铁路隧道施工安全风险管理研究_宋平.docx

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1、/ 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究

2、所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 铁路隧道在施工建设过程中存在诸多不确定性风险因素，使得发 生各类安全事故的概率极高，事故后果很严重。在铁路隧道建设全过 程中通过开展施工安全风险管理工作，有利于决策科 学化、有利于降 低事故发生的可能性、有利于控制风险事故后果损失。本文以铁路隧 道施工期的安全风险为对象展开研究，研究内容如下： (1) 以铁路隧道施工安全风险事件为分类方式，采用核对表的 方法，建立铁路隧道施工安全风险多级指标体系；在此基础上，进一 步对风险指标体系在实际应用过程中的风险因素筛选方法和原则上 进行探讨。 (2) 基于国内尚没有足够的

3、施工安全灾害数据的情况下，引入 基于层次分析一模糊理论去综合评估铁路隧道施工安全风险发生的 概率；提出基于经济价值衡量原则的铁路隧道施工安全事故后果分类 方式，并依此引入 “ 当量 ” 这个概念，进一步提出施工后果当量估计 方法来解决铁路隧道施工安全事故后果等级的估计问题 ，通过引入 R=PXC的方法，将上述各种方法进行有效的结合，建立一个完整的铁 路隧道施工安全风险水平分析的评估模型，以此模型为基础，进一步 开展了可视化评估软件的开发研究。 (3) 铁路隧道施工安全风险控制应该是一个管理与技术相结合 的综合控制体系；在管理方面，创新性地提出以 PRCA为核心的铁路 隧道 RTDMM风险管理模

4、型；在风险控制技术方面，主要针对铁路隧 道施工中最为常见的塌方事故开展预防和控制方面的研究。 (4) 利用本文对铁路隧 道施工安全风险管理研究的成果，对青 云山铁路隧道施工安全风险管理进行了应用研究。 通过评估指标体系的建立，评估方法的提出，评估模型的建立与 计算程序的开发，控制措施的制定，实现了对铁路隧道施工安全风险 进行量化估计，系统化和科学化管理的目标，为铁路隧道施工安全风 险管理理论与方法及在实际工程中的具体应用和发展提供了参考。 关键词：铁路隧道，施工安全，风险管理，指标体系，风险评估， 风险控制 ABSTRACT There are many uncertain risk fact

5、ors during the construction for railway tunnel, which lead to a particular high probability for all kinds of safety accident with serious consequence. Carrying on the construction safety risk management throughout the whole process of railway tunnel construction, it benefits the scientific decision,

6、 reducing the accident happening possibility, and taking a good control for the loss during perils. For the dissertation, writer taken a research on the safety risk during railway tunnel construction, and some achievements obtained are as follows. (1) With the classification of railway tunnel constr

7、uction safety risk accidents, a multi-level index system for the railway tunnel construction safety risk had been founded by the list-checking method. Based on this, a farther research on the risk factor screening method and principle for the risk index system in the practice was taken. (2) Consider

8、ing the lack of enough construction disaster data inland, writer proposed a comprehensive evaluation method for the railway tunnel construction safety risk probability which based on the level analysis-fuzzy theory. Moreover, writer proposed the classification for the railway tunnel construction saf

9、ety accident consequence based on the economic value measure principle, and introduced the concept of “equivalent” ， fUrther，proposed the construction consequence equivalent estimation method the estimation which was used for dealing with the estimation of the level for railway tunnel construction s

10、afety accident consequence. By the introduction of the method-R=PXC, and effective combination of the all methods above, a integrated assessment model for the safety risk level analysis in railway tunnel construction was founded, and based on it, a development on visualization assessment software wa

11、s carried out. (3) The safety risk control for railway tunnel construction should be a comprehensive control system with the combination of management and technique. At the management aspect, a innovative risk management model RTDMN centered with PRCA for railway tunnel was proposed. At risk control

12、 technique aspect, a research focused on the prevention and control was carried out for the most familiar collapse accident in railway tunnel construction. (4) With the adoption of the research achievement for the safety risk management in railway tunnel construction in this dissertation, a applicat

