??????? 1、緒論
??????? 本文已經(jīng)準(zhǔn)備作為于2012年5月20日在中國武漢由中國工程院舉行的關(guān)于大型地下工程的安全施工和風(fēng)險管理的國際首腦會議的報告內(nèi)容。論壇上要審議的主題包括：
??????? （1）機(jī)制、了解、預(yù)測理論以及巖爆、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)險管理方法和策略。
??????? 本文旨在通過提供主要依據(jù)國際文獻(xiàn)的巖土工程風(fēng)險評估和風(fēng)險管理的實際應(yīng)用實例來促進(jìn)以上三個主題的審議。顯然，此次論壇的主題在中國和中國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近年來在巖土力學(xué)和巖土工程上取得的不朽成就。
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??????? 2、風(fēng)險管理術(shù)語及定義
??????? 國際文獻(xiàn)關(guān)于風(fēng)險分析、風(fēng)險評估和風(fēng)險管理包括了一系列的風(fēng)險定義和相關(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，中國沒有一個可以與AS/NZE ISO 31000：2009相媲美的具體的風(fēng)險管理標(biāo)準(zhǔn)。按照他們的觀點來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”為“不確定性對目標(biāo)的影響”，風(fēng)險源是指元素單獨或組合使用有可能產(chǎn)生的風(fēng)險。在一些更早的觀點中，風(fēng)險源似乎已經(jīng)被稱為危險，而在早期的澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)則定義為“潛在傷害的來源”。這個詞在AS/NZE ISO 31000：2009是沒有定義的。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)險水平被定義為“以結(jié)果和可能性組合表達(dá)的風(fēng)險大小或者風(fēng)險組合”。該定義允許量化風(fēng)險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)果是指一項目標(biāo)造成的后果，可能性是指某些事發(fā)生的機(jī)會大小。術(shù)語也存在很多差異，例如，事件發(fā)生的可能性有時被成為危風(fēng)險。
??????? 圖1說明了ISO和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)制定的整體風(fēng)險管理的流程。它有助于解釋清楚在該領(lǐng)域用到的術(shù)語。重要的是要認(rèn)識到，在這種方法中，風(fēng)險識別、風(fēng)險分析和風(fēng)險評估這三個步驟一起被稱為風(fēng)險評估，就是這篇文章題目用到的風(fēng)險評估一詞。那些有時候只是細(xì)節(jié)差別的類似的方法，也被許多其他國家和國際權(quán)威機(jī)構(gòu)使用。風(fēng)險分析和風(fēng)險評估階段的內(nèi)容將會在圖1中講述。
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??????? 3、風(fēng)險分析和風(fēng)險評估
??????? 風(fēng)險分析就是了解每一個風(fēng)險在如圖1所示風(fēng)險識別的發(fā)展過程。它提供了是否風(fēng)險需要處理的決定以及最適當(dāng)?shù)暮妥畛杀居行У娘L(fēng)險處理策略。它涉及到要考慮的風(fēng)險源、風(fēng)險后果以及后果發(fā)生的可能性。風(fēng)險分析和風(fēng)險評估通常是要結(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)項目的風(fēng)險分析和評估方法的簡要概述。
??????? 故障樹分析（FTA）是以圖表的形式識別、量化和表示出可能導(dǎo)致重大危險源的故障和風(fēng)險因素。它可能量化也可能不量化事件發(fā)生的概率。
??????? 事件樹分析（ETA）是提供有關(guān)于有可能導(dǎo)致重大事件的現(xiàn)實場景或者他們之間關(guān)系或者隨時間推移風(fēng)險擴(kuò)大的可能性的系統(tǒng)映射。它也提供了相關(guān)風(fēng)險和風(fēng)險擴(kuò)大發(fā)生的可能性的數(shù)值估計。
??????? 因果分析是故障樹分析和事件樹分析的結(jié)合。分析的結(jié)果是以原因和后果的關(guān)系圖表示出來的。這種方法被廣泛應(yīng)用于故障邏輯相對簡單的情況，因為故障和事件樹相結(jié)合的圖表會變得相當(dāng)復(fù)雜。
??????? 圖2表示了一個通過使用故障樹和事件樹來分析井下采礦的風(fēng)險評估過程。左邊一欄是失敗的各種類型以及其決定因素。中間一欄顯示的就是給定的幾個風(fēng)險類型以及他們各自的影響后果來畫出的事件樹，風(fēng)險后果比如經(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)險的最終評估結(jié)果。這種開發(fā)出來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挖工程，但是可能要修改一些圖示中間欄的風(fēng)險因素。
