隧道全寿命周期结构安全风险性分析模型探讨

摘要：在隧道结构可靠度已有研究成果的基础上，抓住隧道结构生命全过程三个阶段的特征进行风险分析，针对现有隧道结构设计、施工、运营过程中存在的问题，将风险和全寿命的理念引入隧道结构中，应用风险评估理论对现有设计方法进行改进，提出了基于风险的隧道结构全寿命风险分析模型。论文根据隧道结构的特点讨论了风险评估的方法和内容，给出了基于风险分析的隧道结构全寿命风险分析模型，并探讨了需进一步研究的问题。

关键词：全寿命；隧道结构；风险；分析模型

中图分类号:TN753.94 文献标识码：A

一、研究背景

隧道结构具有建造费用高、服役期长、影响因素多等特点，作为地下工程是不可逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程，不允许是遗憾工程和灾害工程。

工程结构的安全性和可靠性问题不仅仅存在于正常使用阶段，也普遍存在于工程结构的整个生命周期，即设计、维护使用和老化各个阶段，因此，需要从结构生命周期的角度对结构的安全性和可靠性进行全面的分析、评价和控制。各种工程结构都有其生命周期，在其服役过程中，由于各种环境、荷载、材料内部因素等的不利影响下工程结构都不可避免地产生累积损伤、抗力衰减、功能退化；同时由于结构的使用期限很长，期间可能出现的各种无法预见的灾害和意外超载情况，也会对工程结构产生损伤。当结构的功能退化和损伤到达一定的程度时，就可能导致工程事故的发生，甚至造成重大灾难，使生命财产受到损失。

工程结构在设计、施工、使用过程中存在大量不确定性因素，例如地质条件的不确定性、材料质量的不确定性、构件尺寸、施工水平以及荷载的不确定性等。鉴于隧道的重要性，研究隧道结构随时间变化的风险性分析模型很有必要，可以为隧道的设计、施工及运营管理提供参考依据。

二、研究现状

1、设计过程中隧道风险性评价

现有结构设计规范并没有完全解决工程结构全寿命周期的安全性与可靠性问题。

(1) 造成这样大差距的原因主要是：

1) 设计规范侧重于对正常施工条件下结构的安全性与可靠性进行控制；而对结构在施工阶段所面临的各种风险以及与这些风险有关的安全性问题尚缺乏有效的控制措施；

2) 设计规范是针对在正常使用条件下各种荷载引起的失效；而很少针对一些特殊事件,例如恐怖活动引起的爆炸、火灾等导致的失效；

3) 设计规范没有充分考虑由于环境因素所引起的材料性能劣化的影响。

设计过程中对各种荷载和作用估计不足、对结构性能缺乏充分的理解、过低的强度储备、建筑材料性能的劣化是导致结构失效的主要原因。

(2) 隧道结构可靠度指标随设计基准期的变化可分为三个阶段[1][2]:

1) 0～30年，混凝土强度先提高后降低，钢筋没有锈蚀，混凝土强度对可靠性指标的影响大于时变荷载的影响，可靠度指标不变；

2) 30～60年，随着混凝土强度的降低，时变荷载对可靠度指标的影响成为主要影响因素，可靠度指标缓慢减小；

3) 60～100年，钢筋锈蚀成为可靠度指标的主要影响因素，可靠度指标快速减小。

图1拟建隧道可靠度指标在设计基准期的变化趋势

按现行规范进行设计，在设计阶段，无法判断围岩与支护结构在施工开挖和支护后的稳定性问题，只能通过施工中的监控量测，如喷射混凝土是否出现裂缝及其开展情况、洞周相对收敛值和拱顶下沉等数据和现象进行经验上的判断，而且，这些都属于事后判断，往往还未来得及采取工程措施，围岩或支护结构就已经失稳或破坏，有时，即使成功地进行了加强支护，可是发生的补救费用却很高。

2、施工过程中隧道风险性评价

在结构施工建造期，由于结构还未形成整体的受力骨架、混凝土尚未达到设计龄期、施工中的荷载作用与结构使用期的设计荷载作用有显著差别等因素，结构往往表现出较高的失效概率；施工期是工程材料从“图纸结构”变为现实空间实体的过程，因此，结构的耐久性问题伴随着结构的建造过程在施工期己经产生并潜伏于其中。然而，相比服役期混凝土(硬化后)耐久性的研究,施工期混凝土材料特性的研究滞后。因此，应开展相关研究内容，包括：混凝土材料级配，外加剂，施工条件等因素对混凝土早期性能影响规律；混凝土施工期材料特性与其服役期耐久性能指标之间的关系；不同施工条件和混凝土结硬后暴露条件的耦合影响等[3]。