13、ion research was taken into the safety risk management in the Qingyun Mountain railway tunnel construction. With the foundation of the assessment index system, proposing of the assessment method, assessment models foundation, development of the software, and the formulation of the control measuremen

14、ts, a objective reached, which aimed for the qualification estimation, systematization and scientific management for the safety risk in railway tunnel construction. And that could offer a reference for the specific application and developing of the theory and method of railway tunnel construction sa

15、fety risk management in the practical project. Key words: Railway tunnel, Construction safety, Risk management, Index system, Risk assessment, Risk control 目录 m . I ABSTRACT . II 第一章绪论 . 1 1.1问题的提出与研究意义 . 1 1.1.1选题背景 . 1 1.1.2研究意义 . 2 1.2风险管理 . 4 1.2.1 风险概念 . 4 1.2.2风险管理的定义 . 5 1.2.3风险管理工作流程 . 6 1.3

16、国内外隧道风险管理研究现状 . 6 1.3.1国外研究现状 . 6 1.3.2国内研究现状 . 9 1.4本文研究的内容 . 11 第二章铁路隧道施工安全风险辨识研究 . 12 2.1铁路隧道风险辨识方法 . 12 2.2铁路隧道安全风险指标体系的建立 . 12 2.2.1塌方风险因素核对表 . 13 2.2.2突水（泥、石）风险因素核对表 . 14 2.2.3瓦斯风险因素核对表 . 16 2.2.4大变形风险因素核对表 . 18 2.2.5岩爆风险因素核对表 . 20 2.2.6高地温风险因素核对表 . 21 2.3风险因素筛选 . 24 2.4本章小结 . 25 第三章铁路隧道施工安全风险

17、评估研究 . 27 3.1铁路隧道施工安全风险评估模型的建立 . 27 3.2铁路隧道施工安全风险发生概率评价 . 28 3.2.1因素集的建立 . 28 3.2.2评价集的建立 . 28 3.2.3铁路隧道安全风险隶属函数构造 . 28 3.2.4风险因素权重值确定 . 29 3.2.5单因素模糊评价 . 31 3.2.6多层模糊综合评价 . 33 3.3铁路隧道施工安全风险后果等级评价 . 33 3.3.1铁路隧道施工安全后果及其分类 . 33 3.3.2铁路隧道施工安全后果估计模型 . 34 3.3.3铁路隧道事故后果当量估计法 . 34 3.4铁路隧道施工安全风险水平综合评价 . 36

18、 3.5铁路隧道施工安全风险评估程序开发 . 36 3.5.1铁路隧道施工安全风险评估程序结构 . 37 3.5.2评估程序主要模块和特点 . 37 3.6本章小结 . 40 第四章铁路隧道施工安全风险控制研究 . 41 4.1铁路隧道施工安全风险控制的策略性方法 . 41 4.2 RTDMM风险动态管理模式研究 . 42 4.2.1 RTDMM 管理模型 . 42 4.2.2 RTDMM运作机制研究 . 44 4.2.3 RTDMM垂直式管理组织研究 . 45 4.2.4组织成员职责分担研究 . 45 4.3铁路隧道塌方风险事故的预防控制技术 . 46 4.3.1铁路隧道塌方预警指标建立 .

19、 46 4.3.2铁路隧道塌方预警分级 . 48 V 4.3.3铁路隧道塌方风险处理措施 . 48 4.4本章小结 . 49 第五章青云山铁路隧道施工安全风险管理应用研究 . 51 5.1工程概况 . 51 5.2青云山铁路隧道塌方风险综合评估与控制 . 52 5.2.1建立塌方风险因素辨识 . 52 5.2.2塌方风险因素权重值的计算 . 52 5.2.3青云山铁路隧道塌方风险等级模糊估计 . 56 5.2.4青云山铁路隧道塌方风险后果估计 . 58 5.2.5青云山铁路隧道塌方风险水平 . 58 5.2.6青云山铁路隧道塌方风险控制措施 . 59 5.3青云山铁路隧道涌水风险综合评估与控制

