公路桥隧工程风险评估研究隧工程研究公路桥梁风险评估.docx

公路桥隧工程风险评估研究目 录一、桥隧工程风险评估的必要性21.1 研究背景21.2 研究目的3二、公路桥隧工程风险评估体系32.1 风险评估的概念52.2 评估方法72.3 风险评估流程72.4 评估指标8三、公路桥梁风险评估实例9四、公路隧道风险评估实例11五、结语135.1 公路桥隧工程风险评估技术逐渐成熟135.2 进一步的发展方向14一、桥隧工程风险评估的必要性1.1 研究背景根据大数定律，在长期不断的试验中，小概率事件是几乎一定会发生的。可以这么认为，风险是客观存在的，比如一座桥梁突然倒塌，一起交通事故突然发生，一座石油钻塔突然倒塌，1986年“挑战者”号航天飞机突然发生爆炸，切尔诺贝利核电站发生泄漏事故等，各种风险事件屡见不鲜。风险几乎涉及到各行各业，并在这些行业中得到了蓬勃发展，如：核工业、航天、海洋、化工、石油、金融等等。也因为各个领域千差万别，迄今为止，学术界和工程界对风险的定义并未达成统一，不同的专业背景和应用背景，对风险的定义也不尽相同，但从风险的本质来看，其内容也大同小异，可以这样归纳一下，风险的概念即可认为是在特定的客观情况下，在特定的时期内，某一事件的预期结果与实际结果间的偏离程度。偏离程度越大，风险越大；反之，风险越小，即包括两个方面：偏离发生的概率和偏离程度。具体到桥梁工程领域，可以认为其风险为在桥梁全寿命过程中，对桥梁安全造成影响的不确定事件。风险的产生是内部因素（如：桥梁结构本身）与外部条件（如：人、建设条件、运营条件）在一定的时间和空间中相互作用的结果，而这些内部因素和外部条件都是客观的。即使由于科学技术的飞速发展，工业水平的提高，新建筑材料的出现，施工工艺的不断革新，设计理论及计算手段的突飞猛进，更多型式、更大跨径的桥梁工程在近现代相继建成，但不争的事实是，工程师们只能在一定的时间和空间内改变风险存在和发生的条件，降低风险发生的频率和损失幅度，但并不能彻底消除风险。桥梁工程是大型复杂的系统工程，大型桥梁工程的建设往往引起社会的高度关注。工程巨型化、技术复杂化，以及利益复杂化也给桥梁工程在建设之初及建成之后的安全性带来诸多的不确定性，如大风、地震、洪水、波浪、倒塌、车撞、火灾、技术失误等等。世界各地桥隧工程风险事故说明：公路桥隧建设风险的存在具有客观性、严重性。风险可以控制、减小、分担、转移或者接受，但却不能忽略。为加强对建设项目的安全监管，建立桥隧工程设计和施工安全风险评估制度，推动行业安全技术标准建设，交通部西部交通建设科技项目管理中心设立了重点项目“西部地区公路桥隧工程风险评估研究”。该项目在深入分析了国内外关于工程风险研究的基础上，针对当前科学的研究趋势，系统地开展了公路桥隧工程风险评估研究，取得了一系列创新成果。1.2 研究目的开展公路桥隧工程风险评估就是要：通过深入讨论风险发生机理，辨识风险源，并利用概率论和数理统计的方法测算风险事故发生的概率及其损失程度，然后制定应对策略，降低风险发生的概率及其可能导致的损失。其最终目的是：为决策服务，减少事故发生、降低损失，保护公众利益。当然，对工程所处的阶段不同，其目的也有所不同。在设计阶段，主要是对拟比选的设计方案进行风险评估，将风险评估成果作为方案比选的重要内容，推荐风险、技术、经济等最优的方案，避免具有重大风险的方案作为实施方案，对重要风险源提出对策措施。在施工阶段，主要是对施工过程中可能存在的施工保障性安全风险进行评估，明确风险源，避免采用风险大的施工方案，制定、完善风险控制措施和预案。在运营阶段，主要是预防事故为主，确保设施安全，优化运行管理。二、公路桥隧工程风险评估体系结构的安全是相对的，风险才是绝对的。针对风险的研究最早出现在19世纪末的西方经济领域中，自上世纪70年开始，风险评估开始广泛应用于各个领域，如核工业风险评估、环境风险评估、船舶与海洋工程风险评估、系统工程风险评估、结构工程风险评估、岩土工程风险评估、城市轨道交通工程风险评估等。