水工盾構隧道施工安全風險綜合評價與判定

汪倫焰 王若騰 趙榮生

摘?要：隨著地下空間的開發利用，盾構法成為隧道工程施工的主流。近年來在盾構隧道風險評價中，風險的隨機性和模糊性常被忽視，評價結果沒有比對，無法確定重要因素，因此為解決風險評估過程的不確定性，提出基于熵權-集對分析-云模型的盾構隧道施工安全風險綜合評價模型。首先，通過梳理文獻構建評價指標體系;其次，采用熵權法計算指標權重，基于集對分析理論對風險因素進行初步判定;最后，基于云理論整合專家評價的隨機性和模糊性，構建盾構隧道施工安全風險云模型，并用云模型評估施工安全風險的等級，將風險因素與初步判定結果進行比對得到最終評價結果。以某水資源配置工程為例，驗證了該評價模型是有效可行的。

關鍵詞：盾構隧道;熵權法;集對分析;云模型;施工安全;風險評價

中圖分類號：TV523?文獻標志碼：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

盾構法作為隧道工程的主要施工方法

應用廣泛，以該方法施工的隧道線路長度占據地下隧道線路施工總長度的50%以上[1]。盾構隧道施工線路多處于人口稠密、環境復雜的城市地區，安全事故屢見不鮮。隧道工程投資大、建設周期長，施工技術要求高、地質條件不確定性大，給盾構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、準確直觀地確定施工安全風險等級，有針對性地對風險因素進行控制，是隧道工程安全管理領域的研究重點。

“安全第一，預防為主，綜合治理”是我國安全生產的原則，施工安全是保證項目目標實現的關鍵[2]。近年來，國內外學者在盾構隧道工程施工安全風險研究方面取得了一系列成果。鄭俊杰等[3]基于故障樹理論，分析研究了施工風險對成本的影響。榮雅楠[4]總結了中國近五年來發生的盾構施工安全事故案例，分析了盾構隧道施工風險的誘因及相關機理。Einstein[5]從風險管理角度對海底盾構隧道施工風險影響因素進行了歸納。Tonon等[6]對盾構隧道施工風險決策問題進行了研究。在對施工風險因素識別的基礎上，部分學者基于模糊相關理論構建施工風險相關評價模型，結合案例開展評價研究[7-10]。從以往的盾構隧道施工安全風險相關文獻來看，大多數研究是以地鐵軌道的盾構隧道工程為研究對象，研究范圍不全面，對于風險因子的隨機性和模糊性的處理尚有不足，評價過程無法克服主觀影響，評價結果缺少比對，難以確定重要的影響因素，更沒有直觀展現。

鑒于此，為消除評價中主觀性影響，明確各施工安全風險因素的等級，本文采用熵權-集對分析-云模型方法，將風險的隨機性與模糊性通過正態云集合，并直觀顯示評價結果，結合某重大水資源配置工程的實施案例，對盾構隧道施工安全風險進行系統評判，使其結果更為全面、真實、有效。

1?評價方法

1.1?熵權法

熵權法是基于信息熵客觀計算權重的方法。借助熵權法來確定指標權重，可使評價結果克服主觀性[11]，具體流程如下。

1.2?集對分析理論

集對分析理論在解決具體問題的兩集合X、Y構成的集對H中，存在N個特性，在其中有S個特性屬于X和Y共有、P個屬于X和Y對立，余下的F個為不對立也不共有[12]，故基于兩集合X和Y的集對H的聯系μ計算公式為

本文把bI展開得到：

由式（14）確定的總聯系度最大值所對應的盾構施工安全風險評價等級則是所求的評價等級[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學工具，可以較好地反映不確定事物的隨機性和模糊性[14]。云模型參數（Ex，En，He）取值是對事物定性、體現其不確定性和模糊性的關鍵，Ex為期望、En為熵、He為超熵，計算公式為

1.4?綜合評判流程

首先，利用專家評分獲取評價值，利用熵權法確定各評價指標權重;然后，基于集對分析理論計算聯系度并進行評判，得到判定結果;最后，基于云模型理論方法，進行風險評價，并以云圖方式直觀展現評判結果，對比兩個評判結果得到最終評價結果。具體流程見圖1。

2?構建盾構隧道施工安全風險評價云模型

由于盾構隧道工程多數為城市地鐵工程，水利工程中應用較少，且盾構隧道工程具有建設周期長、工程投資大、利益相關方眾多且工程所在地周邊環境多變等特點，因此盾構隧道施工風險影響因素復雜眾多，目前盾構隧道工程施工安全風險的評價指標體系尚未完備。通過對盾構隧道施工安全風險相關文獻進行整理分析后發現，現有的文獻所構建的評價模型可以歸類在5M1E（人員、工法、管理、環境、機械和材料）體系下。因此，本文基于5M1E體系構建一級評價指標，其中機械和材料可歸類于物，通過梳理文獻、查閱風險管理評估體系，對盾構隧道施工安全風險相關指標進行收集、整理并最終總結細分出26項二級指標[3，7，9，15-23]，以此建立盾構隧道施工安全風險評價指標體系，見表1。

