地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評估

許健雄

[摘? 要]：針對地鐵盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評估中風(fēng)險(xiǎn)因素眾多和因素間相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，文章通過查閱文獻(xiàn)法和專家調(diào)查法識別風(fēng)險(xiǎn)因素并構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并采用三角模糊數(shù)量化模糊語意并計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，引入模糊測度和模糊積分理論，建立基于Choquet模糊積分的盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。將模型應(yīng)用于某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)工程，評價(jià)結(jié)果符合實(shí)際，表明該模型是合理有效的。

[關(guān)鍵詞]：盾構(gòu)始發(fā); 風(fēng)險(xiǎn)評估; 三角模糊數(shù); Choquet模糊積分

U455.43A

近些年來，由于地鐵具備快速準(zhǔn)點(diǎn)、運(yùn)量大以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，許多城市爭先開展地鐵建設(shè)。然而隨著地鐵建設(shè)速度和規(guī)模的增大，工程事故也在不斷地增加。在地鐵隧道建設(shè)中，盾構(gòu)法是最常見的工法之一，由其引發(fā)的事故也逐漸增多。于海瑩等[1]統(tǒng)計(jì)了2002-2018年地鐵施工事故，結(jié)果表明盾構(gòu)法是造成地鐵施工事故數(shù)和導(dǎo)致死亡人數(shù)最多的方法，約占事故總數(shù)的50.44%和約有101人死亡。而盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)是盾構(gòu)法的關(guān)鍵工序，直接關(guān)系到施工作業(yè)及周邊建筑物安全。因此，為了降低地鐵盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，必須對施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估和控制。趙格義[2]通過統(tǒng)計(jì)施工事故，建立盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊層次分析法構(gòu)建盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。楊小偉等[3]采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法和專家調(diào)查法分析隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，評定盾構(gòu)進(jìn)出洞等風(fēng)險(xiǎn)的等級，并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。茍敏[4]利用流程圖法和魚骨圖法建立盾構(gòu)施工指標(biāo)體系，并運(yùn)用ISM模型分析指標(biāo)因素間的關(guān)系，建立基于云理論的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評估。蔡正[5]根據(jù)盾構(gòu)施工工藝和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理，運(yùn)用WBS-RBS、文獻(xiàn)綜述和主成分分析法得到盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素，并建立基于模糊綜合評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法的評價(jià)模型。

1974年Sugeno[6]為解決屬性之間存在關(guān)聯(lián)而又不具備可加性的多屬性決策問題，提出了模糊測度。模糊測度利用可能性理論將評選要素間的相關(guān)性列入考慮，用單調(diào)性替代傳統(tǒng)測度的可加性。但由于模糊測度定義在集合冪集上，其變量個(gè)數(shù)隨集合的勢成指數(shù)倍增長，而λ-模糊測度由于結(jié)構(gòu)簡單，需要參數(shù)少，又能評價(jià)因素間的相互作用，被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際問題中。1995年Grabish[7]提出的模糊積分是一種基于模糊測度的集成算子，計(jì)算時(shí)不需要假設(shè)指標(biāo)間相互獨(dú)立，可應(yīng)用于因素關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的問題。目前，λ-模糊測度和Choquet[7]模糊積分理論已經(jīng)被應(yīng)用于電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估、工程投標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評估[8]等領(lǐng)域。因此，本文采用λ-模糊測度理論和Choquet模糊積分構(gòu)建地鐵盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型，解決盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素間存在關(guān)聯(lián)性的評價(jià)問題，讓評估結(jié)果更加準(zhǔn)確和符合實(shí)際。同時(shí)，為了考慮評語值的模糊性，采用三角模糊數(shù)確定指標(biāo)權(quán)重。

1 基本理論

1.1 模糊測度

定義1：記X={1，2，…，n}為一個(gè)有限非空集合，P（X）為X的冪集，則X上的一個(gè)正則模糊測度μ：P（X）→[0，1]滿足：

（1）μ（φ）=0，μ（X）=1;