近一个世纪以来，针对风险的研究在国内外得到了长足的发展，其成果也得到广泛实际工程应用。在几次国际学术会议和多个重大工程的推动下，桥隧工程风险评估正日益得到了重视和应用，并逐渐开花结果，为提高工程建设和运营安全发挥了应有的作用：在1983年，IABSE召开了“有关对桥梁和海洋结构物发生碰船问题的国际讨论会”，关注于船撞风险评估研究。在2001年，CIB（国际建筑与营建研发联盟 INTERNATIONAL COUNCIL FOR RESEARCH AND INNOVATION IN BUILDING AND CONSTRUCTION）在马耳他召开会议，就“土木工程中的风险评估与风险交流”进行了重点讨论。分别在葡萄牙和泰国举办的2005年IABSE、2009年IABSE会议也对风险评估技术进行了重点讨论。2007年10月在同济大学举办首届岩土工程安全与风险国际会议。桥梁工程风险分析和工程应用的比较典型的案例有：（1）1947年11月7日，旧塔科马峡谷桥(853m)在八级大风作用下发生颤振毁坏，其风险源即为大风，所导致的风险事件即为颤振失稳、静风失稳、涡激振动等。（2）旧金山金门大桥(1280m) 增加了钢桁加劲梁下平联，以降低运营阶段的风险。（3）1998年，明石海峡大桥(1991m)在建设过程中采取开槽、增加中央稳定板等措施，以降低施工过程中的风险。 （4）规划中的意大利墨西拿海峡大桥采用主跨3300m、流线型三主梁超大跨悬索桥，以降低极端大风及颤振稳定性、地震、主缆的疲劳分析、车辆荷载下的横向扭转等风险。（5）主跨1088m的苏通大桥进行了施工阶段风险评估，对保证苏通大桥的顺利建成起到重要作用。（6）在2002年，开展了崇明越江通道工程风险分析研究。（7）近年来，龙江大桥、港珠澳大桥、四川合江一桥、山西壶口黄河大桥等多个桥隧工程均开展了相应的工程风险评估研究。2.1 风险评估的概念（1）公路桥隧工程建设风险的定义公路桥隧工程建设风险可表示为在施工、运营期间发生潜在不利事件的概率（P）与可能后果（C）的集合。（2）风险的产生过程风险的产生过程可以通过风险源（风险因素）、风险事故和风险损失三大要素的相互关系得以揭示。风险源（风险因素）：指引起风险事故的发生、增加风险事故发生的概率或影响损失严重程度的条件或因素。风险源（风险因素）是风险事故发生的潜在原因，是造成损失的间接或内在原因。风险源（风险因素）种类和数量众多，一般包括实质性风险源（有形因素，如施工荷载等）和人为性风险源（无形因素，如人的恶意行为、疏忽与过失等）。风险事故：是指直接导致损失（不利结果或后果）发生的偶发事件，又称风险事件。风险事故使风险的可能成为现实，以致造成损失的发生，它是造成损失的直接原因或外在原因，是损失的媒介物，即风险只有通过风险事故的发生才能导致损失。风险损失：是指由风险事故造成的非故意的、非预期的、非计划的不利结果或负面效果，又称为风险后果。风险损失的产生与风险源的存在以及风险事故的发生有着密切的关系，风险损失的发生概率和大小具有不确定性，它是表征风险大小的决定性因素。风险是由风险源（风险因素）、风险事故和风险损失三者相互关联而产生的，如图1 所示。图1 风险产生过程示意图一个风险源的出现可能会引起多种事故，一种事故也可能由多个风险源引起，风险源与风险事故之间是多对多的因果关系；一种风险事故可以引起多种风险损失，一种风险损失也可由多种风险事故引起，风险事故与风险损失之间业是典型的多对多的因果关系，风险源（风险因素）、风险事故、风险损失的对应关系如图2所示。图2 风险源（风险因素）、风险事故、风险损失的对应关系（3）不同工程阶段的风险评估目前，风险评估工作主要在设计、施工、运营三个阶段开展。针对工程所处的不同阶段，所开展的风险评估工作侧重点也均有所区别。在设计阶段，主要从技术角度考虑设计方案中各种不确定因素对后继施工及运营造成的不利影响。避免由于“先天不足”而导致“后天堪忧”。在施工阶段，主要从施工安保措施角度考虑施工实施过程中可能出现的各种事故，并分析可能造成的运营养护影响。