水工盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險綜合評價與判定

汪倫焰 王若騰 趙榮生

摘?要：隨著地下空間的開發(fā)利用，盾構(gòu)法成為隧道工程施工的主流。近年來在盾構(gòu)隧道風(fēng)險評價中，風(fēng)險的隨機性和模糊性常被忽視，評價結(jié)果沒有比對，無法確定重要因素，因此為解決風(fēng)險評估過程的不確定性，提出基于熵權(quán)-集對分析-云模型的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險綜合評價模型。首先，通過梳理文獻構(gòu)建評價指標(biāo)體系;其次，采用熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重，基于集對分析理論對風(fēng)險因素進行初步判定;最后，基于云理論整合專家評價的隨機性和模糊性，構(gòu)建盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險云模型，并用云模型評估施工安全風(fēng)險的等級，將風(fēng)險因素與初步判定結(jié)果進行比對得到最終評價結(jié)果。以某水資源配置工程為例，驗證了該評價模型是有效可行的。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;熵權(quán)法;集對分析;云模型;施工安全;風(fēng)險評價

中圖分類號：TV523?文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.028

Abstract： With the development and utilization of underground space， shield method has become the mainstream of tunnel construction. In recent years， the randomness and fuzziness of the risk are often ignored in the risk assessment of shield tunnel. There is no comparison between the assessment results and it is impossible to determine the important factors. Therefore， in order to solve the uncertainty of the risk assessment process， a comprehensive risk assessment model of shield tunnel construction based on entropy weight set pair analysis cloud modelwas proposed. Firstly， the evaluation index system was constructed from the aspect of 5M1E by literature frequency method; secondly， the index weight was calculated by entropy weight method and the risk factors were preliminarily determined based on set pair analysis theory; finally， the safety risk cloud model of shield tunnel construction was constructed by integrating the randomness and fuzziness of expert evaluation based on cloud theory. The construction safety risk was evaluated by cloud model and the final evaluation results were obtained by comparing the risk factors with the preliminary judgment results. Through the application of the model in a water resources allocation project， it is verified that the evaluation model is effective and feasible.

Key words： shield tunnel; entropy weight method; set pair analysis; cloud model; construction safety; risk evaluation

盾構(gòu)法作為隧道工程的主要施工方法

應(yīng)用廣泛，以該方法施工的隧道線路長度占據(jù)地下隧道線路施工總長度的50%以上[1]。盾構(gòu)隧道施工線路多處于人口稠密、環(huán)境復(fù)雜的城市地區(qū)，安全事故屢見不鮮。隧道工程投資大、建設(shè)周期長，施工技術(shù)要求高、地質(zhì)條件不確定性大，給盾構(gòu)隧道的施工埋下安全隱患，因此其工程施工安全問題需要引起管理者重視。如何全面有效、準(zhǔn)確直觀地確定施工安全風(fēng)險等級，有針對性地對風(fēng)險因素進行控制，是隧道工程安全管理領(lǐng)域的研究重點。

“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”是我國安全生產(chǎn)的原則，施工安全是保證項目目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在盾構(gòu)隧道工程施工安全風(fēng)險研究方面取得了一系列成果。鄭俊杰等[3]基于故障樹理論，分析研究了施工風(fēng)險對成本的影響。榮雅楠[4]總結(jié)了中國近五年來發(fā)生的盾構(gòu)施工安全事故案例，分析了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險的誘因及相關(guān)機理。Einstein[5]從風(fēng)險管理角度對海底盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險影響因素進行了歸納。Tonon等[6]對盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險決策問題進行了研究。在對施工風(fēng)險因素識別的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者基于模糊相關(guān)理論構(gòu)建施工風(fēng)險相關(guān)評價模型，結(jié)合案例開展評價研究[7-10]。從以往的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險相關(guān)文獻來看，大多數(shù)研究是以地鐵軌道的盾構(gòu)隧道工程為研究對象，研究范圍不全面，對于風(fēng)險因子的隨機性和模糊性的處理尚有不足，評價過程無法克服主觀影響，評價結(jié)果缺少比對，難以確定重要的影響因素，更沒有直觀展現(xiàn)。

鑒于此，為消除評價中主觀性影響，明確各施工安全風(fēng)險因素的等級，本文采用熵權(quán)-集對分析-云模型方法，將風(fēng)險的隨機性與模糊性通過正態(tài)云集合，并直觀顯示評價結(jié)果，結(jié)合某重大水資源配置工程的實施案例，對盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險進行系統(tǒng)評判，使其結(jié)果更為全面、真實、有效。

