1.2 国内外研究现状

城市隧道工程施工风险是“隧道—地层—上部结构”“设计—施工—管理”等多方面综合作用的结果，风险管理理论自20世纪70年代引入地下工程领域，国内外专家结合具体工程项目对地下工程风险进行了深入探究，包括地下工程风险识别、风险评估、风险处置、风险预警等方面，取得了大量可供借鉴的研究成果。城市隧道施工风险分析涉及隧道施工力学响应机理和隧道施工风险分析两方面的内容，本节将就这两方面国内外研究现状展开论述。

1.2.1 隧道施工力学机理研究现状

城市隧道工程施工力学响应涉及“隧道—地层—上部结构”共同作用，随着隧道工程的大规模建设，隧道施工力学问题研究得到极大关注并获得大量卓有成效的成果。国内外学者在现场监测分析、室内模型试验、数值模拟以及模型分析等方面做了大量的工作，主要研究成果介绍如下。

1．理论研究

隧道工程，尤其是城市隧道工程，处于复杂的施工环境中，有着不确定的边界条件，其荷载分布也无法准确描述。目前，隧道力学分析理论多是根据提出一系列假设条件而给出的，其解答很难与实际工程相一致。

Burland [13-16]采用弹性简支梁模型分析了隧道支护结构变形的分布规律，并计算出隧道在纯弯曲和纯剪切时的偏斜率和最大拉应变值。

Netzel[17]研究认为，传统的结构拉应变破坏准则没有考虑剪应变沿纵向的变化，计算值偏大，并进行了公式修正。

Muir[18]和Carter[19]、Sagasta[20]和Verrujt[21]、徐永福[22]分析了盾构施工支护结构受力分布规律，并提出了计算衬砌内力的简化方法。

Attewell[23]、Chen[24]根据现场观测，总结出68个隧道内力分布规律，根据弹性地基梁模型推导出隧道施工管线位移与应力分布的计算公式，并进行了数值分析验证。

Peck[25]提出了地层损失的概念，认为隧道开挖地表沉降槽的体积与地层损失的体积相等，并提出了一系列假设，认为隧道开挖地面沉降分布近似为正态分布，给出了地面沉降的计算公式：

式中：Wx—距隧道中线x处的地面沉降量（mm）；

Wmax—隧道中心线处的地面沉降量（mm）；

x—距隧道中线的距离（m）；

i—沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点的横坐标（m）。

刘建航等[26]根据大量的现场监测分析，总结了隧道施工地面沉降分布规律，提出了“负地层损失”的概念，并推导了隧道施工地面纵向沉降的计算表达式。

关保树[27]根据北京复兴门折返线工程实地量测结果得到了地层下沉曲线。

2．现场监测分析

在保证城市隧道及地铁等工程顺利施工的同时，为了保证周围既有建筑设施的安全，作为新奥法施工过程中重要组成部分的施工监测被普遍应用到施工过程中，在众多监测项目中，地表沉降监测被看作城市隧道施工变形监测的重中之重。国内一大批科研院所、高校学者对隧道施工过程中地表沉降、建筑结构变形以及围岩变形进行监测分析，取得了大量的现场数据，主要研究成果如下。

刘宝琛等[28]也进行了大量现场测试，对隧道施工CRD法中隔墙控制地面沉降效果、中隔墙拆除工艺进行了系统研究。

李毕华等[29]根据小净距隧道现场实测，分析了在实施不同开挖方案的情况下，隧道表面变形与地面变形分布特征，并总结了不同施工方案下隧道施工变形的经验公式。

另外，刁天祥[30]、吴波[31]、王刚[32]、曾超[33]、张顶立[34]等分别从不同角度研究了不同地质条件下隧道施工变形问题。

3．数值模拟分析

计算机技术的发展，给人类带来了革命性的变化，基于计算机的数值模拟技术有着其他方法无法比拟的优点[35-40]:① 可以构建形状复杂、边界复杂和荷载复杂的模型；② 可以进行非均质、非连续、各向异性的模拟；③ 可以应用弹性、弹塑、粘弹等多种本构方程；④ 可以模拟岩土体中存在的重力场、渗流场和热力场，考虑多场的耦合作用；⑤ 可以相对直观地对隧道的动态分步开挖过程进行模拟研究；⑥ 可以经济、快捷地得出结论，克服实际试验不可逆性的缺陷。

