进行风险估计,得出风险值的大小排序,然后进行风险响应措施的决策。如风险指数、风险矩阵、故
[5]
障树分析法、决策树分析法、蒙特卡罗模拟[5,6,35][25][2]法、层次分析法、等风险图法、贝叶斯网[33][26,27][2]络、模糊评价法、影响图、进度计划评审
[36]
技术等。另一方面主要是针对隧道与地下工程
[12]
[1,6,24]
国内现状
相对国外,我国隧道与地下工程风险评估的研究起步就比较晚,近几年随着我国地下空间的大规模开发,风险评估与风险管理的研究得到了前所未
[19,20]
有的关注,黄宏伟重点论述了加强设计风险和施工风险对降低地铁造价的作用,并指出目前实施风险管理存在的问题,为我国风险管理及风险评估
[3]
的研究提供了一定的思路。陈龙对城市软土盾
隧道及地下工程安全风险管理
中大量的成本超支现象,将风险与工程造价联系起
来进行的成本估计模型的研究。如Multrisk、TCM、DAT和CEVP等。可以看到这两个方面的研究及应
建议风险事件发生频率的分类是针对整个施工工期的范围。
4.1.2 风险指数(RiskIndex)
Clark(2002)在对美国西雅图地下交通线工程
用目前主要还集中在工程的决策阶段,为早期工程方案选择和合理的成本估计提供了一定的理论基础,而随着工程进展,评估方法的动态更新的研究还比较少,但已引起广大隧道工程风险管理研究人员的注意。
规划和初步设计阶段进行地质风险、合同风险、设计和施工风险分析时,2
[12]
所示的风险指
数。与风险矩阵相同,1～5个级别,但不1～25的一个数字,从而给出该工。其实质与风险矩阵是一样的,风险矩阵相当于风险指数的图形表达。4.1.3 IMS风险评价体系
4主要的风险评估方法介绍
4.1 4.1.1
风险矩阵)
风险矩阵即对风险发生频率分为非常可能、可
该体系是由McFest-Smith通过对亚洲范围内50多个隧道所包含的活动和相关风险的各个方面
能、非经常的、不可能、非常不可能5个级别,对事件的影响程度分为灾难性的、重大的、严重的、中等的、轻微的5个级别,然后将二者综合得到如表1所示的风险矩阵。该风险矩阵类似于Richards(1999)建立的风险矩阵
[24]
[1]
的调查基础之上从融资和保险的角度提出来的。该评价体系由15个风险种类包含33个风险类型组成。对于任何一个隧道工程,可对照该风险评价体系得分表得到该工程的整个风险等级,并与定性的风险评估方法结合使用得到如表3种类评估的一般性指南。
表2 风险指数
Table2 RiskIndex
风险低
估值
1～45～910～1516～25
[18]
。Eskesen指出风险的发生频
[1]
所示的风险
率、影响程度和风险的分类体系应该按照工程的风险目标和接受准则来建立。发生频率的分类对于所
涉及的风险事件都是相同的,而影响程度的分类应该针对不同的风险事件分别建立。这一方法已用于哥本哈根地铁工程选择承包商的过程中
表1 风险矩阵
Table1 RiskMatrix
发生频率非常
可能可能偶尔不可能非常不可能
灾难性的不可接受不可接受不可接受不受欢迎的不受欢迎的
重大的不可接受不可接受不受欢迎的不受欢迎的可以接受
结 果严重的不可接受不受欢迎的不受欢迎的可以接受可以接受
中等的不受欢迎的不受欢迎的可以接受可以接受可以忽略的
轻微的不受欢迎的可以接受可以接受可以忽略的可以忽略的
[1,6]
。
说明(描述)
风险可以容忍的,不需要任何减轻措施风险可以容忍,但需要一定减轻措施风险在一定容忍的边界,应该识别减轻措施,并实施以便降低风险
风险难以容忍,必须实施风险减缓措施
中等高非常高
表3 工程风险种类评估的一般性指南
Table3 Generalguideforassessmentofprojectriskcategory工程风险等级非常低低中等高
整个得分
<200200～249250～349350～499>500
高风险种类的数量
0～23～45～67～8>9
R1级别的
0～23～45～67～12>12
风险矩阵可以为每种风险事件的接受程度提供
一种依据,通过控制单个风险事件的大小来控制工程中的总风险。但这种方法的前提是,不能为了减小风险的发生频率而对其进行不适当的细分,比如分别考虑100m隧道的风险是不恰当的细分,一般
非常高
备注:这里风险种类共有15个,风险类型共包括33个。R1-代表风险类型得分在17～25之间;高风险种类得分的数量-代表高风险种类得分>12的风险种类数量;整个工程得分(工程风险等级)-所有风险类型得分的总和。
隧道及地下工程安全风险管理
MS风险评价体系考虑了隧道工程地形、I周围
约束、地层条件、场地调查研究、设计及说明、水位条
