趙映瓔，馬維珍，溫海燕

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展，交通網(wǎng)的完整化建設(shè)，大量的鐵路和公路向西北部山區(qū)高原延伸，隧道工程項(xiàng)目大幅度增加。和其他工程類項(xiàng)目相比，隧道施工作業(yè)地點(diǎn)隱蔽、施工技術(shù)復(fù)雜、地質(zhì)條件難以準(zhǔn)確預(yù)見、施工環(huán)境艱苦[1]，這些因素不僅提升了施工難度，還增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)， 提高隧道施工應(yīng)急管理水平，建立可操作性強(qiáng)且符合施工實(shí)際的應(yīng)急管理體系，是我國(guó)交通建設(shè)，人民安全保障的必要研究課題。國(guó)家安全生產(chǎn)管理總局于2017年12月11日在北京召開隧道施工事故應(yīng)急救援專題研討會(huì)。會(huì)議中指出，最近幾年，我國(guó)的隧道應(yīng)急救援隊(duì)伍已經(jīng)基本建成，應(yīng)急救援體系還在不斷完善中，應(yīng)急救援能力已經(jīng)有了質(zhì)的提升[2]。但到目前為止，我國(guó)對(duì)施工應(yīng)急系統(tǒng)評(píng)價(jià)還處于起步階段，存在評(píng)價(jià)意識(shí)淡薄，評(píng)價(jià)目標(biāo)不明確，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。

為響應(yīng)國(guó)家綠色施工，保證安全文明施工，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)工程施工應(yīng)急能力進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，其中江新[3]等結(jié)合灰色聚類分析對(duì)水電工程應(yīng)急管理能力的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)；柯超[4]等運(yùn)用突變級(jí)數(shù)法和多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)評(píng)價(jià)了土石圍堰施工應(yīng)急能力的成熟度；李彥玲[5]基于模糊矩陣及集對(duì)分析法評(píng)價(jià)地鐵施工的應(yīng)急能力。上述文獻(xiàn)的評(píng)價(jià)研究都比較重視應(yīng)急評(píng)價(jià)的模糊性，而忽視了應(yīng)急系統(tǒng)的整體性；都是對(duì)應(yīng)急能力和應(yīng)急預(yù)案的評(píng)價(jià)研究，忽視了系統(tǒng)的演化過程和優(yōu)化能力。目前，韌性是系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，利用韌性理論能很好地綜合分析系統(tǒng)防御能力和優(yōu)化能力，近年來被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害領(lǐng)域。例如Reed等[6]基于系統(tǒng)韌性建立模型，對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)害事故后的恢復(fù)、投入、產(chǎn)出進(jìn)行了評(píng)估；Makana[7]應(yīng)用可持續(xù)理論和韌性理論對(duì)城市地下空間安全韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。Labaka等[8]從組織、技術(shù)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)四個(gè)維度分析研究公共領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的安全韌性；Shirall等[9]根據(jù)安全管理特征評(píng)估了城市能源系統(tǒng)的韌性。本文將韌性理論引入隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)中，結(jié)合模糊性和系統(tǒng)性，通過可拓云模型評(píng)價(jià)隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)。構(gòu)建了隧道施工應(yīng)急評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為不同的管理主體進(jìn)行施工應(yīng)急系統(tǒng)評(píng)價(jià)提供依據(jù)，通過對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果分析可以確定施工應(yīng)急能力主要影響因素，同時(shí)查找企業(yè)隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為其優(yōu)化自身應(yīng)急能力提供方向。

1 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性分析

系統(tǒng)韌性是指在已知和未知風(fēng)險(xiǎn)的沖擊下，系統(tǒng)維持、吸收、應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，并且系統(tǒng)在此過程中學(xué)習(xí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高各項(xiàng)能力，優(yōu)化自身[10]。本文參考城市安全韌性[11]以及系統(tǒng)安全韌性[12]方面研究成果，基于系統(tǒng)韌性對(duì)隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，其實(shí)質(zhì)是結(jié)合隧道施工特點(diǎn)對(duì)其應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)維持、吸收、恢復(fù)和優(yōu)化四個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程的評(píng)價(jià)。通過四個(gè)階段循環(huán)，使得隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)不斷優(yōu)化，結(jié)合韌性曲線，總結(jié)了應(yīng)急系統(tǒng)韌性比較常見的幾種表現(xiàn)形式如圖1所示。以時(shí)間作為橫軸，以系統(tǒng)功能水平為縱軸，顯示各系統(tǒng)功能水平隨時(shí)間的變化情況，進(jìn)而定義系統(tǒng)韌性水平。表1是對(duì)圖1各曲線形式的簡(jiǎn)單描述。

