濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)施工風(fēng)險評估

張勇 劉琛 牟艷祥

摘要：為了提高針對濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全評估的可靠性，從人員管理、機(jī)械材料、施工技術(shù)、施工環(huán)境4個方面構(gòu)建較為完善的施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系；利用灰色-DEMATEL方法對中心度進(jìn)行處理得到風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重；以風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險損失程度兩個維度為基礎(chǔ)構(gòu)建二維云評估模型，其中發(fā)生概率由主、客觀方法相結(jié)合來確定，損失程度通過改進(jìn)雷達(dá)圖法從人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤、功能缺陷和環(huán)境影響5個方面來綜合確定。將該評估模型運用到引漢濟(jì)渭工程X輸水隧洞盾構(gòu)法施工項目的安全評估中。結(jié)果表明：該項目施工風(fēng)險評估等級為Ⅱ級，施工安全風(fēng)險程度較小，評價結(jié)果符合工程實際，驗證了該評估模型的可行性和有效性。研究成果可為濕陷性黃土區(qū)類似輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險評估提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞； 盾構(gòu)施工； 風(fēng)險評估； 濕陷性黃土區(qū)； 灰色-DEMATEL； 二維云模型

中圖法分類號： TV672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.024

0引 言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源短缺問題逐漸顯露出來。長距離跨流域引調(diào)水工程的實施，可緩解部分由于水資源分布不均而造成的供需矛盾［1］。隧洞作為水工建筑物中建造數(shù)量最多、修建難度最大、建設(shè)周期最長的一部分，其工程建設(shè)的重要性不言而喻。與普通隧洞相比，輸水隧洞通常要穿越大的山體或者山脈群，洞線長、埋深大、前期勘察很難準(zhǔn)確預(yù)測各種不良地質(zhì)風(fēng)險。與其他地區(qū)相比，濕陷性黃土區(qū)土體具有特殊的性質(zhì)，黃土濕陷會對隧洞的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。而與其他施工方法相比，盾構(gòu)法施工的高危險性使得施工難度相對也更高。因此有必要針對濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞采用盾構(gòu)法施工時的安全進(jìn)行風(fēng)險評價，避免發(fā)生嚴(yán)重的施工安全問題，給整個輸配水工程造成不良影響。

國內(nèi)外學(xué)者針對隧洞工程風(fēng)險評估方面曾進(jìn)行了較為豐富的研究。如洪坤等［2］通過改進(jìn)PERT方法，從風(fēng)險事件出發(fā)分析了施工工序邏輯關(guān)系發(fā)生變化對施工進(jìn)度的影響，實現(xiàn)了對輸水隧洞施工進(jìn)度風(fēng)險的全面管理。祁英弟等［3］分析了輸水隧洞在運行期影響其安全運行的各種病害問題，運用GSA-PP評價模型客觀評價了輸水隧洞在運行期結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。劉英杰等［4］分析并量化了水工隧洞成本影響因素，構(gòu)建了基于PSO-SVM的水工隧洞施工成本預(yù)測模型，使得預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。Li等［5］從施工風(fēng)險和水文風(fēng)險等方面建立風(fēng)險指標(biāo)體系，采用未確知測度模型和多因素綜合評估方法對鐵路隧道風(fēng)險進(jìn)行評估，其評估方法為類似工程提供了更好的途徑。蔣英禮等［6］將未確知測度理論和集對分析法相結(jié)合用于巖溶公路隧道水害危險性評價中，克服了多指標(biāo)性和不確定性等問題，為巖溶隧道水害風(fēng)險評價提供了一條新的研究思路。Huang等［7］提出了一種基于二維云模型的新方法，將風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險發(fā)生概率和危害均量化為二維云的評估維度，準(zhǔn)確預(yù)測了地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間的施工風(fēng)險水平。

綜合來看，一是學(xué)者們多聚焦于施工成本和工期風(fēng)險的管理或者運行期的健康監(jiān)測研究，且單一針對濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工階段安全風(fēng)險的研究更是匱乏；二是現(xiàn)有研究成果多集中于地鐵和交通隧道，對于水利工程長距離輸水隧洞施工管理的差異性沒有考慮在內(nèi)。輸水隧洞屬于地下隱蔽工程，施工中的風(fēng)險具有“多米諾骨牌效應(yīng)”，相互影響且具有不確定性和模糊性，傳統(tǒng)的DEMATEL方法無法解決這些不確定性，且受到主觀因素影響較大［8］。因此需引入灰色理論來削弱主觀因素的影響，從而構(gòu)建出更加柔性的模型，使得決策結(jié)果更貼合實際［9］。另外，為保證風(fēng)險評估能夠更加全面，將風(fēng)險發(fā)生概率和損失程度作為二維云的兩組變量來確定濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)施工安全風(fēng)險等級。

