上海长江隧道工程风险评估研究.pdf

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1、?第 5 卷?第 1 期?地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.5?2009 年 2 月?Chinese Journal of Underground Space and EngineeringFeb.2009?上海长江隧道工程风险评估研究*黄宏伟,彭?铭,胡群芳(同济大学地下建筑与工程系,上海?200092)摘?要:论文利用研制的软件(TRM1.0),针对目前世界第一大直径的上海长江盾构隧道工程开展风险评估研究,采用专家调查法和 CIM 模型,将工程风险指标作为评价标准,对长兴岛工作井施工、盾构进出洞、盾构推进三个单位工程施工可能产生的风险事故进行了定量计算与评估,研究取得的结论可为长江

2、盾构隧道工程施工提供较好的技术指导和参考。关键词:盾构隧道;风险评估;风险管理;上海长江隧道中图分类号:U455.4?文献标识码:A?文章编号:1673-0836(2009)01-0182-06Risk Assessment on Shanghai Yangtze River TunnelHUANG Hong-Wei,PENG Ming,HU Qun-fang(Dep artment of Geotechnical Engineering,Tongj i University,Shanghai 200092,China)Abstract:The risk management software

3、(TRM1.0)for shield tunnel is used as the calculating tool,andthe expert investigation method and CIM model are used as the main methods,and Risk Index is used as a keyparameter to assess the risks of construction of Shanghai Yangtze River shield tunnel with the biggest diameterin the world.There wil

4、l be a quantitative calculation and assessment of the risks of three unit projects inShanghai Yangtze River tunnel project,namely excavation of Changxing island pit,shield machine?s into andout of the pit,and shield machine tunneling.The result of the risk assessment may be a good guidance and ref-e

5、rence for Shanghai Yangtze River shield tunnel.Keywords:shield tunnel;risk assessment;risk management;Shanghai Yangtze River tunnel1?引言随着风险管理理论研究的日趋规范,风险管理软件开发领域有了一定进展。风险管理软件开发的核心是风险评估理论的研究,即风险定量计算模型的建立。按照 Berroggi 1等人的总结,风险定量分析有三类基础:概率论、多属性偏好理论和模糊逻辑。目前,风险评估软件可分为四大类:基于Monte-Carlo 数值模拟技术的评估软件、基于模糊数学的

6、风险评估软件、与网络技术相结合的风险评估软件、采用概率统计手段综合经验的风险评估软件。相比上述类型,基于 Monte-Carlo 数值模拟技术的评估软件开发有一定的历史,比较有代表性的是 risk 和 Crystal ball,此类软件在数据统计量比较大的领域(如金融、软件开发等)有广泛应用,但是对于统计信息非常贫乏,样本数量相对稀少的工程领域尤其是盾构隧道施工领域,此类软件的功能受到限制,具有很大局限性。模糊数学理论在项目风险管理中的运用尚处于初级阶段,网络技术和 Monte-Carlo 方法一样,需要一些风险基础数据,这在现阶段尚不具备。因此,本文着重介绍相对适合盾构隧道工程风险管理的,采

7、用概率统计手段综合专家经验的?盾构隧道施工风险管理软件?(T RM1.0)2,以及该*收稿日期:2008-09-17(修改稿)作者简介:黄宏伟(1966-),男,博士,教授,同济大学研究生院副院长,主要研究方向为隧道及地下工程的风险评估与管理,动态信息化反馈施工、以及长期沉降。E-mail:huanghw mail.tongji-863 项目:超大特长越江盾构隧道关键技术研究,课题编号:2006AA11Z118软件在上海长江隧道施工过程中的应用。本软件由同济大学地下建筑与工程系独自开发,并申请了软件著作权登记。2?软件简要介绍2.1?软件基本流程和功能介绍盾构隧道施工风险管理软件(T RM1.

