隧道施工應急系統韌性評價

趙映瓔，馬維珍，溫海燕

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國社會經濟技術的高速發展，交通網的完整化建設，大量的鐵路和公路向西北部山區高原延伸，隧道工程項目大幅度增加。和其他工程類項目相比，隧道施工作業地點隱蔽、施工技術復雜、地質條件難以準確預見、施工環境艱苦[1]，這些因素不僅提升了施工難度，還增加了施工的風險， 提高隧道施工應急管理水平，建立可操作性強且符合施工實際的應急管理體系，是我國交通建設，人民安全保障的必要研究課題。國家安全生產管理總局于2017年12月11日在北京召開隧道施工事故應急救援專題研討會。會議中指出，最近幾年，我國的隧道應急救援隊伍已經基本建成，應急救援體系還在不斷完善中，應急救援能力已經有了質的提升[2]。但到目前為止，我國對施工應急系統評價還處于起步階段，存在評價意識淡薄，評價目標不明確，評價標準不統一等問題。

為響應國家綠色施工，保證安全文明施工，國內許多專家學者對工程施工應急能力進行評價研究，其中江新[3]等結合灰色聚類分析對水電工程應急管理能力的脆弱性進行評價；柯超[4]等運用突變級數法和多目標線性加權函數評價了土石圍堰施工應急能力的成熟度；李彥玲[5]基于模糊矩陣及集對分析法評價地鐵施工的應急能力。上述文獻的評價研究都比較重視應急評價的模糊性，而忽視了應急系統的整體性；都是對應急能力和應急預案的評價研究，忽視了系統的演化過程和優化能力。目前，韌性是系統研究的熱點，利用韌性理論能很好地綜合分析系統防御能力和優化能力，近年來被廣泛應用于風險災害領域。例如Reed等[6]基于系統韌性建立模型，對電力系統發生災害事故后的恢復、投入、產出進行了評估；Makana[7]應用可持續理論和韌性理論對城市地下空間安全韌性進行評價。Labaka等[8]從組織、技術、社會和經濟四個維度分析研究公共領域基礎設施的安全韌性；Shirall等[9]根據安全管理特征評估了城市能源系統的韌性。本文將韌性理論引入隧道施工應急系統中，結合模糊性和系統性，通過可拓云模型評價隧道施工應急系統。構建了隧道施工應急評價指標體系，為不同的管理主體進行施工應急系統評價提供依據，通過對評價結果分析可以確定施工應急能力主要影響因素，同時查找企業隧道施工應急系統的薄弱環節，為其優化自身應急能力提供方向。

1 隧道施工應急系統韌性分析

系統韌性是指在已知和未知風險的沖擊下，系統維持、吸收、應對風險并恢復到穩定狀態的能力，并且系統在此過程中學習總結經驗教訓，提高各項能力，優化自身[10]。本文參考城市安全韌性[11]以及系統安全韌性[12]方面研究成果，基于系統韌性對隧道施工應急系統的評價，其實質是結合隧道施工特點對其應急系統應對突發事件時維持、吸收、恢復和優化四個動態演化過程的評價。通過四個階段循環，使得隧道施工應急系統不斷優化，結合韌性曲線，總結了應急系統韌性比較常見的幾種表現形式如圖1所示。以時間作為橫軸，以系統功能水平為縱軸，顯示各系統功能水平隨時間的變化情況，進而定義系統韌性水平。表1是對圖1各曲線形式的簡單描述。

圖1 應急系統韌性曲線對比

表1 應急系統韌性曲線對比描述

2 隧道施工應急系統韌性評價指標體系

本文隧道施工應急系統評價是從預防與準備、檢測與預警、處理與援救、恢復與重建等四個過程，對施工應急系統的綜合評價。從韌性理論角度出發，可以將應急系統韌性評價簡化為對系統承受能力、吸收能力、恢復能力和優化能力的評價。