件问题、工程的复杂程度、隧道方法、工程经验、管理、合同、商业性和程序等15个风险种类,基本上涵盖了隧道工程中所有的风险类型,为隧道工程提供了一种新的识别和评价风险的方法。该方法已用于3个非常高风险、5个高风险、6个中等风险和3个低-非常低风险的隧道工程中。结果显示该方法在对工程风险等级、风险种类和风险类型的简单总体评价方面效果较好。4.2
目来处理。
Multirisk方法的原理及应用过程都比较简单,对于不确定性程度高的随机事件尤为有用,可用于计算发生频率相当高的灾害事件对时间和成本的影响,并以最大值估计其影响程度。但它不能用于计算地下工程中发生频率较小但可能对工程有严重影响的灾害事件。一起使用[34]
()方法。.[～14]
定量的风险评估方法
(TunnelCostModel)是一种适用于硬岩隧道的基于计算机模拟的模型。它运用适当的主观概率技术和隧道施工的计算机模拟来估计总的施工成本和完工时间的分布,在估计中主要考虑两种不确定性:地质条件预测的不确定性和施工掘进与成本估计的不确定性,目的在于提高隧道估计过程中对不确定性的评价。该模型可以说是隧道工程行业最早的一个将不确定性引入工程估计中的模型。
隧道成本模型由地质子模型、施工子模型和隧道模拟器3个子模型组成,地质子模型使用主观概率来表达的地质信息产生在隧道指定位置处各种地质条件发生的概率;施工子模型是对隧道在各种可能地质条件下进行施工工序的周期性模拟,从而可以评价这些施工作业对成本和工期的影响;隧道模拟器是通过综合以上两个子模型所得到的信息来模拟在许多可能地质剖面情况下的施工作业循环,得到施工总成本和完成时间的分布,反映了估计中固有的不确定性。
隧道施工中主要的风险之一是地质条件,它影响着施工方法的选择、控制施工操作的质量,特别是控制与估计的偏差。因此隧道成本模型的优势主要在于它对地质子模型的构建:使用以施工为目标的地质参数可以对与施工顺序直接相关的地质进行量化;允许地质学家进行更为直接和简洁的输入,从而避免了信息传递和地质学家与估计者之间交流困难带来的错误;对不确定性的定量描述,可以得到隧道施工的时间和成本分布,这对于真实的风险评价是必要的;地质参数和其发生的概率采用决策树和分块程序来构建,可以对复杂的关系清晰化。
该模型的局限性在于:模型中所使用的一套有限的7个地质参数对可能的地质描述存在着固有的局限性,比起传统的地质描述,即使引入更多的地质参数,这个局限性总会存在,比较明智的做法是针对
,早期(工期、造价和质量)其中工期和造价是最为关注的两个指标。据有关资料统计,项目决策阶段对工程造价的影响程度最高,约90%以上。因此方案决策阶段科学合理地估计工程造价是选择安全适用、技术先进、经济合理的施工方案的重要保证。
[7,8]
Isaksson指出施工方法选择的决策标准不仅取决于最小的标准成本,而且也取决于最小的期望总成本。
4.2.1Multirisk
Multirisk是Lichtenbergt(1989,2000)提出的一种简单适用的以计算机为基础的,建立包含不确定性的成本和时间估计的一种方法,即是一种对含有随机变量的函数的模拟方法,对于成本的计算,可以
[1]
按照如下步骤进行:
(1)识别大量独立的主要的成本条目;(2)估计每个成本条目的最小、最可能和最大值;
(3)计算每个成本条目的期望值和不确定性范
[28]
围;
(4)计算成本的总和和方差;
(5)如果总的方差太大,那么将对不确定性有
最大影响的成本条目分解为独立的几个条目;
(6)重复步骤2～5,直到获得可接受的总的方差;
(7)结果采用平均成本、标准差来表示。
Multirisk用于时间计算时的步骤与上述类似。
需要指出的是该方法是针对统计上独立的条目,如果各条目并非独立,则将成本和时间项目作为整个工程的一般条目。如工资、官方问题、天气和质量水平都可以作为一般成本条目,即可以作为独立的条
隧道及地下工程安全风险管理
14(4) 路美丽等:隧道与地下工程风险评估方法研究进展467
每种具体情况选择最重要的地质参数,这可为大部分地质环境提供足够的描述;模型的构建过程比使用传统的横断面更费时,复杂的相关关系是很耗时的。
[29～33]
4.2.3 DAT模型
Einstein等人在TCM模型基础上提出了一种基于计算机的隧道决策工具DAT(DecisionAidsintunneling)模型可用于评价地质条件的不确定性和
数,而是一个潜在的范围”的观点。