根據風險管理風險評估技術，把施工安全風險劃分為5個等級，令評分區間為[0，10]，盾構隧道施工安全風險分級見表2。

將評價指標依據正態云模型計算公式進行云化[24]，計算風險等級云參數，見表3。

對盾構隧道施工安全風險評價指標體系中相對獨立的二級評價指標采用式（15）浮動云算法集結計算云參數;對關聯性較強的一級指標采用式（16）集結計算云參數[24]。

根據式（17）計算盾構隧道施工安全風險評價云模型與標準評價云模型相似度。相似度λi最大值對應的風險等級即為實際問題的評價結果。

式中：EX代表標準評價云模型期望值;Ex代表盾構隧道施工安全風險評價云模型期望。

利用Python軟件繪制盾構隧道施工安全風險評價指標標準云圖，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113 km，年設計供水量達到17億m3，總投資約350億元，建設總工期計劃為5 a。全線采用深埋盾構施工方式，工程所在地區水文地質情況復雜多變。為試驗新工藝、新方法，項目開展試驗段施工，現已局部貫通。為對項目施工安全風險進行客觀評價，邀請參與項目的5名專家，根據表2進行打分，得到指標評分分值（分值越高風險越大）。

3.1?熵權-集對分析安全風險評判

根據熵權法計算權重。以人員風險為例，計算專家評分均值，按表2的風險分級標準進行單指標初步判斷，見表4。

根據專家評分表，得到人員風險判斷矩陣X1（為方便計算，對原始矩陣進行轉置）為

根據式（8）～式（12）得到指標與各風險等級的聯系度，見表5。

物、管理、環境和工法風險的計算方法和過程與人員風險的一致。根據式（4）、式（5）計算各級指標權重，結果見表6;計算指標聯系度，結果見表7。

計算得到該水資源配置項目的盾構隧道施工安全風險準則層指標最大聯系度人員風險I1為0.22、物的風險I2為0.15、管理風險I3為0.15、環境風險I4為0.14、工法風險I5為0.16，其對應的風險等級為R3中級風險、R2較低風險、R3中級風險、R3中級風險、R2較低風險。從結果上看，人員風險較高，而物的風險和工法風險較低，這與該項目試驗段盾構隧道實施過程風險發生情況相符。

3.2?基于云模型的施工安全風險評價

根據云模型理論，利用MATLAB逆向發生器計算出二級指標的云模型參數，見表8。

根據式（16），集結低級指標計算一級指標的云模型參數，見表9。根據一級指標云模型參數繪制該項目盾構隧道施工安全風險云圖，見圖3～圖7。

根據式（16），采用相關算法集結一級指標計算該盾構隧道項目施工安全風險的云參數，為（4.6，1.04，0.5），繪制的該項目盾構隧道施工風險總評價云圖見圖8。根據式（17）計算相似度為0.43最大，則根據相似度判斷該項目的盾構隧道施工風險為中級風險。

從圖3～圖7可看出，人員等5個風險因素主要分布在較低風險至中級風險區間內，其中人員風險云圖與較低風險和較高風險的交叉點確定度均位于0.4以下，且相似度極值落在中級風險區間內，與集對分析判定結果一致，可以確定為中級風險;物的風險云圖與低風險交叉點確定度位于0.2以下，與中級風險交叉部位確定度位于0.6以下，相似度極值落在較低風險區間內，與集對分析判定結果一致，可以確定為較低風險，但偏向于中級風險;管理風險云圖與較低風險交叉點確定度位于0.6以下，與較高風險交叉部位確定度位于0.2以下，相似度極值落在中級風險區間內，與集對分析判定結果一致，可以確定為中級風險;工法風險云圖與低風險交叉點確定度位于0.4以下，與中級風險交叉部位確定度位于0.6以下，相似度極值落在較低風險區間內但靠近中級風險，與集對分析判定結果一致，可以確定為較低風險;環境風險云圖與較低風險交叉點確定度位于0.3以下，與較高風險交叉點確定度位于0.7以下，相似度極值落在中級風險區間內，與集對分析判定結果一致，可以確定為中級風險，但靠近較高風險，必要時應采取措施控制風險。綜上所述，該項目環境風險對施工安全影響最大。

從圖8可以看出，該盾構隧道項目的施工安全風險為較低風險至中級風險之間，施工安全風險與較低風險交叉點確定度位于0.6以下，與較高風險交叉點確定度位于0.2以下，而最大相似度落在中級風險區間內，故可以判定該項目的施工安全風險為中級風險。

4?結?語

利用集對分析對一級指標風險等級進行判定，然后基于云模型得到其評價結果，并用云圖直觀顯示各個風險指標的評價結果，結合兩種方法互相印證使評價結果更為真實有效，為風險評價拓寬了思路。運用熵權-集對分析-云模型方法，對某水資源配置工程案例進行評價，得出該項目施工安全風險為中級風險，與實際施工情況相符，驗證了該評價模型應用于盾構隧道施工安全風險評價是可行的。

本文的指標體系根據文獻梳理總結得出，并按5M1E進行歸類，雖較為全面，但依然存在不完備之處，因此更加貼近實際的指標體系仍需深入調研。

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【責任編輯?張華巖】