1?評價方法

1.1?熵權(quán)法

熵權(quán)法是基于信息熵客觀計算權(quán)重的方法。借助熵權(quán)法來確定指標(biāo)權(quán)重，可使評價結(jié)果克服主觀性[11]，具體流程如下。

1.2?集對分析理論

集對分析理論在解決具體問題的兩集合X、Y構(gòu)成的集對H中，存在N個特性，在其中有S個特性屬于X和Y共有、P個屬于X和Y對立，余下的F個為不對立也不共有[12]，故基于兩集合X和Y的集對H的聯(lián)系μ計算公式為

本文把bI展開得到：

由式（14）確定的總聯(lián)系度最大值所對應(yīng)的盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評價等級則是所求的評價等級[13]。

1.3?云模型理論

云模型由李德毅院士提出，是處理事物從定性到定量映射的數(shù)學(xué)工具，可以較好地反映不確定事物的隨機性和模糊性[14]。云模型參數(shù)（Ex，En，He）取值是對事物定性、體現(xiàn)其不確定性和模糊性的關(guān)鍵，Ex為期望、En為熵、He為超熵，計算公式為

1.4?綜合評判流程

首先，利用專家評分獲取評價值，利用熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)權(quán)重;然后，基于集對分析理論計算聯(lián)系度并進行評判，得到判定結(jié)果;最后，基于云模型理論方法，進行風(fēng)險評價，并以云圖方式直觀展現(xiàn)評判結(jié)果，對比兩個評判結(jié)果得到最終評價結(jié)果。具體流程見圖1。

2?構(gòu)建盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價云模型

由于盾構(gòu)隧道工程多數(shù)為城市地鐵工程，水利工程中應(yīng)用較少，且盾構(gòu)隧道工程具有建設(shè)周期長、工程投資大、利益相關(guān)方眾多且工程所在地周邊環(huán)境多變等特點，因此盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險影響因素復(fù)雜眾多，目前盾構(gòu)隧道工程施工安全風(fēng)險的評價指標(biāo)體系尚未完備。通過對盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險相關(guān)文獻進行整理分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的文獻所構(gòu)建的評價模型可以歸類在5M1E（人員、工法、管理、環(huán)境、機械和材料）體系下。因此，本文基于5M1E體系構(gòu)建一級評價指標(biāo)，其中機械和材料可歸類于物，通過梳理文獻、查閱風(fēng)險管理評估體系，對盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險相關(guān)指標(biāo)進行收集、整理并最終總結(jié)細分出26項二級指標(biāo)[3，7，9，15-23]，以此建立盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，見表1。

根據(jù)風(fēng)險管理風(fēng)險評估技術(shù)，把施工安全風(fēng)險劃分為5個等級，令評分區(qū)間為[0，10]，盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險分級見表2。

將評價指標(biāo)依據(jù)正態(tài)云模型計算公式進行云化[24]，計算風(fēng)險等級云參數(shù)，見表3。

對盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系中相對獨立的二級評價指標(biāo)采用式（15）浮動云算法集結(jié)計算云參數(shù);對關(guān)聯(lián)性較強的一級指標(biāo)采用式（16）集結(jié)計算云參數(shù)[24]。

根據(jù)式（17）計算盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價云模型與標(biāo)準(zhǔn)評價云模型相似度。相似度λi最大值對應(yīng)的風(fēng)險等級即為實際問題的評價結(jié)果。

式中：EX代表標(biāo)準(zhǔn)評價云模型期望值;Ex代表盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價云模型期望。

利用Python軟件繪制盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)云圖，如圖2所示。

3?案例分析

某水資源配置工程是解決G市、D市和S市生活用水短缺問題的重大工程。工程全長113 km，年設(shè)計供水量達到17億m3，總投資約350億元，建設(shè)總工期計劃為5 a。全線采用深埋盾構(gòu)施工方式，工程所在地區(qū)水文地質(zhì)情況復(fù)雜多變。為試驗新工藝、新方法，項目開展試驗段施工，現(xiàn)已局部貫通。為對項目施工安全風(fēng)險進行客觀評價，邀請參與項目的5名專家，根據(jù)表2進行打分，得到指標(biāo)評分分值（分值越高風(fēng)險越大）。

3.1?熵權(quán)-集對分析安全風(fēng)險評判

根據(jù)熵權(quán)法計算權(quán)重。以人員風(fēng)險為例，計算專家評分均值，按表2的風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)進行單指標(biāo)初步判斷，見表4。

