基于風險耦合的洞室群施工安全風險云評價

鄒小華，徐 平

(1.福州大學經濟與管理學院，福建 福州 350108；2.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

在工程建設領域中，越來越多的地下水電站、抽水蓄能電站等大長隧道以洞室群的形式建成并投入使用。這些工程投資規模大、建設周期長，施工區地形、地質條件復雜，具有大跨度、空間縱橫交錯、挖空率高等特點，給施工安全保障帶來嚴峻的挑戰。因此，為減少或避免安全事故的發生，保障業主利益，有必要對洞室群施工安全風險做出客觀合理的評價。

單一的風險因素往往不具有導致安全事故發生的能量，安全事故往往都是在一系列風險因素交互耦合作用下發生的。目前，國內外學者已將風險耦合理論用于車間安全[1]、煤礦安全[2- 3]、地鐵施工[4]和洞室施工等領域。在洞室施工方面，YB Jung[5]在液化天然氣巖石洞穴開展水熱耦合建模研究，通過耦合分析得到冰環的位置和厚度，洞穴周圍的溫度分布和地下水位估計；劉會波等[6]將開挖荷載釋放與開挖擾動空間效應進行耦合計算，合理有效地模擬大型地下洞室施工開挖全過程圍巖的時效變形力學行為；薛烈[7]建立施工期動態安全信息可視化模型，實現洞室施工面貌和結構安全狀態的動態耦合可視化展示；王華寧等[8]對具有流變效應的粘彈性巖體，根據流變時效與施工效應的耦合作用，給出一種可用于計算圓形洞室半徑任意開挖并加支護后的應力、位移的方法；趙凱[9]研究了多層耦合法施工方案在不同圍巖條件下的某些具體參數以及對施工過程中圍巖穩定性的影響。

以上研究多將風險耦合理論直接應用于工程實際，在洞室施工方面，耦合研究多集中于圍巖穩定保障方面，很少涉及洞室群施工安全方面，也較少將其與其他理論及方法聯合運用，優勢不足?；诖?，本文將同風險耦合理論相結合，分析洞室群施工安全風險，并基于云理論構建施工安全風險評價模型，客觀科學的對洞室群施工安全風險水平進行評估，以期在理論上彌補既有研究在洞室群施工安全風險方面的不足，在實踐上為不同行業風險管理者提供理論指導與決策支持。

1 洞室群施工安全風險分析

1.1 洞室群施工安全風險因素識別

業主單位在洞室群施工過程中起著統籌規劃、資源調配及管理協調的重要作用，故本文從業主的角度展開洞室群施工安全風險因素識別。

洞室群施工安全風險因素來源于地下工程實際，運用系統科學的思想將人(施工人員)-機(機械設備)-環境(施工環境)-管理組成有機整體，可以對施工安全風險因素間的關聯性和層次性進行有效理清。參考前人對施工安全事故各致因權重的統計[10- 11]，并結合我國近年來地下工程事故的統計資料，對研究數據進行總結歸納，風險因素進行分解并篩選，建立洞室群施工安全風險耦合評價指標體系，如圖1所示。

圖1 洞室群施工安全風險評價指標體系

1.2 風險因素耦合作用分析

施工人員、機械設備、施工環境和施工管理都屬于洞室群施工安全風險因素，安全事故往往既可以由單獨因子內部要素耦合形成，也可以由跨因子系統彼此相互作用形成耦合作用而產生。單風險因子耦合形成事故，是指在一個風險因子系統中，各風險因素之間由于相互作用，突破制定的安全風險控制和防御措施，達到風險閾值，形成正向耦合進而產生事故，如圖2所示。

圖2 單風險因子系統耦合作用示意圖

同理，多風險因子耦合形成事故，指在施工過程中，由于多個安全風險子系統間相互作用、影響，增加了安全風險因素的危害程度，導致事故發生。如作業流程的設計不規范，在執行過程中，操作人員就可能產生不安全行為，也可能損壞設備，這就是“施工管理、施工人員和機械設備”3個子系統的耦合；還包括“施工管理和施工人員”子系統耦合、“施工人員和機械設備”子系統耦合等情形[12]。

2 施工安全風險云評價模型構建

2.1 AHP確定風險指標權重

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種應用比較成熟的決策分析方法，該方法將定性與定量相結合，且各層次結構之間的依賴性和反饋性以及遞階層次結構間具有內部循環的特征都能夠充分體現，洞室群的施工安全風險網絡狀況也能夠得到充分反映，符合洞室群施工安全風險的實際特點。因此，根據洞室群施工安全風險指標之間的耦合相關性，可用AHP計算風險指標權重系數。