当前较流行的数值模拟计算方法主要有：有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界单元法（BEM）、离散单元法（DEM）、非连续变形法（DDA）等。其中有限单元法自20世纪50年代提出，发展至今已经相当成熟，是目前应用最广泛的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程应力应变分析最常用的方法。但有限单元法在本质上是一种连续介质的数值分析方法，对于分析岩体洞室在模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等非连续结构面时，存在一定困难。有限差分法就是把微分用有限差分代替，把导数用有限差商代替，从而把基本方程和边界条件近似的改用差分方程来表示，把求解微分方程的问题转换成为求解代数方程的问题。边界单元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化求解。由于变换成边界上的方程式使问题比解析对象降低了一维，对于一般的线性问题只需进行区域边界的单元分割，所以与有限单元法相比，具有计算时间短、适用范围广等特点，但边界单元法对奇异边界较难处理。离散单元法首先由Cundall提出，其基本思想是岩块之间的相互作用同时受表征“位移—力”的物理方程和反映“力—加速度”的运动方程的支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。它的一个突出功能是在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。并且，它利用显式时间差分法（动态松弛法）求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆（索）的相互作用。离散单元法存在的主要问题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。非连续变形法是由石根华与Goodman提出的，该法能较好地模拟具有非连续面岩体的运动与变形特性。

近几年，有关城市地下工程施工的数值模拟分析的主要成果有以下几个方面。

（1）许江等[41]采用三维有限元方法研究了在有人为扰动和无人为扰动状态下，隧道施工围岩应力分布规律与变形特征，并探讨性分析了高层建筑物地基基础内力分布与隧道施工方案之间的关系。

（2）郭军等[42]（2005）采用理论分析、室内模型试验和数值模拟相结合的方法对隧道开挖力学响应问题进行了研究，提出了“地基—基础—上部结构”相互作用模型，采用ANSYS软件分析了隧道开挖地面沉降分布规律，上部建筑结构非均匀沉降下的内力分布特征，提出了地层加固方案以及保护上部既有建筑的措施。

（3）王渭明等[43-44]对青岛市台东站近距离交叠隧道分别采用眼镜法和三台阶法施工时引起的地表沉降和上下隧道交互影响进行三维数值仿真模拟研究，确定了隧道开挖过程中衬砌容易破坏的部位、地表沉降漏斗的基本形状及其特征参数。模拟得到的结果为该工程设计、施工和监测提供了理论依据和技术指导。

同济大学、浙江大学、北京交通大学、中南大学、西南交通大学等高校众多学者[45-52]采用数值模拟工具，运用实际监测数据优化模型，分析隧道施工引起的地层变形以及对上部建筑结构的影响，取得了相当可观的研究成果，对不同类型的工程具有一定的指导意义。

数值模拟方法虽然有许多其他方法无法比拟的优点，并发展成为解决许多复杂问题的主要工具，但数值模拟本身也存在着许多不足之处，如地层的物理力学参数很难准确确定，边界条件难以确定，网格等因素对计算结果有较大影响。因此，必须用理论分析或现场监测的数据与模拟计算结果进行对比调整后，其模拟结果才能被接受，才能更好地为工程实践服务。

1.2.2 隧道地下工程风险研究现状

风险研究最初主要集中在银行业、保险精算业及经济领域，后来逐步应用到工程领域，而在隧道地下工程中的应用研究比较少[53-55]。当然，其他领域的风险研究成果也可以借鉴，为隧道施工风险研究提供理论支撑。

