岩石隧道施工风险评估方法应用研究_硕士学位论文.pdf

分类号。 udc 密级 编号 中南大学 c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y 硕士学位论文 论文题目 童歪瞳煎煎兰垦坠竖垡查盗廛旦亟囊 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 旦! 垒呈迪丛墨q 啦q 墨曼d 曼e v b u o m w a n 专业技术职务 主焦塑丝焦 2 0 1 0 年1 1 月 m a s t e r st h e s i s a p p l i c a t i o no fr oc k t u n n e u n gi u s ka s s e s s m e n t m e t h o do l og y s p e c i a l t y ：! 翊曼壁! 堕垒壁垒g 曼匹曼塾! 垒塾鱼! 垒塾堕i 塾g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：旦塑邀幽堡q 墨曼鱼垦e v b u o m w a n s u p e n ，i s o r ：! q 巡旦曼丛i 塾g ( 主德明】 s c h o o lo fc i v i le n 酉n e e r i n g 觚d c h i t e c t u r e c e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c n o v e m b e r2 0 1 0 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已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。 作者签名日期：硷年且月辽日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名趣导师签名日期：迎年卫月里日 s t a t e m e n to fo i i g i n a l i t y id e c l a r ct h a tt h ew o r kp r c s e n t e di nt h i st h e s i si s ，t 0t h cb c s to fm y k n o w l e d g e 锄db e l i c f ，埘g i i l a l 趾dm yo w nw o 咄e x c c p t 弱l 【n o w l e d g c di nt h ct c x t ，锄dt h a t t h em a t e r i a lh 弱n o tb c s u b m i t t c d e i t h 时i 1 1w h o l co ri np a n ，f o ra d e g r c ea tt h i so r 柚y0 t h c ru n i v e 璐i t y a n t h o r ： s i 鲷a t u r c ： d a t e ： a u t h o z a t i o n i np r e s e n t i i 唱t h i st h e s i si np a n i a lf u l f i l l m e n t0 ft h er e q u i 他m c n t sf o ram 硒t c r s d e g r c ea tc e n t r a js o u t hu n i v c 璐i t y ，i 铲纽tt 0c c n t r a ls o u t hu n i v c 璐i 哆t h cn o n - 饮c l u s i v cr o y a l t y f h cr i g h tt 0 鲫咖v c ，托p 刚u c e ，d i s t 曲u t e ，锄dd i s p l a yt h et h e s i si n 锄y 姐da l lf o m s ，i n c l u d i i l ge l c c t r 0 i l i cf 0 彻鸸v i a 柚yd i g i t a ll i b r a 巧m c c h a i l i s m s m a i n t a i n e db yt h eu n i v e r s i t y ia c k n o w l e d g et h a ti 佗t a i n0 w n e r s h i pr i 曲t st ot h c c o p 妒g l l to ft h i sw o r k ，i n c l u d i n gb u tn o tl i m i t e dt 0t l l cr i g l l tt 0u s ea l lo rp a r to ft h i s w o r ki nf u t l i r cw o r l 【s ，s u c h 弱a n i c l e s0 rb o o l 【s i j b r a r ) ru s c 璐盯e 伊锄t c dp e 