圖1 應(yīng)急系統(tǒng)韌性曲線對(duì)比

表1 應(yīng)急系統(tǒng)韌性曲線對(duì)比描述

2 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)評(píng)價(jià)是從預(yù)防與準(zhǔn)備、檢測(cè)與預(yù)警、處理與援救、恢復(fù)與重建等四個(gè)過程，對(duì)施工應(yīng)急系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。從韌性理論角度出發(fā)，可以將應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)簡(jiǎn)化為對(duì)系統(tǒng)承受能力、吸收能力、恢復(fù)能力和優(yōu)化能力的評(píng)價(jià)。

通過大量的應(yīng)急管理文獻(xiàn)閱讀整理以及隧道施工事故過程分析，從施工人員、管理方法、施工設(shè)備、施工材料、施工方案及施工環(huán)境等六大施工組成中，本著科學(xué)性、獨(dú)立性、全面性和層次性的原則，整理出影響應(yīng)急能力的37個(gè)因素，參考《生產(chǎn)安全事故應(yīng)急預(yù)案管理辦法》和《城市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全事故應(yīng)急預(yù)案管理》等相關(guān)規(guī)范，經(jīng)過專家訪談，刪除對(duì)應(yīng)急能力影響較弱的因素，最終確定了26個(gè)影響施工企業(yè)應(yīng)急能力的主要因素作為隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)各因素影響突發(fā)事件時(shí)間先后和在應(yīng)急系統(tǒng)中的作用，將指標(biāo)分為四個(gè)階段，以此形成了隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過分析隧道施工工序和應(yīng)急管理內(nèi)容總結(jié)各指標(biāo)評(píng)價(jià)要點(diǎn)，如表2所示。

表2 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)要點(diǎn)

此隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系涵蓋隧道施工中管理團(tuán)隊(duì)的指揮協(xié)調(diào)、施工人員的教育演習(xí)、施工機(jī)械設(shè)備的性能、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別評(píng)估、應(yīng)急預(yù)案及后期處置等多方面，事前、事中及事后全過程。能較為全面地剖析隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)，評(píng)價(jià)其應(yīng)急能力水平，評(píng)價(jià)結(jié)果可信度高。

3 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)模型

3.1 可拓云模型

可拓理論是將物元理論的觀點(diǎn)融入可拓學(xué)中建立物元模型R=(N,C,V)，其中N為事物名稱，C為事物特征，V為事物特征對(duì)應(yīng)的值，以其作為描述事物的基本元[13]。云理論是通過期望Ex、熵En和超熵He等數(shù)字特征來表述一個(gè)定性的概念[14]。

由于隧道施工應(yīng)急評(píng)價(jià)各指標(biāo)影響因素的多樣性，指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)均是模糊的定性區(qū)間。將云模型在處理模糊性和隨機(jī)性的優(yōu)勢(shì)引入物元分析中，對(duì)物元結(jié)構(gòu)重新構(gòu)造，應(yīng)用可拓云模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合可拓學(xué)中一般物元分析方法，對(duì)隧道應(yīng)急系統(tǒng)各階段進(jìn)行描述分析，保留了可拓物元法的評(píng)價(jià)思路，利用云模型取代事物特征值V，能充分體現(xiàn)應(yīng)急指標(biāo)評(píng)價(jià)過程中采集數(shù)據(jù)樣本的隨機(jī)性和指標(biāo)區(qū)間范圍的模糊性。

可拓云模型表示形式為：

(1)

