1 引言
1.1 研究背景与意义
1.1.1 论文研究的背景
随着国家对现代交通路网的持续投资，以及“一带一路”等国家战略的陆续实施，现有交通路网系统得到了迅速升级，高速铁路、公路的总里程大幅增加。仅以铁路为例，国家铁路局在《2016 年铁道统计公报》中公布出全国铁路营业里程已经达到12.4万公里，高速铁路作为一项国家科技进步和经济发展的显著成果，其营业里程超过了 2 万公里。“十三五”时期国家不断加强重大基础设施建设，高铁营业里程将达到 3 万公里，铁路投资将达到 8000 亿元以上。未来的交通路网将大大改善西部地区、山区、高原和边远地区等地的基础环境，隧道工程随之增多，并且隧道施工将遇到比以往更为恶劣和复杂的施工环境条件。
通过大量的工程事故证明和数据资料分析可知，隧道施工仍属于高风险施工项目，地质条件的信息透明度较低，不稳定因素较多，使得隧道工程的实施过程表现出高风险和高技术挑战特征。施工过程中突发事件频繁发生，造成极其严重的事故，对项目进度和成本等目标的实现构成极大影响，并给隧道施工人员造成极大的心理负担。
2014 年 11 月 4 日，兰渝铁路桃树坪隧道 2#斜井掌子面仰拱开挖时突发坍塌事故，造成 9 名隧道施工人员被埋窒息死亡，直接经济损失一千余万元。经调查确定，本次事故原因是仰拱与边墙连接处出现突发性涌水流砂，系列作用下导致边墙初期支护突然发生垮塌，引起施工段拱部整体坍塌。2014 年 7 月 28 日，黄延高速公路项目在墩梁隧道施工时突发坍塌事故，造成 3 名隧道施工人员死亡，直接经济损失 300 余万元。经调查确定，本次事故的直接原因是超浅埋不稳定结构的突然脱离坍塌，间接原因是未对特殊地段进行细化设计；施工企业对地质风险认知不足，对裸露围岩的混凝土封闭施工不及时，导致黄土粘性减弱和自稳性削弱；安全监管和人员培训也存在很大问题。2012 年 12 月 25 日，山西省临汾市吕梁山隧道在开挖施工作业时发生爆炸，事故造成 8 名隧道施工人员死亡。2011年 10 月 29 日，位于甘肃省定西市的兰渝铁路黑山隧道吕家滩斜井在施工过程中发生特大事故，施工车辆冲下隧道施工斜井，随后碰撞到隧道墙壁并导致翻车，造成 24 名隧道施工人员死亡。本次事故的直接原因是非运人车辆的违章操作，间接原因是安全管理制度的落实不力等。从以上例子可以看出，黄土隧道工程建设具有安全管理的现实严峻性，这对其安全风险管控工作提出了很高要求。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 隧道施工安全风险管控
风险的概念最早应用于保险行业，但是到目前为止还未形成标准化的定义。学者从不用的角度进行风险的定义和描述，Mowbray 认为风险描述了一种不确定的程度[1]。而 Rosenbloom 认为风险是损失的不确定程度[2]。Crane 认为风险是对将来损失的一种不确定性[3]。Cooper 认为风险是人、财、物损失的可能性，而损失由某些不确定因素构成[4]。卢有杰将风险定义为某一事件的不良后果发生的可能性[5]。黄华明将风险定义为某一时间内发生某损失的可能性[6]。
相对于其他行业的风险管理，国外学者对于隧道工程风险管理的研究相对薄弱。Einstein 研究了隧道工程项目风险分析特点[7-9]。Reilly 将隧道工程风险后果划分为工期延误、造价增加、人员伤亡和无法满足要求四种[10]。Stuzk 以斯德哥尔摩环形公路隧道为研究对象，对其施工风险进行分析[11]。Nilsen 分析了特殊地质下的海底隧道风险[12]。Duddeck 探讨了跨海和穿山隧道的风险评估方法[13]。Pamukcu 对“风险”、“风险分析”、“风险评估”和“风险管理”等概念进行了界定。在此基础上，提出了定性与定量相结合的风险分析技术，并采用事件树分析法对隧道掘进机作业的风险进行了分析[14]。Mahdavi 以德黑兰地铁系统建设项目为研究对象，重点研究了隧道建设项目所涉及的风险，以及这些风险的关系和量化方法[15]。Marian 采用贝叶斯网络构建了公路隧道施工风险模型，并以波兰维斯瓦河下的公路隧道为例验证了模型的有效性[16]。
