琼州海峡铁路跨海隧道全寿命风险评价

王 涵,贺维国,袁 勇

(1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300131)

0 引言

海南岛作为我国第2大岛，具有丰富的农业、矿产和旅游资源，且濒临资源丰富、战略位置重要的南海，具有重要的经济发展和军事战略地位。由于琼州海峡的阻隔，海南岛只能依靠海上和空中与大陆沟通，严重限制了海南岛的发展。为保证琼州海峡两岸交通需求和安全，有必要建立永久性、全天候的琼州海峡跨海通道。琼州海峡海域具有水深、风大、浪高、海洋灾害较多的特点，面临通航条件高、环境影响敏感的现实，故需要对跨海隧道建设期和运营期风险进行评估，进而提出相应的工程处置措施，为选择合适线路和施工工法提供参考。

隧道工程风险评价起源于20世纪70年代，H.H.Einstein[1]首次阐述了隧道工程风险研究的特点和理念，后续H.Duddeck[2]和B.Nilsen等[3]对水下隧道工程进行了风险评价，并用于指导工程实践。21世纪初，黄宏伟等[4]以上海长江隧桥工程为依托，在越江跨海隧道风险研究方面取得重大成果。随着国内海底隧道建设的兴起，众多研究者[5-8]结合海底隧道工程地质条件，采用数值分析方法对厦门翔安海底隧道纵断面优化、大连湾海底隧道线位和施工方法选择以及港珠澳沉管隧道地层适用性、工期造价等问题进行了风险评价、风险对策以及方案比选的研究，为海底隧道工程的立项和施工建设提供了有力支持。近年来，张永刚等[9]和王永红等[10]分别对拟建渤海湾海底隧道工程建设期和运营期风险进行了研究，为推动渤海湾隧道工程的立项和施工建设提供了研究依据，国内海底隧道工程风险管理理论研究也日趋规范。

目前海底隧道工程风险评价仍主要关注施工期风险，工程施工阶段风险虽然较大，但施工风险来源与工程建设条件和规划设计密切相关，故单单考虑施工期隧道风险是不全面和不系统的[11]。同时，从工程全寿命周期来看，海底隧道工程使用寿命长达100年，运营阶段发生火灾、地震等意外事件将对隧道造成不可估量的损失。故有必要从工程全寿命周期风险出发，综合海底隧道工程建设期和运营期的风险评价结果，对隧道工程进行全面系统的风险评估，为风险处理和规避提供参考。

本文考虑海底隧道全寿命风险问题，结合琼州海峡铁路跨海隧道工程，重点从建设条件、结构设计、工程施工和运营管理4方面对工程预研阶段推荐路线和工法进行风险评价，根据评价结果为工程线路和工法选择提供参考依据，并针对全寿命周期高风险问题提出风险控制和规避处理建议。

1 工程概况

拟建设的琼州海峡铁路跨海隧道，北与湛江至海安铁路、南与海南东西环铁路相连，是客货兼顾的快速跨海通道，设计使用年限为120年，设计车速中客运为200 km/h(预留250 km/h)、货运为120 km/h，兼驼背运输隧道模式。预研阶段选择东、中、西3种不同的轴线方案(见图1)，中线海域隧道长21.1 km，最大水深近90 m；西线海域隧道长32 km，最大水深近43 m，考虑到西线线位隧道长度过大，拟在琼州海峡海域合理区域建设人工岛，便于西线隧道工程设计施工；东线方案因为不满足预研阶段的城市路网规划和环保要求，故在本文中不予以风险评价和讨论。

拟建隧道陆域主要为第四纪地层夹有玄武岩，海域除表部分布有少量第四纪软土和松散砂层外，主要为第三纪可塑—硬塑黏性土夹密实砂类土。海底地形差异较大，存在中央深水槽侵蚀区、侵蚀盆地区和地形强烈起伏浅滩区等地貌，部分砂层与海水有直接或较强水力联系。中线方案附近发现10个疑似断点，隧道建设区抗震设防等级为Ⅶ—Ⅷ级。过往琼州海峡船舶每年约15万艘，200 t以上船舶约9万艘，通航条件复杂；海域内天气复杂多变、不良天气频繁，热带气旋影响时间长，对工程施工运营有一定影响。

图1 琼州海峡铁路跨海隧道方案Fig.1 Scheme of Qiongzhou Strait railway tunnel

建设区域主要为砂土层，无法满足钻爆法施工条件；中线线路最大水深近90 m，沉管法施工难度极大；故本文对中线盾构、西线盾构和西线沉管3种方案进行风险评价和方案比选进行研究。盾构法方案采用双洞加服务隧道方案，隧道内径9.4 m、外径11.1 m，为保证琼州海峡铁路跨海隧道在高地震烈度和高水压条件下隧道衬砌结构安全和衬砌结构的防水可靠，拟采用双层衬砌结构，中、西线盾构法隧道轨面最低设计标高分别为-121.4 m和- 85.1 m；沉管法方案采用矩形框架结构，横断面宽20.58 m、高12.71 m，外墙、顶板和底板厚度均为1.3 m，西线隧道轨面最低设计标高为- 68.9 m。中、西线隧道方案纵断面如图2所示。