1．风险研究起源

“风险”源于意大利语的“RISQUE”一词。早期，风险是指客观的风险，具体体现为自然现象，如洪水、火山喷发、地震、泥石流、猛兽袭击等。人类的进化与发展一直伴随着生产、生活中的风险活动，如在远古时期，人类为提高劳动生产率和抵御猛兽袭击，制造了石器、木器等工具保护自身安全就是一种风险控制活动。但是风险分析真正上升到研究层次可追溯到公元前916年的共同海损制度，到了19世纪，风险用于与保险有关的事件，到了20世纪70年代，风险管理研究开始应用于隧道及地下工程领域。今天，风险分析已广泛应用于哲学、经济学、社会学、自然科学等领域，现在风险分析与人类的决策和行为后果联系非常紧密，“风险”一词成为人们生活中的高频词汇。

“风险”既属于抽象概念，又具有实际含义。由于行业的不同，对于风险的含义一直没有统一的定义。具有代表性的风险定义有以下几种。

“风险是通过统计方法可以衡量的不确定性。”—Frank H. Knight（1921）

“风险是灾害损失等不幸事故发生的可能性。”—Emmett（1995）

“风险是指相对于某个期望结果可能发生的变动情况。”—Scott E. Harrington（2001）

“风险就是一个事件产生我们所不希望的后果的可能性。”—郭仲伟

“风险是指在项目寿命周期可能发生的，对人有潜在伤害，对财产和环境存在破坏性后果的事件。”—英国国家标准NO.4778:3.1.1991

“风险是在一定区域和给定时段内，由于特定的自然灾害而引起的人们生命和经济活动的期望损失值。”—联合国人道主义事务部（1992）

“风险是灾害事故对人身安全及健康可能造成损害的概率。”—ITA（2004）

“风险是不利事件或事故发生的概率（频率）及其损失的组合。”—《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB 50652—2011）[56]

Kaplan曾经指出“风险分析的概念过去一直是我们面临的一个难题，而且他还将继续困扰着我们”；美国James C. Hickman教授也曾表示风险的定义方式及其在决策中所起的作用因学科的不同而异。虽然风险定义很困难，但是国内外学者在对风险的认识上还是达成了共识，即“未来结果的不确定性或损失”[57-59]。

2．风险管理在各行业中的应用现状

在变化着的环境中，一切项目皆有风险[60]。因此，风险管理工作贯穿于各行业发展的始终，也是各行业能否持续健康发展的关键所在。

（1）风险管理在核工业中的研究与应用成果。从20世纪50年代中期开始，美国、法国、英国等国家的研究者应用概率方法研究核电厂的施工运营安全，寻找核电厂设计、施工和运行中潜在的风险，定量评估核电厂的安全性，并提出风险控制措施。随着1973年3月美国三哩岛2号机组核电事故和1986年苏联切尔诺贝利核电站灾难性事故的发生，各国加强了核电风险研究，代表性研究成果有美国Rasmussen等科研小组的Probability Risk Assessment报告。

（2）风险管理在化学工业中的研究与应用成果。随着化学工业的发展以及各国大型化工企业火灾、爆炸、毒气泄漏等事故的发生，研究者开始采用风险理论研究化工企业风险问题，1964年美国DOW公司采用指数法，考虑生产工艺中操作方式、工艺条件、设备磨损状况等因素的影响，研究化工生产过程中的风险控制问题。

（3）风险管理在大坝稳定性分析中的研究与应用成果。20世纪50年代至70年代，短短20年间发生了多起震惊世界的溃坝事故，如1961年苏联巴比亚水库洪水漫顶垮坝，死亡145人；1963年意大利瓦伊昂拱坝水库失事，死亡2600人；1967年印度柯依那水库诱发地震，坝体震裂，死亡180人；1979年印度曼朱二号水库垮坝，死亡近万人；1975年河南板桥水库垮坝，死亡240000人之多。1973年，美国土木工程师协会发表用风险分析方法对溢洪道进行评估的检查报告，揭开了世界大坝风险研究的序幕；1979年，美国联邦政府颁布大坝安全联邦导则；1982年，Hagen（美国陆军工程师）采用相对风险指数研究溃坝风险；20世纪80年代中期，葡萄牙工程师采用半定量综合风险指数法研究大坝风险；1994年，澳大利亚大坝委员会颁布了《ANCOLD风险评价指南》。

