宜万铁路复杂隧道风险管理与控制

朱鹏飞,张 梅,黄鸿健,张民庆

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

宜万铁路复杂隧道风险管理与控制

朱鹏飞,张 梅,黄鸿健,张民庆

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

宜万铁路规模大,水文地质环境极其复杂。在复杂隧道修建过程中,防止突水突泥高风险是一项极其重要的任务。针对复杂隧道进行风险管理,这在铁路系统尚属首次。宜万铁路在风险理论的基础上,从识别评估、决策管理、技术应对和安全措施四个体系入手创建了复杂隧道风险管理体系。通过风险管理的研究与实践,取得了较好的效果。

宜万铁路;复杂隧道;风险管理;识别评估;决策管理;技术应对;安全措施

1 概述

隧道及地下工程涉及到众多的不确定性和不确知性,因而,在建设阶段存在着很大和众多的技术风险。人为或非人为因素导致的工程事故会造成巨大的经济损失,引起严重的社会不良影响。近十多年来,此类事故在国内外不胜枚举。如1994年上海昌都大厦基坑开挖塌方事故、2002年渝怀铁路圆梁山隧道突水突泥事故、2003年上海4号线联络通道突水塌方事故、2004年广州地铁塌方事故、2004年新加坡地铁塌方事故、2006年宜万铁路马鹿箐隧道突水突泥事故、2007年宜万铁路野三关隧道突水突泥事故。这些事故的发生使人们深刻认识到在隧道及地下工程建设中所面临的巨大挑战。如何有效控制隧道及地下工程设计、施工和运营管理等各阶段潜在的各种风险,减少财产损失和人员伤亡,这是当前隧道建设急需解决的关键问题之一。

宜万铁路规模大、技术新颖、持续时间长、参加单位多、水文地质复杂,可以说在项目建设中危机重重。此外,宜万铁路位于鄂西中低山区,主要行经在长江与清江的分水岭地带,其地形、地质条件之复杂集西南山区铁路之大成,建设条件之艰、难、险居我国铁路历史之最,特别是长大隧道穿越的地区岩溶强烈发育,工程地质问题与其他工程相比,其建设中存在的复杂性、不确定性、多样性和隐蔽性更加突出,突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见,灾害造成的后果更加严重。因此必须建立科学合理的工程风险评估和防范体制,建立和健全工程风险评估和风险管理的咨询机构,用全面、系统、科学的风险评估和风险管理实施手段,以达到能在第一时间了解、掌握工程建设过程中不同阶段的第一手资料,提高工程风险的预测和防控能力,避免重大事故的发生,使工程风险降到最低。因此,为保证工程建设的安全,全面贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的思想,开展宜万铁路岩溶隧道施工风险管理技术研究是非常必要的。通过研究,尽可能使工程的安全、质量、进度得到有效控制,同时也可为后期宜万铁路的安全运营风险控制夯实基础。

2 风险管理目标

宜万铁路是最早系统提出风险管理的铁路工程项目。为严格贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针,运用传统的管理思想和现代风险理论相结合的方式组织宜万铁路建设,为宜万铁路建设提供了科学的依据,通过风险的识别、风险估计、风险评价、风险控制和风险监控这样一个重复的循环过程,以最小的代价,提高抗击高风险的能力,将建设过程中的多种风险减轻到可接受的水平。为此,宜万铁路岩溶隧道是铁道部建设项目工程开工前首次对风险隧道开展风险评估,并应用风险管理理论体系指导项目建设。

3 风险管理方法

宜万铁路岩溶隧道由于风险因素众多,为了保证风险管理的质量,需要实行系统化风险管理。它指由项目实施有关的各单位全体人员,贯穿于项目实施全过程的,具有全面性的,以风险识别、评价和监控为主要内容,以保证项目战略目标实现和提高项目整体效益为目的的现代化项目风险管理的理论和方法。

系统化风险管理强调风险的管理过程贯穿于项目的全过程,而且是一个连续、动态的管理和反馈的过程。风险管理从风险识别开始,经过风险估计、风险评价、风险控制和风险监控5个阶段,最后再回到风险识别。在风险管理中不断发现问题,解决问题,重视风险管理中信息的收集、处理和反馈。

宜万铁路采取系统化风险管理,主要内容主要包括了4个方面:全团队风险管理、全方位风险隧道、多措施风险管理、全过程风险管理。系统化风险管理框架模式见图1。

图1 宜万铁路系统化风险管理框图

宜万铁路岩溶隧道工程采取全面风险管理模式,在建设期内对每个阶段的风险识别、风险估计、风险评价、风险控制措施的制定、明确的岗位、职责和决策权、风险监控的方法、职责、程序做了明确的定义,使每个阶段风险的管理有章可循,而且各个管理层风险职责明确。