(a) 中线

(b) 西线

2 风险识别

风险识别是风险评估首先进行的工作，全面准确的风险识别才能保证科学的风险分析。风险识别包括风险源查找以及风险源向风险事故转化条件2方面内容，本文根据相关规范[12-13]要求和工程经验，结合琼州海峡铁路跨海隧道工程特点，从全寿命周期角度进行风险识别。通过专家调查表法进行琼州海峡铁路跨海隧道方案风险识别，如表1所示。

表1 琼州海峡铁路跨海隧道方案风险识别Table 1 Risk identification of Qiongzhou Strait railway tunnel scheme

3 风险评价

本文利用专家调查表法对琼州海峡铁路跨海隧道方案进行风险打分，通过处理分析专家评价结果，对3种隧道方案进行风险综合评价。风险调查结果来源于42位隧道行业专家学者(有效问卷41份)，为了保证风险评价的全面性，选择不同工作岗位专家发放调查问卷，有效问卷中管理部门专家6位、设计单位专家17位、施工部门专家7位、科研单位专家11位。考虑到琼州海峡铁路跨海隧道风险评估属于多层次、多因素的复杂问题，模糊层次综合评估法(FAHP)可以较好处理上述复杂问题[14]，故采用该方法对隧道工程全寿命风险进行评估以及进一步的方案比选。

3.1 模糊层次综合评价法

模糊层次综合评价法(FAHP)是一种将模糊综合评价法(FCE)和层次分析法(AHP)相结合的评价方法，在体系评价、系统优化等方面有着广泛的应用，是一种定性与定量相结合的评价模型。模糊层次综合评价法使用层次分析法建立指标体系和确定指标权重，利用模糊综合评价法确定因素集、评价集模糊综合评价矩阵，在模糊变换后进行变换结果评价。模糊层次综合评价流程如图3所示。

图3 模糊层次综合评价流程Fig.3 Flowchart of FAHP

3.2 风险模糊层次综合评价流程

本文以琼州海峡铁路跨海隧道工程中线盾构方案为例，说明模糊层次综合评价法的具体评价步骤。

1)指标体系建立。建立多层次评价模型是层次分析法的关键步骤，通过将目标层分为m个指标，得到一级指标层，继续划分可以得到n个次级指标，从而得到多层次风险评价体系，具体如表1所示。通过建立上述各次级指标层(如海域水文评价指标中包含潮汐、流速、波浪等次级评价指标)，有效兼顾到评价指标的关联性和独立性，保证了风险评价过程和结果的科学性。

对风险概率估计时，对风险源中每个因素进行分析是难以实现的，为保证对隧道全寿命周期进行风险评价，本文一级因素集选择建设条件、结构设计、工程施工和运营管理4个影响因素，建立因素集

U=(u1,u2,u3,u4)。

(1)

由于上述每个影响因素包含多个次级因素，为简化分析需要建立多级模糊评价集反映各级因素间相互关系，将次级因素统一到主因素集中。

2)评价集建立。用模糊语言对中线盾构法隧道方案风险概率进行分类表述，建立评价集

V=(v1,v2,v3,v4)。

(2)

式中：v1为低风险；v2为中风险；v3为严重风险；v4为极严重风险。

风险评价标准需与规范[12-13]要求保持一致。本文中各风险指标的评价等级由专家调查结果决定，同一风险指标以大多数专家的评价结果为评价集结果。

3)根据隶属度建立模糊评价矩阵。隶属度的确定在模糊综合评价中占有重要的地位，决定着评价结果的有效性，通过隶属度关系建立模糊评价矩阵R，反映各因素指标和评语集的对应关系。

(3)

在工程领域，最基本层的指标因素往往无法量化[15]，本文通过专家调查法确定模糊评价矩阵。

4)因素权重确定。在因素集中，每个因素对风险评价结果的影响程度不同，为了反映各因素的重要程度，对各因素赋予相应权重。琼州海峡隧道工程全寿命风险评价因素权重采用专家调查表中层次分析法计算得到，其中一级指标综合权重向量

A=(a1,a2,a3,a4)。

(4)

