??????? 1、緒論
??????? 本文已經(jīng)準(zhǔn)備作為于2012年5月20日在中國(guó)武漢由中國(guó)工程院舉行的關(guān)于大型地下工程的安全施工和風(fēng)險(xiǎn)管理的國(guó)際首腦會(huì)議的報(bào)告內(nèi)容。論壇上要審議的主題包括：
??????? （1）機(jī)制、了解、預(yù)測(cè)理論以及巖爆、塌方、洪水的預(yù)警系統(tǒng)或者大型地下工程的大變形。
??????? （2）大應(yīng)力、巖溶、高水壓或弱巖條件下的大型地下工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
??????? （3）大應(yīng)力、巖溶、高水壓或弱巖條件下大型地下工程安全施工的風(fēng)險(xiǎn)管理方法和策略。
??????? 本文旨在通過(guò)提供主要依據(jù)國(guó)際文獻(xiàn)的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例來(lái)促進(jìn)以上三個(gè)主題的審議。顯然，此次論壇的主題在中國(guó)和中國(guó)工程院乃至他們所在的世界其他地方都受到極大的關(guān)注。然而，重要的是不能忽視中國(guó)近年來(lái)在巖土力學(xué)和巖土工程上取得的不朽成就。
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??????? 2、風(fēng)險(xiǎn)管理術(shù)語(yǔ)及定義
??????? 國(guó)際文獻(xiàn)關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理包括了一系列的風(fēng)險(xiǎn)定義和相關(guān)條款。這里，采用AS/NZE ISO 31000：2009的定義。值得注意的是，這些定義或多或少的不同于一些早期出版刊物里的定義，包括Brown和Booth。筆者了解到，中國(guó)沒(méi)有一個(gè)可以與AS/NZE ISO 31000：2009相媲美的具體的風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)。按照他們的觀點(diǎn)來(lái)看它將被假定適用于ISO標(biāo)準(zhǔn)的一般原則，即ISO 31000：2009。
??????? 澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)定義“風(fēng)險(xiǎn)”為“不確定性對(duì)目標(biāo)的影響”，風(fēng)險(xiǎn)源是指元素單獨(dú)或組合使用有可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。在一些更早的觀點(diǎn)中，風(fēng)險(xiǎn)源似乎已經(jīng)被稱為危險(xiǎn)，而在早期的澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)則定義為“潛在傷害的來(lái)源”。這個(gè)詞在AS/NZE ISO 31000：2009是沒(méi)有定義的。巖土工程的大應(yīng)力、巖溶、高水壓或弱巖條件就是這種意義上的危害。
??????? 風(fēng)險(xiǎn)水平被定義為“以結(jié)果和可能性組合表達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)大小或者風(fēng)險(xiǎn)組合”。該定義允許量化風(fēng)險(xiǎn)的普遍做法作為事件發(fā)生可能性和結(jié)果的產(chǎn)物。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于事件是“一組特定情況的發(fā)生與改變”的定義與這種用法是一樣的。事件結(jié)果是指一項(xiàng)目標(biāo)造成的后果，可能性是指某些事發(fā)生的機(jī)會(huì)大小。術(shù)語(yǔ)也存在很多差異，例如，事件發(fā)生的可能性有時(shí)被成為危風(fēng)險(xiǎn)。
??????? 圖1說(shuō)明了ISO和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)制定的整體風(fēng)險(xiǎn)管理的流程。它有助于解釋清楚在該領(lǐng)域用到的術(shù)語(yǔ)。重要的是要認(rèn)識(shí)到，在這種方法中，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這三個(gè)步驟一起被稱為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，就是這篇文章題目用到的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一詞。那些有時(shí)候只是細(xì)節(jié)差別的類(lèi)似的方法，也被許多其他國(guó)家和國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)使用。風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段的內(nèi)容將會(huì)在圖1中講述。
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??????? 3、風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
??????? 風(fēng)險(xiǎn)分析就是了解每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)在如圖1所示風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的發(fā)展過(guò)程。它提供了是否風(fēng)險(xiǎn)需要處理的決定以及最適當(dāng)?shù)暮妥畛杀居行У娘L(fēng)險(xiǎn)處理策略。它涉及到要考慮的風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)后果以及后果發(fā)生的可能性。風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通常是要結(jié)合它們發(fā)生的可能性和發(fā)生后產(chǎn)生的結(jié)果的。風(fēng)險(xiǎn)分析是定性的或半定量或定量的。下文將提供一些廣泛用于巖土和隧道工程，也可能使用于大型地下建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估方法的簡(jiǎn)要概述。