3.1 全过程风险管理

宜万铁路岩溶隧道项目可分为4个阶段:可行性研究与决策阶段、设计阶段、实施与控制阶段和竣工验收阶段。在全过程的风险管理模式的要求下,在项目的各个阶段风险识别、分析的基础上,对项目风险进行监控,并采取相应措施。

(1)在可行性研究与初步设计阶段,根据该项目情况和以往类似项目的实践识别项目可能潜在的风险,进行整体项目风险水平的评价,宜万铁路开展了可研和初步设计咨询和地质勘察监理等工作。为建设单位的决策提供依据,尽最大可能对风险事件采取禁止或回避的态度。通过设计咨询,进一步降低岩溶隧道的设计风险。

(2)在设计阶段,从工程建设的安全、质量、进度和设计合理性等方面开展工程项目设计部分的风险识别,合理采纳咨询意见,开展施工图设计,现场核对完善施工图设计,补充钻探完善地质资料等。

(3)在项目的实施和控制阶段,有针对性地制定相关制度,严格执行相关制度文件规定要求,并随时进行调整。

(4)在竣工验收阶段,风险管理的主要任务是文件整理和验收工作。这一阶段风险管理的主要是对文件资料的完整性、验收工作的可靠程度和质量等方面进行辨识和评价,并采取相应措施。宜万铁路在该阶段及时对涉及风险管理工作进行总结,为以后类似项目的风险管理提供参考经验。

3.2 全方位风险管理

全方位的风险管理包括风险的全面分析、风险的全面评价。

风险的全面分析是基于对宜万铁路岩溶隧道风险的客观认识基础之上的,宜万铁路在总结以往经验和教训的基础上,首先罗列对整个工程建设有影响的风险,注重对项目有重大影响的风险。罗列风险因素从多角度、多方面进行,形成对项目系统风险多方位的全面的透视。结合项目实际和探明的地质情况,认为岩溶、崩塌、滑坡、岩堆、瓦斯、高地应力等不良工程地质造成的灾害性事故可能性极大,其中又以岩溶及岩溶水害问题最为严重,涌水突泥等突发性灾害将严重危及施工安全,成为制约工程建设的突出问题,是维系工程成败的关键。

风险的全面评价不仅对风险发生的时间、概率、影响后果作出评价,还对风险的等级进行评分,甚至分析出风险的起因和可控性。开工初期,针对隧道不同段落的地质复杂程度,把隧道的地质风险分为3个等级;随着对风险的不断认识和补充勘察的成果运用,提出了按风险程度将宜万铁路复杂岩溶隧道划分为Ⅰ级风险隧道(可能出现大规模岩溶突水突泥隧道)及Ⅱ级风险隧道(可能出现局部突泥突水或大型干溶洞隧道)。研究并明确了岩溶隧道等级划分、岩溶隧道总体处理原则、岩溶隧道加强安全性处理原则、预警与疏散原则等。

3.3 全团队风险管理

在宜万铁路的风险管理过程中,风险管理不再是传统意义上的仅仅由风险管理部门或人员来实施的专门管理活动,而是强调在铁道部宜万指挥部的统一领导和主导作用,建设各方和所有项目参建人员共同参与,在严格执行风险管理办法和措施的规范下,充分调动参建各方的资源、科研单位、工程项目领域专项技术专业队伍合作伙伴和国内知名院士、专家协同攻关,建立风险共担的风险管理机制,提高整个项目抵御风险的能力。

3.4 多措施风险管理

在风险管理的风险识别、风险分析、风险评价、风险控制及风险监控的5个阶段中,各个阶段都存在多种定性和定量的分析方法。在项目风险管理过程中,结合具体隧道项目的特点,以及出现的风险的情况,灵活运用了风险识别和分析的方法,综合采用风险应急措施,避免了风险管理方法和措施的单一化和教条化。

4 风险管理体系

宜万铁路风险管理从识别评估、决策管理、技术应对和安全措施4个体系入手进行管理。宜万铁路风险管理体系组织模式框架见图2。

图2 宜万铁路风险管理组织模式框架

宜万铁路作为目前在建的铁路系统内公认的高难度、高风险项目,除几乎具备一般建设工程的全部施工难题和风险外,长大隧道穿越地区岩溶发育的地质问题与其他工程相比,其建设中存在的多样性、复杂性、不确定性和隐蔽性更加突出,突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见,灾害造成的后果更加严重。

在宜万铁路的工程建设实践过程中,将风险管理理论与宜万铁路岩溶隧道工程充分结合,在隧道施工过程中不断调整、完善、提高,进而总结形成一系列有针对性的岩溶隧道工程建设的风险管理措施制度,防范隧道施工风险,有效规避风险和减小岩溶灾害危害性,实现项目安全控制目标。