8、0)采用的风险管理流程为:风险辨识、风险估计、风险评价、风险决策和风险跟踪,该流程是在总结 J.H.M.T ah 和 V.Carr 3 7等人在 2001 提出的动态风险管理理念而提出的。软件开发采用 Visual Bas-ic6.0,后台开发了风险管理数据库为数据支持。该数据库由风险管理备选信息库和拟建工程风险数据库两个分库组成,前者储存通过整理以往工程案例、专家经验以及相关参考文献资料而得到的工程风险事故信息,包括工程层次划分、风险点和风险因素以及风险事故规避措施等等;后者用于存储拟建工程参数信息、风险事故调研数据和工程风险事故相关参数(包括风险概率、损失、风险指标等)。图 1?隧道施工风

9、险管理与控制软件Fig.1?Risk Management Software(TRM1.0)图 2?风险管理软件系统基本模块层次关系图Fig.2?The hierarchy modules of the riskmanagement software软件主要功能包括:(1)工程全过程风险分析与计算;(2)工程动态风险管理与控制,包括风险辨识、风险估计、风险评价和决策及风险跟踪;(3)工程风险事故的统计与分析;(4)其他附属功能,包括数据报表生成、查询、修改、打印等。2.2?软件模块介绍软件按照风险管理流程编写,包括五个主体模块和两个附属模块。五个主体模块分别是:风险辨识模块、风险估计模块、风险

10、评价模块、风险决策模块和风险跟踪模块;两个附属模块为:用户管理模块和报表自动生成模块,如图 2 8所示。3?上海长江隧道工程施工风险评估3.1?工程概况上海长江隧道工程为典型的大直径、长距离、高水头推进隧道。路线全长约 25.5km,以隧道方式穿越南港水域,其中,东线隧道长度为 7471.65m,江中段长度为 6872.37 m;西线隧道长度为7469.36m,其中江中段长度为 6854.91m,隧道最大坡度为 2.9%,最小平面曲率半径为 4000m。隧道内径为 13.7 m,外径为 15.0m,厚度 0.65 m,环宽 2m,采用通用环管片(双楔形)错缝拼装,高强度混凝土 C60 级,抗渗

11、等级为 S12。隧道采用二台德国海瑞克公司制造的直径为?15430mm 的大型泥水平衡盾构机进行施工。3.2?工程定义软件对上海长江隧道工程中的长兴岛工作井施工、盾构进出洞和盾构推进三个单位工程进行了风险评估,并针对工程进行了工程层次划分,即拟建工程分为单位工程,每个单位工程分为多个分部工程,再下是风险事故,风险事故中包括致险因子、风险规避措施和风险事故预案,如图 3 所示。图 3?工程层次划分Fig.3?Levels of the project工程定义包括两个部分:新建工程和工程定义。新建工程为输入拟建工程基本参数,包括参建各方、基坑深度、盾构直径、盾构长度、土层参数等1832009 年第

12、 1 期?黄宏伟,等:上海长江隧道工程风险评估研究数据,用于对辅助风险评估。工程定义即为建立工程所属单位工程,并输入相关单位工程信息数据,包括概况、工法、单位工程为工程之下的一个层次,在备选库中包括三类型:进行开挖、盾构进出洞、盾构推进,在软件设计时是以单位工程为计算单元的。在此次风险评估中建立了三个单位工程,即长兴岛工作井施工、长江隧道盾构进出洞、长江隧道盾构推进,并分别在工程定义中记录各单位工程的简要工况。3.3?风险辨识3.3.1?风险辨识模块介绍风险辨识为根据以往工程经验结合拟建工程具体情况,对工程施工过程中可能产生的风险事故进行识别,并且以表格的形式存储于风险管理数据库中。为了帮助用

13、户对拟建工程进行全面、快捷的风险辨识,软件设计了风险备选信息数据库,里面存储了大量根据以往工程资料整理得到的风险信息可供参考,同时设计界面读取该数据库,并提供修改和增加风险界面。风险辨识完毕可以自动生成 excel 的风险调研表单,表单格式见表 1。表 1?风险调研表(表头)T able 1?Risk investigation form盾构隧道施工风险发生概率经济损失人员伤亡工期损失风险事故致险因子概率等级信心指数损失等级信心指数伤亡等级信心指数损失等级信心指数3.3.2?风险辨识应用界面软件中的风险辨识为根据拟建工程具体情况,参考数据库中的风险点和相应致险因子,进行工程风险识别。选择单位工