??????? 故障樹(shù)分析（FTA）是以圖表的形式識(shí)別、量化和表示出可能導(dǎo)致重大危險(xiǎn)源的故障和風(fēng)險(xiǎn)因素。它可能量化也可能不量化事件發(fā)生的概率。
??????? 事件樹(shù)分析（ETA）是提供有關(guān)于有可能導(dǎo)致重大事件的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或者他們之間關(guān)系或者隨時(shí)間推移風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大的可能性的系統(tǒng)映射。它也提供了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大發(fā)生的可能性的數(shù)值估計(jì)。
??????? 因果分析是故障樹(shù)分析和事件樹(shù)分析的結(jié)合。分析的結(jié)果是以原因和后果的關(guān)系圖表示出來(lái)的。這種方法被廣泛應(yīng)用于故障邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單的情況，因?yàn)楣收虾褪录?shù)相結(jié)合的圖表會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。
??????? 圖2表示了一個(gè)通過(guò)使用故障樹(shù)和事件樹(shù)來(lái)分析井下采礦的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程。左邊一欄是失敗的各種類(lèi)型以及其決定因素。中間一欄顯示的就是給定的幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型以及他們各自的影響后果來(lái)畫(huà)出的事件樹(shù)，風(fēng)險(xiǎn)后果比如經(jīng)濟(jì)損失、聲譽(yù)損失和人工損失。右邊一欄顯示的是風(fēng)險(xiǎn)的最終評(píng)估結(jié)果。這種開(kāi)發(fā)出來(lái)主要用于的巖石邊坡工程的做法很可能被用于地下土建的開(kāi)挖工程，但是可能要修改一些圖示中間欄的風(fēng)險(xiǎn)因素。
??????? 蝶形圖反映了當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)一旦發(fā)生可以采取的消除或者減少風(fēng)險(xiǎn)再次發(fā)生的可能性的控制措施。雖然蝶形圖最開(kāi)始被創(chuàng)立是作為分析安全事故的技術(shù)，但是也可用于其他類(lèi)型的復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)分析。圖3表示了一個(gè)可用于在這里討論的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的通用蝶形圖。
??????? 風(fēng)險(xiǎn)概率分析（PRA），包括蒙特卡洛和其他類(lèi)型的模型，也許就是巖土工程中定量的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析最廣泛使用的方法。這種方法將在下文第5節(jié)中詳細(xì)討論。
??????? 決策分析，包括決策樹(shù)分析，是在可用信息的基礎(chǔ)上做出現(xiàn)決定，然后用于分析或保證評(píng)估結(jié)果的一種結(jié)構(gòu)化格式。很多地下工程的決策存在重大的不確定性。決策分析將會(huì)在下文第6節(jié)進(jìn)一步討論。
??????? 多風(fēng)險(xiǎn)分析是一種近似的計(jì)算方法，主要應(yīng)用于多個(gè)獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)或危險(xiǎn)因素，這些因素作為隨機(jī)變量。它提供了一個(gè)用于處理不確定性的方法。它也可以用于隧道工程的成本估計(jì)，比如這個(gè)研究。
??????? 層次分析法（AHP）用于解決一些決策和風(fēng)險(xiǎn)管理中的問(wèn)題。這是一個(gè)多準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)方法。它允許各個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比排名，然后得到最佳方案。這種方法在中國(guó)建筑業(yè)應(yīng)用的相對(duì)廣泛。
??????? 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是基于圖形和其他數(shù)學(xué)工具來(lái)表達(dá)出系統(tǒng)成員之間的因果關(guān)系。它允許變量之間相互依賴，它還提供了不確定條件下推理的方法，并且允許概率表隨著信息的更新而更新。在實(shí)踐中，他們還結(jié)合一些其他的決策分析方法。地下工程中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用將在第6節(jié)中詳細(xì)討論。
??????? 此外，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和其他已經(jīng)應(yīng)用于巖土工程的人工智能方法也可能用于風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并且有時(shí)還需結(jié)合其他的方法。
??????? 重要的是要注意這些從工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)分析是定性的，頂多也只能算是半定量。因此，本文的重點(diǎn)將放在定量分析的發(fā)展和應(yīng)用上面。
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??????? 4、巖土工程的不確定性和失誤
??????? 要清晰的認(rèn)識(shí)到在巖土工程，包括地下巖石工程中，許多風(fēng)險(xiǎn)源是來(lái)自巖土工程本身的不確定性和錯(cuò)誤。由于地質(zhì)力學(xué)造成的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)在很多文獻(xiàn)中討論過(guò)，因此將不確定性的來(lái)源分為以下幾種：
??????? （1）固有的時(shí)空變異；
??????? （2）測(cè)量誤差（系統(tǒng)或隨機(jī)）；
??????? （3）模型的不確定性；
??????? （4）負(fù)載的不確定性；
??????? （5）遺漏。?