根據圖1中得到的洞室群施工安全風險評價指標體系，基于風險因素耦合作用進行分析，風險評價指標體系將由2層組成。施工過程中考慮不同風險因子系統間耦合作用的為第1層次指標權重，即多風險因子耦合權重；而只考慮同一個風險因子系統中各個不同風險因素間耦合作用的為第2層次指標權重，每個風險子系統中各風險因素權重的和均為1。運用Super-Decision軟件中的AHP確定第1層次指標在施工安全風險中所占權重Wi(i=1,2,3,4)，第2層次指標在施工安全風險的權重向量Wij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5,6)。

2.2 基于云模型的施工安全風險評價方法

云模型是一種研究定性與定量相互轉換的模型。該模型既考慮概念的模糊性，也充分體現了評估的隨機性，符合洞室群施工安全風險的特征。云通常通過期望Ex、熵En和超熵He三個數字來刻畫，Ex反映云滴的重心位置，En描述云滴的模糊性和隨機性，反映云滴的離散程度[13]。本文通過專家打分法測定風險指標危害程度，并結合云模型克服專家打分的模糊性及主觀性太強問題。

2.2.1洞室群施工安全風險評語集云模型

根據業主單位對風險影響的可接受程度，構建洞室群施工安全風險評語集V={v1，v2，v3，v4}。評語集中的每一個評語標準都有一個范圍界定，即存在雙邊約束[Fmin,Fmax]，Fmin、Fmax分別表示評語取值的最小邊界和最大邊界，具體評價標準和評價值范圍見表1。云模型的三個數字特征Ex、En、He可以表示雙邊約束，其計算式如下：

(1)

式中，i—常數，根據評語本身的模糊程度進行合理的設定。

表1 風險等級表

2.2.2施工安全風險隸屬度云模型

(1)風險指標危害性評估。將洞室群施工安全風險評價指標的危害性評估分為極度嚴重、很嚴重、嚴重、不嚴重和偏輕5個級別，分別對其賦值量化。取各評估類別對應的閥值依次為9，7，5，3，1，處于2等級之間的分值依此為8，6，4，2。請洞室群施工安全風險專家對圖1中各個二級指標進行打分，得到風險指標的危害程度矩陣如下。

(2)

式中，m—風險指標數量，n—專家組人數，某一行元素指同一專家對m個指標的打分值，某一列元素指n個專家對同一指標的打分值。

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2.3綜合評價結果云模型

第2層次各風險指標的云模型得到確定后，并結合該層各指標權重便可得到第1層次風險指標的云模型，計算公式如下：

(7)

同理，利用第1層次指標權重和公式(7)便可求得綜合評價結果云模型，并同評語集云模型比對，確定洞室群施工安全風險等級。

3 案例分析

3.1 數據來源

洞室群由水電站的地下廠房、交通洞等組成，本文通過對某水電站大型地下洞室群施工來驗證上述模型的有效性。危石、塌方、地下水、巖爆等事故極易出現在該洞室群施工過程中，因此，需根據不同的地質結構裂隙和發育開展不同的施工安全措施處置，這種狀況極易影響施工人員的心理狀況，進而影響操作技能發揮和施工組織間協調管理等。由于事故發生時各風險因素耦合作用明顯，因此，確保這類洞室群施工安全風險評價在耦合作用下的合理性及科學性，對采取有效的風險管理措施具有指導意義。

3.2 風險評語集云模型

邀請有關專家評估本洞室群施工安全風險，并結合業主單位對各級風險取值的量化標準，確定四個風險等級的評估值范圍，其分別是v1[1，3)，v2[3，5)，v3[5，7)，v4[7，9]，根據公式(1)，計算各風險等級的三個數字特征值，用相應的云模型表示風險等級。計算結果分別為：

根據以上結果，繪制相應的評語集云模型，如圖3所示。

圖3 洞室群施工安全風險評語集云模型

3.3 風險指標權重確定及云模型計算

結合圖1建立的風險網絡層次結構，運用Super-Decision求解該洞室群施工安全風險因素一級指標Yi和二級指標Yij的權重如下：

Wi=(0.276,0.182,0.170,0.371)

(8)

(9)

結合圖1中建立的洞室群施工安全風險評價指標體系，該指標體系的第2層次各風險指標實際危害程度由7位風險專家進行評估打分，得到的第2層次各風險指標危害程度矩陣如下：

(10)

將式(10)中風險危害矩陣中專家打分值輸入逆向云發生器中，根據式(3)～(7)和權重(9)可得第1層次風險指標的云模型，見表2。

表2 第1層次風險指標云模型

同理，利用權重(8)對表2中第1層次風險指標隸屬度云模型進行加權平均運算，根據公式(7)，得到耦合作用下洞室群施工安全風險目標層的綜合評價結果云模型：Ex=3.270，En=0.948，He=0.261。其相應的云模型，如圖4中c所示。