4.1 识别评估体系

风险识别体系包括隧道风险评估、隧道风险分级、施工地质预测预报、水文监控4个方面的内容。风险识别体系框架如图3所示。

图3 风险管理组织模式框架

4.1.1 隧道风险等级划分

根据隧道风险评估结论,对风险隧道进行分级。

(1)Ⅰ级风险隧道

Ⅰ级风险隧道主要具备下列地质问题:

①断层规模 隧道穿过长大或区域性断层,这些断层切割地面或地下水系,为地下水的运营通道;

②地表岩溶汇水面积 地表岩溶发育,且有较大的地表水汇集面积,而地表水系不发育,地下径流为隧道区域内的主要径流方式;

③地下暗河 隧道附近暗河发育;

④地质构造 隧道位于可溶岩地层向斜构造的核部或可溶岩与非可溶岩接触界面附近;

⑤物探异常密集带 隧道洞身高程附近,物探异常密集分布;

⑥岩溶水动力垂直分带 隧道位于岩溶的水平发育带中或地下水的水平循环带中,只要一经揭露断层、构造或溶腔,就会发生大规模的突水突泥,形成毁灭性的地质灾害。

宜万铁路的8座Ⅰ级风险隧道全部都具有上述特征,是宜万铁路能否成功修建的关键工程,也是宜万铁路超前预报的重点隧道,需要全线进行超前预报。

(2)Ⅱ级风险隧道

Ⅱ级风险隧道与Ⅰ级风险隧道的区别是隧道位于岩溶的垂直发育带或地下水的垂直循环带中,当隧道通过上述地段,揭示大的断层、构造、溶腔时,有可能发生较大规模的突水突泥,形成工程地质灾害,在重点地段需要进行超前预报工作。

(3)一般岩溶隧道

一般岩溶隧道虽然岩溶发育,但形成地质灾害的可能性小,作为一般的隧道处理。

根据隧道等级划分标准,宜万铁路有Ⅰ级风险隧道8座,Ⅱ级风险隧道26座,见表1。

4.1.2 施工地质超前预报

宜万铁路首次将预测预报纳入工序管理,并提出“有疑必探、不探不进”的安全施工理念。通过施工地质预测预报,多次探测到隧道前方不良地质,为化解施工风险起到了重要的作用。

表1 宜万铁路Ⅰ、Ⅱ级风险隧道统计

4.1.3 施工方案安全评估

设计单位应根据不良地质情况,做出注浆方案、释能降压方案、冻结方案等,针对重大施工技术方案,由建设单位组织进行安全评估与论证,力求采取最安全的方案。

4.1.4 水文监控

水文监测内容包括岩溶地下水的补给来源、排泄点以及反映地下水特征的各要素,如降雨量、涌水点、涌水量、水压、水位等,对监测的数据需进行整理和分析。

4.2 决策管理体系

针对复杂隧道,决策管理对于规避风险往往起到决定性作用。宜万铁路决策管理体系组成如图4。

4.2.1 建设单位主导和核心作用

充分发挥建设单位的主导和核心作用。成立以指挥长为组长的Ⅰ级风险隧道重大技术方案管理小组,组织审查、论证、决策、批准重大技术方案。

在云雾山、野三关、马鹿箐、大支坪4个高压富水充填溶腔技术方案上,存在着堵与放两种截然不同的方案。堵的方案在以往工程中有实例,但存在着注浆效果不能满足施工安全的隐患,而放的方案又没有工程实例可以借鉴。针对堵与放两种方案,建设指挥部组织专家论证,创新工法,果断实施,从而使长期困扰宜万铁路建设的4个溶腔相继得到突破、贯通。在施工中既化解了安全风险,又节约了成本、缩短了工期。

4.2.2 风险隧道特别管理小组

成立以指挥部领导为组长的风险隧道特别管理小组,现场组织和监督重大技术方案的实施。特别管理小组主要是针对超前预报、注浆堵水、释能降压、结构处理4个影响安全的主要方面进行管理。

图4 宜万铁路风险决策管理体系框架

4.2.3 防范高风险专项机制

宜万线岩溶隧道工程施工中可能遭遇的风险点多而分散、不确定因素多、偶然性极大,防范极度困难。在宜万铁路隧道工程的修建过程中,由于风险因素来源复杂,因此对各项风险来源制定了专门的风险控制措施。具体方法是采用综合地质预报系统准确判断溶腔规模、类型及边界,对可能发现灾害性溶腔制定安全进洞条件,监测降雨量和溶腔的水量、水压及变化趋势,在完备的预警预报系统的保护下,通过全方位水文专项监测、区域水文地质分析,采用有效的溶腔处理方案,在合适的时机进行溶腔的处理。主要措施有宜万铁路建设防范高风险专项机制(施工地质勘察与超前地质预测预报;突发性事件防范应急预案;应对复杂地质、工程难题的设计和施工预案;重难点工程监控;隧道施工量测监控;严格规范施工工艺监控;严格履约考核奖罚和信息收集、反馈和快速反应专项机制)、动态设计措施、释能降压法、专家咨询制度等。