式中：m為指標(biāo)數(shù)量；Rj為待評(píng)價(jià)對(duì)象N屬于第j個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)量值范圍構(gòu)成的經(jīng)典域；N為評(píng)價(jià)對(duì)象韌性等級(jí)；Ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vj為評(píng)指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)等級(jí)j的標(biāo)準(zhǔn)量值范圍；αji，βji分別為指標(biāo)ci在等級(jí)j的上下限；(Exji,Enji,He)為區(qū)間vji對(duì)應(yīng)的云參數(shù)(Exji=(αji+βji)/2；Enji=(αji-βji)/6；令He=0.1)。

(1)首先將應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)中的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為云滴，以Ex為期望，He為標(biāo)準(zhǔn)差生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′，再利用式(2)計(jì)算云滴相對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度k。

(2)

利用MATLAB軟件編程重復(fù)上述計(jì)算過程200次，取結(jié)果的中位數(shù)作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終隸屬度K：

(3)

式中：kij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)等級(jí)j中的隸屬度。

(2)一級(jí)指標(biāo)隸屬度KB：

KB=WK

(4)

式中：W為二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。

(3)目標(biāo)層隸屬度KA：

KA=WBKB

(5)

式中：WB為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重。

(4)在KA中如果ki=maxi=1,2,…,nki，由最大隸屬度原則，得評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)為i。記i′為隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性的級(jí)別變量特征值，即隸屬某韌性級(jí)別的程度，可由式(6)(7)求得i′。

(6)

(7)

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定方法

在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)，由于韌性是較為主觀的概念，所以選擇序關(guān)系法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重，且序關(guān)系法可以很好地將表2中各指標(biāo)相互獨(dú)立、層次分明的特點(diǎn)表達(dá)出來，為了消除序關(guān)系法主觀性太強(qiáng)的缺點(diǎn)，引入熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重，將二者權(quán)重加權(quán)平均作為指標(biāo)的最終權(quán)重。

(1)序關(guān)系分析法

若待測(cè)對(duì)象有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)S={s1,s2,…,sm}，依據(jù)各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響程度對(duì)S進(jìn)行重新排序，記為S′={s′1,s′2,…,s′m}，其指標(biāo)關(guān)系為：

s′1≥s′2≥…≥s′m

(8)

(9)

(10)

式中：k=m,m-1,…,3,2；r′k為在s′中第k-1個(gè)指標(biāo)和第k個(gè)指標(biāo)重要程度的比值；w′k為指標(biāo)s′k的權(quán)重。

根據(jù)式(10)可計(jì)算出對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最小指標(biāo)s′m的權(quán)重值，根據(jù)式(9)依次計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重值。并將計(jì)算所得S′中的各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)原來次序賦予S，可得到指標(biāo)集合{s1,s2,…,sm}對(duì)應(yīng)的權(quán)重W1={w11,w12,…,w1m}。

(1)熵權(quán)法

若待評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)待評(píng)價(jià)指標(biāo)，有n位專家對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，令第i位專家對(duì)第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值為cij，得到判斷矩陣C=(cij)n×m。

令評(píng)價(jià)指標(biāo)j的熵值為Hj：

(11)

(12)

式中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

最后可計(jì)算指標(biāo)j的權(quán)重wj：

(13)

所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重W2={w21,w22,…,w2m}。

(2)綜合權(quán)重

用加法集成確定最終指標(biāo)所占權(quán)重：

(14)

4 實(shí)例研究

本文以四川省某隧道為例，隧道全長(zhǎng)9390 m，最大埋深700 m，線路縱坡呈1.19%單面下坡，洞身穿越4條富水?dāng)鄬訋В麄€(gè)隧道地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，巖層破碎，地下水豐富，最大涌水量23400 m3/d，且有4495 m為反坡排水，抽排水難度大。正洞設(shè)計(jì)有二級(jí)圍巖2875 m，三級(jí)圍巖4625 m，四級(jí)圍巖98 m，五級(jí)圍巖910 m。

邀請(qǐng)應(yīng)急管理專家7名，本工程管理者3名，對(duì)此項(xiàng)目應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)的26個(gè)指標(biāo)的重要程度評(píng)價(jià)并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)項(xiàng)目各指標(biāo)評(píng)分，其中指標(biāo)施工材料合格率S4和安全防護(hù)用品配置率S5由施工單位提供。評(píng)價(jià)過程如下。