我国隧道施工风险管理研究在国外相关研究和国内其他建筑工程风险管理经验的基础上开展，研究起步较晚。但随着我国隧道工程的迅速增多，其风险管理的研究也越来越受到学者的重视。丁士昭教授是研究我国隧道施工风险的的代表性人物[17]。白峰青教授基于可靠性理论研究隧道施工风险管理，并提出决策程序[18]。伍帆对渝利铁路隧道工程安全风险管理思想、风险管理措施等相关经验进行总结，这是安全风险管理在实践中的应用和经验积累[19]。黄越对采用大断面浅埋施工方法的公路隧道进口段风险评估方法进行研究。以地质条件、设计图纸和施工方法作为数据来源，采用专家调查法完成隧道工程风险辨识；基于层次分析法对风险因素的重要程度进行排序；并据此提出公路隧道进口段施工风险控制方法[20]。王海强采用鱼刺图法从人—机—环—管—法五个方面对隧道施工中的风险因素进行分析；通过合成算子对模糊综合评判法进行改进，并建立隧道施工安全风险评价模型[21]。亓晓贵以某隧道工程项目中不良地质区段为研究对象，建立风险因素集、风险评价集和风险权重集，构建基于模糊层次综合评价法的隧道施工坍塌风险评价模型，并基于模型对研究对象进行风险评价[22]。
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2 黄土隧道施工安全管理系统扰动及演变趋势分析
2.1 黄土隧道施工特点分析
2.1.1 黄土的基本工程特性
由图 2.1 可以看出，黄土大范围的覆盖了我国华北、东北和西北地区，约占我国陆地面积的 6.6%，面积达到 63.5 万平方公里。其中大厚度的黄土地质主要存在于山西、陕西等省，厚度达到 100-200m。
黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的堆积物，状态较为松散，因其所具有的特殊性质和组分，而在工程地质土类中占据着重要而特殊的地位[108]。黄土在地质时代中的第四纪阶段形成，其成因主要是风力搬运黄色粉土而形成的沉积物。黄土的颜色多表现为黄色或者褐黄色；形状呈粉粒状；成厚层连续分布、无层理；垂直节理发育；常含有钙质结核层；具有湿陷性。黄土层由 Q4、Q3、Q2、Q1 四种黄土组成，这四种黄土自上而下分布，且具有不同的属性。Q4 土层的土质最松软，Q2 土层的土质更密集，黄土隧道一般是定位在 Q2 土层。Q3 土层具有水敏性和高压缩性，而一般隧道的进出口则分布于 Q3 土层，导致在该区域内施工时，容易面临湿陷性黄土、松软黄土等问题，很容易受到降雨和湿度的影响而发生塌方。
2.2 黄土隧道施工安全管理系统组成要素分析
隧道施工安全管理是一个多维度的复杂系统，它由若干要素组成，对这些组成要素的分析是研究隧道施工安全管理系统的基础。若根据安全管理的对象考察，隧道施工安全管理系统由作业过程中涉及的一切人、物和环境构成。为实现施工安全管理的功能，该系统又包含了安全组织、行为控制、安全技术、场地与设施、应急管理 5 个部分。此外，由于隧道工程是一个风险源多、风险性大的行业。安全管理作为隧道工程的重要组成部分，它不仅存在于施工阶段，工程勘察、设计、监理、招投标、采购等各个环节都直接影响施工安全性，我们将与施工期项目安全相关的上下游各个环节概括为项目协同环节，并对其进行全面的考察和测量。图 2.3 为黄土隧道施工安全管理系统的组成[112]。
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3.1 黄土隧道施工安全管理系统脆弱性的分析模式 ............................... 33
3.1.1 黄土隧道施工安全管理系统脆弱性特征要素分析 .................................. 34
3.1.2 黄土隧道施工安全管理系统脆弱性分析模型 .................... 36
4 黄土隧道施工安全风险管控体系优化设计 ....................................... 59
4.1 隧道施工安全风险管控体系问题分析与架构设计 ............................... 59