14、程、分部工程,即在界面电子表格中自动导出数据库中的备选风险事故,然后根据工况进行删除、修改或添加风险,并导入数据库。完成风险辨识后,即可进入风险调研表生成界面以单位工程为单元自动生成初步调研表。3.3.3?上海长江隧道风险调研在风险调研操作过程中,我们的调研对象主要为上海长江隧道一线工作的管理部门、施工部门的权威专家,有过多年盾构隧道施工经验的元老级专家,以及科研单位从事盾构隧道施工研究和风险领域研究的教授。总共发出调研表 25 份,其中工程管理部门 7 份,施工单位 9 份,科研单位 9 份。回收调研表 21 份,其中工程管理部门 6 份,施工单位7 份,科研单位 8 份。其中调研的内容有:

15、专家基本信息、风险接受准则和风险事故信息,其中主体部分的风险事故信息包括 3 个单位工程、15 个分部工程、85 个风险事故、212 个风险的致险因子。为了能较为准确地把握各位专家的基本信息,我们在调研表封面设计了一张专家基本信息选项表,如表 2 所示,以确定专家权重,权重确定标准 9如表 3 所示。表 2?专家基本信息表Table 2?The basic information of the experts?专家信息ABCDE职称教授或教授级高工副教授或高工中级职称初级职称其他工作部门性质管理部门设计单位施工单位高校或科研单位其他年龄区段20 3030 4040 5050 6060以上从事隧

16、道专业时间三年以下3 5 年5 8 年8 10年10 年以上对工程风险分析理论及方法的熟悉程度听说过,不太了解了解一点比较了解非常了解从事过工程风险研究或应用对长江隧道具体工程情况了解程度不太了解了解一点比较了解相当熟悉亲自参与工程建设184地 下 空 间 与 工 程 学 报?第 5 卷表 3?专家权重评定标注Table 3?T he standard of experts?weight级别描述权重一级隧道工程领域元老级专家具有丰富经验的施工单位项目经理高级职称以上的施工单位技术人员1.0二级中级职称的施工单位技术人员高级职称以上的科研人员高级职称以上的设计人员0.9三级初级职称的工程技术人员

17、中级职称的科研人员中级职称的设计人员0.8四级初级职称的设计人员初级职称的科研人员0.73.4?风险估计3.4.1?风险估计模块介绍风险估计模块为软件的主体部分,采用的估计模型为同济大学地下系陈龙 9的博士论文中提出的风险评估模型和 CIM 串联模型,和陈亮 10的硕士论文中提出的 CIM 并联模型。具体评估流程如图 4 所示:图 4?风险估计流程图Fig.4?The flow of risk assessment3.4.2?风险估计应用风险估计基本流程如图 4 所示,首先输入调研数据,软件建立了数据库和 excel 文档关系,可以直接将调研数据导入数据库中,然后进行以单位工程为单元的风险估计

18、计算。计算过程分为四个层次进行:(1)从调研数据到致险因子层次的风险计算。计算模型见 3.2.3所示,得到各致险因子的发生概率值、各类损失值、损失综合值和风险指标值;(2)从致险因子到风险事故层次的风险计算。计算模型采用陈亮 10的硕士论文中提出的 CIM并联模型,得到风险事故的发生概率、后果损失和风险指标值;(3)从风险事故到分部工程层次的风险计算。计算模型采用陈龙 9的博士论文中提出的 CIM 串联模型,得到分部工程的风险发生概率、后果损失和风险指标值;(4)从分部工程到单位工程层次的风险计算。计算模型同(3)。3.5?风险评价3.5.1?风险评价模块介绍为了综合考虑各种不同类型风险损失(

19、如经济损失、人员伤亡和工期损失),软件采用陈龙 9提出的风险指标作为风险评价指标。风险指标是表示损失分布曲线位置形状的无量纲的参数,其确定方法如下所示,评价标准 9如表 4 所示。设潜在损失 C 的分布函数为 F(c),密度函数为 f(c),C 的取值范围 0,S,该项目最大可容忍损失为 T(T T?1=x1+x?2=RT?R?T1?R T?如果损失 C 为连续函数,则x=-?s0f(c)lnF(c)dc?如果损失 C 为离散性随机变量,则:x=-?sj=0 lnP(Cj)P(Cj)3.5.2?风险评价应用风险评价以风险指标为参数,按照一定的标准将风险划分为 5 个等级,软件建议采用陈龙 9的

