濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的系統動力學分析*

韋海民 王旭 賀廣學

(1.西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710011)

0 引言

地鐵盾構施工過程中往往面臨地質條件較差、地下管線復雜、鄰近建(構)筑物妨礙等諸多風險，且各風險因素之間相互影響、作用機理復雜。我國西北地區的土質多屬于濕陷性黃土，土質具有水敏性、結構性、欠壓密性等特點，因此在此區域施工存在區別于在其他普通地質條件下施工的安全風險，更易引發安全事故。于海瑩等[1]對我國近年來發生的多起地鐵施工安全事故進行了統計分析，結果表明盾構法是導致安全事故多發的工法。因此，研究地鐵盾構施工風險對于加強地鐵施工安全管理具有重要意義。

國內外很多學者對地鐵施工階段的安全問題展開了研究。Wu等[2]通過三維數字模擬分析了多種因素對隧道穩定性的影響，提出了基于FAHP-灰色關聯度-理想解法的隧道穩定性評價模型，為保障隧道安全施工提供了一種新方法。Hyun等[3]通過對有經驗的盾構設備施工人員進行訪談調查并收集施工過程中潛在的風險因素，將風險因素分為環境、設計、技術和管理4類，考慮風險的概率及影響，結合故障樹分析法和層次分析法，通過某地鐵施工項目實例驗證了該模型的可行性。劉尚各等[4]針對公路隧道建立了風險指標體系，以熵權理論結合云模型理論建立施工風險評價的改進云模型，與常規方法的評價結果一致，豐富了施工風險評價的方法理論。江新等[5]結合SD和BP神經網絡與MIV算法，構建了地鐵隧道施工風險的系統動力學模型，并對某地鐵項目進行了評價。柴國榮等[6]基于施工進度的角度，構建了地鐵施工項目安全評估的SD模型，通過對影響進度的三個關鍵因素進行調整，提出了減少施工安全事故發生的有效方式。楊寶懷等[7]將肯特指數法應用于地鐵施工風險評估，通過對其進行改進構建風險評估模型，并以北京地鐵某標段項目為例驗證了該模型具有較強的指導性。

目前，學者們大多把地鐵施工風險看作靜止狀態，在進行風險評價時忽略了各風險因素之間的相互影響，對地鐵施工安全缺乏系統性的研究，較少關注各風險因素之間的層次性和相關性。特別是在地質條件復雜或施工周期較長的情況下，難以對施工風險進行動態反饋分析。基于此，本文結合特殊的地質條件，在構建濕陷性黃土地區地鐵施工安全風險因素指標體系的基礎上，選用Vensim PLE軟件構建系統動力學模型，確定風險因素的因果回路圖，梳理出影響地鐵施工階段的主要風險因素，并提出應對策略，為該地區地鐵施工危險事故預防提供參考。

1 濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險因素分析

工程項目施工風險管理一般包括施工準備階段的風險管理和施工過程中的風險管理[8]，本文主要分析地鐵盾構施工過程中的風險。

1.1 風險因素識別

風險識別方法一般包括文獻分析法和實踐經驗法[8]，以下從理論研究、文獻研究、案例研究三個層面結合濕陷性黃土的特有性質對風險進行識別。

(1)理論研究。海因里希于1931年提出了“事故因果連鎖理論”[9]，認為人的不安全行為、物的不安全狀態僅是事故發生的前提。博得的“現代事故因果連鎖論”指出，物的不安全狀態、人的不安全行為僅是表層次的原因，其根本原因是管理不當。

(2)文獻研究。楊仙等[10-12]將地鐵盾構施工風險劃分為地質條件、鄰近建(構)筑物、施工設備、施工技術、施工質量、不可抗力因素、勘察設計、施工人員的操作經驗及身心素質、地下水位等。

1.2 風險因素分類

《生產過程危險和有害因素分類與代碼》將導致安全事故發生的風險因素劃分為人、物、環境、管理四大類。

本文通過梳理上述參考文獻及相關地鐵建設規范指南[1-7，9-13]，參考專家學者及相關地鐵施工管理人員的建議，對有歧義的風險因素進行合并、修改，最終得到的地鐵盾構施工安全風險因素見表1。

表1 地鐵盾構施工安全風險因素

2 濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險SD模型構建

2.1 系統動力學應用的可行性及解決問題的步驟

系統動力學是一種基于系統理論的定量與定性分析相結合的方法，使用Vensim PLE軟件可以將各種變量聯系起來，動態分析各變量之間的相互作用，在因果回路圖的基礎上構建流圖進行計算機仿真實驗，預測各個變量的發展趨勢，有效處理系統內部復雜的多重反饋、高階次、非線性等問題。該方法已廣泛應用于政治、經濟等領域。