CEVP模型中区别并分别处理基本成本和风险事件成本,因此它的分析过程就可以分为以下3个步骤:详细检查工程估计并确定工程的基本成本(如果所有的都按照原设计进行,这些成本是必须发生的),(意外事故),小组进行,并估计他们的();综合基,形成可能的成本和工期范CEVP模型已用于美国9个大型复杂的运输工程中,得到美国联邦的认可并决定在以后的运输和地下工程中运用。该模型最大的好处在于它可以强迫工程人员考虑所有的风险,特别是长期的风险,如政治、当地和国内的一些政策、管理方式和管理的连续性,这些在本质上都不是技术性的。其次可以在工程早期给出一个更加战略性的对待风险和成功管理工程的方法。
施工过程的不确定性对工程成本和时间的影响,由地质模块和施工模块组成。质细分成所谓的与地质单元一致的区域;中的不确定性;一个可能的剖面,分类剖面,,揭示隧道具体位置处发生的具体地质条件的可能性。而施工模块是对穿越每个地质分类剖面的施工过程进行模拟,包括把地质条件(地质分类)和施工分类或施工方法联系起来确定隧道横断面和初始、永久支撑以及最适合具体地质分类的开挖方法;每种方法对应的施工成本和时间经常以成本和掘进速率分布的形式表示,这可以揭示每种隧道施工方法成本和时间的不确定性。
应用DAT进行方案选择的步骤可描述为:搜集土工和施工参数;选择用于分析的施工方案;针对每种施工方案,评价和设计用于成本和工期分析的输入数据;使用DAT分析每一种方案;统计各种方案总的时间和成本并按照最小、最大、平均值和标准差值进行比较;推荐最好的施工方案。
DAT是一种不确定情况下的决策工具,已成功
5结 论
(1)风险评估具有超前性,它研究的是潜在风
险事件发生的可能性及可能带来的损失大小,对这一问题做定量分析,主要借助于同类事件的统计资料,但在数据不足的情况下,定性分析也是非常重要[37]
的。由于隧道与地下工程独一无二的特征以及相关资料的缺乏,目前无论是定性分析或定量分析,在对风险事件的估计中主要还是依赖于专家调查法。因此实践中应根据工程的具体政策、目标、评价目的和评估的不同阶段而选用定性或定量或二者兼而有之的风险评估方法。
(2)目前国内外风险评估方法的研究主要可归结为两个方面,一方面是借鉴隧道工程行业以外已经发展的评估方法,应用一种或几种方法对工程系统或工程的某一部分进行风险估计,得出风险值的大小排序,然后进行风险响应措施的选择。另一方面主要是针对隧道与地下工程中大量的成本超支现象,将风险与工程造价联系起来进行的风险评估模型的研究。
(3)在采用一种或几种方法对工程系统进行风险评估的过程中,主要是凭着现有资料或个人取舍确定使用何种评估方法,各评估方法得出的结果有时也缺少可比性,致使在评估方法的选取上还没有
地用于几个隧道工程的施工前期预测
[31]
,由于随着
工程的进展,不确定性信息逐渐减少,因此有必要对
[33]
前期预测进行更新,Haas(2002)通过一个基于贝叶斯理论的更新过程对DAT进行了拓展,这种更新不仅可以考虑用开挖的实际数据代替原先的预测,也包括一个用实际的开挖信息对隧道未开挖部分改进的预测。
4.2.4CEVP模型
2000年华盛顿州运输局开始研究并开发了一
[13～14]
种基于风险的估计和管理复杂的地下工程成本的CEVP(CostEstimateValidationProcess)模型,该模型是采用风险和不确定性的方法来构建一个工程的成本估计,获得可能的成本范围。它的发展和应用向广大隧道工程师提出了“复杂工程的成本不是一个
隧道及地下工程安全风险管理
[20]
统一的认识,目前国内外广泛采用的风险指数法
主要依赖于专家调查打分,如果能形成一套比较客观的评价体系,可以大大减小专家打分的主观性,提高定性分析的准确性。比如可以借鉴由McFest-[18]
Smith提出的IMS风险评价体系。
(4)大量的不确定性和模糊性是隧道与地下工程的固有特点,而且大部分工程具有独一无二的特征,因此可考虑开展模糊数学、灰色系统理论、神经网络等理论与传统风险评估方法耦合的研究,以进一步减小风险估计中的不确定性、提高其准确性(5)论基础,长、与工程目标(工期)结合起来的定量的风险评估模型将成为今后的重点。
(6)风险贯穿于隧道与地下工程的整个寿命周期内,风险评估也应该贯穿于工程的各个阶段。目前隧道与地下工程中所发展的风险评估方法多集中在工程规划投标阶段,这个阶段的特点是不确定性因素较多。但随着工程的进展,最初的一些不确定性因素将会减少,同时可能会出现新的不确定性因素,因此风险评估模型应该能够反映这种变化,即具有更新最初风险评估体系的功能。也即实现了动态风险管理。
风险管理在我国工程建设领域起步较晚,在隧道与地下工程中的应用则更晚。可以预期,在隧道与地下工程项目领域,风险意识将会不断增强,风险管理及风险评估的相关技术将会得到更深入的研究和应用。
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