20、博士论文中提出的指数函数分级标准,各分级节点为:表 4?风险等级分类标准Table 4?Criteria of risk rank风险水平风险指标范围说明一级 0.00 0.13 风险很小,基本可以忽略二级 0.13 0.29 风险较小,仍在可接受范围三级 0.29 0.48 风险中等,须引起重视四级 0.48 0.71风险较大,需要采取一定的控制措施方可接受五级 0.71 1.00 风险很大,不可接受1852009 年第 1 期?黄宏伟,等:上海长江隧道工程风险评估研究?分=exp(t)-1exp(1.0)-1?t=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0对应于五个级别分别是:0 0.13

21、;0.130.29;0.29 0.48;0.48 0.71;0.71 1.00,如表4 所示,然后以单位工程为单元进行风险评价计算,得到各层次的风险大小等级。3.6?风险评估成果表 5?工程风险评价成果Table 5?The risk assessment result of the project单位工程风险指标风险等级序号分部工程风险指标风险等级长兴岛工作井施工0.4368三级1地面施工作业0.1708二级2支护结构施工0.2393二级3基坑开挖施工0.6975四级4基坑降水0.2791二级盾构进出洞0.3694三级5盾构机拼装0.2691二级6盾构进出洞0.3258三级7临时机械设施搭建

22、和拆除0.2143二级盾构推进0.60020四级8开挖与顶进0.5764四级9泥水输送、处理系统0.2108二级10管片工程0.1931二级11注浆系统0.3245三级12道路同步施工0.2113二级13两隧道互相影响0.2623二级14联络通道施工0.4966四级15设备检修和施工用电0.3500三级表 6?三级以上风险事故统计表Table 6?The statistic of risk accident over the second rank分部工程名称序号风险事故名称发生概率风险指标风险等级盾构进出洞1盾构出洞引起基坑塌方0.00490.3588三级临时机械设施搭建和拆除2机械搭建和拆

23、除中人员伤亡0.04870.3143三级地面施工作业3吊机倾覆0.00170.3056三级支护结构施工4支撑断裂0.00170.4708三级5支撑失稳0.00490.5995四级6围檩被压坏、扭曲0.00170.2932三级7立柱与支撑连接处破坏0.00170.3075三级基坑开挖施工8基坑坍塌0.09500.7669五级9基坑内土体滑坡0.41780.4927四级10围护结构折断或大变形0.30280.5214四级11机械倾覆0.00490.3055三级12重物打击0.01650.3659三级13高空坠落0.01650.3978三级14机械伤害0.16500.3378三级基坑降水15挡土结构

24、失稳及管涌、流沙0.03270.3846三级开挖和顶进16大轴承断裂0.00490.6730四级17盾尾密封失效0.95710.6193四级18无法正常顶进0.41780.3277三级19掌子面失稳,江水回灌0.00820.7398五级20盾构?磕头?0.00330.2900三级21缺氧或突遇有毒气体0.00330.3375三级管片工程22管片制作不符要求0.00490.3149三级23管片工程中人员伤亡0.00660.3266三级186地 下 空 间 与 工 程 学 报?第 5 卷注浆系统24管片上浮0.04940.3428三级25注浆管路堵塞0.30280.2953三级两隧道互相影响26后

25、建隧道掌子面坍塌或失稳0.00330.3363三级联络通道施工27钻孔时涌水涌砂0.30280.3506三级28冻结管断裂导致盐水泄漏0.48690.3370三级29冻圈范围与强度不够0.07980.5423四级30挖掘通道时孔壁失稳坍塌,甚至江水灌入0.00490.9206五级31联络通道渗漏水0.03270.2904三级32上层土体产生较大沉降0.30280.5510四级设备检修和施工用电33触电事故0.03270.3585三级4?结论应用盾构隧道施工风险管理软件,对长江隧道长兴岛工作井施工、盾构进出洞和盾构推进三个单位工程,进行风险辨识、风险信息调研、风险估计和风险评价,得到如下结论:(