??????? 蝶形圖反映了當(dāng)風(fēng)險一旦發(fā)生可以采取的消除或者減少風(fēng)險再次發(fā)生的可能性的控制措施。雖然蝶形圖最開始被創(chuàng)立是作為分析安全事故的技術(shù)，但是也可用于其他類型的復(fù)雜的風(fēng)險分析。圖3表示了一個可用于在這里討論的巖土工程風(fēng)險分析的通用蝶形圖。
??????? 風(fēng)險概率分析（PRA），包括蒙特卡洛和其他類型的模型，也許就是巖土工程中定量的進(jìn)行風(fēng)險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。決策分析將會在下文第6節(jié)進(jìn)一步討論。
??????? 多風(fēng)險分析是一種近似的計算方法，主要應(yīng)用于多個獨立風(fēng)險或危險因素，這些因素作為隨機(jī)變量。它提供了一個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，比如這個研究。
??????? 層次分析法（AHP）用于解決一些決策和風(fēng)險管理中的問題。這是一個多準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)方法。它允許各個方案進(jìn)行對比排名，然后得到最佳方案。這種方法在中國建筑業(yè)應(yīng)用的相對廣泛。
??????? 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是基于圖形和其他數(shù)學(xué)工具來表達(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)險分析和風(fēng)險評估，并且有時還需結(jié)合其他的方法。
??????? 重要的是要注意這些從工程實踐中總結(jié)出來的風(fēng)險分析是定性的，頂多也只能算是半定量。因此，本文的重點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)識到在巖土工程，包括地下巖石工程中，許多風(fēng)險源是來自巖土工程本身的不確定性和錯誤。由于地質(zhì)力學(xué)造成的風(fēng)險已經(jīng)在很多文獻(xiàn)中討論過，因此將不確定性的來源分為以下幾種：
??????? （1）固有的時空變異；
??????? （2）測量誤差（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)在論文里描述過這些不確定性的來源。即使系統(tǒng)是眾所周知的，偶然因素也可能因為相關(guān)條件的時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某個問題方方面面的認(rèn)識。這有時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值的錯誤源。在地下挖掘工程的設(shè)計中使用巖體分類方法的討論中，他們發(fā)現(xiàn)了兩組失誤。第一組是選擇分類方案的失誤，包括遺漏和與沒有選擇一個適合地質(zhì)力學(xué)的分類方法。第二組失誤與實施有關(guān)，包括實施條件、方法、忽略變化和偶然因素的失誤。
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??????? 5、風(fēng)險概率分析
??????? 過去的三四十年里，風(fēng)險概率分析（PRA）是應(yīng)用最廣泛的定量風(fēng)險分析方法，尤其是巖土工程中的風(fēng)險分析。它也被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的進(jìn)度控制、成本控制和項目管理。
??????? 如圖4所示，在巖土工程風(fēng)險分析的一般方法中，我們評估概率密度函數(shù)（PDF）。荷載、應(yīng)力、地下水壓等設(shè)計參數(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。此圖說明了從初步設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計以及最終設(shè)計過程中，設(shè)計參數(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誤，ME，是關(guān)于R和S的估計：
??????? G（X）＝ ME?FOS??????????????????????????????????? （2）
??????? 如果G＝R－S，并且R和S是相互獨立的，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)的估計往往采用Monte Carlo、Latin Hypercube或一些銷售軟件，比如RISK和Crystal Ball。這些最簡單的模式中，包括了R和S的大量重復(fù)計算，通常是用到一些涉及要輸入?yún)?shù)的方程，比如用于穩(wěn)定性計算的隨機(jī)數(shù)的選取。