4.2.4 技术管理专项制度

(1)复杂岩溶隧道超前地质预报管理制度

宜万铁路水文地质复杂,不良地质众多。因此必须采取一定的手段预先判别风险,而后采取应对措施,降低风险到可接受的范围。为此,建设指挥部制定了《复杂岩溶隧道超前地质预报管理制度》。

(2)复杂岩溶隧道注浆施工管理制度

注浆是处理复杂岩溶的一项有效工法,建设指挥部对此予以高度重视,制定了《复杂岩溶隧道注浆施工管理制度》。

4.3 技术应对体系

针对复杂岩溶隧道施工,应抓好绕避技术、注浆技术、分水降压技术和释能降压技术的方案选择与应用。对于隧道结构处理,应采取针对性治理方案。技术应对体系结构组成见图5。

图5 技术应对体系结构

4.4 安全措施体系

复杂岩溶隧道安全措施的管理主要是制定安全进洞条件,落实安全生产制度及培训,设置专职安全员,建立防灾报警系统,对复杂地段结构进行长期安全监测。安全措施体系见图6。

图6 安全措施体系结构

4.4.1 安全进洞条件

对于高风险隧道,根据日降雨量、水压力、泄水洞日排水量等实行进洞安全等级管理,确定进洞施工警戒条件,确保施工人员绝对安全,如马鹿箐隧道的安全施工等级管理见表2。齐岳山隧道进口安全施工等级管理见表3。

表2 马鹿箐隧道安全施工等级管理

表3 齐岳山隧道进口安全施工等级管理

4.4.2 安全生产制度及培训

针对风险隧道,施工前应对进洞作业人员进行安全生产制度培训,特别是应学会判别掌子面风险标识,熟悉逃生线路。突水突泥灾害的风险兆如下:

(1)掌子面有硬塑状黏土挤出、泥砂流出;

(2)掌子面有掉块,并不断严重;

(3)出水部位渗流水量不断逐渐增大,并呈股状;

(4)掌子面后部变形量增大,并有掉块现象。

4.4.3 专职安全员

针对风险隧道,必须设置专职安全员,负责全隧道的安全风险识别,负责预警系统和应急照明系统的开启。

4.4.4 防灾报警系统

在风险隧道施工中必须安装配置合适的防灾害声光报警装置,报警装置应形成系统,一旦有灾害预警应立即发出警报,传给洞口工区的项目经理部值班室,值班室立即启动应急通信、应急照明并指挥洞内人员安全撤离;正洞、各辅助坑道、横通道必须配置足够数量的应急照明装置,并应确保在有灾害发生时能提供足够亮度的照明指示以利洞内人员逃生;在正洞与平导(如有)之间,在预测高风险段落增设逃生横通道。

防灾报警系统包括视频监控、声光报警、应急通信、应急照明、逃生线路、逃生设备、应急排水、应急供电八个方面的内容。

4.4.5 隧道结构长期安全监控

宜万铁路针对复杂岩溶地段采用的结构设计和施工措施在以往的工程实践中是少见的,许多技术措施具有首创性,其安全性需进行长期监测。为此,宜万铁路对典型的7座隧道8个工点的特殊地段沉降位移变形、岩溶水压力、衬砌结构的受力等9个监测项目进行长期监测,为运营维护提供数据支持。确保若出现异常能及时发现,采取相应的应急措施,确保运营安全。

5 结论与体会

(1)通过采取风险管理,宜万铁路复杂隧道已全部安全完成。宜万铁路风险管理所取得的经验,必将会对今后类似工程的风险管理提供借鉴价值。

(2)针对复杂隧道,采取全过程、全方位、全团队、多措施的风险管理方法是十分必要的。只有齐抓共管,才能真正将风险管理应用于工程施工中。

(3)由识别评估体系、决策管理体系、技术应对体系、安全措施体系4个方面所构建的风险管理体系,符合复杂隧道工程的现场需要,值得推广与应用。

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U456.3+3

A

1004 -2954(2010)08 -0007 -05

2010 -05 -04

朱鹏飞(1965—),男,教授级高级工程师,铁道部工程管理中心副主任,铁道部宜万铁路建设指挥部常务副指挥长,长期从事铁路工程的建设和研究工作,E-mail:box32@tom.com。