（2）E，F(xiàn)∈P（X），EF，則μ（E）≤μ（F）。

定義2：設(shè)有限集合X={x1，x2，…，xn}，gλ是P（X）上的λ模糊測度，記為gλ（{xi}）=gλ（i=1，2，…，n），A∈P（X）且A≠，有：

gλ（A）=1λ[∏xi∈A（1+λgλ（i））-1]，λ≠0

∑xi∈Agλ（i），λ=0

又gλ（）=0，gλ（X）=1，則λ可由下式計(jì)算：

∏ni=1（1+λgλ（i））=1+λ

式中：λ∈（-1，∞）;gλ（i）為模糊密度，即指標(biāo)權(quán)重。當(dāng)gλ（i）已知便可得λ值，從而確定集合X中任意子集的模糊測度gλ。

1.2 模糊積分

定義3：設(shè)有限集X={x1，x2，…，xn}，f：x→[0，1]滿足f（x1）≤f（x2）≤…≤f（xn），則可測函數(shù)f關(guān)于模糊測度gλ的Choquet模糊積分為：

E=∑ni=1f（xi）[gλ（Ai）-gλ（Ai+1）]

式中：f（x0）=0;gλ（An+1）=0;Ai={xi，xi+1，…，xn}。由此可知，模糊測度gλ確定之后，就能得到Choquet模糊積分。

1.3 三角模糊數(shù)

定義4：=（al，am，au）為一個(gè)三角模糊數(shù)，其隸屬函數(shù)為μ（x）：R→[0，1]，即：

μ（x）=0，x<al

x-alam-al，al≤x≤am

x-amam-al，am≤x≤au

0，x<au

其中，x∈R，al≤am≤au，al和au分別為下界和上界，表示模糊程度大小，并且au-al越大，模糊程度越大。

運(yùn)算性質(zhì)：設(shè)三角模糊數(shù)=[al，am，au]，=[bl，bm，bu]，則有運(yùn)算法則：

（1）=[al+bl，am+bm，au+bu];

（2）=[albl，ambm，aubu]。

2 地鐵盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型

2.1 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)對盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了系統(tǒng)性地篩查。其中，盾構(gòu)始發(fā)主要存在以下風(fēng)險(xiǎn)：始發(fā)托架易下沉、洞門密封易漏漿、管片易出現(xiàn)錯(cuò)臺破損、洞門失穩(wěn)坍塌、地面冒漿、地表變形大等。始發(fā)方式、地質(zhì)條件、盾構(gòu)類型、土體加固、負(fù)環(huán)管片質(zhì)量、漿液性能和壓力、盾構(gòu)井的面積、深度和穩(wěn)定性、周邊建（構(gòu)）筑物等是影響盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的重要因素。文獻(xiàn)查閱得出初步指標(biāo)后采用專家調(diào)查法訪問專家的方式對其進(jìn)行復(fù)核，最終得到評價(jià)指標(biāo)。本文選取施工人員、機(jī)械設(shè)備、施工材料、施工工藝以及施工環(huán)境5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成準(zhǔn)則層，再細(xì)化準(zhǔn)則層各指標(biāo)因素構(gòu)成次準(zhǔn)則層，得到盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系如圖1所示。

2.2 量化評語值

本文將風(fēng)險(xiǎn)等級作為評估決策的項(xiàng)目，模糊積分值越高的風(fēng)險(xiǎn)級別作為盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等級。其中，風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)采用“一級”、“二級”、“三級”、“四級”、“五級”五個(gè)級別表示，各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級及其描述如表1所示。

模糊評估語意等級標(biāo)準(zhǔn)采用“很不符合”“不符合”“一般”“符合”以及“很符合”五個(gè)等級表示，模糊權(quán)重語意等級標(biāo)準(zhǔn)采用“很不重要”“不重要”“一般”、“重要”以及“很重要”五個(gè)等級表示，用三角模糊數(shù)表示對應(yīng)的模糊語意，如表2所示。