咖i s s i o n f o ri n d i v i d u a l ，r e a r c ha n dn o n c o m m e r c i a lr e p r o d u c t i o no ft h i sw o r kf o re d u c a t i o n a l p u 叩o s e s0 n l y a n yc o p y i n go rp u b l i c a t i o no f t h i st h e s i sf o rc o m m e r c i a lp u 巾o s e s ，o r f o rf i n 柚c i a ig a i n ，i sn o ta l l o w e dw i t h o u tm yw r i t t e np e 咖i s s i o n a u t h o r ： i n s t r u c t o r ： d a t e ： d e d i c a t i o n id e d i c a t et h i st h e s i sg o d 舢m i g l l t y ，w h 0i sa b l et 0d o e x c c e d i n ga b u n d 柚t l ya b o v ca l l t h a tw c 勰k o r t h i i 岖a o o o r d i n gt ot h ep o w e rt h a tw o r l 【si nu s 摘要 近年来隧道产业的发展一直伴随着损失与事故。这些事故的发生归因于 下列因素：复杂的地质条件，错误的设计以及不合理的施工方式。正是缘于隧 道施工的复杂性，以及期间的巨大花费，对每个阶段( 从项目的招标到具体的 正确施工) 进行风险评估已被广为认同。 隧道工程中潜在着许多风险。例如：凿隧道时遇到流动和含水的断裂带 、在流动或块状地面上隧道壁不稳定、坚硬的或者腐蚀性的岩石断面以及收敛 的岩石断面等等，这些都是风险存在的主要原因。近年来采用的施工方法是机 械化掘进，这种方式最主要的问题是选取最合适的隧道掘进机以及在每种地质 条件下的绩效预期与评估。以韩国青年洞隧道的建设为例，它就进行了详细的 评估来确定哪种方法用于隧道施工是最好的。我们根据这项研究来探究导致中 国工程安全管理薄弱的因素，得到的结论是：影响安全绩效的主要因素包括 “高层领导者安全意思薄弱“ 、“缺乏训练“ 、“项目经理安全意识薄弱“ 、“不愿意进行安全投资“ 以及“行动鲁莽“ 。工程风险被划分为三类：建 设融资风险，建设工期风险以及施工设计风险，然后鉴于职能部门中合同方 的不同，我们再将这些风险细分，因为这些合同方在设计、发展以及施工中 发现风险与找到解决方案的过程中所起的作用不同。 从2 0 0 6 年4 月2 5 日召开的首尔m 会议得来的数据来看，从1 9 9 4 年到2 0 0 5 年总共有1 9 个主要的隧道工程因为火灾、地震坍塌造成了高达6 亿美元的经济损 失。这些工程包括：大贝尔特环线( 丹麦) ，慕尼黑地铁( 德国) ，西斯罗机 场快线( 国际) ，洛杉矶地铁( 美国) ，台北地铁( 台湾) ，赫尔约克郡 隧道( 英国) ，博洛尼亚佛罗伦萨( 意大利) ，安纳托利亚高速公路( 土 耳其) ，韩国大邱地铁，台湾高速铁路，s o c a t o p 巴黎，上海地铁( 中国) ， 巴萨罗纳地铁( 西班牙) ，新加坡地铁( 新加坡) ，洛桑地铁( 瑞士) ，l a n e c o v e 隧道( 悉尼) ，高雄地铁( 台湾) 。 几位研究人员运用了一些理论来分析工程中所涉及的风险，运用函数 的方法分析评价建筑行业中的风险。这包括统计和定性的方法。统计方法： i 在这个方法中，有两个预先的要求必须完成。这两个要求是指可用的数据量 必须充分，并且这些可用的数据必须从与将要评估的项目的情况相同或者非 常类似的条件中得来。经验数据的统计分析在研究技术风险中尤其可行。但 是，隧道工程就像其他的工程一样，只有部分环节有经验数据，识别环节尤 其缺乏经验数据，所以一个充足的、可靠地数据库并不是总是存在的。通常 情况下，工程项目中的计划与控制系统并没有就风险的影响进行充分的分析 与评估。定性的方法：根据弗兰卡的理论，即在客观的数据不可用，但我们 仍然必须对风险进行定量分析与评估时，一种方法便是进行定性分析并衡量 这些通过评估事故发生的可能性以及其造成的损失而主观判断出来的风险。 因此，专家讨论被用来评估项目中的风险。以下是专家评估与管理风险的一些 方法：德尔菲法、( p o s tm o r t c m 姐a l y s i s ) 。德尔菲法是指大量的专家就一些环 节进行专家评估。这其实就如在专家中实行头脑风暴法，来确定与施工相关 的风险并找到与之对应的解决方法终止后分析方法可以被充分的运用到风 险的辨别和评估当中。( p o s tm o n c m 弛a l y s i s ) 分析的结果被运用于项目的错误 与故障的鉴别当中。这些结果有助于为将来的项目进行风险归类。此外，终 止后分析方法同样有助于组织内的学习。还有一些其他的经常使用的方法包 括法以及根本原因分析法。