4.1 界定標(biāo)準(zhǔn)云

本實(shí)例通過對(duì)已有文獻(xiàn)的研究，結(jié)合專家意見，參照韌性等級(jí)劃分將各指標(biāo)水平劃分為高、中、低三個(gè)等級(jí)，各等級(jí)區(qū)間Vj根據(jù)指標(biāo)的屬性和隧道環(huán)境綜合分析確定。由區(qū)間vji根據(jù)式(1)確定各指標(biāo)云參數(shù)，如表3所示。以指標(biāo)S1為例，用MATLAB繪制標(biāo)準(zhǔn)云狀態(tài)圖，如圖2所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)界限云模型

圖2 指標(biāo)S1韌性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖

4.2 確定權(quán)重

由專家評(píng)定得R={r′2,r′3,…,r′25}并根據(jù)式(9)(10)計(jì)算權(quán)重W1；再結(jié)合評(píng)分結(jié)果得矩陣C并根據(jù)式(11)～(13)得權(quán)重W2，最終求得綜合權(quán)重W如表4所示。

表4 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分、隸屬度及綜合權(quán)重

4.3 計(jì)算隸屬度

匯總專家對(duì)各指標(biāo)評(píng)分求平均值作為二級(jí)指標(biāo)評(píng)分值(表4)，代入表3的標(biāo)準(zhǔn)云中，運(yùn)用MATLAB編程多次計(jì)算整合得本項(xiàng)目二級(jí)指標(biāo)隸屬度K(表4)。根據(jù)式(4)計(jì)算一級(jí)指標(biāo)隸屬度KA并匯總WB結(jié)果如表5所示。

表5 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度及權(quán)重

4.4 韌性等級(jí)劃分

根據(jù)式(5)計(jì)算目標(biāo)層KA={0.0093,0.1027,0.0017}。根據(jù)最大隸屬度原則，該項(xiàng)目施工應(yīng)急系統(tǒng)的承受能力、恢復(fù)能力及優(yōu)化能力都屬于中等水平，而吸收能力屬于高等水平。應(yīng)急系統(tǒng)韌性級(jí)別i為中韌性，由式(6)(7)計(jì)算得韌性等級(jí)特征值i′=1.9264。

4.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算得出該隧道項(xiàng)目應(yīng)急系統(tǒng)韌性屬于中等，應(yīng)急管理能力還有待提高，尤其系統(tǒng)的承受能力、恢復(fù)能力和優(yōu)化能力。根據(jù)各級(jí)指標(biāo)權(quán)重分析得，對(duì)該項(xiàng)目應(yīng)急系統(tǒng)韌性結(jié)果影響最大的是系統(tǒng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故的承受能力。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)韌性所屬等級(jí)可得：施工環(huán)境、風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估、現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救援及應(yīng)急搶險(xiǎn)知識(shí)培訓(xùn)與演練等四項(xiàng)是該項(xiàng)目施工應(yīng)急能力表現(xiàn)中最薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地制定措施整改，是提升該企業(yè)隧道施工中應(yīng)急能力較為有效的方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，本文綜合隧道施工應(yīng)急管理的各要素，結(jié)合韌性理論分層分項(xiàng)進(jìn)行指標(biāo)細(xì)化，構(gòu)建了隧道施工應(yīng)急韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包含了4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，26個(gè)二級(jí)指標(biāo)，并且羅列了每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)要點(diǎn)，涵蓋了應(yīng)急管理的全方位、全過程，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)體有較高的可信度。運(yùn)用序關(guān)系分析法和熵權(quán)法綜合確定指標(biāo)權(quán)重。

(2)針對(duì)目前施工應(yīng)急評(píng)價(jià)忽略系統(tǒng)整體性和優(yōu)化能力的問題，本文運(yùn)用可拓云模型不僅可以對(duì)隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的韌性進(jìn)行綜合評(píng)估，而且可以將施工應(yīng)急系統(tǒng)優(yōu)化能力及系統(tǒng)的整體性表達(dá)出來，極大地提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率及可靠性。通過該模型對(duì)案例隧道進(jìn)行施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)，且根據(jù)結(jié)果分析了影響該隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性程度的主要因素及施工企業(yè)應(yīng)急能力的薄弱環(huán)節(jié)，為企業(yè)以后應(yīng)急能力提升提供參考依據(jù)。