2.3 基于Choquet模糊積分盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評估算法步驟

（1）步驟1：確定指標(biāo)權(quán)重。設(shè)準(zhǔn)則層指標(biāo)集V={V1，V2…V5}的權(quán)重為W={W1，W2…W5}，第i個(gè)次準(zhǔn)則層指標(biāo)集vi={vi-1，vi-2…vi-ai}，（i=1，2…5）的權(quán)重為wi=

（0.75，1.0，1.0）{wi-1，wi-2…wi-ai}，ai為第i個(gè)次準(zhǔn)則層指標(biāo)集的因素個(gè)數(shù)。設(shè)有m個(gè)專家進(jìn)行評估，若第k個(gè)專家對次準(zhǔn)則層指標(biāo)集vi下各元素的重要性進(jìn)行評估，并根據(jù)表2的量化方法，得到三角模糊數(shù)權(quán)重向量為（k）i=（（k）i-1，（k）i-2…（k）i-ai），則根據(jù)各專家偏好得到指標(biāo)集vi的綜合三角模糊數(shù)權(quán)重值為i=（i-1…i-ai），其中i-j為：

i-j=（（1）i-j（2）i-j…（m）i-j）/m（1）

根據(jù)下式得指標(biāo)集V的三角模糊數(shù)權(quán)重向量為={1，2，…，5}，其中i為：

i=（i-1i-2…i-ai）/ai（2）

（2）步驟2：同理得專家小組對第s級風(fēng)險(xiǎn)在次準(zhǔn)則層指標(biāo)集vi（i=1，2…5）的模糊評分s-i={s-i-1，s-i-2 … s-i-ai}，則第i級風(fēng)險(xiǎn)下準(zhǔn)則層指標(biāo)集V的模糊數(shù)評估向量為s={s-1，s-2…s-5}，其中s-i：

s-i=s-i-1i-1…s-i-aii-aii-1…i-ai（3）

（3）步驟3：利用下式將模糊評價(jià)向量s和模糊權(quán)重向量去模糊化得向量s和。

Crisp（）=（al+4am+au）/6（4）

式中：al，am，au，分別為三角模糊數(shù)的下界、中值和上界。

（4）步驟4：令模糊密度gλ（i）=i代入下式解得λ：

λ+1=∏5i=1（1+λ·gλ（i））（5）

（5）步驟5：將向量s，（s=1，2…5）中的元素由小到大進(jìn)行排序得到排序向量Xs={Xs-1，Xs-2…Xs-5}。

（6）步驟6：As-i={Xs-i，Xs-（i+1）…Xs-5}，（i=1，2…5），將λ值和As-i代入下式，得到模糊測度向量gλ（Xs）={gλ（As-1），gλ（As-2），…gλ（As-5）}，其中g(shù)λ（As-i）為：

gλ（As-i）=1λ[∏Xs-i∈As-i（1+λgλ（i））-1]（6）

（7）步驟7：將排序向量Xs和模糊測度向量gλ（Xs）代入下式得到模糊積分值Es，對Es進(jìn)行排序得到工程風(fēng)險(xiǎn)等級。

Es=∑5i=1Xs-i[gλ（As-i）-gλ（As-（i+1））]（7）

3 工程案例分析

3.1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道長1 297 m，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)，始發(fā)坡度為22%（下坡），沿東南方向敷設(shè)，下穿華南快速干線、赤沙涌、馬落沙涌小橋等，側(cè)穿赤沙加油站、多個(gè)高壓電塔等。始發(fā)場地位于智通創(chuàng)意工業(yè)園旁，隧道覆土深度約為11.3～19.7 m，主要穿越強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部穿越淤泥質(zhì)中粗砂、粉質(zhì)黏土等。穿越赤沙涌，河寬約20～25 m，水深2～3 m，隧頂距離河底約為8.6～10.9 m。地下水水位埋深2.1～2.3 m，主要受氣候控制。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)等級評估