（4）风险管理在地质灾害分析中的研究与应用成果。近几十年来，世界范围内地质灾害发生频率明显增加、破坏程度也越来越大，地质灾害研究不再局限于传统基于水文地质条件和工程地质勘查资料基础上的研究工作，开始涉及地质灾害危险性评价、防治工程评价等风险分析研究工作。

另外，风险分析在高层建筑防火分析以及石油管道工程等方面的研究也较多[61-62]，这里不再详细论述。

3．风险研究在各国的发展状况

美国被公认为是风险管理研究的发源地，风险管理在美国的发展也最快。风险管理咨询已发展成为一项成熟的技术，并在美国企业界被广泛应用。美国的风险研究主要侧重于风险分析方法的研究以及其在企业管理和保险领域的应用。

与美国相比，英国的风险研究也有自己的特色。南安普顿大学C. B. Chapman教授在Risk Analysis for Large Projects: Models, Methods and Cases中提出了“风险工程”的概念。他认为，风险工程是对各种风险分析技术的集成，这种框架模型的构建弥补了单一过程的风险分析技术的不足，使得在较高层次上大规模的应用风险分析领域的研究成果成为可能。除此之外，在大型工程上也开始采用风险分析方法，如1976年北海油田输油管道工程和1979年伊拉克火力发电厂工程利用风险分析的方法，降低了成本，减少了损失。

日本的风险管理也是从美国引入，但发展很快，成果颇丰，逐渐形成了一套适用其本国的理论体系。20世纪80年代，关西大学龟井利明教授相继出版了专著《风险管理的理论和实务》、《海上风险管理和保险制度》以及《风险管理学》，成为日本风险管理的代表人物。

法国的风险管理起步较晚，20世纪70年代中后期，从美国引进了风险管理理论，并在保险界传播。1976年，查邦尼尔出版了《企业保全管理学》一书，是法国较全面介绍风险管理理论的著作。

尼日利亚对全国的高速公路建设项目进行了系统的风险分析，在风险分析应用方面走在了发展中国家的前列。1991 年，Irukwn J. O．发表专著Risk Management in Developing Country，系统探讨了风险管理理论在发展中国家的应用前景。为推动风险管理在发展中国家的推广和普及，联合国1987 年出版了关于风险管理的研究报告The Promotion of Risk Management in Developing Countries。

我国在风险研究方面起步比较晚，20世纪80年代开始引入项目风险管理理论，主要以翻译国外风险著作为主，而隧道地下工程风险研究则是近十年的事。

4．地下工程风险研究现状

20世纪70年代，风险管理才开始被引入到土木工程结构分析中，80年代逐步在隧道工程领域得到应用，典型代表有美国的Einstein、H. H. John Reilly和英国的J. B. Burland。

（1）英国剑桥大学的J. B. Burland[13-16]从大量施工项目管理中寻找规律，研究隧道施工对环境的影响，并给出了评估方法，该研究成果应用于伦敦Jubillee线路延伸工程中，分析沿线建筑的破坏情况，并给出相应的处置方案。

（2）B. Nilsen等[63]运用风险管理理论研究了复杂条件下海底隧道选线问题，并对施工风险进行评估分析。

（3）R. Stuzk等[64]（1996）对大型地下工程风险因素进行了识别分析，并建立了适合地下工程风险分析的评估方法，通过研究分析，指出地下工程风险评估难以准确量化。

（4）国际隧道协会委员D. Heinz[65]（1996）对穿越海峡的隧道，穿越阿尔卑斯山脉的隧道如何进行风险评估进行了探讨。

（5）日本佐藤久教授[66-67]（1998）在隧道工程的事故统计方面做了大量细致的研究工作，并对事故发生规律进行了探讨。

（6）J. J. Reilly[68-69]（2000—2003）对隧道风险管理的发展做出了突出贡献，研究了大型隧道工程风险识别、风险评估、风险处置等一系列问题，研究成果在美国的Washington Metro和Los Angeles Metro等多项大型地下工程中得到应用。

（7）Guglielmetti和Mair等[70-71]（2008）将模糊数学分析方法和随机过程理论引入到隧道工程建设期风险分析中，建立了大型隧道建设期风险管理理论和多目标优化分析方法。