根據(jù)專家評分表，得到人員風(fēng)險判斷矩陣X1（為方便計算，對原始矩陣進行轉(zhuǎn)置）為

根據(jù)式（8）～式（12）得到指標(biāo)與各風(fēng)險等級的聯(lián)系度，見表5。

物、管理、環(huán)境和工法風(fēng)險的計算方法和過程與人員風(fēng)險的一致。根據(jù)式（4）、式（5）計算各級指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表6;計算指標(biāo)聯(lián)系度，結(jié)果見表7。

計算得到該水資源配置項目的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險準(zhǔn)則層指標(biāo)最大聯(lián)系度人員風(fēng)險I1為0.22、物的風(fēng)險I2為0.15、管理風(fēng)險I3為0.15、環(huán)境風(fēng)險I4為0.14、工法風(fēng)險I5為0.16，其對應(yīng)的風(fēng)險等級為R3中級風(fēng)險、R2較低風(fēng)險、R3中級風(fēng)險、R3中級風(fēng)險、R2較低風(fēng)險。從結(jié)果上看，人員風(fēng)險較高，而物的風(fēng)險和工法風(fēng)險較低，這與該項目試驗段盾構(gòu)隧道實施過程風(fēng)險發(fā)生情況相符。

3.2?基于云模型的施工安全風(fēng)險評價

根據(jù)云模型理論，利用MATLAB逆向發(fā)生器計算出二級指標(biāo)的云模型參數(shù)，見表8。

根據(jù)式（16），集結(jié)低級指標(biāo)計算一級指標(biāo)的云模型參數(shù)，見表9。根據(jù)一級指標(biāo)云模型參數(shù)繪制該項目盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險云圖，見圖3～圖7。

根據(jù)式（16），采用相關(guān)算法集結(jié)一級指標(biāo)計算該盾構(gòu)隧道項目施工安全風(fēng)險的云參數(shù)，為（4.6，1.04，0.5），繪制的該項目盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險總評價云圖見圖8。根據(jù)式（17）計算相似度為0.43最大，則根據(jù)相似度判斷該項目的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險為中級風(fēng)險。

從圖3～圖7可看出，人員等5個風(fēng)險因素主要分布在較低風(fēng)險至中級風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，其中人員風(fēng)險云圖與較低風(fēng)險和較高風(fēng)險的交叉點確定度均位于0.4以下，且相似度極值落在中級風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，與集對分析判定結(jié)果一致，可以確定為中級風(fēng)險;物的風(fēng)險云圖與低風(fēng)險交叉點確定度位于0.2以下，與中級風(fēng)險交叉部位確定度位于0.6以下，相似度極值落在較低風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，與集對分析判定結(jié)果一致，可以確定為較低風(fēng)險，但偏向于中級風(fēng)險;管理風(fēng)險云圖與較低風(fēng)險交叉點確定度位于0.6以下，與較高風(fēng)險交叉部位確定度位于0.2以下，相似度極值落在中級風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，與集對分析判定結(jié)果一致，可以確定為中級風(fēng)險;工法風(fēng)險云圖與低風(fēng)險交叉點確定度位于0.4以下，與中級風(fēng)險交叉部位確定度位于0.6以下，相似度極值落在較低風(fēng)險區(qū)間內(nèi)但靠近中級風(fēng)險，與集對分析判定結(jié)果一致，可以確定為較低風(fēng)險;環(huán)境風(fēng)險云圖與較低風(fēng)險交叉點確定度位于0.3以下，與較高風(fēng)險交叉點確定度位于0.7以下，相似度極值落在中級風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，與集對分析判定結(jié)果一致，可以確定為中級風(fēng)險，但靠近較高風(fēng)險，必要時應(yīng)采取措施控制風(fēng)險。綜上所述，該項目環(huán)境風(fēng)險對施工安全影響最大。

從圖8可以看出，該盾構(gòu)隧道項目的施工安全風(fēng)險為較低風(fēng)險至中級風(fēng)險之間，施工安全風(fēng)險與較低風(fēng)險交叉點確定度位于0.6以下，與較高風(fēng)險交叉點確定度位于0.2以下，而最大相似度落在中級風(fēng)險區(qū)間內(nèi)，故可以判定該項目的施工安全風(fēng)險為中級風(fēng)險。

4?結(jié)?語

利用集對分析對一級指標(biāo)風(fēng)險等級進行判定，然后基于云模型得到其評價結(jié)果，并用云圖直觀顯示各個風(fēng)險指標(biāo)的評價結(jié)果，結(jié)合兩種方法互相印證使評價結(jié)果更為真實有效，為風(fēng)險評價拓寬了思路。運用熵權(quán)-集對分析-云模型方法，對某水資源配置工程案例進行評價，得出該項目施工安全風(fēng)險為中級風(fēng)險，與實際施工情況相符，驗證了該評價模型應(yīng)用于盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評價是可行的。

本文的指標(biāo)體系根據(jù)文獻梳理總結(jié)得出，并按5M1E進行歸類，雖較為全面，但依然存在不完備之處，因此更加貼近實際的指標(biāo)體系仍需深入調(diào)研。

參考文獻：

[1]?張新金，劉維寧，路美麗，等.北京地鐵盾構(gòu)法施工問題及解決方案[J].土木工程學(xué)報，2008，41（10）：93-99.