20、 . 59 5.3.1建立突水风险因素辨识 . 59 5.3.2突水风险权重计算 . 60 5.3.3青云山铁路隧道突水风险等级模糊估计 . 65 5.3.4青云山铁路隧道突水风险后果估计 . 68 5.3.5青云山铁路隧道突水风险水平 . 69 5.3.6青云山铁路隧道突水风险控制措施 . 69 5.4本章小结 . 69 第六章结论与展望 . 71 6.1本文创新点及研究成果 . 71 6.2进一步的研究展望 . 72 参考文献 . 73 SC . 78 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 . 79 VI 硕丨 . 学位论文 第 一 章 绪 论 第一章 绪论 1.1问题的提出与研究意

21、义 1.1.1选题背景 据国家统计数据显示，截至 1999年末，我国已建成铁路隧道 6877座，共计 3666.760延长公里 (未包括台湾省 )。进入 21世纪后，我国铁路隧道建设事业进 入了空前盛况，从 2000年到 2005年，共建铁路隧道 651座，总计 642.246延长 公里，长度逾 3km的隧道 54座 (内含台湾高速铁路隧道 5座 )1。目前，我国为 了落实中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议和需 要拉动内需的情况下，全路在建隧道多达 1785座，总延长 2164公里，这些隧道 遍布全国各地，预计今后一个时期，列入规划的铁路隧道还有 2000多公里 在铁路隧

22、道建设总长度飞跃式发展的同时，我国铁路隧道的单座隧道长度和建设 技术难度也在增加，青藏铁路线上的风火山隧道，位于海拔 5010米的风火山上， 全长 1338米，轨面海拔标高 4905米，全部位于永久性高原冻土层内，是目前世 界上海拔最高、横跨冻土区最长的高原永久冻土隧道，有 世界第一高隧之称 : 乌鞘岭特长隧道，该隧道设计为两座单线隧道，洞身所处山区海拔达 3600m， 最 大埋深 1100m， 隧长 20.05km， 将成为亚洲第一长險，隧道通过 四条区域性大断 层，地质十分复杂，施工风险非常大； 2007年开工的向莆铁路工程，以左线计， 向莆铁路正线上共有隧道 113座，总长 287.64

23、8km， 占全线建设总长度的 45.24%， 在福建境内，隧道长度比例甚至高达 70.5%，向莆铁路线上 10km以上的特长隧 道多大有 9座，地质非常复杂，施工风险巨大。随着铁路隧道建设大规模的进行 着，铁道部和国家安全生产监督管理总局也同时注意到了铁路隧道施工安全方面 的问题，并在这方面加大了重视程度，并且采取了很多措施付出了巨大的努力， 但是，铁路隧道施工安全形势依然不容乐 观，铁路隧道施工的安全事故依然接连 发生，造成了严重的经济损失和社会影响。从表 1-1我们可以看到，近年来关于 铁路隧道事故方面的报道几乎每个月都有，这些事故的发生给国家和人民的生命 财产带来了严重损失。 从上述案例

24、可以看出，事故的发生多半是在铁路隧道工程建设过程当中的。 造成这些事故的原因可能多种多样，但据事后事故调查组调查发现，这些原因都 是可以避免的，不是无法抗拒的天灾人祸。根本原因是多数事故的发生是由于在 工程建设过程中缺乏早期主动的风险管理，或因没有风险管理的意识。早期主动 风险管理 3指的是在铁 路隧道规划、设计和施工期间，对铁路隧道工程的风险一 硕 _1:学位论文 第 一 章 绪 论 直都在进行评估， 并在风险发生前执行早前制定的风险减轻、 表i-i近年铁路隧道施工安全事故发生一览表 降低和消除措施。 时间 地点 事故 T.程名称 事故原因 事故后果 2009-2 陕西 包西铁路复线 塌方