1指標(biāo)體系構(gòu)建

在濕陷性黃土區(qū)進(jìn)行輸水隧洞盾構(gòu)施工具有很高的難度與風(fēng)險。首先，施工環(huán)境風(fēng)險是一個很大的挑戰(zhàn)。濕陷性黃土易造成盾構(gòu)機(jī)卡陷，特別是頭部一旦卡陷，由于輸水隧洞縱軸線具有一定坡降，往往難以脫困，這是最主要的風(fēng)險。其次，在濕陷性黃土區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)施工不僅與施工環(huán)境有關(guān)，而且與人員管理、機(jī)械材料以及施工技術(shù)密切相關(guān)。對于人員管理方面，高風(fēng)險的施工環(huán)境勢必會對人員的整體素質(zhì)與現(xiàn)場管理能力要求更高。對于機(jī)械材料方面，黃土濕陷會導(dǎo)致地面不均勻沉降，若再加上涌水涌沙產(chǎn)生空洞，會誘發(fā)管片發(fā)生錯動破壞，因此對管片質(zhì)量要求較高。輸水隧洞掘進(jìn)長度一般較長，連續(xù)長距離掘進(jìn)對刀盤等部件的耐磨性能要求更高。對于施工技術(shù)方面，若濕陷性黃土層較厚，需要通過注漿加固土層穩(wěn)定性，若注漿不合理、不及時，將會造成地面產(chǎn)生塌陷。

結(jié)合上述濕陷性黃土區(qū)盾構(gòu)法施工的難點與風(fēng)險，并對相關(guān)文獻(xiàn)中已有隧洞工程盾構(gòu)法施工風(fēng)險進(jìn)行整理分析［10-15］，初步識別出濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞采用盾構(gòu)法施工的安全風(fēng)險因素，并依據(jù)SL378-2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》［16］和GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》［17］等規(guī)范，最終從人員管理、機(jī)械材料、施工技術(shù)、施工環(huán)境4個方面總結(jié)提煉出濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，如圖1所示。

2指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1建立灰色直接關(guān)聯(lián)矩陣

（1） 邀請6位輸水隧洞領(lǐng)域?qū)＜?，依?jù)風(fēng)險指標(biāo)體系對不同因素之間的影響程度進(jìn)行兩兩打分，得到6個初始矩陣。采用的打分規(guī)則為：沒有影響得0分，影響非常弱得1分，影響較弱得2分，影響較高得3分，影響非常高得4分。專家評價語義量表如表1所列，依據(jù)灰數(shù)理論將初始矩陣轉(zhuǎn)化成灰數(shù)矩陣A1，A2，…，A6。

（2） 考慮到每位專家受教育程度、工作年限、參與類似項目數(shù)量以及對該領(lǐng)域研究深度的不同，以此為標(biāo)準(zhǔn)賦予專家不同的權(quán)重，且該權(quán)重具有模糊性。專家權(quán)重語義量表如表2所列。

2.2計算直接影響矩陣

2.3計算綜合影響矩陣

2.4計算影響因素的中心度和原因度

2.5繪制因果圖

根據(jù)中心度和原因度的計算結(jié)果，在笛卡爾坐標(biāo)系中繪制出各個影響因素的相對位置。

2.6確定風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

3安全風(fēng)險評估模型

3.1二維云模型

李德毅教授對模糊數(shù)學(xué)和隨機(jī)函數(shù)研究后提出了云模型，它綜合考慮了事物之間的隨機(jī)性和模糊性，并能夠?qū)⒍ㄐ院投扛拍钕嗷マD(zhuǎn)化［19］。云模型的數(shù)字特征包括云的期望Ex、熵En和超熵He［20］。

運用和一維云模型相似的思路，引出兩組定性概念的數(shù)字特征共同描述兩種因素影響下的不確定性問題，稱其為二維云模型。濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險由發(fā)生概率和損失程度共同影響。相比于常用的模糊綜合評價等方法，二維云模型更能展示出兩種因素協(xié)同作用的影響，故本文引入二維云模型，其數(shù)學(xué)模型如下

3.2二維標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云

結(jié)合相關(guān)地下隧洞工程施工文獻(xiàn)和規(guī)范，將風(fēng)險的發(fā)生概率和損失程度均分為5個等級，并量化其風(fēng)險等級區(qū)間，如表3所列。此外，由式（13）可得5個標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征，作為風(fēng)險云的對照標(biāo)準(zhǔn)。