[2]?AN Xiaowei， LI Huimin， WANG Lunyan， et al. Compensation Mechanism for Urban Water Environment Treatment PPP Project in China[J].Journal of Cleaner Production， 2018，201：246-253.

[3]?鄭俊杰，林池峰，趙冬安，等.基于模糊故障樹的盾構(gòu)隧道施工成本風(fēng)險評估[J].巖土工程學(xué)報，2011，33（4）：501-508.

[4]?榮雅楠.盾構(gòu)施工安全事故案例分析研究[J].市政技術(shù)，2019，37（4）：125-128.

[5]?EINSTEIN H H. Risk and Risk Analysis in Rock Engineering[J]. Tunneling and Underground Space Technology， 1996，2（11）：141-155.

[6]?TONON F， MAMMION A. BERNARDINI A. Multiobjective Optimization Under Uncertainty in Tunneling Application to the Design of Tunnel Support/ Reinforcement with Case Histories[J].Tunneling and Underground Space Technology， 2002（17）：33-54.

[7]?黃震，傅鶴林，張加兵，等.基于模糊-證據(jù)理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險綜合評價[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2019，52（8）：694-702.

[8]?王公忠，劉星魁，李鳳琴.層次分析法的海底隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險評價[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，34（11）：1240-1243

[9]?陳自海，陳建軍，楊建輝.基于模糊層次分析法的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，9（6）：1427-1432，1464.

[10]?張姣.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的地鐵盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險評估方法[J].城市軌道交通研究，2014，17（3）：30-34.

[11]?黃志偉，韓涵.城鎮(zhèn)水環(huán)境綜合治理PPP模式的績效評價[J].人民黃河，2018，40（11）：130-134，139.

[12]?汪倫焰，趙延超，李慧敏，等.水生態(tài)綜合治理PPP項目投資風(fēng)險評價研究[J].人民黃河，2018，40（3）：54-58.

[13]?吳勝文，秦鵬，高健，等.熵權(quán)集對分析法在大壩運行風(fēng)險評價中的應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報，2016，33（6）：36-40.

[14]?朱曼，文元橋，肖長詩，等.船舶通航適應(yīng)性綜合評價的云模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013，35（7）：63-68.

[15]?黃震，傅鶴林，張加兵，等.基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險綜合評價模型[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2018，15（11）：3012-3020.

[16]?周前國，周鴻源.基于AHP的模糊綜合評判在盾構(gòu)施工風(fēng)險評價中的應(yīng)用[J].中國錳業(yè)，2019，37（4）：95-99，103.

[17]?周前國，周鴻源.基于ANP的盾構(gòu)施工風(fēng)險模糊綜合評判[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2019，31（4）：100-108.

[18]?張飛燕，張?zhí)芈鯘晌?城市地鐵施工安全風(fēng)險評價與控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2019，15（增刊1）：443-448.

[19]?吳凱.某地鐵盾構(gòu)施工項目安全風(fēng)險評估[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016：1-20.

[20]?陳濤，趙金先，蔣克潔.基于WSR與C-OWA的地鐵盾構(gòu)施工安全管理模糊評價研究[J].工程管理學(xué)報，2019，33（10）：68-72.

[21]?趙金先，李堃，王苗苗，等.基于AHP-SPA的地鐵建設(shè)項目施工風(fēng)險評價[J].土木工程與管理學(xué)報，2017，34（6）：10-16.

[22]?朱莎.基于層次分析-灰色理論的南水北調(diào)中線穿黃隧洞施工風(fēng)險評價研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2017：11.

[23]?洪文霞，錢瑾玉，賈明磊.基于DANP_vague集的盾構(gòu)法施工風(fēng)險評價研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2019，40（1）：8-14.

[24]?汪倫焰，曹永超，李慧敏，等.基于云模型的水環(huán)境質(zhì)量評價：以賈魯河鄭州段為例[J].節(jié)水灌溉，2018（7）：61-64，70.

【責(zé)任編輯?張華巖】