25、2人死亡 2008-11 恩施 宜万铁路兽竹坝 2号隧道 安全亨故 2人死亡 1伤 2008-10 湖南 武广铁路隧道 未详 路面下沉 2008-7 广州 广深港客运专线狮子洋隧道 塌方 2人死亡 2008-6 湖北 湖北安陆在建铁路隧道 隧道塌方 1人死亡 2008-4 广州 金沙洲铁路隧道 爆炸 1人死亡 1伤 2008-3 内蒙古 包西铁路活沙兔隧道 隧道塌方 4人死亡 1伤 2007-11 湖北 高阳寨隧道 坍塌 39人死亡 1重伤 2007-9 南京 南京铁路隧道 塌方 5人死亡 2007-8 湖北 宜万铁路隧道 突水、岩塌 36人以上死亡 2007-1 广西 洛湛铁路隧道 地陷 2

26、57名村民转移 2007-1 陕西 襄渝铁路隧道 塌方 2人死亡 2006-8 陕西 郑西铁路秦东隧道 塌方 2人死亡 众所周知，铁路隧道工程具有投资大、施工周期长、施工技术复杂、不可预 见风险因素多、环境影响大等特点，故铁道隧道工程建设是一项高风险建设工程。 由于规模大、发展快，技术和管理力量难以充分保证的客观原因，加上对铁路隧 道的认识不客观，风险管理不科学，风险管不到位的主观原因，导致铁路隧道在 工程建设中事故频发，形势非常严峻，令人堪忧。为了防范铁路隧道安全事故随 着建设规模增大，铁道部特联合国家安全生产监督管理总局，针对铁路隧道工程 建设提出了要增强风险意识，落实风险评估和防范措施的

27、要求 M，以及要求加强 铁路高风险隧道施工安全应急管理工作，在 2007年 11月 20号铁道部还颁布了 铁路隧道风险管理评估与管理暂行规定。由此可见，铁路隧道工程在建设过 程中实行安全风险管理研究的必要性和紧迫性。本文就是基于上述背景条件下， 为了确保我国铁路隧道建设在如此短的时间内高速发展的同时，以减少铁路隧道 施工安全事故发生的可能性和控制事故发生后后果损失值为目标，开展铁路隧道 施工安全风险管理研究工作。 1.1.2研究意义 如果铁路隧道工程建设过程中没有系统化的风险管理，铁路隧道工程的施工 安全事故将是频发的，且后果严重。开展铁路隧道施工安全风险评估与管理，有 利于决策科学化，有利于

28、减少风险因素，有利于规避风险事故，有利于提高建设 参与方的风险管理意识和风险管理能力，从而达到控制风险，减少损失的目的。 2 硕 .1:学位论文 第 一 章 绪 论 (1) 有利于决策科学化 铁路隧道建设是一项规模很大的地下系统工程，人类对地下情况的了解远远 不够，导致了铁路隧道施工建设过程中风险众多且复杂等特点，使得铁路隧道工 程是一项具有高风险的项目，这些不确定性风险因素稍有不慎就可能酿成重大灾 害事故。通过对铁路隧道开展风险管理，进行系统的风险识、建立合理的风险概 率和风险损失模型，评价出该铁路隧道的风险水平，从而为决策者进行项目决策 提供了根本性的科学数据，使得决策者对铁路隧道工程方案

29、决策科学化以及准确 化，避免了以往的 “ 拍脑袋、喜好 ” 式决策方法，促进了工程利益和安全程度的 最大化。 (2) 有利于降低事故发生的可能性 通过一个例子来说明在铁路隧道上开展风险管理 ，完全可以降低事故发生的 可能性。宜万铁路线上最长的一座铁路隧道，野三关隧道，全长 13841m， 隧道 位于碳酸盐岩地区，岩溶强烈发育，有多条暗河管道流，岩溶水丰富，还有瓦斯、 高地应力等问题存在，也同时是全线工程地质及水文地质条件最为复杂的隧道之 一。 2007年 8月 5円凌晨 1时，野三关隧道疑因爆破后发生突水突泥的严重事 故，导致 52名工人被困，经现场救援抢险，绝大多数工人救出。 这是一件隧道特