法是以日本的人文学家喜田二郎的名字来命 名的，他帮助我们更好的了解问题的内在联系。根本原因分析法也叫做石川 图或鱼骨图，它被用来对一个问题的所有原因进行系统定位。 隧道施工和规划向所有的部门提出了挑战，因为隧道工程一个昂贵的、 其实施的每个阶段都有许多风险存在的地下工程。高效的施工规划是指以现有 的资料为基础，优化挖掘隧道的顺序并决定初期支护的方法。一些项目表明仅 仅选择挖掘及支撑隧道的方法是不够的，尤其在我们要考虑到项目的完成成本 与其预期成本时是不够得。因此，隧道成本估算仍旧存在困难。这是因为现有 的评估方法不能将与隧道旌工相关的效果显著的因素体现出来。例如，地质不 确定性，隧道施工过程中生产效率的不稳定性，隧道运营动态和承包商对于风 险的敏锐度。 隧道设计不同于其他传统市政工程( 诸如房屋建筑与桥梁工程) 的设计 。在传统工程的设计上，应当首先确定外部荷载对结构的影响，选择几何结构 和能满足承载力、变现要求的建筑材料。但对于隧道工程的设计，设计者往往 先解决复杂交错的岩石群和那些不能满足需要的地块。因为挖掘而使原始压力 重新分配的外部压力并不能正确的确定下来。另外，地理结构的外形和地下水 的可用性，它们对于隧道稳定性的影响更加显著与外部的荷载，而这些因素在 传统的项目中是不用考虑的。此外，大部分的隧道穿过的地址条件都不同，因 此我们很难确定沿隧道走线的地质情况。所以，隧道设计总是遭遇到地质情况 不同寻常所带来的挑战。 大多数由岩石隧道设计师使用的隧道设计方法可以分为三种：经验法，分 析法和测量物理法。而用于岩石掘进的两种主要方法是岩石隧道爆炸法和掘进 机法。通常情况下，只选择这两种方法中的一种应用于特定项目的整个开挖。 但是，为了使其更加经济，也可以在同一项目中同时采用多种方法。 风险评估是风险的识别和分析。在岩石掘进过程中存在多种可能的风险。包 0 + 括有关工人和第三方的健康安全风险，工期延迟，资金损失以及环境的影响。 然而这些风险与相关地质条件或者所应用的施工技术有关。据观察，大部分隧 道是由于施工方法以及地质条件的选择不当才导致灾害性的后果，这最终会导 致本公司或承包商的经济损失。风险评估存在于项目建设的每一个阶段：从投 资阶段到项目实际建设阶段。早期的风险评估是项目决策和合同谈判的基础。 一般而言，一个项目的风险评估被定义为一个统一的程序，包括识别，分析 ，评估，监测以及相关的风险缓解。每个威胁的风险水平，取决于风险发生的 概率和所要考虑的后果。对于与灾害有关的风险水平可以建立如下数学公式： 风险水平= p h c h ( p h 指风险发生的概率，c h 指相关的后果) 灾害发生的可能性可以被认为是可能的，偶然的或微乎其微的。尽管后果 可能是灾难性的，评判的，严重的，微小的和微不足道的。 i n 有关隧道建造业风险的判断与它的活动以及需要应用风险分析和管理技术的 扩展方面有关。由此得出的结论是，风险评估在减少损失和提高盈利能力方面 是必不可少的。隧道风险常常被看做是影响项目的费用目标，工期目标和质量 目标的重要因素，建设中的风险评估和风险管理主要依靠直觉，判断和经验。 由于缺乏知识以及对一些技术应用于建造业活动的适用性的怀疑，正式的风险 评估和管理技术很少使用实践准则是风险管理的最新进展，它是保证风险管 理原则能应用于隧道和地铁项目的最实用的专业方法，并且能设法保证风险达 到最低的合理水平。 过去几年由于隧道施工技术的不断改进，在建设中出现的风险也发生了变 化。据观察，过去十年间，由于各种因素和经验的缺乏，在隧道工程中的风险 变得特别高，并且恶化到一种无法维持的水平因此，必须采取有效的风险评 估方法评审显示了在隧道施工中涉及的风险是如何演变的以及在如何避免增 加风险 上所取得的进步。由于风险评估涉及费用、工期和质量，成功应用于隧道开挖 或建设项目的风险评估，给出了更清晰的了解项目目标、职责服务内容和项目 可行性的机会，并且也为项目决策提供了基本的信息。 在本研究中，岩石掘进风险情况将分为自然风险，金融相关风险情况，设 计相关风险情况和施工相关风险情况。一种情况是对于一个事件或一连串的行 动或事件的综合描述。在这种情况下，风险情况是指发生并造成损害或构成对 一个项目威胁的事件，我也将对在隧道工程中应用风险评估方法进行讨论。各 种各样的风险评估方法被创建并用于岩石掘进的每一个阶段。本研究将展示各 种方法在不同风险类别中的应用以及他们所使用的风险评估的工具。 本项研究将着重于考察评估风险的不同评估方法，指出个别评估方法的缺 点，比较在隧道施工中应用的风险评估方法，选出较优方法。本研究采用风险 评估软件( p a l i s a d c 公司开发的 r i s k 软件) 来运行一个模拟仿真项目的成本估算 ，并且采用基于主观判断的定量风险评估方法进行分析。从评估的结果在第五 和六章来看，结果显示了蒙特卡罗模拟是如何给出一系列在任何特定项目中可 能存在的意外事件和对于岩石掘进来说最合适的建造方法。 