4.1.1 隧道施工安全风险管控体系问题分析 ................................ 59
4.1.2 隧道施工安全风险管控体系优化目标与原则 ......................... 60
5 黄土隧道施工安全风险管控信息化研究 ........................................... 77
5.1 隧道施工安全管理信息化现状及趋势分析 ................................... 77
5.1.1 安全生产政策的总体指向和现实障碍分析 ................................ 77
5.1.2 隧道施工安全管理信息化现状及趋势分析 .................................. 80
6 黄土隧道施工安全风险管控实例研究
6.1 吕临专线隧道施工工程概述
6.1.1 工程简介
临县北煤炭铁路专用线（简称吕临专线）位于山西省吕梁市临县境内，铁路专用线于 2013 年 10 月核准立项，接轨于山西中南部铁路通道临县北站，接轨点标高 1032.27，装车站标高 1129.93，高差 97.66m。工程分接轨工程和专用线工程。其中，专用线全长 17.395 公里（包含贯通正线全长 13.136km，疏解线全长4.259km）。工程量主要有 11 座桥梁、27 座涵洞、8 座隧道和 6235m 路基。近期运量 915 万吨 /年，远期 1460 万吨/年，投资概算 15.56 亿元。
吕临专线隧道总长占线路总长的 31.4%，包含单线隧道 6 座，长度为 4387m；双线隧道 1 座，长度为 425m；郑家湾 1 号隧道为燕尾式隧道，该隧道进口段正线、疏解线均为单线段，长度为 427m，出口段为双线段，长度为 1035m。最长隧道为小马坊隧道，长度为 1291m；最短隧道为杨寨 2 号隧道，长度为 310m，详见表 6.1。
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7 结论与展望
7.1 主要研究结论
全国交通基础设施建设市场的投资和需求量仍然较大，且中西部地区的公路、铁路建设逐步增多。隧道是公路、铁路建设过程中经常遇到的重要建筑物，尤其是在四川、陕西、云南、贵州等山地和丘陵较多省份更是有很大的建设需求。近年来，随着区域和城市交通网络的需要，跨江跨海等水下隧道以及城市地下隧道工程数量也上涨迅速。
隧道工程的地质条件复杂，信息的完整性不够，施工过程的安全隐患较多。中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，面积约 63 万平方公里。黄土物理化学性质特殊，干湿状态下的承载力变化很大，黄土隧道施工存在很大的安全风险。除了地质条件，黄土隧道施工安全风险还受到更多因素的影响，因此，本文针对影响安全风险的因素展开分析，主要研究结论可以归纳为以下七个方面。
（1）从黄土的基本工程特性分析出发，分析黄土对隧道施工的影响，并强调坍塌是黄土隧道的主要事故类型。随后从隧道施工项目协同、安全组织、行为控制、应急管理等安全管理系统组成要素分析入手，探索安全管理系统的内外部扰动因素，并在此基础上对安全管理系统的演变趋势做了分析。通过工程建设领域施工安全事故数据分析，并结合控制图方法中的判异准则来明确当前安全管理系统的积极作用，以及当前安全管理系统效能边际效应递减的趋势。 本文认为安全管理系统的管理效能将随着时间的推进，以及技术的发展等呈现有规律的安全管理效能曲线。该安全管理效能曲线的变化具有持续性、类同性和反复性。在当前形势下，安全管理系统性完善和基于现代信息技术支撑的安全管理升级工作将是安全管理效能提升的重要动力源。
（2）针对黄土隧道施工安全管理系统可能存在的引发风险或管控失效的漏洞，提出隧道施工安全管理系统脆弱性的分析需求，明确脆弱性分析中特征要素由暴露性、敏感性和适应性构成。随后，引入 AHV 模型，提出隧道施工安全管理系统脆弱性的演化分析模式，认为脆弱性的三个要素在扰动作用下递次呈现，各要素的状态表现出不连续的变化过程，在达到临界状态时发生突变而使该风险管控环节失效。