Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2012, 4 (3): 193–204
Risk assessment and management in underground rock engineering—an overview
Edwin T Brown
Golder Associates Pty Ltd., Brisbane, Queensland, 4064, Australia
Received 4 April 2012; received in revised form 10 June 2012; accepted 18 June 2012
Abstract: This paper attempts to provide an overview of risk assessment and management practice in underground rock engineering based on a review of the international literature and some personal experience. It is noted that the terminologies used in risk assessment and management studies may vary from country to country. Probabilistic risk analysis is probably the most widely-used approach to risk assessment in rock engineering and in geotechnical engineering more broadly. It is concluded that great potential exists to augment the existing probabilistic methods by the use of Bayesian networks and decision analysis techniques to allow reasoning under uncertainty and to update probabilities, material properties and analyses as further data become available throughout the various stages of a project. Examples are given of the use of these methods in underground excavation engineering in China and elsewhere, and opportunities for their further application are identified.
Key words: Bayesian networks; probabilistic risk analysis; risk analysis; risk management; underground rock engineering
1 Introduction
This paper has been prepared as a contribution to the International Summit Forum on Safe Construction and Risk Management of Major Underground Construction held in Wuhan, China, in May 2012, and sponsored by the Chinese Academy of Engineering (CAE). The topics listed for consideration by the Forum are:
- Mechanism, understanding, prediction theory and warning systems of rockburst, collapse, water inrush, or large deformation of major underground engineering.
- Optimal design methodology of major underground engineering under conditions of high stress, karst, high water pressure, or weak rocks.
- Risk management methods and strategies for safe construction of major underground engineering under conditions of high stress, karst, high water pressure, or weak rocks.
This paper seeks to contribute to the consideration of the third of these topics by providing an overview
Doi: 10.3724/SP.J.1235.2012.00193
Corresponding author. Tel: 61 7 3721 5451; E-mail: tbrown@golder.com.au
of the application of risk assessment and risk management in underground rock engineering, based largely on a review of the international literature. Clearly, the topics of the Forum are of great concern in China and to the CAE, as they are elsewhere in the world. However, it is important not to lose sight of the monumental achievements of rock mechanics and rock engineering in China in recent years (Feng, 2011; Feng and Hudson, 2011; Qian, 2011).
Risk management terminology and fundamentals
The international literature on risk analysis, assessment and management contains a range of definitions of risk and associated terms (Pateacute;-Cornell and Dillon, 2006). Here, the definitions given by AS/NZS ISO 31000: 2009 (Standards Australia, 2009) will be used. It should be noted that these definitions differ, sometimes marginally and sometimes significantly, from those used in some earlier publications, including those by Brown (2007) and Brown and Booth (2009). The author understands that there is not a specific Chinese risk management standard comparable to AS/NZS ISO
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31000: 2009. Following Zhou and Zhang (2011), it will be assumed that the general principles of the International Standards Organisation (ISO) standard, ISO 31000: 2009, will apply.
Standards Australia (2009) defines risk as “the effect of uncertainty on objectives” and a risk source as an “element which alone or in combination has the potential to give rise to a risk”. In some earlier accounts, a risk source appears to have been referred to as a hazard, defined in the previous Australian Standard as “a source of potential harm” (Standards Australia, 2004). This term is not defined in AS/NZS ISO 31000: 2009. The underground rock engineering conditions of high stress, karst, high water pressure and weak rocks could be regarded as hazards in this sense.
The level of risk is defined as the “magnitude of a risk or combination of risks, expressed in terms of the combination of consequences and their likelihood”. This definition allows for the common practice of quantifying risk as the product of the likelihood of the occurrence of an event and the consequences of that event (Stacey et al., 2006; Brown, 2007; Brown and Booth, 2009; Einstein et al., 2010). The Standards Australia (2009) definition of an event as an “occurrence or change of a particular set of circumstances” is consistent with this usage. The consequence of an event is the “outcome of an event affecting objectives” and the likelihood is the “chance that something will happen” (Standards Australia, 2009). As an example of the differences in terminology sometimes encountered, the probability of an event occurring is sometimes referred to as a hazard (Einstein, 1997; He et al., 2011).