导致施工过程中的质量问题和安全问题的因素大致可归纳为如下几方面：

(1) 缺乏有效的规范体系保证；

(2) 施工中的各种统计数据不完备；

(3) 施工期结构和荷载的时变性；

(4) 施工中的人为错误；

3、运营期结构状态风险性评价

实际过程中，在自然环境、使用环境和材料内部因素的共同作用下，隧道结构的材料性能会随时间劣化，从而导致其抗力不断下降，使结构的可靠度下降，安全风险加大。图3给出了结构抗力和荷载效应随时间的变化过程。

图3 结构抗力和荷载效应随时间的变化过程

与使用期的安全性问题不同，在结构老化期各种构件的承载能力降低，变异性显著增大，而且结构实际承受的荷载往往与设计时的荷载有较大的差异。新版《混凝土结构设计规范》列入了局限于环境分类和材料方面的要求的耐久性方面的规定，没有对混凝土结构老化期的设计目标进行量化规定，规范的要求无法在设计过程中很好的执行。

4、现有评价模型

在结构施工建造期，由于结构还未形成整体的受力骨架、混凝土尚未达到设计龄期、施工中的荷载作用与结构使用期的设计荷载作用有显著差别等因素，结构往往表现出较高的失效概率；在结构竣工交付使用后，由于这些因素被消除或得到控制，结构的失效概率降低；在结构使用若干年以后，结构由于材料性能的退化、使用过程中累积起来的各种损伤等因素，使得结构的失效概率再次升高。结构在全寿命周期的失效概率的变化形成了所谓的“浴盆曲线”,如图4所示，其中Pf为结构的失效概率，Pf0为容许的失效概率。为确保结构的安全性和可靠性，必须对结构全寿命周期各个阶段的失效概率或者风险进行分析与控制。

图4结构生命周期与失效概率的关系

三、分析模型建立

1、影响因素分析

(1) 总结隧道有关可靠度及全寿命周期管理的相关研究，本文重点分析隧道在寿命周期的不同阶段所面对的风险因素，各阶段风险因素见表1，评估各阶段对隧道结构寿命的影响程度，给出隧道全寿命周期结构风险性分析模型。

风险是一个二位概念。其广义表达式为：

R=P[Performance]*Potential worth of loss (1)

式中：R为风险；

P[Performance]为性能的不确定性(失效概率)；

Potential worth of loss为对应的潜在损失,包括人员伤亡、财产损失和环境影响等。

(2) 风险指数确定[9]

表1隧道结构概率等级划分

概率范围 中心值 概率等级描述 概率等级

>0.3 1 很可能 5

0.03-0.3 0.1 可能 4

0.003-0.03 0.01 偶然 3

0.0003-0.003 0.001 不可能 2

<0.0003 0.0001 很不可能 1

注：(1) 当概率值难以取得时，可用频率代替概率；

(2) 中心值代表所给区间的对数平均值。

表2隧道结构风险等级划分

后果严重

概率等级 轻微的 较大的 严重的 很严重的 灾难性的

1 2 3 4 5

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

表3隧道结构风险接受准则

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，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

表4隧道全寿命周期各阶段风险因素

全寿命周期阶段 影响因素 风险指数

失效概率 潜在损失

设计阶段 规范不完善、可操作性不强 0.2 无

荷载计算偏差

材料性能劣化

安全储备不足

耐久性设计指标无法定量化

地质情况不明确

施工阶段 施工荷载估算偏差 0.7 严重

施工工艺选择不当

地质灾害

人为错误

监控量测不到位

运营阶段 日常养护不及时 0.1 较重

长期超负荷运行

维护方法不当

2、风险分析模型

(1) 设计阶段：全寿命设计理念指结构的整个生命周期，而不仅仅是某一个阶段(比如结构使用期)，统筹考虑设计、施工、运营和管理各个环节以寻求恰当方法和措施,使结构的全寿命性能(安全、适用、耐久、经济、美观、生态等)达到最优或优化。该设计理念对于提高结构的耐久性和使用性能、降低全寿命总成本、促进结构技术水平的进步具有现实意义[6]。

(2) 施工阶段：在施工期隧道围岩中原有应力平衡被破坏，喷射混凝土及锚杆的强度还在增长过程当中，随时可能遇到各种险情隧道开挖初始时刻，初期支护结构具有较高的可靠度；在一倍洞径左右时可靠度指标达到最小，两倍洞径左右之后，不同开挖速率工况下的可靠度指标基本趋于相同[8]。

(3) 运营阶段：隧道进入老化期后，受到自然环境和使用环境腐蚀介质的长期作用,导致结构抗力不断下降，且由于围岩介质具有流变效应，衬砌所受到的作用不断增长，导致隧道结构在这一时期呈现较高的风险。风险率较低的使用期,在灾害性地震作用下，隧道结构风险率又上升到较高的水平。