30、大突水突泥事件。 其实早在 2004年 5月，当野三关隧道设计已完成，根据铁道部的指示，明 确要求将该隧道所存在的风险开 展风险评估与管理工作。为此，铁道部工程管理 中心及中铁西南科学研究院在成都召开了 “ 宜万线野三关隧道工程风险评估及控 制 ” 的专家会议。这是我国铁道部历史上首次就某一工程所举行的工程风险评估 会议，既说明铁道部开始重视工程风险评估及管理，也说明野三关隧道存在的风 险比较特殊及显著，会上，与会专家充分讨论了该隧道可能存在的各项风险，也 认同会议主持单位提出的报告中的基本风险 隧道涌突水、突泥。该风险是一 项对安全性影响较为严重的风险，存在有二种风险形式 岩溶暗河系统突水、

31、突泥 (如 3号地下河， 4号地下河、 5号管 道河 )。 断裂带涌突水、突泥 (共有 12处断裂带 。 三年后，该隧道在施工过程中真的发生了当初预估的风险，而且产生了严重 的后果。这说明风险是可以预测的、预估的，也证明风险评估与管理工作的必要 性，同时也告诉了我们开展铁路隧道风险管理工作可以预先估计到事故发生可能 性，如果根据风险评估结果提前采用主动措施完全可以减少安全事故的发生可能 性后者消除风险。 (3) 有利于减少事故后果的损失 苏通大桥位于江苏省东南部长江口南通河段，路线全长 32.4km， 跨江大桥 3 硕丨 :学位论文 第 一 章 绪 论 为双索面斜拉桥主跨长达 1088米，此工

32、程气象条件差、水文条件差、基岩埋藏、 通航标准高，投资巨大、工期长、建设参与者众多，工程环境、管理和技术方面 风险非常巨大。 在丹麦科威公司（风险管理专业咨询机构）的协助下，苏通大桥指挥部和各 标段施工单位的有关人员学习并掌握了一套先进、科学、系统的工程风险管理方 法，并在苏通大桥工程建设各阶段的系统性风险分析上得到了成功应用，针对桥 梁工程不同阶段、不同标段的特点，苏通大桥指挥部在丹麦科威公司的协助下 , 专门邀请了国内外著名的桥梁施工专家、各标段施工单位的项目经理、总工以及 相关的总监代表，先后开了 7次专题讨论会，对主桥工程的 9个标段，即从基础 工程开始到桥面铺装结束的所有施工过程中可

33、能发生的风险进行了认真细致的 鉴别，总共鉴别了 96项潜在的施工风险 对每一确定的工程风险进行了定性 分析，还按国际隧道协会颁发的 “ 隧道风险管理指南 ” 所建议的经验表式进行了 定量分析得出了其发生的可能性和预期后果，苏通大桥工程的风险后果主要表现 在施工安全、增加工程成本和延误工程竣工三个方面。在苏通大桥工程所鉴别的 96项风 险中，有 1项为不可接受的风险， 37项风险介于ALARP (风险与利益平 衡最低合理可行原则 ） 上、下限之间， 18项为可接受风险，其余 40项风险可忽 略，苏通大桥指挥部据此做好了工程风险预防及降低措施的准备工作。与此同时， 也要求各施工单位在总体施工风险分

34、析结果的基础上对各自所属标段的分项工 程进行更详细施工风险分析和后果估计，并将此作为施工方案的一部分提交指挥 部审查批准。 通过对大桥启用了早期主动风险管理，提出进行了风险预报和处置措施，结 果显示，运用风险评估与风险管理减少了苏通大桥各阶段施工风险，使得工程 进 度和质量大幅的提高，达到了当初的控制风险、保证安全、减少损失的目标，如 果在铁路隧道也启用早期的主动风险管理，同样也能够实现控制铁路隧道施工安 全风险、保证施工安全，减少风险损失的目的。 1.2风险管理 1.2.1风 险概念 目前，关于对工程风险的认识比较混乱，没有达到认识上的统一。风险是一 个极为抽象而且模糊笼统的概念，各国学者对

35、风险的看法和给出的定义也不尽相 同，很难给出一个完善严谨，并应用于不同领域的定义，但总体上风险的研究都 是围绕危害事件、发生的可能性、事故后果等几个问题展开 w。根据风险研究的 对象分类，风险的定义大致可分为两类：第一类定义强调风险的不确定性；第二 类定义强调风险损失的不确定性。第一类定义称为广义风险，第二类定义称为狭 4 硕 .I:学位论文 第 一 章 绪 论 义风险。对风险的定义从数学角度出发可以如下几种表示。 把风险视为给定条件下各种可能结果中较坏结果出现的可能性。这种理解可 表达为： R = (1-1) 式中： 7? 风险； / 尸 ,_各种风险发生的可能性。 把风险视为给定条件下各种