Fig. 1 illustrates the overall risk management process adopted by the ISO and Standards Australia (2009). It helps clarify some of the terminology used in this area
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地下岩石工程风险评估与管理 - 综述
埃德温·T·布朗
摘要：本文在回顾国际文献和一些个人经验的基础上，试图对地下岩石工程风险评估与管理实践进行综述。值得注意的是，风险评估和管理研究中使用的术语可能因国家而异。概率风险分析可能是岩石工程和岩土工程中风险评估应用最广泛的方法。得出的结论是，通过使用贝叶斯网络和决策分析技术来增强现有的概率方法以允许在不确定性下进行推理，并随着在项目的各个阶段获得更多数据而更新概率，材料特性和分析，存在巨大的潜力。给出了在中国和其他地方的地下挖掘工程中使用这些方法的例子，并确定了进一步应用的机会。
关键词：贝叶斯网络; 概率风险分析; 风险分析; 风险管理; 地下岩石工程
1 引言
本文件是为2012年5月在中国武汉举行的中国工程院（CAE）主办的“国际主要地下建筑安全施工与风险管理高层论坛”的贡献而撰写的。 列出供论坛审议的主题是：
- 主要地下工程岩爆，塌方，涌水或大变形的机理，认识，预测理论和预警系统。
- 高应力，岩溶，高水压或弱岩石条件下主要地下工程的优化设计方法。
- 高应力，岩溶，高水压或弱岩石条件下重大地下工程安全施工的风险管理方法和策略。
本文旨在通过对国际文献进行回顾，提供对地下岩石工程中风险评估和风险管理应用的概述，为这些主题的第三部分的考虑做出贡献。显然，论坛的主题在中国和CAE都非常受关注，因为它们在世界其他地方。 然而，重要的是不要忽视近年来中国岩石力学和岩石工程的巨大成就（Feng，2011; Feng and Hudson，2011; Qian，2011）。
2 风险管理术语和基础
关于风险分析，评估和管理的国际文献包含一系列风险和相关术语的定义（Pateacute;-Cornell and Dillon，2006）。在此，将使用AS / NZS ISO 31000：2009（澳大利亚标准，2009）给出的定义。应该指出的是，这些定义有时与一些早期出版物，包括布朗（Brown）（2007）和布朗与布斯（Brown and Booth，2009）所使用的定义有所不同，有时甚至有些显着。作者了解到，没有一个具体的中国风险管理标准与AS / NZS ISO31000：2009相当。遵循Zhou和Zhang（2011），将假定国际标准组织（ISO）标准的一般原则ISO 31000 ：2009年，将适用。
澳大利亚标准组织（2009）将风险定义为“不确定性对目标的影响”，风险来源是“单独或组合后有可能产生风险的因素”。在一些早期的账户中，风险源似乎被称为危害，在先前的澳大利亚标准中被定义为“潜在危害的来源”（Standards Australia，2004）。这个术语在AS / NZS ISO 31000：2009中没有定义。在这种意义上，高应力，岩溶，高水压和弱岩石的地下岩石工程条件可以被认为是危险的。
风险水平被定义为“风险或风险组合的大小，用后果和可能性的组合来表示”。该定义允许将风险量化为产生事件发生的可能性和该事件后果的产物（Stacey等，2006; Brown，2007; Brown and Booth，2009; Einstein等， ，2010）。澳大利亚标准（2009）将事件定义为“特定环境的发生或变化”与此用法一致。 事件的后果是“事件影响目标的结果”，可能性是“事情发生的可能性”（Standards Australia，2009）。作为有时遇到的术语差异的一个例子，事件发生的可能性有时被称为危害（Einstein，1997; He et al。，2011）。