地鐵盾構施工過程開放且復雜，影響系統安全的風險因素眾多。隨著項目的推進，風險以及各風險因素之間的相互作用也在不斷變化，當風險耦合積聚的能量突破系統的風險閾值時，必然會發生安全事故，給系統安全帶來威脅和隱患。各風險因素之間的復雜性與傳播性可以用系統動力學中流圖和因果回路圖的形式表達，進而研究系統形態的變化。圖1為應用SD模型解決問題的步驟。

2.2 模型假定與系統邊界的確定

隨著地鐵盾構施工的不斷推進，風險系統呈現動態性、復雜性特點，本文將人-環境-材料/設備-管理視為一個整體，提出以下假設。

H1：將人員風險、環境風險、材料/設備風險、管理風險視為系統內部的內生變量，將其他因素均視為外生變量不予考慮。

H2：安全管理人員雖然對風險具有一定的管控能力，但不能完全消除風險所產生的不利影響。

H3：從施工過程的角度出發，只考慮盾構設備施工過程對盾構施工風險系統的影響，不考慮其進出場、安拆階段的風險。

2.3 構建地鐵盾構施工風險演化因果回路圖

地鐵盾構施工過程中的各類風險因素具有動態性和復雜性等特點，體現為當系統中的多個風險進行傳導時，風險之間相互耦合可能會導致風險急劇擴大或者產生新的風險，進而擴大負面影響范圍，危及整個系統的安全。

事故致因理論指出，安全事故是多種因素共同作用的結果，其演化過程呈現動態性和復雜性的特點，可以用Vensim PLE軟件中的因果回路圖體現，如圖2所示。

在因果回路圖中，以“系統風險水平”為工作變量，通過軟件分析該變量共有正反饋4條、負反饋14條。當地鐵施工風險水平較高時，可以通過發揮負反饋回路的調節作用進而降低風險。以“系統風險水平”的某一負反饋回路為例：系統風險水平↑→風險管控↑→安全投入↑→安全防護↑→作業人員素質↑→人的不安全行為↓→系統風險水平↓(-)。因此，隨著施工進度的推進，項目管理人員應重點關注系統風險水平負反饋回路中的各個變量，有效利用負反饋回路的調節作用降低系統的風險水平和事故發生的概率。

2.4 構建地鐵盾構施工風險系統動力學流圖

圖2僅能反映風險因素之間的傳遞路徑和影響關系，無法定量描述系統內部變量隨時間的積累變化情況。在圖2的基礎上，進一步確定狀態變量、速率變量、輔助變量，構建地鐵盾構施工風險系統動力學流圖，如圖3所示。

2.5 確定風險指標權重

可以根據圖3確定邊界因素，如材料質量、駕駛人員技能水平、作業人員安全意識等，邀請項目管理人員結合現場施工情況給出變量賦值。表1中的25個風險因素難以用定量的數值表示，只能用“風險大”或“風險小”等類似的語言進行定性描述。

本文采用熵權法確定各風險因素的熵權重，首先采用李克特5分量表表達風險的等級，每個評價等級對應不同的風險等級，現將5等級標度設置如下：R={R1，R2，R3，R4，R5}={風險低，風險較低，風險一般，風險較高，風險高}={[0，0.3]，[0.3，0.5]，[0.5，0.65]，[0.65，0.8]，[0.8，1]}。邀請7名專家對表1中的25個風險因素采用李克特5分量表給邊界因素打分得到原始矩陣，之后再進行標準化、規范化處理，最終計算得到各級風險影響因素的權重，見表2。

表2 各級風險因素的權重

(續)

2.6 建立SD方程

基于熵權法確定的濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險因素的權重值，結合系統動力學流圖，構建濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的主要SD方程，具體見表3。

表3 濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的主要SD方程

3 濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的系統動力學仿真分析

3.1 實證分析

以某市地鐵隧道一期施工項目為例，施工地質條件為濕陷性黃土，周圍交通便利，人員活動頻繁。邀請項目負責人、施工項目管理人員及專家專家學者使用德爾菲法，根據項目的相關資料對邊界因素進行打分。這里參考帥珍珍等[14]為確保風險因素的一致性，將邊界因素邊界因素均轉換為極大型指標的做法，賦值介于0～5，采用公式Xij=(a+4m+b)計算專家打分，取邊界因素的值作為每個專家打分的平均值，即Xi=1/7Xij。將上述確定的風險因素邊界值及SD方程輸入濕陷性黃土地鐵盾構施工風險模型，設置模型的初始值為1、終止值為18，步長設置為1。

