基于DEMATEL-ISM的隧道施工塌方事故影響因素分析

劉桂權　彭福淋

摘 要：隧道施工塌方事故由于水文地質條件的復雜多變、施工技術難度大等問題，導致隧道施工塌方事故發生的影響因素之間的層級作用關系不清。在文獻研究和專家調查的基礎上，按照建模步驟構建DEMATEL-ISM模型，通過DEMATEL可以估計隧道施工塌方事故各影響因素的影響程度，并且ISM可以將隧道施工塌方影響因素之間的層級關系清晰展示，從而找出造成隧道施工塌方事故的直接因素、間接因素和根本因素，以及各影響因素之間的作用關系。

關鍵詞：隧道工程;塌方事故;影響因素;DEMATEL-ISM模型

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.070

0 引言

截至2019年末，全國建成運營鐵路隧道16084座，總長約18041km，全國建成運營公路隧道19067座，總長度為18966.6km。在隧道施工大規模建設的同時，礦山 [2017 ]41號文指出，2013年—2017年我國發生隧道施工事故39起，導致107人死亡，204人受傷，隧道施工安全生產問題突出。而隧道施工塌方事故是隧道施工事故類型中最為常見，張軍偉對89起隧道施工事故統計發現塌方事故占隧道事故總數的55.06%。目前雖然對于隧道施工塌方事故研究也越來越多，但對于隧道施工塌方事故影響因素的層級劃分和作用關系界定還很少。本文綜合運用決策試驗和評價實驗法（DEMATEL）與解釋結構方程模型（ISM）兩種方法，探討隧道施工塌方事故的影響因素以及因素之間關聯關系。

1 隧道施工塌方事故影響因素提取

造成隧道施工塌方事故的影響因素有很多，許多學者對隧道施工塌方事故展開了研究。翟友成（2016）認為隧道塌方風險來源于工程地質、巖體結構特性、隧道結構特性、開挖、支護等方面，運用非線性模糊評價理論評判了隧道施工整體的塌方風險;王迎超（2016）在統計分析的基礎上，篩選出隧道施工塌方主要影響因素，發現地下水以及隧道圍巖情況對塌方的影響最大;孟超（2018）綜合運用ISM和信息熵的方法對隧道塌方風險進行分析，研究表明開挖方式的選擇、地下水的發育程度、不良地質是隧道施工塌方的關鍵致因;劉燦（2020）將隧道施工塌方影響因素細分為12個，研究發現降雨量、隧道跨度、圍巖級別、隧道埋深是隧道施工塌方的關鍵因素。

結合已有的隧道施工塌方研究成果，將統計文獻中頻數大于2次的因素作為備選因素，按照風險產生的根源將隧道施工塌方影響因素分為四類，分別是人員及施工安全管理、施工質量、施工影響、水文地質因素，建立如下隧道施工塌方事故影響因素體系，如圖1。

2 隧道施工塌方事故影響因素DEMATEL-ISM模型構建

綜合運用DEMATEL和ISM兩種研究方法可以得到系統因素之間影響程度以及系統內部層次結構。

按照以下步驟構建模型：

（1）確定隧道施工塌方事故的影響因素，對隧道施工塌方事故影響因素進行編號，表示為xii=1，2，3…。

（2）根據專家意見，建立直接影響矩陣X=aijn×n，在直接影響矩陣X中，aij表示的是隧道施工塌方影響因素之間影響的強弱程度，其取值分為0、1、2、3，aij=3xixj對xjxi有高影響2xixj對xjxi有中影響1xixj對xjxi有低影響0xixj對xjxi無影響。

（3）規范化矩陣W是由矩陣X按照如下計算式計算得到：

W=1max1SymbolcB@iSymbolcB@n∑nj=1xijX。

（4）對矩陣W進行如下運算：B=liml→SymboleB@（W+W2+…+Wl）=W（I-W）-1，得到矩陣B即綜合影響矩陣B=bijn×n，綜合影響矩陣B可以反映隧道施工塌方影響之前的作用關系，以及影響程度的大小。

（5）得到綜合影響矩陣B之后，就可以進一步對隧道施工塌方影響因素之前的關系進行分析。對于影響度D可以按下式進行計算：

Di=∑nj=1cij（i=1，2，…，n）

對于被影響度F可以按下式進行計算：

Fi=∑nj=1cji（i=1，2，…，n）

（6）由綜合影響矩陣與單位矩陣之間的關系，可以計算得到可達矩陣M=mijnxn。

（7）在可達矩陣的基礎上，對隧道施工塌方事故影響因素進行層級劃分。

3 塌方事故影響因素結構分析

3.1 DEMATEL-ISM模型應用

按照上述建模步驟，根據專家經驗，對隧道施工塌方事故影響因素進行量化，得到隧道施工塌方事故影響的直接影響矩陣X。在此基礎上由步驟4～5得到隧道施工塌方事故各因素影響程度，如表1。

由步驟（6）～（7）進行層級劃分，可將隧道施工塌方事故影響因素劃分為5個層級，如圖2所示。

3.2 結果分析

應用DEMATEL-ISM模型得到主要結論如下：

（1）隧道施工塌方事故影響因素間呈分層作用關系。由圖2可知隧道施工塌方事故影響因素分為五個層級。①第一級包括屬于施工影響維度即隧道施工過程中這些因素使得施工擾動過大，稱為直接影響因素;②第二級和第三級因素反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工質量差，是間接影響因素;③第四級和第五級反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工準備不足，是影響隧道施工進度的根本因素。

（2）層次結構表明，隧道施工塌方事故影響因素之間遵循著以下因果路徑關系：隧道施工準備不充分→隧道施工質量差→隧道施工影響大→隧道施工塌方事故，而管理因素伴隨整個施工過程。

4 結語

本文運用DEMATEL-ISM對隧道施工塌方事故影響因素進行分析，明確了隧道施工塌方事故影響因素之間的影響關系，包括影響程度以及致因路徑，為隧道施工塌方研究提供參考。在隧道實際施工過程中還應注意以下兩點：（1）做好隧道施工監控量測，動態監測隧道施工過程中地質變化，加強隧道施工現場的安全管理和安全檢查;（2）從塌方事故的致因路徑進行防控。

參考文獻

[1]2019年交通運輸行業發展統計公報 [J ].交通財會，2020，（06）：86-91.

[2 ]國家安全生產應急救援指揮中心就近期隧道施工事故及救援情況發出警示通報 [J ].中國應急管理，2017，（10）：42.

[3 ]張軍偉，陳云堯，陳拓，等.2006—2016年我國隧道施工事故發生規律與特征分析 [J ].現代隧道技術，2018，55（03）：10-17.

[4 ]翟友成，胡云世，廖小輝，等.基于熵權的隧道塌方風險非線性模糊評判方法 [J ].安全與環境學報，2016，16（05）：41-45.

[5 ]王迎超，李亞博，喬偉，等.基于層次分析法的隧道塌方影響因素的定量評估研究 [J ].科技通報，2016，32（05）：180-186.

[6 ]孟超，李曉萌，孫玉嶺，等.基于ISM和信息熵的鐵路隧道塌方風險分析 [J ].中國安全科學學報，2018，28（S1）：64-70.

[7 ]劉燦，鄭邦友，李政，等.基于熵權-改進灰色關聯模型的公路隧道塌方風險評估 [J ].科學技術與工程，2020，20（15）：6292-6297.