式中a1—a4分别代表一级模糊评价中的建设条件、结构设计、工程施工和运营管理权重值。各次级因素权重系数可以通过同样方法得到。

5)多层次综合评价。针对多层次风险评价模型的特点，通过建立多重因素集、评价集和模糊评价矩阵，逐层向上计算至最终确定目标层的风险评价结果。

以二级指标评价集Bi为例，可以根据二级指标权重Ai和对应的隶属度矩阵Ri得到。

Bi=Ai∘Ri。

(5)

式中“∘ ”为模糊运算符。

在工程风险评价中常采用主因素决定型M(∧,∨)和加权平均型M(•,+)进行模糊综合处理，其中加权平均型较为精确，适用于兼顾考虑整体因素的综合评价[16]。为综合评价琼州海峡铁路跨海隧道整体风险，本文采用加权平均型进行模糊变换。故

Bi=Ai∘Ri，

(6)

根据二级指标评价集Bi可得到一级指标隶属度矩阵

(7)

同理，考虑到一级指标权重A和一级指标隶属度矩阵，一级指标评价集

B=A∘R。

(8)

6)风险目标综合风险评价。综合评价的目的是为了选出优胜对象，在得到一级指标评价集B后需要将其转换为综合分值P。在琼州海峡铁路跨海隧道工程中，为最大程度利用信息和反映所有评价指标贡献[17]，采用平均隶属度法将风险等级与其概率加权平均后得到的风险等级作为最后的风险等级P。

模糊变换结果B(b1,b2,b3,b4)中bi代表Ⅰ—Ⅳ级风险出现的概率，对bi有如下关系：

(9)

考虑到不同等级风险在全寿命风险评价中的重要性不同，建立不同风险等级权重系数，如表2所示。

表2 风险等级权重系数Table 2 Weight coefficients of risk grades

模糊变换综合风险指标

(10)

式中：i为风险等级；Wi为风险等级所对应的权重；bi为式(9)中各级风险概率。

4 方案比选

根据模糊层次综合评价法的风险评价，可以得到3种隧道方案的整体风险评价结果，如表3所示。可知：中线盾构法方案风险指标P为2.21，西线盾构法方案风险指标P为1.92，西线沉管法方案风险指标P为2.44。

表3 铁路跨海隧道方案风险系数及评价结果Table 3 Risk coefficients and evaluation results of Qiongzhou Strait railway tunnel schemes

从上述风险指标的风险等级概率和综合评价结果可以看出，在琼州海峡铁路跨海隧道工程的工法选择上，盾构法方案较沉管法方案的风险综合等级更低。其中，沉管法方案中Ⅳ级(不可接受风险等级)风险概率较盾构法方案大，导致沉管法方案整体风险评价结果偏高。

在隧道工程的方案线位选择上，工程建设条件中西线方案水深较中线方案小，隧道工程项目设计和施工条件较好；但西线方案隧道长度较中线长约10 km，隧道工程建设周期长，同时需建设人工岛屿，在一定程度上增大了西线方案的整体风险等级，故综合隧道长度和建设条件进行简单分析时，中线和西线线位盾构法方案的整体风险差距不大，与模糊综合层次评价结果较为吻合。

除隧道方案的综合风险评价外，当次级因素风险偏大时仍会影响隧道的最终建设，故对次级因素进行分析是必要的，3种隧道方案风险情况的专家调查统计结果如表4所示。

从表4统计结果可以看出：西线沉管法方案中Ⅳ级风险数量为7项，远高于盾构法方案；盾构法方案的中、西线风险统计结果相近。上述统计结果和综合评价结果相近，说明了综合评价结果的可靠性。

从上述风险综合评价结果和风险评价统计结果可以得到以下结论：

1)建设条件中，盾构法方案中不良地质是唯一的Ⅲ级风险项；而海域水文气象条件较差，沉管法隧道方案中波浪和水流流速为Ⅳ级不可接受风险，沉管管段运输和对接难度大，导致沉管方案技术、经济风险较大。

2)结构设计中，盾构法和沉管法隧道结构形式存在较大差异，但风险均在可接受范围，需要注意盾构法联络通道的设计风险。

3)隧道工程施工是全寿命周期中风险最大的阶段，Ⅳ级风险数量最多、比例最大。盾构法方案存在3项Ⅳ级风险，隧道长距离掘进、高水压条件使得盾尾密封、刀具磨损更换和横通道开挖风险极大；沉管法方案存在5项Ⅳ级风险，恶劣的海域水文条件使得沉管法隧道基槽施工的边坡稳定、回淤控制、基础施工以及水下对接定位和压力控制难度大。

4)运营管理阶段风险评价是隧道全寿命风险评价的重要部分，断层移动给隧道长期运营管理带来挑战，地震、火灾等意外事件对盾构法方案隧道运营管理影响较大，而海域内海床冲刷对沉管法隧道运营风险影响较大。