通過大量的應急管理文獻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、施工設備、施工材料、施工方案及施工環境等六大施工組成中，本著科學性、獨立性、全面性和層次性的原則，整理出影響應急能力的37個因素，參考《生產安全事故應急預案管理辦法》和《城市軌道交通建設工程質量安全事故應急預案管理》等相關規范，經過專家訪談，刪除對應急能力影響較弱的因素，最終確定了26個影響施工企業應急能力的主要因素作為隧道施工應急系統韌性評價指標。根據各因素影響突發事件時間先后和在應急系統中的作用，將指標分為四個階段，以此形成了隧道施工應急系統韌性評價指標體系。通過分析隧道施工工序和應急管理內容總結各指標評價要點，如表2所示。

表2 隧道施工應急系統韌性評價指標體系及評價要點

此隧道施工應急系統韌性評價指標體系涵蓋隧道施工中管理團隊的指揮協調、施工人員的教育演習、施工機械設備的性能、風險識別評估、應急預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急系統，評價其應急能力水平，評價結果可信度高。

3 隧道施工應急系統韌性評價模型

3.1 可拓云模型

可拓理論是將物元理論的觀點融入可拓學中建立物元模型R=(N,C,V)，其中N為事物名稱，C為事物特征，V為事物特征對應的值，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等數字特征來表述一個定性的概念[14]。

由于隧道施工應急評價各指標影響因素的多樣性，指標評價等級均是模糊的定性區間。將云模型在處理模糊性和隨機性的優勢引入物元分析中，對物元結構重新構造，應用可拓云模型進行評價，結合可拓學中一般物元分析方法，對隧道應急系統各階段進行描述分析，保留了可拓物元法的評價思路，利用云模型取代事物特征值V，能充分體現應急指標評價過程中采集數據樣本的隨機性和指標區間范圍的模糊性。

可拓云模型表示形式為：

(1)

式中：m為指標數量；Rj為待評價對象N屬于第j個等級所對應的評價指標和規定的標準量值范圍構成的經典域；N為評價對象韌性等級；Ci為評價指標；Vj為評指標Ci對應等級j的標準量值范圍；αji，βji分別為指標ci在等級j的上下限；(Exji,Enji,He)為區間vji對應的云參數(Exji=(αji+βji)/2；Enji=(αji-βji)/6；令He=0.1)。

(1)首先將應急系統韌性評價中的二級評價指標作為云滴，以Ex為期望，He為標準差生成正態隨機數En′，再利用式(2)計算云滴相對應各個評價等級的隸屬度k。

(2)

利用MATLAB軟件編程重復上述計算過程200次，取結果的中位數作為二級評價指標的最終隸屬度K：

(3)

式中：kij為第i個評價指標在評價等級j中的隸屬度。

(2)一級指標隸屬度KB：

KB=WK

(4)

式中：W為二級指標權重。

(3)目標層隸屬度KA：

KA=WBKB

(5)

式中：WB為一級指標權重。

(4)在KA中如果ki=maxi=1,2,…,nki，由最大隸屬度原則，得評價對象所屬等級為i。記i′為隧道施工應急系統韌性的級別變量特征值，即隸屬某韌性級別的程度，可由式(6)(7)求得i′。

(6)

(7)

3.2 指標權重確定方法

在確定評價指標權重時，由于韌性是較為主觀的概念，所以選擇序關系法確定評價指標的主觀權重，且序關系法可以很好地將表2中各指標相互獨立、層次分明的特點表達出來，為了消除序關系法主觀性太強的缺點，引入熵權法確定各評價指標的客觀權重，將二者權重加權平均作為指標的最終權重。

(1)序關系分析法

若待測對象有m個評價指標S={s1,s2,…,sm}，依據各指標對評價結果影響程度對S進行重新排序，記為S′={s′1,s′2,…,s′m}，其指標關系為：

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個指標和第k個指標重要程度的比值；w′k為指標s′k的權重。

根據式(10)可計算出對評價結果影響最小指標s′m的權重值，根據式(9)依次計算出各指標的權重值。并將計算所得S′中的各指標權重，根據原來次序賦予S，可得到指標集合{s1,s2,…,sm}對應的權重W1={w11,w12,…,w1m}。