通过引入全寿命周期结构风险性分析理念，对比已有“浴盆曲线”，建立如图5所示全寿命周期风险性分析模型，该模型给出现有结构经常存在的三种状态，进行比较性分析。

图5隧道结构风险（失效概率）与寿命周期的关系

四、结论

隧道结构在全寿命周期内，面临的各种风险，贯穿设计、施工到运营管理各个阶段，针对目前大规模修建的隧道存在众多风险因子以及安全隐患，有必要对隧道的规划、设计、施工和运营过程建立全寿命的风险管理体系以及数据监测采集系统，针对项目的不同阶段不同工程需求进行工程参数信息化收集、管理、分析、处理，确定项目在各阶段存在的风险因素以及安全隐患，并制定相应的风险处理方案，及时识别、处理隧道在全寿命周期中可能存在的各种风险，降低工程风险，并通过对这些工程资料的收集整理为以后的科学研究以及工程设计提供参考，确保隧道工程的百年大计[7]。

（1）完善结构设计相关规范内容，提高规范条文的可操作性；

目前隧道结构设计亟需解决的问题就是寻求合理的理论和措施改进现有的隧道结构设计方法，使得隧道结构全寿命中的各种不确定性因素及其影响能够得到合理的考虑，以满足隧道结构全寿命安全性、适用性、耐久性和经济性等各方面要求。

隧道工程中存在大量不确定性因素，将风险评估的相关理论知识应用到隧道结构设计中，可以对这些不确定性因素进行定性、定量评价，从而为结构设计和决策提供更全面可靠的信息和依据。

（2）加强施工监管，加强施工及监理单位日常考核，采用新材料、新工艺，提高作业人员整体素质，实行优胜劣汰制度，减少施工过程中产生的各种对隧道结构寿命周期有影响的因素，提高工程质量；

（3）规范隧道结构日常养护管理制度，完善相关机制， 加强隧道结构老化的现场观测和试验研究，建立更加符合隧道使用环境的结构抗力衰减模型。使隧道结构老化期可靠度评估更加符合实际情况，从而指导隧道结构的维修与养护。

本文提出的基于风险的隧道结构全寿命设计方法仅仅是概念和框架，里面有许多问题有待解决，如隧道结构设计中不确定性因素的定性与定量评价方法，不同类型隧道结构长期服务性能以及维护方案研究，隧道结构全寿命费用分析的参数研究，隧道结构设计决策准则的研究等,需要尽快开展进一步的研究。

参考文献

[1] 赵庆丽. 盾构隧道衬砌结构可靠度研究[D].上海：同济大学.2009.

[2] 金伟良，牛荻涛. 工程结构耐久性与全寿命设计理论[J]. 第20届全国结构工程学术会议特邀报告.2011.11: 53-59

[3] 金伟良,宋志刚等. 工程结构全寿命可靠性与灾害作用下的安全性[J].浙江大学学报(工学版),2006.40(11):1862-1868.

[4] 陈肇元.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社, 2004.

[5] 龚文平. 城市地铁隧道全寿命周期工程风险分析[J].山西建筑,2011.37(33):235-236.

[6] 宋玉香,景诗庭等. 隧道结构系统可靠度研究[J].岩石力学,2008.29(3):780-784.

[7] 李志华. 隧道结构生命全过程可靠度研究[D].大连：大连理工大学.2008.

[8] 王燕. 基于风险的隧道结构全寿命设计方法研究[J].地下空间与工程学报,2009.5(1)：118-121.

[9] 中华人民共和国铁道部.铁路隧道风险评估指南.北京：中国铁道出版社,2007.

Discussing on the structure safety risk model in whole life-cycle of Tunnel

（Ning bo.etc）

(Shaanxi railway engineering institute, weinan, China, 714000)

Abstract:On the basis of existing research results In the tunnel structure reliability, Seize the tunnel structure characteristics of the three stages of life process to risk analysis, In view of the existing problems in the process of the tunnel structure design、construction and operation.bringing in the risk and the concept of whole life into the tunnel structure, Application of the theory of risk assessment to improve the existing design methods. Put forward the tunnel structure life-cycle risk analysis model based on risk.This paper is discussed according to the characteristics of the tunnel structure risk assessment method and conten, Given the tunnel structure life-cycle risk analysis model based on risk, and discusses the problems needed to be studied.

Key words: Life-cycle; Tunnel structure; risk; Analysis model

作者简介：宁波(1979,10-),男(汉),,讲师,硕士,主要研究桥梁与隧道工程。