??????? Baecher和Christian以及其他人已經(jīng)在論文里描述過(guò)這些不確定性的來(lái)源。即使系統(tǒng)是眾所周知的，偶然因素也可能因?yàn)橄嚓P(guān)條件的時(shí)間和空間的不同而不同。巖體的不規(guī)則形狀和水力特征的不同就是這種偶然因素的好例子。另一方面，主觀的不確定性源自我們對(duì)某個(gè)問(wèn)題方方面面的認(rèn)識(shí)。這有時(shí)候被稱為概念的不確定性，這可能體現(xiàn)在使用不恰當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ汀?br /> ??????? 近日，Hadjigeorgiou和Harrison提供了一些巖石工程中有價(jià)值的錯(cuò)誤源。在地下挖掘工程的設(shè)計(jì)中使用巖體分類(lèi)方法的討論中，他們發(fā)現(xiàn)了兩組失誤。第一組是選擇分類(lèi)方案的失誤，包括遺漏和與沒(méi)有選擇一個(gè)適合地質(zhì)力學(xué)的分類(lèi)方法。第二組失誤與實(shí)施有關(guān)，包括實(shí)施條件、方法、忽略變化和偶然因素的失誤。
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??????? 5、風(fēng)險(xiǎn)概率分析
??????? 過(guò)去的三四十年里，風(fēng)險(xiǎn)概率分析（PRA）是應(yīng)用最廣泛的定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，尤其是巖土工程中的風(fēng)險(xiǎn)分析。它也被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的進(jìn)度控制、成本控制和項(xiàng)目管理。
??????? 如圖4所示，在巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的一般方法中，我們?cè)u(píng)估概率密度函數(shù)（PDF）。荷載、應(yīng)力、地下水壓等設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4所示的需求。土壤和巖石強(qiáng)度，通常是剪切強(qiáng)度如圖4所示的容量。此圖說(shuō)明了從初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)以及最終設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)參數(shù)是如何提高的，如何得到進(jìn)一步的結(jié)果以及為了減少失誤的可能。
??????? Stewart和O’Rourke，給出了當(dāng)荷載超過(guò)一定數(shù)值后破壞的概率為：
??????? Pf ＝Pr（R≤S）＝Pr（R－S≤0）＝Pr [G（X）≤0]???????? （1）
??????? 其中R是電阻或容量，S是荷載或者需求，G（X）是一種極限狀態(tài)，例如G（X）＝0就定義了安全和非安全的界限。安全系數(shù)（FOS）的計(jì)算公式為FOS＝R／S，其中，R和S是需求和容量的平均值或者最有可能的值。有些計(jì)算方法允許R和S存在偶然因素。然而，他們通常不允許主觀的不確定性。因此，這種情況下，應(yīng)該允許模型建立的錯(cuò)誤，ME，是關(guān)于R和S的估計(jì)：
??????? G（X）＝ ME?FOS??????????????????????????????????? （2）
??????? 如果G＝R－S，并且R和S是相互獨(dú)立的，發(fā)生故障的概率為
??????? Pf? ＝∫FR(x) fs(x) dx??????????????????????????????????? （3）
??????? 其中FR(x)是阻力的累計(jì)分布函數(shù)，fs(x)是荷載的概率分布函數(shù)。故障出現(xiàn)的可能性與如圖4所示的需求和容量分布曲線在哪里重疊有關(guān)。如果R和S遵循正態(tài)分布，則Pf ＝1－Φ（β），其中β是可靠性指數(shù)，并且是R和S的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的函數(shù)。
??????? R和S概率分布函數(shù)的估計(jì)往往采用Monte Carlo、Latin Hypercube或一些銷(xiāo)售軟件，比如RISK和Crystal Ball。這些最簡(jiǎn)單的模式中，包括了R和S的大量重復(fù)計(jì)算，通常是用到一些涉及要輸入?yún)?shù)的方程，比如用于穩(wěn)定性計(jì)算的隨機(jī)數(shù)的選取。