（8）Ebrahim等[72]（2006）以隧道施工中变形监测为基础数据，建立网络映射关系，开发了隧道施工上部建筑物损坏风险评估系统。

（9）Snel和Van Hasselt[73]在考虑投资、工期和质量的前提下研究了阿姆斯特丹南北地铁线路设计和施工中的风险管理问题，提出了“IPB”风险管理模型（Inventory of critical aspects; Preventive measures; Backup measures），来控制复杂的、技术性的地下工程设计施工过程中的工期、造价和质量方面的风险。

在我国，隧道工程风险管理研究起步较晚，开始主要以引进国外隧道风险管理方法为主，并进行应用改进。近年来，国内专家结合各个地区隧道建设情况进行了符合区域特性的风险管理研究。

（1）国内最早研究地下工程风险分析与评估问题的是同济大学的丁士昭教授[74]（1992），并率先在广州地铁工程首期工程中进行了风险管理与工程保险方案的研究。

（2）上海市隧道工程轨道交通设计研究院范益群博士[75]（2000）以可靠度理论为基础，提出了地下结构的抗风险设计，计算了基坑、隧道等地下工程结构风险发生的概率及风险损失。

（3）陈龙[76]（2004）在《软土地区盾构隧道施工期风险分析与评估研究》中以工程应用为目标，系统分析了盾构隧道工程施工期中可能存在的各种风险，并将风险损失分为直接费用损失、工期损失、耐久性损失以及环境影响等四大部分进行系统的分析与研究。

（4）胡群芳[77]（2006）在其博士论文《基于地层变异的盾构隧道工程风险分析及其应用研究》中指出，地层的随机分布与变异性是影响隧道工程建设的重要风险因素，该文以上海长江隧道工程为研究对象，讨论了江底长大隧道工程的地层随机分布和土体变异特征，提出了相应的分析理论和计算方法，并以此为基础将其应用到上海长江隧道工程风险分析中。

（5）孙河川[78]（2006）在其博士论文《地铁浅埋暗挖车站设计安全风险分析》中以地铁浅埋暗挖车站设计安全风险分析作为风险的研究范围，以环境安全损失为风险损失的计量范围，对设计安全风险环境所蕴藏的设计安全风险因素进行了全面辨识和综合评价，并采用区间数学理论和响应面法建立了地铁浅埋暗挖车站设计安全风险评估体系。

（6）张顶立[79]（2007）结合浅埋暗挖隧道特点，着重考虑隧道施工对临近建筑物造成的环境安全风险，形成一套浅埋隧道施工安全风险控制的总体思路：① 建（构）筑物的现状评估及安全性评价；② 施工附加影响的分析，从而实现施工方法的优化；③ 施工对结构附加影响（变形）预测，阶段控制目标和全过程控制方案的制定；④ 重要建（构）筑物监控量测方案的制定和实施，根据监测结果及时进行方案调整，实现过程控制和调整；⑤ 施工后评估及恢复，施工后对重要建（构）筑物进行再评估，对其进行损伤等级划分并说明恢复的必要性，同时制定出具体的恢复方案和措施。

（7）中国工程院院士钱七虎[80]（2008）在《中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议》中论述了我国地下工程安全风险管理的现状和地下工程安全风险管理实践中的问题，主要包括：① 缺乏规范的安全风险管理体系；② 工程安全风险管理责任主体不够合理，安全风险管理经费不到位；③ 工程安全风险管理不规范，专业水平参差不齐；④ 风险管理相关技术规范、标准不符合当前地下工程发展现状；⑤ 缺乏合适的信息化安全风险管理平台。针对以上问题，文章提出了相关建议，对我国今后地下工程安全风险管理具有一定的指导意义。

（8）Bottelberghs[81]（2000）提出了亚洲复杂地质条件下隧道工程的风险评估模式，根据发生频率的高低将风险分为五级，根据风险发生影响后果也将风险分为五级。