3.3二維評估風(fēng)險云

在確定二維評估風(fēng)險云時，需先確定風(fēng)險發(fā)生概率和損失程度。風(fēng)險發(fā)生概率的確定采用主客觀相結(jié)合的方法。對相關(guān)資料和文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計和估算，難以定量時邀請專家主觀確定。同時，利用改進(jìn)雷達(dá)圖法從人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤、功能缺陷和環(huán)境影響5個方面綜合確定損失程度。雷達(dá)圖法可以通過數(shù)形結(jié)合的形式將多變量數(shù)據(jù)的關(guān)系直觀展示出來［21］。本文依據(jù)風(fēng)險損失程度判斷的不同維度將單位圓均分為五等份，將扇形的角平分線視作坐標(biāo)軸，并標(biāo)出其評估值點，將各點順序連接形成一個閉合的圖形，即為雷達(dá)圖，如圖2所示。利用式（14）～（15）分別計算出雷達(dá)圖的面積和相對面積，以此確定出風(fēng)險損失程度，其中評估值由濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞領(lǐng)域的專家依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

3.4綜合風(fēng)險云

基于灰色-DAMATEL方法得到的二級指標(biāo)權(quán)重和二級指標(biāo)評估風(fēng)險云矩陣，處理得到一級評估風(fēng)險云的數(shù)字特征，相同的方法計算得到評估對象綜合風(fēng)險云，計算公式如下：

3.5相近度

從二維云圖直觀地判斷風(fēng)險等級存在一定的視覺和空間誤差，因此為了提高評估的準(zhǔn)確性，引入相近度來表示實際風(fēng)險云和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云的相近程度，相近度越大則越接近該相近度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級。相近度最大所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云即為最終的安全風(fēng)險評估等級，計算公式如下［22］：

4工程實例

4.1工程概況

引漢濟(jì)渭工程X輸水隧洞位于西安市境內(nèi)，隧洞全長8.18 km，穿越黃土臺塬區(qū)，施工范圍內(nèi)分布的黃土具有Ⅱ級自重濕陷性。該輸水隧洞所處地區(qū)水文地質(zhì)條件差，地下水位高于隧洞頂，施工難度較大。圍巖自穩(wěn)性較差，施工周邊飲水井、農(nóng)灌井密布，對輸水隧洞施工有一定影響。

4.2確定風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重

本文邀請了6位曾參與過濕陷性黃土區(qū)相關(guān)項目，且平均工作年限在10 a以上的隧洞方面專家，根據(jù)自身經(jīng)驗對各風(fēng)險進(jìn)行打分，得到6個初始矩陣，根據(jù)前文所提到的對專家賦權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，分別賦予6位專家不同的權(quán)重，詳見表4。

首先將6位專家的原始打分表轉(zhuǎn)化為區(qū)間灰數(shù)，通過式（1）～（5）得到直接影響矩陣Zk，然后利用相同的方法對每位專家的灰數(shù)權(quán)重進(jìn)行清晰化處理，并利用式（6）得到直接影響矩陣Z，如表5所列（部分展示）。其次，利用式（7）對直接影響矩陣Z進(jìn)行規(guī)范化處理得到直接影響矩陣N，根據(jù)式（8）對直接影響矩陣N進(jìn)行處理得到綜合影響矩陣T，如表6所列（部分展示）。最后，利用公式（9）～（10）對綜合影響矩陣T進(jìn)行處理，得到各風(fēng)險因素的中心度mi和原因度ni，如表7所列。利用式（11）對中心度與原因度進(jìn)行處理得到各級指標(biāo)權(quán)重，如表8所列。最終，繪制出各風(fēng)險因素之間的中心度和原因度效果圖，如圖3所示。

通過數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可以看出，濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工風(fēng)險因素相互影響程度存在一定差異，其影響程度可由原因度進(jìn)行量化。從圖3可以看出，原因度較高的有X41，X34，X42，X11，其中X41（黃土濕陷性程度）原因度最高，說明在濕陷性黃土區(qū)進(jìn)行輸水隧洞的盾構(gòu)法施工，黃土濕陷性程度較高會給輸水隧洞的施工帶來很大的風(fēng)險，因此需要對其采取最大程度的措施來降低施工風(fēng)險的發(fā)生。從結(jié)果因素來看，從小到大的順序為：X45，X23，X15，X22，X32，X33，X44，X35，X14，X24，X13，X25，其中X13（管理人員現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)能力）和X25（管片質(zhì)量）最容易被其他因素所影響，導(dǎo)致風(fēng)險的發(fā)生。中心度數(shù)值能夠反映出導(dǎo)致風(fēng)險發(fā)生的重要因素，從該角度可分析出各種風(fēng)險因素在濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工過程中的重要位置和決策制約。從圖3中看出，X12（施工人員技術(shù)水平）、X41（黃土濕陷性程度）、X42（地下水影響）、X31（盾構(gòu)機(jī)參數(shù)設(shè)置）這4種因素的中心度最高，所以是導(dǎo)致濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)施工風(fēng)險最重要的4種因素。

