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(lái)在盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性和模糊性常被忽視，評(píng)價(jià)結(jié)果沒有比對(duì)，無(wú)法確定重要因素，因此為解決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程的不確定性，提出基于熵權(quán)-集對(duì)分析-云模型的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型。首先，通過梳理文獻(xiàn)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;其次，采用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，基于集對(duì)分析理論對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行初步判定;最后，基于云理論整合專家評(píng)價(jià)的隨機(jī)性和模糊性，構(gòu)建盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)云模型，并用云模型評(píng)估施工安全風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)，將風(fēng)險(xiǎn)因素與初步判定結(jié)果進(jìn)行比對(duì)得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。以某水資源配置工程為例，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)模型是有效可行的。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;熵權(quán)法;集對(duì)分析;云模型;施工安全;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TV523?文獻(xiàn)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(zhǎng)度占據(jù)地下隧道線路施工總長(zhǎng)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(zhǎng)，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(xiǎn)等級(jí)，有針對(duì)性地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行控制，是隧道工程安全管理領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”是我國(guó)安全生產(chǎn)的原則，施工安全是保證項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在盾構(gòu)隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)對(duì)成本的影響。榮雅楠[4]總結(jié)了中國(guó)近五年來(lái)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(xiǎn)的誘因及相關(guān)機(jī)理。Einstein[5]從風(fēng)險(xiǎn)管理角度對(duì)海底盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行了歸納。Tonon等[6]對(duì)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)決策問題進(jìn)行了研究。在對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)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(xiǎn)相關(guān)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合案例開展評(píng)價(jià)研究[7-10]。從以往的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)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(duì)象，研究范圍不全面，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)因子的隨機(jī)性和模糊性的處理尚有不足，評(píng)價(jià)過程無(wú)法克服主觀影響，評(píng)價(jià)結(jié)果缺少比對(duì)，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(píng)價(jià)中主觀性影響，明確各施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素的等級(jí)，本文采用熵權(quán)-集對(duì)分析-云模型方法，將風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性與模糊性通過正態(tài)云集合，并直觀顯示評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合某重大水資源配置工程的實(shí)施案例，對(duì)盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)判，使其結(jié)果更為全面、真實(shí)、有效。

1?評(píng)價(jià)方法

1.1?熵權(quán)法

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

1.2?集對(duì)分析理論

集對(duì)分析理論在解決具體問題的兩集合X、Y構(gòu)成的集對(duì)H中，存在N個(gè)特性，在其中有S個(gè)特性屬于X和Y共有、P個(gè)屬于X和Y對(duì)立，余下的F個(gè)為不對(duì)立也不共有[12]，故基于兩集合X和Y的集對(duì)H的聯(lián)系μ計(jì)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(duì)應(yīng)的盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)則是所求的評(píng)價(jià)等級(jí)[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(jī)性和模糊性[14]。云模型參數(shù)（Ex，En，He）取值是對(duì)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(jì)算公式為

1.4?綜合評(píng)判流程

首先，利用專家評(píng)分獲取評(píng)價(jià)值，利用熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重;然后，基于集對(duì)分析理論計(jì)算聯(lián)系度并進(jìn)行評(píng)判，得到判定結(jié)果;最后，基于云模型理論方法，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并以云圖方式直觀展現(xiàn)評(píng)判結(jié)果，對(duì)比兩個(gè)評(píng)判結(jié)果得到最終評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)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(zhǎng)、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(diǎn)，因此盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚未完備。通過對(duì)盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的文獻(xiàn)所構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型可以歸類在5M1E（人員、工法、管理、環(huán)境、機(jī)械和材料）體系下。因此，本文基于5M1E體系構(gòu)建一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中機(jī)械和材料可歸類于物，通過梳理文獻(xiàn)、查閱風(fēng)險(xiǎn)管理評(píng)估體系，對(duì)盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行收集、整理并最終總結(jié)細(xì)分出26項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)[3，7，9，15-23]，以此建立盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，把施工安全風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級(jí)，令評(píng)分區(qū)間為[0，10]，盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)見表2。