（9）中国台湾的游步上、陈尧中[82]应用多属性效用理论，从施工单位的角度，对隧道工程风险管理的决策程序进行了完整的探讨。

（10）同济大学的黄宏伟教授[83-86]对沪崇隧道进行了全面的风险评估，指出隧道及地下工程的风险发生机理，如图1-8所示，是目前国内比较全面的风险评估报告，黄宏伟（2005）承担了《城市地下空间建设风险控制机制》课题，研究编写了《地铁与地下工程建设技术风险管理指南》。建设部和中国土木工程学会（2005）在北京召开了首届地铁及地下工程风险研讨会，重点讨论和分析了隧道及地下工程中的建设风险问题。

（11）中港国际工程有限公司毛儒教授[87]相继发表《隧道工程风险评估》《有效的风险管理》《论工程项目的风险管理》等论文，对隧道工程的风险识别、风险评估及风险等级的划分进行了有价值的研究。

（12）王忠法等[88]（1997）在《风险分析方法与三峡工程投资风险分析》中运用图示评审技术与含相关因素处理的蒙特卡洛随机模拟相结合的计算模型，可以对风险的大小进行量化分析。GERT随机网络直接参考施工网络图绘制，使投资分解、风险因素辨识、量化等更具直观性，使分析过程更接近于实际。

（13）贺海挺等[89]（2005）在《跨流域调水工程失效概率的模糊事件树分析方法》中基于L-R型模糊化函数和事件树分析方法，结合南水北调中线工程，对跨流域调水工程结构体系的失效概率的模糊化做了初步研究。

1.2.3 隧道工程风险研究存在的问题

对于隧道工程建设的风险分析与评估研究已经成为国内外学者关注的重点，研究成果基本停留在定性分析和半定量分析阶段，并且结合一些具体工程开展了应用研究。从目前的研究成果来看，隧道与地下工程风险分析与评估研究中还存在如下问题。

（1）概念模糊，存在将可靠度研究等同于风险分析研究的倾向。目前，国内外风险分析在浅埋暗挖法、在城市隧道及地下工程项目中的应用主要限于可靠度（施工技术的安全性）研究方面，而真正实现技术、经济相结合的风险评估研究很少。一方面是相关的基础性事故分析资料极度匮乏，另一方面也缺乏足够的理论支持，缺少合适的风险分析模型以及完整的风险评估体系。

（2）现阶段虽已开展了大量隧道及地下工程风险分析研究，并已取得了一定成果，但距离真正意义上的风险定量分析还有差距。目前，对工程风险源的辨识，还只能根据专家经验作一些定性评价后再进行量化分析。如何结合工程背景、土体参数、结构设计、施工方案等建立一套系统的风险量化辨识方法，还有待深入开展研究。

（3）对于隧道及地下工程风险分析研究，目前主要侧重于工程建设初期阶段，风险识别实施困难，缺少基础性数据资料，风险评价误差大，可信度低。而且，风险评估决策流程、风险分析理论和计算方法等很不完善，如何将现有的研究理论和方法实际应用于工程隧道及地下工程风险分析研究中，或建立新的评估理论和方法，还有大量问题亟待解决。

（4）随着大型隧道工程建设项目越来越多，工程建设施工面临的风险事故损失也会越来越大，因此，要有效降低或控制城市大断面隧道工程建设施工风险。目前，对于分析由于工程建设客观条件（地质、水文条件和周边环境）导致的工程风险研究很少，缺乏对于工程场地地层条件和土体参数取值的风险分析，缺少针对城市大断面隧道施工的风险分析。

（5）实际工程很难确切界定工程风险发生的临界状态，目前能做到的定量风险估计是基于人为假定的系统事实。岩土工程多处于多场耦合作用的赋存环境，对象系统复杂，状态变量众多，特性各异，难于掌握。为了建立合理的功能函数，需要采用专家调查法、改进的层次分析方法和模糊综合评估等建模方法。

总之，目前隧道地下工程风险管理存在理论研究和成果应用落后于地下工程建设发展的需求，迫切需要系统研究隧道工程风险理论，以适应目前城市隧道工程大发展的需要，尤其是城市浅埋大跨度隧道工程亟需风险管理理论指导隧道设计施工等各个环节，保障施工安全，降低工程事故损失。