36、可能结果中较坏结果出现的可能性。这种理解可 表达为： /? = /(C,， C， C) (1-2) 式中 ： A 一风险； c;， c2 c; 各种风险造成的不同后果。 把风险视为给定条件下某种可能出现的结果及其出现的可能性的某种综合。 这定义符合目前大多数风险评估应用中对风险的定义同时，但需要说明的是，从 广义的角度说，这里的 “ 可能出现的结果 ” 包含有利结果和不利结果两个层面的 含义，而目前的应用中，常常将其狭义的理解为不利结果。这种理解可表达为： R = f(P,C) (1-3) 式中： i? -风险，需要通过 P和 C的某种函数关系得到； 可能出现 的结果；C_事件发生的概率。 1

37、.2.2风险管理的定义 根据美国项目管理学会的报告，风险管理有三个定义 : (1) 风险管理是系统识别和评估风险因素的形式化过程； (2) 风险管理是识别和控制能够引起不希望变化的潜在领域和事件的形 式、系统的方法； (3) 风险管理是在项目期间识别、分析风险因素，采取必要对策的决策 科学与艺术的结合。 一般来说，风险管理具有以下几层含义： (1) 风险管理的主体为经济单位即个人、家庭、企业、政府单位、跨国 集团和国际联合组织。 (2) 风险管理是通过对风险的识别与评价以选择最佳的风险技术为中心， 各种控制技术的综合运用及优化组合是实现管理目标的重要环节。 (3) 风险管理的目标是为了达到最大

38、的安全保障。在制定风险应对计划 时，期望达到该目标，然而是否能够到达，不仅决定于前期阶段识别、估计、评 价风险是否正确，而且还取决于实施应对计划过程中的效果评价。对应对计划不 断修改使其更加切合实际。这表明风险管理是一动态过程，管理者必须根据实际 5 硕 _丨 :学位论文 第 一 章 绪 论 情况随时修改管理方案，这样才能达到以最少的成本来实现最大安全保障的目标。 (4) 风险的来源、形成过程、潜在破坏机制、影响范围以及复杂性，使 得单一的管理技术或单一的工程技术、组织、程序、措施都有局限性，都不能完 全奏效。必须综合运用多种方法、手段和措施，才能以最少的成本将各种不利后 果减少到最低程度。因

39、此，风险管理是一种边缘学科，其理论和实践涉及到自然 科学、社会科学、工程技术、系统科学和行为科学等多种学科。 1.2.3风险管理工作流程 在工程施工阶段，应建立有效的风险管理工作流程，及时掌握和了解工程项 目中的动态风险信息，确保工程风险管理目标得以实现。工作流程包括：风险管 理计划、风 险识别、风险估计、风险评价、风险控制，具体见图 1-1所示。 图 1-1 工程风险管理基本工作流程 1.3国内外隧道风险管理研究现状 1.3.1国外研究现状 公元前 916年制定的共同海损制度可以认为是风险管理的雏形， 19世纪 30 年代，美国开始研究危机和保险，可以看作是现代风险管理的萌芽， 1938年以 后，美国企业对风险管理开始采用科学的方法，并逐步积累了丰富的经验，直到 6 硕丨 . 学位论文 第 一 章 绪 论 1950年代风险管理发展成为一门学科，风险管理一词才形成。 1970年代以后逐 渐掀起了全球性的风险管理运动， 1970年代以后，随着企业面临的风险复杂多 样和风险费用的增加，法国从美国引进了风险管理并在法国国内传播开来，与法 国同时，円本也开始了风险管理研究 w。而在隧道及地下工程领域，是 20世纪 70年代由美国 Einstein.H.H教授引入，其后，风险管理在隧道及地下工程下发展 非常迅速，而且风险评估方法及风险管理的研究工作在欧美国家取得了一定的研 究成