3.4 計算結果分析

將綜合評價結果云模型同風險評語集云模型(v1、v2、v3、v4)相比較，可直觀看到，該洞室群地下廠房、交通洞的施工安全風險等級位于v1和v2之間，En=0.948，He=0.261，隨機性大，離散程度高，評價結果分布大致滿足標準的正態分布，充分體現風險的隨機性和離散性。由圖4可以看出，此洞室群風險波動始終未超出v1至v3的范圍，即此地下廠房、交通洞施工安全風險是有條件可接受的。運用該方法對整個地下工程進行風險評價，能得到其施工安全風險評估結果。

圖4 風險綜合評價結果云模型與評語集云模型的對比

根據對該地下廠房、交通洞等組成的洞室群施工安全風險全過程的信息追蹤和管理反饋，可以發現部分風險因素間耦合作用隱蔽、施工人員安全應急意識及應急技能提高難，作業程序設計優化突破難以及施工組織協調管理難，導致安全風險事故發生頻繁等問題。然而，業主單位在洞室施工方面已具備多年的經驗積累，對風險因素間的耦合作用也多有了解，并且，這些風險損失大都未超出可接受的范圍，也存在一些不確定性事件，而通過采取一些措施反倒不經濟，即風險處于有條件可接受等級。由此得出，該洞室群施工安

全風險評價結果基本符合實際情況，表明該評價方法具有一定的可行性和實用性。

4 結論

(1)通過歸納分析洞室群面臨的風險因素，可以發現其具有明顯的系統性和層次性。而從業主對風險進行管理的角度，可以將風險因素分為施工人員、機械設備、施工環境和施工管理4個風險類別，安全應急技能、管理結構風險等20項要素，構建了洞室群施工安全風險評價指標體系。

(2)考慮洞室群施工安全風險因素間的耦合作用，通過AHP方法確定評價指標的權重，并同云模型評估洞室群施工安全風險相結合，充分考慮風險的模糊性、隨機性和離散性，評價結果也更為真實、可靠。在實踐中，提高風險的應對效果和減少業主的風險損失。

(3)評估實例中水電站的大型地下洞室群施工安全風險，將其評價結果云模型同評語集云模型進行比對，可以直觀得到研究對象風險等級為有條件可接受，評價結果基本符合實際情況，表明該評價方法具有一定的可行性和實用性。

[1] 汪偉忠, 張國寶, 盧明銀. 多因素耦合的加工車間關鍵風險因素定量分析[J]. 中國安全生產科學技術, 2015, 11(09): 158- 164．

[2] R Sander, LD Connell. A probabilistic assessment of enhanced coal mine methane drainage(ECMM)as a fugitive emission reduction strategy for open cut coal mines [J]. International Journal of Coal Geology, 2014, 131: 288- 303．

[3] 劉全龍, 李新春. 煤礦瓦斯事故危險源分類及其耦合作用分析[J]. 中國安全生產科學技術, 2012, 8(09): 164- 168．

[4] 任振. 地鐵車站深基坑施工風險耦合模型研究[D]. 華中科技大學, 2013．

[5] JUNG YB, PARK ES, CHUNG SK, et al. Coupled hydro-thermal modeling of ice ring formation around a pilot lng cavern in rock[J]. Engineering Geology, 2011, 118(3- 4): 122- 133.

[6] 劉會波, 肖明, 趙辰, 等. 復雜地應力環境大型地下洞室圍巖時效變形機制及力學模擬[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(S2): 3565- 3574.

[7] 薛烈. 大型地下洞室群施工期動態安全信息可視化模型研究與應用[D]. 天津大學, 2014．

[8] 王華寧, 仲政. 粘彈性巖體中支護圓形洞室施工過程的解析分析[J]. 應用力學學報, 2012, 29(1): 1- 8+113.

[9] 趙凱. 大型高邊墻地下洞室施工穩定性及方案優選研究[D]. 北京交通大學, 2009．

[10] 江新, 吳園莉, 徐平, 等. 工程項目群施工風險演化的SD模型研究[J]. 中國安全科學學報, 2015, 25(06): 155- 161.

[11] 江新, 吳園莉. 水電工程項目群交叉作業風險演化機理研究[J]. 中國安全科學學報, 2015, 25(12): 157- 163.

[12] 林嘉豪, 李克武, 張兵. 基于風險耦合理論的航空裝備本質安全管理研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2011, 7(09): 75- 79.

[13] 江新, 朱沛文, 沈力. 基于ANP和云模型的水電項目群資源沖突風險評估[J]. 中國安全科學學報, 2014, 24(11): 152- 158.