基于管理单元思想的隧道施工安全风险控制方法

马佶卿

(中国铁建股份有限公司 北京 100054)

1 引言

风险评估是铁路建设工程必须开展的工作。随着川藏铁路等一大批国家重大工程的实施，隧道建设规模与技术难度越来越大，施工安全管控存在诸多不确定因素。因此，在隧道工程施工中，安全风险控制的精细化[1]、智能化要求越来越高，对建设人员提出了新的挑战。

传统的风险评估方法有基于风险评估模型的动态风险评估法和基于监测数据的动态风险管理法，已广泛应用于长大隧道施工管理。但是隧道施工环境复杂，有时难以明确导致风险事件发生的风险源，也难以将风险评估与风险事件结合起来考虑。隧道隐蔽工程多，水文地质条件复杂，机械设备多，风险管理死角易被遗漏，因此应以智能感知技术进行不安全状态的监测手段，运用深度学习进行风险识别、预测[2]。

对施工现场进行模块化管理，实时发现问题、预测风险并高效决策，及时调整施工状态，有助于施工安全风险控制。为此，本文从管理单元的角度出发，提出单元综合评级模型，为复杂隧道施工安全风险提供评级与管理策略，为场所、地段、岗位、设备风险智能化辨识提供思路，有利于降低安全风险发生概率。

2 风险管理单元的定义与划分

2.1 管理单元应用现状及在隧道中的适应性

风险管理单元的应用多见于防灾减灾、化工风险管控等领域。焦红等[3]将城市防灾划分为若干空间单元；张耀文等[4]将县域作为洪涝灾害风险评价管理单元；徐一星等[5]探讨危化企业风险管控单元的分级方法。基于过程风险的单元管理理念被引入到生产过程中[6-8]，物料、设备操作、污染源等的风险管理水平得到加强。

长大隧道施工安全风险高，管理难度大，分段落、分场所管理符合现场实际，适合采用管理单元的方法进行风险评价与分级管控。根据隧道工程施工的场所、地段、岗位、设备等的不同，将隧道施工安全风险分配到各单元加以辨识、评估，并进行网格化控制，从而消除易漏风险的管理死角。划分风险管理单元时，应确保每个单元划分的独立性(尽量不重叠)，且易于评价、管理。

2.2 隧道中风险单元的划分方法

风险单元可分为场所类、地段类、岗位类、设备类。

场所类单元是指炸药库、油库、拌和站、工人驻地、钢架加工场等。为了便于风险管理，将每一处场所直接划为一个单元。鉴于油库、炸药库的特殊性，无需评估风险而直接划为高风险单元。

地段类单元是指不良地质和特殊岩土地段，包括岩溶、富水软弱破碎围岩、风积沙和含水砂层、瓦斯、岩爆、膨胀性和挤压性围岩、黄土、冻土。鉴于各种不良地质和特殊岩土地段隧道的高风险特点，当隧道遇有高风险情况，每一段落应划为一个单元；无不良地质和特殊岩土地段，按照一定的长度范围划分单元，可借鉴路基单位工程的划分方法，每500 m划为一个单元，地段类型变化处应作为单元分界点。因洞口地段安全风险很高，应单独划分管理单元。

岗位类单元是指将岗位或工种划为单独单元。工种包括架子工、焊工、电工、钻爆工等。管理岗位包括项目经理、安全副经理、安全总监等。不同岗位人员的安全意识、知识、技能、经验等不同，应将每人划为一个管理单元。其风险评估结果作为聘用、培训依据。

大型施工装备安全风险差异大，盾构机、通风机、移动台车、自卸车、扒渣机、仰拱栈桥等大中型机械装备，应单独划为单元。

3 管理单元综合评级与管理

3.1 评级模型

每一种施工安全风险，可根据事故后果等级评分和发生概率等级评分结果，结合事故后果等级敏感系数和事故概率等级敏感系数[9]计算得到风险值:

式中:RISKi为第i种风险的评估值。li为第i种风险事故的后果等级评分，将后果严重性等级分为5级(轻微、一般、严重、很严重、灾难)，采用事故案例库归纳总结得到。pi为第i种风险事故的概率等级评分，将事故发生概率分为5级(很可能、可能、偶然、不可能、几乎不可能)；场所类、岗位类管理单元的事故概率等级评分可由专家根据风险源和场所的关联性给出，地段类、设备类管理单元的事故概率等级评分可由机器学习、智能预测给出。Sl(li)为第i种风险的事故发生后果等级敏感系数，为事故后果等级评分的因变量；结合事故案例库，通过专家调查法加以确定。Sp(pi)为第i种风险的事故发生概率等级敏感系数，为事故概率等级评分的因变量；结合事故案例库，通过专家调查法加以确定。

随着智能建造技术发展，也可采用智能感知数据，运用智慧决策理论、机器学习理论等，预测每一风险的后果发生概率li。采用智能的方法确定事故后果严重性等级，评级方法:预先搜集大量的场景相关数据，将数据按风险源分类后，标定标签，分为5种，即“轻微、一般、严重、很严重、灾难”，生成相应的数据集(应区分训练集、验证集、测试集)，训练神经网络模型。在实际应用中，将管理单元内监测到的可用指标(图片、文本等格式的一切感知数据)，进行数据处理后作为输入，判定是否符合该单元内的风险源特征。若符合某几项风险事故特征，该模型会对应输出等级评分值li。

3.2 评价步骤

借鉴风险源评估方法，风险管理单元的风险等级可按以下方法加以评定:

(1)由安全经验丰富、熟悉类似工程的人员组成风险评估小组，将项目划为若干单元。划分单元时，应注意体量相近，尤其是地段类单元应确保其线路长度接近，以确保评价具有可对比性。

(2)针对工程现场实际情况，选择某一单元，梳理其范围内可能存在的风险。

(3)确定该单元每一风险的后果严重性等级，再采用智能方法确定事故后果发生概率pi。人工对每一后果等级评分li和每一事故后果发生概率pi做进一步进行真伪判定，剔除失真数据。

(4)根据事故后果等级评分、发生概率等级评分、事故后果等级敏感系数、事故概率等级敏感系数[9]计算得到某一风险值。

(5)累加单元范围内的所有风险值，得到该风险管理单元的风险评估总分:

(6)分类对单元按评分(Runit)从高到低进行排序，其中岗位类单元应按人均风险评分进行排序:前30%的属于高风险单元；30%～70%的属于中风险单元；70%以后的属于低风险单元。

4 单项风险评级与管理

采用划分风险管理单元的方法能消除盲区、补齐短板。但当两个管理单元工程体量差异较大或者风险数量差异较大时，风险值高的管理单元，其所辖重大风险源不一定多或突出，其分值可能是由大量一般风险源累加所致；反之，风险值低的管理单元，其重大风险源则可能存在，究其原因，可能是一般风险源较少。鉴于此，应采用单项风险的管控，以此补充存在的不足。

通过评价每一项风险的风险值，并按标准进行风险管理，可实现单项风险的分级控制。单项风险的评级，可采取以下3种方法:

(1)排序法

对于每一类风险单元中的单一风险(RISKi)评分从高到低进行排序，前30%的风险属于高风险，30%～70%的风险属于中风险，70%以后的风险属于低风险。

(2)平均分值法

平均值法针对某一特定风险，其事故后果等级评分和发生概率等级评分均取所有专家评分的平均值，不区分专家水平和经验程度。在考虑敏感系数后，采用式(1)计算出所有单项风险的评分，并根据评分所在区间划分等级。具体为:①风险值处于(0，20)区间的，表示低风险。此类风险不需采取风险处理措施和监测。②风险值位于(20，50)区间的，为中度风险。此类风险一般不需采取风险处理措施，但需予以监测并加强风险管理。③风险值处于于(50，100)区间的，为高风险，必须采取风险处理措施以降低风险，加强监测与风险管理，且满足降低风险的成本不高于风险发生后的损失。④风险值高于100(含)的，表示极高风险。此类风险不可接受，必须高度重视并规避，要将风险至少降低到不期望的程度。

(3)专家权值法

专家的专业知识、经验水平有所差异，评分结果往往不同。能力越强、经验越丰富的专家，评价风险的准确度越高。因此，在计算某一单项风险的评价值时，可借鉴专家权值(wE)法[10]，即在专家评分时附加一个专家权重。