在對模型進行有效性檢驗、調試之后運行，得到的施工風險演化圖如圖4所示。需要注意的是，施工風險值為無量綱值，在此反映施工過程中風險的演化趨勢。

圖4表明，在地鐵施工過程中，R0曲線整體呈現出先上升后下降的趨勢，符合施工項目安全管理的實際情況，證明模型中設置的參數準確。在1～3月項目初期，施工風險呈現迅速上升的趨勢，這是由于施工環境復雜、項目施工人員對于地質條件等不熟悉、安全投入及風險管控存在一定的滯后性等因素導致的。隨著施工進度的推移，安全投入逐漸增加，施工人員對周圍環境逐漸了解，對于人員的安全培訓教育、隱患排查與監管力度進一步加強，相比1～3月風險有所下降，在第18個月風險水平恢復原始水平。

3.2 施工風險的系統動力學仿真分析

本文選取人員、環境、材料/設備、管理4個風險子系統作為變量，分析各個子系統的變化對地鐵盾構施工風險系統的影響。在保持地鐵盾構施工其余風險子系統不變的情況下依次將各子系統的風險值降低10%，觀察其對系統風險的影響，具體模擬值如圖4所示。R0表示初始風險水平；R1表示人員風險減少10%，其余子系統風險水平不變；R2表示材料/設備風險減少10%，其余子系統風險水平不變；R3表示管理風險減少10%，其余子系統風險水平不變；R4表示環境風險減少10%，其余子系統風險水平不變。根據仿真模擬的結果計算R0曲線的施工風險平均值為5.69，R1、R2、R3、R4的施工風險平均值分別為5.17、5.56、5.27、5.15。用R0情況下的施工風險平均值減去R1、R2、R3、R4情況下的施工風險平均值再除以R0的值，得到的結果為0.090、0.022 9、0.073、0.095。可見，當每個子系統的風險減少10%時，環境風險和人員風險對系統風險的影響最大，管理風險和材料/設備風險對系統風險的影響次之。這是由于此地區地下管線復雜、施工地質條件較差、黃土的濕陷性程度大等加劇了施工過程中產生的不均勻沉降。施工作業環境的不適宜在一定程度上影響作業人員的生理和心理狀態，加大了安全管理的難度。

現對風險系統中的變量進行靈敏度分析，采取控制變量的方法，每次只將子系統中的一個風險因素增加5%，其余風險因素保持不變，仿真模擬得出其對系統風險的影響程度。在人員系統中，駕駛人員技能水平、身心素質對系統風險的影響較大，其余因素影響較小；在材料/設備系統中，設備選型的合理性、材料質量對系統風險的影響較大，其余因素影響較小；在環境風險系統中，黃土的濕陷性程度、地下水位對系統風險的影響較大，其余因素影響較小；在管理風險系統中，技術交底落實程度、安全隱患及排查情況和人員崗前教育培訓情況對系統風險的影響較大，其余因素影響較小。

濕陷性黃土地區地鐵盾構施工的風險明顯區別于其他地區，為保證地鐵盾構作業的安全施工，現提出以下風險應對策略：

(1)環境子系統對施工風險的影響最大。在項目的建設前期，勘察監測單位加強地質勘探工作，獲取真實的地質勘探資料；根據地質勘探資料選擇合適的盾構設備；施工時采取有效的土體加固與降排水措施，現場做好監控監測工作；加強地鐵盾構施工區間的安全管理，重點控制盾構設備掘進時的掘進速度、泥漿和出土量等關鍵施工參數，降低環境對施工安全的影響。

(2)人員子系統對施工風險的影響次之。盾構機作為一種大型的特種作業設備，駕駛人員的技能水平對系統安全的影響較大，應在上崗前仔細檢查駕駛人員的技能水平、上崗證書及各種手續；駕駛人員應身心健康，無不良嗜好；地下施工環境較差，駕駛人員應合理安排休息時間，連續工作應為4小時，超過4小時應實行換班制度；對施工作業人員定期開展安全教育培訓，提高其安全意識，加大專項施工方案的監督力度，落實技術交底等工作，合理安排施工進度，嚴格控制材料質量等。

4 結語

本文主要研究結論如下：

(1)通過繪制施工系統風險人的不安全行為、物的不安全狀態及作業環境的全狀態因果回路圖，根據模型定性與定量分析結果，有針對性地制定了安全防控措施。

(2)構建濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的系統動力學模型，并利用Vensim PLE軟件進行模擬仿真。仿真結果表明，在濕陷性黃土地區進行鐵盾構施工時，環境因素對系統的安全影響最大，人員、管理因素的影響次之，材料/設備的影響最小。此外，確定了影響施工安全的主要因素。

鑒于濕陷性黃土地區地鐵盾構施工風險的復雜性，本文將安全投入作為一個整體進行研究，關于安全投入在人員、管理、環境、材料/設備上的分配比例對系統風險水平的影響有待進一步研究。