避免由于技术上的疏忽或管理上的不慎而导致工程项目的质量、安全等目标出现过大偏差。在运营阶段，主要从运营过程中外部环境的复杂性、变动性以及主体结构对环境的适应能力的有限性，分析运营失效的可能性及其损失，以便及时采取措施保障桥隧工程的安全。2.2 评估方法风险评估可有多种方法，归纳起来，风险评估包括定性方法、定量方法，有时只需采用其中的一种，而有时则要采用两种相结合。这些方法各具特色，彼此并不能替代。定性分析带有很强的主观性，往往需要凭借分析者的经验和直觉，或者业界的标准和惯例，为风险管理诸要素（风险事故发生的可能性，现有应对策略的效力等）的大小或高低程度定性分级，例如“高”、“中”、“低”三级。主要回答“有没有”、“是不是”方面的问题，具体采取的方法有小组讨论、检查列表、问卷法、人员访谈法、专家调查法等，该方法实际操作相对容易，但也可能因为操作者的经验和直觉的偏差而使分析结果失准。定量分析方法的思想是对构成风险的各个要素和潜在损失的水平赋予数值或货币金额，当度量风险的所有要素都被赋值，风险评估的整个过程和结果就都可以被量化了，如蒙特卡罗法等。主要回答“有多少”方面的问题。定量分析方法有两个指标最为关键，一个是事件发生的可能性，一个就是威胁事件可能引起的损失。理论上讲，通过定量分析可以对安全风险进行准确的分级，但这有个前提，那就是可供参考的数据指标是准确的，可事实上，在实际工程中，定量分析所依据的数据的可靠性是很难保证的，再加上数据统计缺乏长期性，计算过程又极易出错，这就给分析的细化带来了很大困难，所以，目前工程实际应用中的风险分析，采用纯定量分析方法的已经比较少了。2.3 风险评估流程风险评估的步骤包括：风险识别、风险估测、风险评价、风险控制及应急预案，风险评估的流程如图3所示。图3 公路桥隧风险评估流程图2.4 评估指标公路桥隧工程安全风险等级，应根据风险发生概率等级和风险损失等级共同确定。不同等级的风险需采用不同的风险控制措施，结合风险评价矩阵，不同等级风险的接受准则见表1。表1 风险水平接受准则风险等级定义I低风险，风险可以接受，当前控制措施有效II中风险，风险水平有条件接受，须进一步实施预防措施，提升桥隧安全性III高风险，风险水平有条件接受，必须实施削减风险的控制措施，必须制定应急预案IV极高风险，必须采取有效控制措施将风险等级降低到III级及以下水平；如果控制措施的代价超出风险承担者的承受能力，则放弃项目执行三、公路桥梁风险评估实例风险源是可能导致风险的危险或有害因素。桥梁建设和运营过程中的风险源与建设条件、运营条件、设计方案、施工技术和运营管理有关。通过对工程涉及的地质、环境、设备、技术和人员等各方面进行调查研究，辨识重大及重要风险源。从桥梁工程的基本结构和建设流程来看，主要涉及建设条件、设计方案、施工方案、施工管理、运营管养等，风险源的筛选也一般按照这几个方面开展工作。风险评估是一项针对性较强、理论与经验紧密结合、定性与定量相互补充的系统工作。在初步设计阶段，工程设计的安全风险评估主要是基于技术角度考虑各种不确定性因素对设计质量的影响，即设计方案不合理、关键技术选择不确定、设计安全度不足或富余度过大、设计文件错漏等导致工程设计质量偏低的风险，造成后继的施工阶段存在施工缺陷或建设成本增加，在运营阶段造成运营养护及经营成本增加等对项目建设和运营的不利影响，并根据风险水平的差异，以及设计方案对建设条件的适应能力，就本阶段提出的推荐方案和比较方案进行比较。该阶段主要从技术角度进行评估，以避免由于“先天不足”而导致“后天堪忧”。其评估内容涉及建设条件、设计方案、施工技术和运营管理四个方面。其中设计方案和建设条件是当前工程状态，为评估的着眼点；施工技术和运营管理是工程未来实施状态，为评估的关注点。另外，评估过程中还要分析类似工程案例，此类案例是同类工程的过去状态，为评估的立足点。对于公路桥梁初步设计阶段风险评估，需对设计文件中同深度比选的多个设计方案同时进行风险评估。根据评估结果，视风险等级对初步设计方案进行修改完善。若风险等级极高时，应对初步设计方案重新论证。