4.3確定二維評估風(fēng)險云

根據(jù)邀請的6位輸水隧洞工程領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姡Y(jié)合X輸水隧洞工程勘察報告，依據(jù)3.3節(jié)所述方法分別確定X輸水隧洞盾構(gòu)施工安全風(fēng)險發(fā)生概率和損失程度（部分結(jié)果如圖4～5所示），并根據(jù)式（16）～（17）分別得到二級、一級指標(biāo)和綜合二維評估風(fēng)險云的數(shù)字特征，如表8所列。

4.4確定安全風(fēng)險評估等級

根據(jù)表8中綜合風(fēng)險云數(shù)字特征和表3中標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云數(shù)字特征，運用MATLAB輸出綜合風(fēng)險云圖6。由圖6可知，X輸水隧洞盾構(gòu)法施工綜合風(fēng)險云更靠近Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云。結(jié)合二維綜合云俯視圖7可以更加清晰地看出，X輸水隧洞盾構(gòu)法施工綜合風(fēng)險云與Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險云部分重合，因此盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險等級可初步判定為Ⅱ級。為定量確定安全風(fēng)險等級，根據(jù)式（18）分別計算相近度，其結(jié)果為PⅠ=0.253 2，PⅡ=0.885 4，PⅢ=0.581 8，PⅣ=0.220 2，PⅤ=0.135 7，可知相近度大小為PⅡ>PⅢ>PⅠ>PⅣ>PⅤ，故最終確定X輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險等級為Ⅱ級，施工安全風(fēng)險程度較低，經(jīng)整改后可接受。

根據(jù)表8中一級風(fēng)險云數(shù)字特征，繪制出其一級風(fēng)險云俯視圖，見圖8?？梢钥闯觯藛T管理、施工環(huán)境及機(jī)械材料所屬風(fēng)險等級較高，其中，機(jī)械材料風(fēng)險接近Ⅲ級，經(jīng)相近度計算，TⅡ=0.604 5，TⅢ=0.840 3，因此機(jī)械材料風(fēng)險等級為Ⅲ級，風(fēng)險等級較高。結(jié)合該工程的實際情況，X輸水隧洞項目施工范圍內(nèi)黃土濕陷性等級較高，水文地質(zhì)條件差，圍巖自穩(wěn)性也較差，且周邊建筑和上穿鐵路對其均有影響。另外，X輸水隧洞設(shè)計直徑較小，工作面有限。在這樣復(fù)雜的環(huán)境下施工，對盾構(gòu)機(jī)選型的合理性、隧洞通風(fēng)設(shè)備和施工材料的質(zhì)量、人員整體素質(zhì)和現(xiàn)場管理協(xié)調(diào)能力提出較高的要求較為合理。

為便于項目針對性地降低機(jī)械材料風(fēng)險，繪制出機(jī)械材料風(fēng)險下的二級風(fēng)險云俯視圖，如圖9所示，并計算相近度。結(jié)果表明，盾構(gòu)機(jī)選型合理性、盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具磨損情況以及管片質(zhì)量風(fēng)險接近Ⅲ級，其相近度分別為2.137 4，1.130 5，0.880 8。施工過程中，需做好風(fēng)險管理工作，如根據(jù)項目自身地質(zhì)條件選擇適宜的盾構(gòu)機(jī)類型，實時關(guān)注刀盤刀具磨損情況，有效控制和優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)以及嚴(yán)格把控管片拼裝質(zhì)量等。

5結(jié) 論

（1） 在綜合考慮濕陷性黃土區(qū)的特殊構(gòu)造、地質(zhì)條件和盾構(gòu)法施工特點的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了較為完善的濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并利用灰色-DEMATEL方法確定指標(biāo)權(quán)重，削弱了主觀因素的影響，確保權(quán)重確定的科學(xué)合理。

（2） 本次研究綜合考慮了風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險損失程度對風(fēng)險等級的影響，彌補(bǔ)了部分學(xué)者只考慮風(fēng)險損失程度，忽視了部分中低危害風(fēng)險發(fā)生概率反而更大的缺陷。針對這一問題，構(gòu)建了濕陷性黃土區(qū)輸水隧洞盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險評估二維云模型，實現(xiàn)了評價結(jié)果的可視化，提高了評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3） 以引漢濟(jì)渭工程X輸水隧洞為研究對象，利用灰色-DEMATEL方法進(jìn)行賦權(quán)，二維云模型對其施工風(fēng)險進(jìn)行評估，結(jié)果與工程實際風(fēng)險等級一致，驗證了該評估模型的可行性和有效性。

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（編輯：胡旭東）