26、1)85个风险事故中,没有一级风险,有 52 个二级风险、23 个三级风险、7 个四级风险、3 个五级风险。其中 3 个五级风险分别是:基坑开挖时坍塌、盾构推进时掌子面失稳、挖掘联络通道时孔壁失稳坍塌甚至江水灌入,这三个风险的特点是发生概率虽然不大,但是一旦发生,损失后果为灾难性,如上海轨道交通 4号线事故,新加坡地铁隧道工作面施工导致坍方事故,以及广州海珠城广场建筑工地基坑坍方事故等等,后果非常严重。(2)15个分部工程中,二级的有 9 个,占 60%,三级和四级各 3 个,分别占 20%,其中风险等级为四级的分部工程有:基坑开挖施工,盾构开挖与顶进施工和联络通道施工。(3)单位工程中,长兴

27、岛工作井施工单位工程的综合风险指标为 0.436774065,三级风险;盾构进出洞单位工程的综合风险指标为 0.369368623,三级风险;盾构推进单位工程综合风险指标较大,为.600238720,四级风险。(4)在地下工程风险资料相对匮乏,同时风险发生机理和分布规律相对复杂的情况下,采用基于信心指数的专家调研法,并应用风险管理软件进行大量数据计算和曲线拟合,有利于发掘隧道工程建设领域和风险领域权威专家的宝贵经验,来对大型隧道工程进行风险评估,并将评估成果应用于指导工程实践。参考文献:1?Berroggi and Aebi,M odel Formulation Support inRisk

28、Management J.Safety Science,1996,24(2):121-142.2?黄宏伟,曾明,陈亮,胡群芳.基于风险数据库的盾构隧道施工风险管理软件(T RM1.0)开发 J.地下空间与工程学报,2006,2(1):36-41.(HUANGHongwei,ZENG Ming,CHEN Liang,HU Qun-fang.Risk Management Software(TRM1.0)Basedon Risk Database for Shield Tunneling J.ChineseJournal of Underground Space and Engineering,2

29、006,2(1):36-41.(in Chinese)3?J.H.M.Tah,V.Carr,R.Howes,Information mod-elling for case-based construction planning of high-way bridge projects,Advances in Engineering Soft-ware J.30,1999,495 509.4?J.H.M.Tah,V.Carr,Towards a framework forproject risk knowledge management in the construc-tion supply ch

30、ain,Advance in Engineering SoftwareJ.32,2001,835-846.5?Fiona D.Patterson,Kevin Neailey.A Risk RegisterDatabase System to aid the management of projectrisk J.International Journal of Project M anage-ment,2002,20:365-374.6?Chris Chapman.Project risk analysis and manage-ment PRAM the generic process J.

31、InternationalJournal of Project Management,1997,15(5):273-281.7?Guidelines for tunneling risk management.Interna-tional tunneling association working group No.2.2002.8?陈亮,盾 构隧道 工程施 工风险 管理 与控制 软件(T RM)开发研究,同济大学硕士论文 D.2006.(CHEN Liang.T he development research on riskmanagement and control system in s

32、hield tunneling(TRM)D.T ongji University,2006.(in Ch-inese)9?陈龙.城市软土盾构隧道施工期风险分析与评估研究,同济大学博 士论文 D.2004.(CHEN Long.Risk analysis and assessment during construction ofsoft soil shield tunnel in urban area D.Doctor dis-sertation of Tongji University,2004.(in Chinese)10?陈亮,黄宏伟,胡群芳.盾构隧道施工风险管理数据库系统开发 J.地下空间与工程学报,2005,1(6):964-967.(CHEN Liang,HU ANG Hongwei,HU Qunfang.A database for risk management inshield tunneling J.Chinese Journal of UndergroundSpace and Engineering,2005,1(6):964-967.(inChinese)1872009 年第 1 期?黄宏伟,等:上海长江隧道工程风险评估研究