图1显示了ISO和澳大利亚标准组织（2009）采用的整体风险管理流程。 它有助于澄清这方面使用的一些术语。重要的是要认识到，在这种方法中，风险识别，风险分析和风险评估步骤一起被称为风险评估，这是本文标题中使用的术语。许多其他国家和国际机构（例如，Eskesen等（2004）概述的国际隧道协会方法和Schubert（2011）使用的PIARC方法）也采用了类似的方法，有时会有不同的细节。接下来的大部分内容将针对图1中确定的风险分析和评估阶段。
监
控
和
回
顾
风险应对
风险评估
风险分析
沟
通
和
咨 询
风险识别
建立背景
图1风险管理流程（标准澳大利亚，2009）
3 风险分析和评估
风险分析是了解图1中以前风险识别步骤中识别出的每个风险的过程。它为决定风险是否需要治疗提供了输入，并提供了最合适，最具成本效益的风险治疗策略。它涉及考虑风险来源，其后果以及发生后果的可能性。通常通过结合可能性和后果来分析和评估风险。风险分析可能是定性的，半定量的或定量的。以下段落提供了岩土工程和隧道中常用的一些风险分析和评估工具的简要概述，可能适用于大型地下建筑项目。
故障树分析（FTA）以图表形式识别，量化和表示故障和故障，以及可能导致重大危险或事件的故障和故障组合。它可以用于量化发生事件的概率，也可以不量化。
事件树分析（ETA）提供了可能导致重大事件的现实事件场景的系统映射，以及事件随时间的关系，依赖关系和潜在升级。 它还提供了组件事件和升级事件发生的可能性的数值估计。
结果或因果分析是故障树和事件树分析的结合。结果是显示事件原因与事件后果或结果之间关系的图表。当故障逻辑很简单时，这种技术最常用，因为组合故障和事件树的图可能变得相当复杂。
图2显示了一个采用简单事件树和故障树的地下矿井采场的一般风险评估过程。可能的故障类型显示在左侧列中，每个故障的可能性（POF）均已确定。中间一栏显示了一个事件树，用于确定几种类型的风险及其影响或后果，如经济损失，名誉损失或对工人的影响。右栏显示了这些风险的可接受性或其他方面的最终评估。最初开发用于岩石边坡工程的这种通用方法（Tapia等人，2007; Steffen等人，2006），可以很好地用于地下土木工程开挖，可能会改变一些地下工程的性质 中央专栏显示的风险。
领结图显示了一系列控制措施如何消除或最小化发生可能产生风险的特定发起事件的可能性，或者减少事件发生后的后果。领结图，起源于分析安全事件的技术，但也可用于分析其他类型的复杂风险以及传达关键风险和关键控制（Quinlivan and Lewis，2007）。图3显示了一个通用领结图，可以用来分析这里讨论的类型的岩土风险。
概率风险分析（PRA），包括蒙特卡罗和其他类型的模拟，可能是岩土工程中定量风险分析最广泛使用的方法（Baecher and Christian，2003; Fenton and Griffiths，2008）。这种方法将在下面的第5节中更详细地讨论。
包括决策树分析在内的决策分析是一种结构化格式，用于根据现有信息分析或评估决策或选择的结果。 地下工程中做出的许多决定都涉及很大的不确定性。决策分析将在下面的第6部分进一步讨论。
多风险分析是对涉及多个统计独立风险或危害的情况进行计算的近似计算方法，每个风险或危害被视为随机变量。它提供了一种处理不确定性的方法，可用于估算隧道施工成本，例如研究工程（Eskesen等，2004）, 许多风险源或危害源于岩土不确定性或错误。文献中广泛讨论了不确定性的性质和更广泛地提供岩土工程中地质力学风险源的误差。例如，Einstein和Baecher（1983）将不确定性的来源分类为：（1）固有的空间和时间变化性; （2）测量误差（系统或随机）; （3）模型不确定性;
图2.结合故障和事件树的风险评估过程（Stacey等，2006）
分析层次分析法（AHP）方法用于解决决策制定和风险评估中界定不清晰和结构不良的问题。它是一种多准则决策的数学技术，它允许根据偏好通过成对比较对决策方案进行排序（Saaty，1980; Taroun and Yang，2011）。这种技术在中国建筑业中的应用相对广泛，有时与其他方法相结合（Deng and Zhou，2010; Zhou et al。，2006）。