通过上述方案综合比选分析可知，琼州海峡铁路跨海隧道沉管法方案整体风险评价结果和Ⅳ级风险项数量和比例高于盾构法方案，应优先选择盾构法方案。在线位选择上，中线和西线盾构法方案风险综合评价结果接近，风险统计结果较类似，单从工程风险评价方面看西线盾构方案略优，但西线方案海底隧道长度约为中线方案的1.5倍，工程投资和建设周期相应增长，具体线路比选还需考虑工程投资等因素进一步研究。

5 重大风险分析及控制

在工程实践中，风险的存在不可避免，将风险项按风险等级和性质进行区别处理，对重大风险项进行重点控制，有助于降低隧道工程的整体风险水平，保证工程的安全和可靠。风险控制的思路主要有2方面：一是减小风险发生概率，一般为事先采取控制措施；二是减小风险发生后损失的大小，包括事先控制和事后补救[18]。根据琼州海峡铁路跨海隧道工程特点，结合专家调查表中建议以及工程实践经验，汇总整理出以下琼州海峡铁路隧道盾构法方案中Ⅳ级风险和部分Ⅲ级风险的控制规避措施。

1)不良地质条件(Ⅲ级风险)控制措施。海底隧道处于海水包围中，相对陆域隧道勘查难度大，采用先进的勘查方法和多种勘查手段相结合进行全面地质调查至关重要。隧道掘进中需完善地质勘查信息，采取合理地层加固措施和应急方案确保隧道掘进安全。

2)盾尾密封(Ⅳ级风险)控制措施。中线隧道方案水深近90 m，盾构掘进面临高水压施工问题，盾尾密封和密封装置更换风险大。为保证盾尾密封质量和寿命，需采用多道密封和合理监测系统，良好的盾构姿态控制可大幅度提升盾尾密封寿命，盾尾密封更换需采取有效的地层加固措施和选择合理的更换时间。

3)刀具磨损和更换(Ⅳ级风险)控制措施。除面临高水压外，该工程还存在长距离掘进难点，为减少刀具磨损和更换次数需选择耐磨材料和备用刀具设计，盾构选型需考虑带压换刀和常压换刀，选择合理加固措施进行刀具甚至刀盘更换。

4)横通道开挖(Ⅳ级风险)控制措施。横通道开挖风险等级和概率极大，中线线位水深条件下的横通道开挖工程尚无先例。横通道设计时需优化隧道内部设计甚至突破规范要求减少横通道数量；对横通道开挖过程中的地层加固措施进行深入研究，保证施工组织管理和监测质量，避免重大风险事故发生。

5)断层活动(Ⅲ级风险)控制措施。在隧道长期运营中，断层活动将导致隧道纵向变形差异，地震作用下易发生衬砌结构破坏。在地质勘查确定断层活动特点后，断层附近通过采用柔性设计和设置减震层等措施，减小不一致变形和地震动力响应对隧道长期运营可靠性的影响。

6 结论与建议

1)通过隧道全寿命风险识别和评价可以看出，隧道施工阶段风险与建设条件、结构设计关系密切，同时运营管理期也存在风险等级较高的风险项，综合全寿命风险进行评价有助于提高风险评价的整体性和全面性。

2)采用模糊层次综合评价法，从全寿命周期角度对琼州海峡铁路跨海隧道预研阶段的3种方案进行风险评价，综合评价结果和风险项统计可知盾构法方案优于沉管法方案，中线和西线盾构法方案评价结果相近，需要综合工程投资等进一步研究。

3)针对琼州海峡铁路跨海隧道盾构法方案，结合风险评价结果和专家建议提出了高风险项控制措施以降低工程整体风险。琼州海峡铁路跨海隧道工程面临长距离、高水压等工程特点，需要对不良地质勘查、盾尾密封、刀具磨损更换和运营管理中的断层移动、地震等风险项进行深入分析和研究。

对隧道全寿命过程各阶段进行风险评价，针对各阶段中较大风险因素采取相应风险控制措施，对降低工程风险具有重要意义。同时工程项目风险评价和管理是一个动态过程，需要在工程项目全寿命周期不同阶段进行合理的信息和评价模型更新，比如隧道施工过程中将施工周期长短作为一重要风险评价指标，从而更准确评价工程风险、提出合理处置措施。文中工程措施均为风险控制的一般性措施，后续还需要针对琼州海峡跨海铁路隧道的全寿命风险作进一步深入研究，故本文暂不涉及风险控制措施后的残余风险评价和相关的对比研究。

7 致谢

谭忠盛、傅鹤林等多位行业专家以及相关单位对本文风险调查识别和风险控制措施提出给予了指导和支持，而且谭忠盛教授还提供了宝贵的工程建设条件资料，在此一并致以衷心的感谢！