关键词：岩石隧道，风险评估，隧道施工，蒙特卡罗模拟 v a b s t r a c t t h et u 皿e l i n gi n d u s t 巧i nt h cm c c n tp 弱th 弱b e e nc h 盯a c t e r i z e dw i t l ls e v e 豫l l o s s c s 觚da c c i d e n t s s e v e r a lf a c t o 墙h a v cb na n 曲u t e d 弱t h er e 弱o nf o rt h e s e 0 c 饥玎c n c 鹤1 1 i c f a c t o 璐姗g c 丘d mg l o 沓c a l0 0 n d i t i o n st ot h ci n l p r o p e rd e s i 印 雒di n 印p r o p r i a t cc o n s t m c t i o nm c t h o d s d t 0t h cc o m p l 懿i t y 锄d h u g cc o s t r c q u 讯i di nt l i 皿c lc o n s 臼1 l c t i 0 玛r i s k 觞s c s s m c n th 弱b nc 0 璐i d e r c dv c r vn e c d f u li n c v e r ) ，s t a g e0 ft l i 姗c l i n g 丘d mp r o j c c tb i d d i n gt 0p l 柚n i l l gd o w mt 0t h cc 0 璐t r u c t i o n p 如俨r t h e r ea r em 觚yp o t e n t i a ls o u r c c so fr i s ki nr o c kt u 彻e l i n g p r o b l e m ss u c h 弱 c n c o u n t e r i l l gf a u l tz o n e sw i t hm 皿i n g如dw a t 盯b c a 血g9 0 u g e ，t u 仰c lw a l l s i n s t a b i l i t i c si nm 衄i n g 甜b l o c k y 印吼d s ，h a r d 龃da b e 弱i v c 眦k c t i o 璐姐d c o n v e r g e n tt i l 姗c ls c c t i o 璐a 他p r i n c i p a lc a u s 骼i nr i s k0 c 玎c n c c 1 l lr c c e mt i i n 锶 m e c h 锄i z e dt m m e l i n gi ss c l c c t c d 弱c 0 璐t m c t i m c t h o d ，t h em o s ti m p 0 i n 锄tp r o b l c m i so n e n 陀l a t c dt 0 l c c t i o n0 ft h em o s ta p p r 0 皿a t ct b m 锄di t s p c r f 0 咖柚c c 豁t i m a t i o n 鲫dp r e d i c t i 伽i ne a c hg t e c h n i c a lc o n d i t i o 璐f 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n t r a c t i l a l 陀l a t i o n s h i p s c x i s t i n g 姗0 n gt i l ef h n c t i o n a l t i t i 鹤i l l v 0 l v e di i l t l l e d 骼i g i l ，d e v e l o p m e n t 锄d c 0 璐t r u c t i o n0 fap r o j e c t a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s 丘d mr r ac o n f e r e n c es e o u l a p r i l 2 52 ( ) 0 6 f r o m1 9 9 4t o2 0 0 5 ，at o t a lo f1 9m a j o rt l l 加e ll o s s e sf a i l e dd u et 0f i r c ， u a p s ee 铷曲q u a k e se t c a n dat o t a l0 f6 0 0 m i l l i o nd o l l 躺1 0 s td u et 0t h e s e 筋l u r c s 1 n h 缴i n c l u d c s ：g r c a tb c nl i n l 【，d e 姗a 咄m i l n i c hm e 仃o ，g c 珊锄y ，h e a 也r o w 取p r e s si i i n j 【 g b ，m e t r 0 p e i ，t a j w 觚，m e 缸dl 腾a n g c l 岱，u s m e t i ot a i p e i ， t a j w 