依据安全风险评估结果，按照技术可行性及经济合理性的原则，提出相应的风险控制措施。相对于初步设计阶段所开展的安全风险评估，施工图设计阶段安全风险评估内容基本与其保持一致，只是对工程修建原则、设计方案、技术措施加以具体和深化，尤其是进行了设计变更的设计方案内容，完成具体的技术安全风险评估，是初步设计阶段安全风险评估的一个精细化递进过程。在实际工程中，当然也可以根据工程需要，将初步设计和施工图设计两个独立的评估阶段合成为一个阶段进行。针对该阶段风险评估，以龙江特大桥初步设计阶段风险评估作为一个典型案例。评估过程以龙江特大桥的正常设计、正常施工与正常运营为基础，针对其初步设计阶段提出的主跨1196m双塔单跨钢箱加劲梁悬索桥方案开展安全风险评估。龙江特大桥安全风险评估的内容主要包括：(1)关键风险源筛选(2)加筋梁安全风险评估(3)索塔及基础安全风险评估(4)锚碇安全风险评估(5)缆索系统风险评估(6)边坡稳定风险评估(7)风致灾害风险评估(8)地震灾害风险评估(9)环境安全风险评估(10)火灾安全风险评估(11)同类工程对比(12)结论及建议龙江特大桥初步设计阶段安全风险评估采用专家调查法，实施过程中引入了专家参与、专家咨询、专家决策过程。在实施过程的诸多环节风险源筛选、风险分析、风险评价、应对策略等，都有专家参与咨询和决策。报告的编写征求了悬索桥设计、施工、运营养护和管理方面经验丰富的专家们的意见。专家意见主要通过在北京、昆明等地开展的2轮集思广益的风险讨论会议进行汇集，专题小组整理分析了总体风险，最终形成评估工作报告。四、公路隧道风险评估实例以港珠澳大桥隧道部分为例，介绍隧道工程设计阶段风险评估的实际操作过程。在初步设计阶段，港珠澳大桥隧道段同时考虑了沉管、盾构两种方案。隧道段长度约6至7km，具体长度取决于不同的方案（包括出入口斜坡段）。风险评估过程对沉管与盾构隧道进行了总体的对比，并得出推荐方案。风险评估的主要内容包括了四个部分：（ 1 ）施工风险；（ 2 ）运营养护风险； （ 3 ）环境影响风险 ；（ 4 ）人员安全风险；在进行了沉管隧道与盾构隧道两种工法的直接施工成本大概估算、运营成本与工期的估计之后，两种工法在直接施工造价（不含人工岛的造价）和施工工期方面的差别并不明显，这些差别也是在估算的不确定性范围之内。如果只是基于直接施工造价与工期的估算还不足以对选择两种隧道工法的哪一种做出推荐。在不考虑施工风险的情况下，选择在我国较为常用的工法（如选择在软土中的大直径盾构隧道，而不是深埋的海底长沉管隧道）较有优势，但实际情况是：两种工法的主要区别就在于施工风险。评估过程对两种工法的施工风险进行了重点评估。同时也对于应对延误时间的灵活性进行了评估。两种隧道工法的主要施工风险及结果如下：沉管隧道盾构隧道如果预制场内的混凝土质量不合格- 混凝土修补（在关键路径上）由于人工岛修建的延误（在关键路径上）-工期延误施工阶段的沉降造成接头张开-接头修复（不在关键路径上）盾构机的提交与是否符合要求（在关键路径上）-工期延误在存放、运输与下沉时两钢端密封门的损坏-管节修复（不在关键路径上）盾构机的操作问题（如刀具，火灾与渗水等）（在关键路径上）-工期延迟接头漏水（不在关键路径上）-接头修复地质条件风险（地层中出现障碍物与承压水层）（在关键路径上）-工期延迟绝大部分主要风险都不在施工关键路径上所有的主要风险都位于施工的关键路径相比沉管隧道，很明显盾构隧道在成本和延误工期方面有更高的风险。从本质上讲，沉管隧道的施工包括预制管段与海洋水工工程，这与跨海大桥的施工风险相似。人员安全风险（出现严重事故）在两种不同隧道工法中是一样的。施工期间的环境风险可以借助规划、监理和先进设施的使用来加以管理。对于永久性的环境影响，由于岛隧结合部暗埋段附近回填保护层的阻水作用，盾构隧道的影响要高于沉管隧道。在不考虑施工过程中可能出现的事故风险情况下，不含人工岛的建设费用，盾构方案的建设费用和沉管方案在同一数量级。但结合风险和相应的直接施工成本，可以看出沉管方案是最优方案。