將評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)正態(tài)云模型計(jì)算公式進(jìn)行云化[24]，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)云參數(shù)，見表3。

對(duì)盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中相對(duì)獨(dú)立的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用式（15）浮動(dòng)云算法集結(jié)計(jì)算云參數(shù);對(duì)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的一級(jí)指標(biāo)采用式（16）集結(jié)計(jì)算云參數(shù)[24]。

根據(jù)式（17）計(jì)算盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型相似度。相似度λi最大值對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為實(shí)際問題的評(píng)價(jià)結(jié)果。

式中：EX代表標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云模型期望值;Ex代表盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型期望。

利用Python軟件繪制盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(zhǎng)113 km，年設(shè)計(jì)供水量達(dá)到17億m3，總投資約350億元，建設(shè)總工期計(jì)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(yàn)新工藝、新方法，項(xiàng)目開展試驗(yàn)段施工，現(xiàn)已局部貫通。為對(duì)項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，邀請(qǐng)參與項(xiàng)目的5名專家，根據(jù)表2進(jìn)行打分，得到指標(biāo)評(píng)分分值（分值越高風(fēng)險(xiǎn)越大）。

3.1?熵權(quán)-集對(duì)分析安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判

根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重。以人員風(fēng)險(xiǎn)為例，計(jì)算專家評(píng)分均值，按表2的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單指標(biāo)初步判斷，見表4。

根據(jù)專家評(píng)分表，得到人員風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣X1（為方便計(jì)算，對(duì)原始矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置）為

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

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

計(jì)算得到該水資源配置項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則層指標(biāo)最大聯(lián)系度人員風(fēng)險(xiǎn)I1為0.22、物的風(fēng)險(xiǎn)I2為0.15、管理風(fēng)險(xiǎn)I3為0.15、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)I4為0.14、工法風(fēng)險(xiǎn)I5為0.16，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為R3中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、R2較低風(fēng)險(xiǎn)、R3中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、R3中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、R2較低風(fēng)險(xiǎn)。從結(jié)果上看，人員風(fēng)險(xiǎn)較高，而物的風(fēng)險(xiǎn)和工法風(fēng)險(xiǎn)較低，這與該項(xiàng)目試驗(yàn)段盾構(gòu)隧道實(shí)施過程風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生情況相符。

3.2?基于云模型的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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

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

根據(jù)式（16），采用相關(guān)算法集結(jié)一級(jí)指標(biāo)計(jì)算該盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)的云參數(shù)，為（4.6，1.04，0.5），繪制的該項(xiàng)目盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)總評(píng)價(jià)云圖見圖8。根據(jù)式（17）計(jì)算相似度為0.43最大，則根據(jù)相似度判斷該項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)為中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

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

從圖8可以看出，該盾構(gòu)隧道項(xiàng)目的施工安全風(fēng)險(xiǎn)為較低風(fēng)險(xiǎn)至中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)之間，施工安全風(fēng)險(xiǎn)與較低風(fēng)險(xiǎn)交叉點(diǎn)確定度位于0.6以下，與較高風(fēng)險(xiǎn)交叉點(diǎn)確定度位于0.2以下，而最大相似度落在中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間內(nèi)，故可以判定該項(xiàng)目的施工安全風(fēng)險(xiǎn)為中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

4?結(jié)?語(yǔ)

利用集對(duì)分析對(duì)一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定，然后基于云模型得到其評(píng)價(jià)結(jié)果，并用云圖直觀顯示各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合兩種方法互相印證使評(píng)價(jià)結(jié)果更為真實(shí)有效，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)拓寬了思路。運(yùn)用熵權(quán)-集對(duì)分析-云模型方法，對(duì)某水資源配置工程案例進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出該項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)為中級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際施工情況相符，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是可行的。

本文的指標(biāo)體系根據(jù)文獻(xiàn)梳理總結(jié)得出，并按5M1E進(jìn)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(shí)際的指標(biāo)體系仍需深入調(diào)研。

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【責(zé)任編輯?張華巖】