姐，m uy 0 妇h i r ct u 曲e l ，u k ，t a l vb 0 1 0 弘a - n o r e n c c ，n a l y ，a n a t o l i a m d t ) m 倍y t l u r k c y ，t a vb o l o g 陷n o 嘲骗i t a l y ，m 啪1 a c 鲫k 0 m a ，t 习l i _ w 锄 h i g hs p c c dr a n w a y ，s o c _ 姐o pp a i i s ，s h 锄g h a im e 缸o ，p r c b 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m eo t h c r t c c h n i q u c sw h i c ha r el h q u c n t l yu s c di i l c l u d c k jm e t h o d 肌dt h cr o o tc a u s ca n a l y s i s t l l l ck jm c t h o dw 觞n a m c da r e rt h c j a p a n e s cc t l l i l o l o g i s tj i r ok a w a l 【i t ah e l p si nd e c p 盯u n d c r s t 觚d i i l g0 ft h ei i l t e m a l r c l a t i o 脑o fap r o b l e m r 0 0 tc a u s ea n a l y s i s a l c a u e di s h i l 【a w ad i a 擎锄0 r 凰h b o n ed i a 伊a mi su s e df o rs y s t c m a t i cd e t e m i i l a t i o no fa l lc a u s c s0 fap f o b l e m ( 砌s 目 t u 衄e lc o n s t n l c t i 锄dp l 猢i i l gp r c s e n ta c h a l l c n g et 0a l lp a n i c si n v o l v c di n 蟛c o n s t m c t i o nb c c a u t i i 皿e l i n gi sc x p e n s i v c 蚰d c r g r o u n d0 0 璐t m c t i o n ，h e r ca v 撕c t y0 fr i s l 【sa 聆弱s o d a t e dw i t hc v e 巧p h a s c0 ft h cp r o j c c td e i i v c 巧p r o c 骼s 聪c i e n tt i i 皿e l c o n s 仃u c t i p l 锄i n g 似l u i i 伪t h cd e t c m i n a t i 0 ft h co p t i m a i s e q u e n 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“na n db i 嬲t m e t h o d s ，锄dt u 加e i i n gm a c l l i n e s t y p i c a l l y ，e i t h e ro ft h e s ct 、om e t h o d si s 印p l i c d f b ft h ee n t i r ee x c a v a t i o no fap a n i c u l a rp r o j e c t h o w e v e r i ti sa l s op o s s i b l et 0a d o p t s e v e r a lt l l 彻c l i n gm e t h o c i si nt h cs a m cp m j c di fi ti s n s i d e r c dt ob em o 他 o c o n o m i c a j r i s ka s s e s s m e n ti st h ei d e n t i f i c a t i o na n da n a l y s i so fr i s k i n1 0 c k t u 皿e l i n gt h e r e 盯e v c r a lp o s s i b l er i s l 【s t h i si n c l u d c sr i s kr e l a t e dt 0h e a l t h ， s a f e t yo fw o r k e r s ，t h 硼p a r t i e s ，柚dd e l a yi np r o j e c tc o m p l e l i o n ，f i n a n c i a l l o s s c s ，卸de n v i r d n m e n t a l i m p a c t h 0 、e v c rt h