(1)熵權法

若待評價對象有m個待評價指標，有n位專家對其進行評價，令第i位專家對第j個評價指標的評價值為cij，得到判斷矩陣C=(cij)n×m。

令評價指標j的熵值為Hj：

(11)

(12)

式中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

最后可計算指標j的權重wj：

(13)

所有評價指標的權重W2={w21,w22,…,w2m}。

(2)綜合權重

用加法集成確定最終指標所占權重：

(14)

4 實例研究

本文以四川省某隧道為例，隧道全長9390 m，最大埋深700 m，線路縱坡呈1.19%單面下坡，洞身穿越4條富水斷層帶，整個隧道地質構造比較復雜，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。正洞設計有二級圍巖2875 m，三級圍巖4625 m，四級圍巖98 m，五級圍巖910 m。

邀請應急管理專家7名，本工程管理者3名，對此項目應急系統韌性評價的26個指標的重要程度評價并結合工程實際對項目各指標評分，其中指標施工材料合格率S4和安全防護用品配置率S5由施工單位提供。評價過程如下。

4.1 界定標準云

本實例通過對已有文獻的研究，結合專家意見，參照韌性等級劃分將各指標水平劃分為高、中、低三個等級，各等級區間Vj根據指標的屬性和隧道環境綜合分析確定。由區間vji根據式(1)確定各指標云參數，如表3所示。以指標S1為例，用MATLAB繪制標準云狀態圖，如圖2所示。

表3 評價指標等級界限云模型

圖2 指標S1韌性等級評價標準云圖

4.2 確定權重

由專家評定得R={r′2,r′3,…,r′25}并根據式(9)(10)計算權重W1；再結合評分結果得矩陣C并根據式(11)～(13)得權重W2，最終求得綜合權重W如表4所示。

表4 二級評價指標評分、隸屬度及綜合權重

4.3 計算隸屬度

匯總專家對各指標評分求平均值作為二級指標評分值(表4)，代入表3的標準云中，運用MATLAB編程多次計算整合得本項目二級指標隸屬度K(表4)。根據式(4)計算一級指標隸屬度KA并匯總WB結果如表5所示。

表5 一級評價指標隸屬度及權重

4.4 韌性等級劃分

根據式(5)計算目標層KA={0.0093,0.1027,0.0017}。根據最大隸屬度原則，該項目施工應急系統的承受能力、恢復能力及優化能力都屬于中等水平，而吸收能力屬于高等水平。應急系統韌性級別i為中韌性，由式(6)(7)計算得韌性等級特征值i′=1.9264。

4.5 評價結果分析

經過計算得出該隧道項目應急系統韌性屬于中等，應急管理能力還有待提高，尤其系統的承受能力、恢復能力和優化能力。根據各級指標權重分析得，對該項目應急系統韌性結果影響最大的是系統對風險事故的承受能力。根據各評價指標韌性所屬等級可得：施工環境、風險源評估、現場搶險救援及應急搶險知識培訓與演練等四項是該項目施工應急能力表現中最薄弱環節，有針對性地制定措施整改，是提升該企業隧道施工中應急能力較為有效的方法。

5 結 語

(1)由于隧道施工應急系統構成復雜，本文綜合隧道施工應急管理的各要素，結合韌性理論分層分項進行指標細化，構建了隧道施工應急韌性評價指標體系，包含了4個一級指標，26個二級指標，并且羅列了每個指標的評價要點，涵蓋了應急管理的全方位、全過程，使得評價指標體有較高的可信度。運用序關系分析法和熵權法綜合確定指標權重。

(2)針對目前施工應急評價忽略系統整體性和優化能力的問題，本文運用可拓云模型不僅可以對隧道施工應急系統的韌性進行綜合評估，而且可以將施工應急系統優化能力及系統的整體性表達出來，極大地提高了評價結果的準確率及可靠性。通過該模型對案例隧道進行施工應急系統韌性評價，且根據結果分析了影響該隧道施工應急系統韌性程度的主要因素及施工企業應急能力的薄弱環節，為企業以后應急能力提升提供參考依據。