此外，沉管方案在工期安排的灵活性比盾构方案更优越，它可以允许可能的延误能够调整补偿回来。而且下沉沉管隧道管节和人工岛的修建独立进行成为可能，这也许对本项目是一个很大的优势。考虑在发生火灾时安全性时，沉管隧道从逃生角度来看可能要更优一些。但在现阶段还无法明确两个方案的差别会很大。从维护方面看两种工法相近。两种隧道工法由于水压力较大都可能出现漏水与耐久性问题。但即使两种类型的隧道都有事故案例，但综合所搜集的资料和专家调查结果看，这些问题并不是通病，在进行正确的设计与良好的施工工序安排情况下，是能够达到水密性与耐久性要求的。在抵抗超过设计值的偶然荷载作用方面（如沉船，抛锚与爆炸等），沉管隧道略为不利。在现在两个隧道方案的概念设计中，两种隧道的结构安全差别很小在这方面两种工法是等同的。通过施工风险分析、估测可知，盾构隧道施工的风险比沉管隧道要高。根据以上分析，以及现有的相关资料、专家咨询信息和评估结果，风险评估小组建议港珠澳大桥隧道采用沉管隧道方案。五、结语5.1 公路桥隧工程风险评估技术逐渐成熟(1)技术进步在国际国内学术会议的推动，以及行业领导、专家、社会知名人士的关注下，公路桥隧工程风险评估研究工作已经逐步从理论研究迈向工程应用，工程风险评估理念逐渐深入人心，人们的风险意识也越来越强，为提高工程建设和运营安全性，提升工程建设安全风险管理水平打下了坚实的基础。对于不同工程所处的不同阶段，可以采取有针对性的方法，比如定性、定量方法，进行评估工作，让工程相关方切实了解工程存在多少关键风险源、风险程度、降低风险的代价等，进而获得技术、管理等方面的解决方案，明确相应的应对策略和目标，再选择合适的解决方案来实现风险的降低，提高工程建设的安全性。在目前风险评估研究的工程实践中，工程安全风险评估技术的实施步骤、研究内容、研究方法等都在得到初步应用和实践检验，这些特点一方面使工程安全风险评估技术的可操作性在依托工程中得到证实，提高了风险评估技术的实用性与针对性，使用风险评估理论、方法研究持续得到深化。风险评估属于公路桥隧安全的新鲜概念，这种方式在工程界也正逐步的得到认可，相对于目前起步阶段，想要出色的完成一个风险评估项目并不容易，从理论的角度来讲，我们希望完美，从便于实施来讲，我们希望简洁，这本身就很难界定，但只要道路正确，前途肯定是光明的，相信通过工程实践中对操作环节和程序的进一步验证，公路桥梁工程建设安全风险评估技术必能开花结果，成为一个实用工具。1）通过交通部西部交通建设科技项目西部地区公路桥隧工程风险评估研究 研究，形成了一套具有较强操作性的桥隧工程风险评估技术2）通过5座特大桥隧试点工程以及其它10余特大桥隧工程实践，风险评估技术开始为桥隧工程安全建设发挥积极有效的作用3）通过理论研究与工程实践，起草完成了公路桥隧工程设计安全风险评估指南，预计在2010年6月试行（2）行业领导的高度重视1）制定管理办法2）公路交通突发事件应急预案-颁布3）公路长大桥隧安全运营管理办法-待颁布4）关于进一步加强和规范治理车辆非法超限运输工作的通知-20091016 发布5.2 进一步的发展方向总体来说，当前风险评估研究中，尚存在如下不足之处：（1）桥隧工程灾害数据库急待建立统计数据严重匮乏，完全定性评估无法满足需要，风险发生规律的进一步揭示，有待于结合大量工程实际进行深入细致地研究。（2）方法研究有待深入风险量化模型不足以满足定量估测风险的需要。对已建立的量化风险模型，尚需要更多资料和背景下，并利用试验、实桥观测的方法，对参数继续进行修正和调整，提高估测结果的准确度。（3）体制尚不完善、供需双方不明确今后在进一步的研究过程中，还需强化风险机理研究，并丰富研究手段，并根据研究进展，调整研究思路。总体来说，如下方面尚需开展进一步的研究：（1）风险源数据库及风险事故统计分析（2）桥隧工程事故主客观原因及其演变规律研究（3）典型风险事态下桥隧结构响应及易损性机理（4）实桥监测条件下风险概率、风险损失量化模型修正（5）考虑社会期望、公众意愿的合理风险水平研究