5 工程应用实例

5.1 工程概况

冬奥会崇礼铁路是山区高标准、智能化高速铁路，正盘台隧道为其控制性工程。按冬奥要求，崇礼铁路与京张高铁2019年底同步开通，工期仅40个月。地质条件复杂，构造裂隙及地下水发育，施工期间受外部环境、实际揭示水文地质情况、施工效率等因素影响，工期异常紧张。

本文依据隧道勘察设计阶段成果对涉及的塌方、涌水、突泥、大变形、下穿重要建筑物等典型风险进行了评估。本隧道综合评估结果为高度风险隧道，需按照Ⅰ级风险进行管理。

5.2 综合风险评级与管理

本文阐述正盘台隧道的风险单元划分情况，限于篇幅，不介绍岗位类单元划分。

(1)场所类风险管理单元的划分

经梳理，正盘台隧道场所类风险管理单元共有23个，其中隧道进口炸药库、隧道出口炸药库和油库直接划为高风险单元；其余20个单元分别按照风险级别划分方法进行打分排序，根据排序结果，高风险单元有隧道进口炸药库、隧道出口炸药库、油库、钢材库、进口加工场、4＃斜井加工场、3＃斜井拌和站、隧道出口拌和站、进口拌和站。

(2)地段类风险管理单元的划分

隧道围岩级别、不良地质与特殊岩土地段在未开挖之前存在不确定性，只能根据勘察设计成果做初步划分。故地段类风险管理单元应随隧道掘进进行动态调整，同一管理单元的风险也随之动态变化。

下列情况直接划分为高风险单元(包含但不限于):洞口段；Ⅳ、Ⅴ级围岩段掌子面；Ⅳ、Ⅴ级围岩未施作二衬段；出现突涌水、瓦斯段；遭遇溶洞段；超前地质预报发现的有地下水体、溶洞等不良水文地质段；监控量测异常段；下穿古长城段。出现下列情况之一时，立即提升风险级别(包含但不限于):围岩级别提高；有突涌水征兆；瓦斯逸出；发生岩爆。

随着隧道掘进，遭遇风险点会越来越多。隧道贯通前，风险点达到峰值；贯通后，风险点迅速减少。限于篇幅，不再详列各阶段风险管理单元划分评级情况。

(3)设备类风险管理单元

设备类的风险评级应根据新旧程度、维护程度、安全防护水平、使用环境(潮湿环境、密闭空间)等确定。自卸车等移动设备应考虑制动、爬坡性能；用电设备关注漏电保护、绝缘性能等。

5.3 单项风险的信息化控制

信息化、智能化是铁路隧道建造的发展方向[11]。正盘台隧道施工过程中，研发并应用了一些智能技术，为安全风险控制提供物防与技防手段。

在超前地质预报中配合孔内成像技术，精准判断掌子面前方地下水赋存部位、水量大小、节理数量、节理发育位置及围岩完整性情况；结合其他预报技术，综合分析掌子面前方水文、地质情况，制定针对性措施。

隧道洞门设置镭射灯，将文字投影于地面以作警示；将监控量测纳入工序进行管理，开挖、仰拱及二衬施工等每一道工序开始前必须将监控量测数据分析报告作为施工依据。

通过隧道门禁系统、安全定位系统、视频监控系统实现施工安全风险管控。隧道门禁系统由门禁杆、人员闸机、显示屏、视频监控系统、人员定位系统组成。显示屏(LED)与人员定位系统结合，显示进洞各工班人数及洞内人员总人数；人员定位系统采用在安全帽上添加芯片，精确显示施工人员洞内位置，实时掌握各里程段施工人数；视频监控系统实时监测掌子面及二衬施工情况。

6 结束语

在崇礼铁路正盘台隧道施工过程中，运用单元管理思想，通过精细化分析施工安全风险，精准采用安全风险控制策略，效果较为明显；通过采用机械化作业线，减少作业人员数量，大幅减少风险控制薄弱环节，确保了正盘台隧道按期安全竣工。

总体来看，研究成果的应用在正盘台隧道重大方案优化、施工过程安全风险控制与工期控制方面发挥了重要作用，充分说明风险管理单元划分合理、安全风险评价与分级控制方法科学可行，据此所采取的安全风险管控措施得当、工期控制方案合理。