贝叶斯网络是基于概率的图形和数学工具，显示系统组件之间的因果关系。它们允许变量之间的条件依赖性，在不确定性条件下提供推理手段，并允许在更多信息可用时更新概率表。在实践中，它们通常与某种形式的决策分析结合使用。贝叶斯网络及其在地下工程中的应用将在下面的第6节中更详细地讨论。
除了贝叶斯网络之外，或者与贝叶斯网络相关联，已经应用于岩石工程（Dershowicz和Einstein，1984; Feng和Jiang，2010）的模糊逻辑和其他人工智能（AI）方法也可以用于风险分析和评价，有时结合其他方法（Choi等，2004; He等，2006; Zhou和Zhang，2011）。
需要指出的是，工程实践中常规进行的许多风险分析都是定性的，至多是半定量的（Zhou和Zhang，2011）。 在本文的其余部分，重点将放在量化方法的开发和应用上。
4 岩土工程的不确定性和错误
重要的是要认识到，在岩土工程中，包括在地下岩石。Baecher和Christian（2003）等人将这些不确定性的来源描述为偶然或认知。Aleatory不确定性是与在时间或空间上自然变化的现象相关的不可约随机性或变异性，即使系统是众所周知的。 岩体的不连续几何形状和机械和水力特性为这种自然变化提供了很好的例子。另一方面，认识上的不确定性来自我们基本知识的局限性或对问题某些方面的理解。这有时被称为概念不确定性（Brown，2007），例如，可能反映在分析中使用不适当的模型。
最近，Hadjigeorgiou和Harrison（2011）对岩石工程中的不确定性和误差来源提供了有价值的说明。在讨论岩体分类方案在地下开挖设计中的应用时，他们确定了两组错误。第一组由所使用的分类方案固有的错误组成，包括遗漏错误，超流量错误和与选择地质力学特性的特定分类评级值相关的分类错误。第二类错误与实施相关，包括环境错误，便利性错误，忽略可变性的错误以及忽略不确定性的错误（Hadjigeorgiou and Harrison，2011）。
5 概率风险分析
在过去的30或40年里，概率风险分析（PRA）可能是最广泛使用的定量风险分析方法，一般在岩土工程方面有失败的危险。（Baecher和Christian，2003; Einstein，1996; Fenton和Griffiths，2008; Honjo等，2009; Juang等，2011）。它还用于施工时间和成本估算（Cretu et al。，2011）以及广泛的工程和其他领域的项目管理（Pateacute;-Cornell，2007）。如图4所示，在一般的土工概率风险分析方法中，我们评估概率密度函数（PDF）。设计参数（如负荷，应力或地下水压力）正如所要求的那样在图4中标识。土壤或岩石的强度，通常是剪切强度，在图4中标识为“容量”。这张图说明了，随着我们从初步阶段到详细阶段以及最终设计阶段的进展，我们对设计参数的了解得到改善，或者由于进一步调查而得到改进，并且故障的可能性降低。
图4 项目开发过程中的不确定性降低说明，直至潜在的失效降到可接受的水平（Valley et al。，2010，Hoek，1991之后）
Stewart和O#39;Rourke（2008）等人在负载超过电阻时表示失败的概率为：
pf Pr (R S ) Pr (R S 0) Pr[G( X ) 0] (1)
其中R是阻力或容量，S是负载或需求，G（X）是极限状态函数，使得G（X）= 0定义了安全和不安全之间的边界。安全系数（FOS）通常被计算为FOS = R / S，在这种情况下，R和S分别是能力和需求的平均值或最可能的值。一些计算方法允许R和S的函数具有偶然的不确定性。然而，他们通常不允许认识上的不确定性，这是一个概念模型或参数的不确定性。因此，在这些情况下，在估计R和S时应考虑模型误差ME。
G( X ) ME FOS （2）
如果G = R-S，并且R和S在统计上是独立的，那么失败的概率可以计算为：
pf FR (x) fs (x)dx （3）
其中FR（x）是阻力的累积分布函数，fs（x）是负载的概率分布函数。失败的可能性与需求和容量分布曲线重叠程度有关，如图4所示。如果R和S都遵循正态分布，pf 1 ( ) , 其中<e
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