邀請5名盾構(gòu)專家組成評估小組，收集相關(guān)的水文地質(zhì)勘察報(bào)告、施工圖設(shè)計(jì)文件、監(jiān)測方案以及其他專項(xiàng)施工方案等資料，供專家查閱。專家在充分了解工程情況后，按照表2的評語對次準(zhǔn)則層各指標(biāo)的重要性進(jìn)行評定，同時(shí)評估各風(fēng)險(xiǎn)因素對于風(fēng)險(xiǎn)等級的符合程度。根據(jù)模糊權(quán)重語意值，用表2所列的三角模糊數(shù)對其進(jìn)行量化并利用式（1）計(jì)算綜合三角模糊數(shù)權(quán)重向量，再運(yùn)用式（2）計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)的模糊權(quán)重向量，得={1，2…5}，其中：1=（0.3125，0.5625，0.8125），2=（0.45，0.7，0.8），3=（0.1875， 0.4375，0.6875），4=（0.4286，0.6786，0.8571），5=（0.55，0.75，0.75，0.85）。根據(jù)式（4）將去模糊化，得={0.5625，0.675，0.4375，0.6667，0.7333}。

同理，由式（3）和式（4）可得各準(zhǔn)則層指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評估值={1，2，…，5}，如表3所示，現(xiàn)以1為例計(jì)算模糊積分值。

由計(jì)算可得1={0.8542，0.3854，0.3000，0.2619，0.1833}，對其由小到大進(jìn)行排序得排序向量X1={1-5，1-4，1-2，1-3，X1-1}。

令：gλ（i）=i，（i=1，2…5），代入式（5）得λ=-0.9924。將向量X1和λ值代入式（6），得到模糊測度向量gλ（X1）。式中：

gλ（1-1）=0.5626

gλ（1-3，1-1）=0.7558

gλ（1-2，1-3，1-1）=0.9245

gλ（1-4，1-2，1-3，1-1）=0.9795

gλ（1-5，1-4，1-2，1-3，1-1）=1

根據(jù)公式（7）計(jì)算得一級風(fēng)險(xiǎn)的模糊積分值為E1=0.6237。同理可求得其余級別風(fēng)險(xiǎn)的模糊積分值E=（E1，E2，E3，E4，E5）=（0.6237，0.8079，0.8301，0.6649，0.4709）。因?yàn)镋3>E2>E4>E1>E5，所以該盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)級別為三級，風(fēng)險(xiǎn)較大，必須引起重視，需加強(qiáng)防范，制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施。其中施工環(huán)境和機(jī)械設(shè)備是風(fēng)險(xiǎn)較高的準(zhǔn)則層指標(biāo)，主要原因是：隧道范圍存在厚度較大的砂層，易造成掌子面失穩(wěn);盾構(gòu)井周邊有較多的樓房，盾構(gòu)施工易造成建筑物開裂傾斜等;地層巖性主要為泥巖，刀盤易“結(jié)泥餅”堵倉，造成刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷加大。

4 結(jié)論

地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)始發(fā)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估受諸多因素影響，且風(fēng)險(xiǎn)因素不是相互獨(dú)立的，為了考慮因素間的關(guān)聯(lián)性對風(fēng)險(xiǎn)等級評估的影響。本文使用三角模糊數(shù)捕捉評價(jià)主體的語言模糊性，量化專家的主觀評價(jià)值，確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用λ模糊測度理論計(jì)算指標(biāo)間的相互關(guān)系，建立了基于Choquet模糊積分的盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。將該模型運(yùn)用于工程實(shí)例中，結(jié)果表明該方法是合理有效的，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。同時(shí)，通過計(jì)算指標(biāo)對于高級別風(fēng)險(xiǎn)的符合程度以及高風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互關(guān)系，可得到工程的重大風(fēng)險(xiǎn)源。該方法簡單實(shí)用，亦可應(yīng)用于其他指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性較大的風(fēng)險(xiǎn)評估問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 于海瑩，彭玉林，張立艷，等.城市地鐵施工期事故統(tǒng)計(jì)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2019，15（S2）：852-860.

[2] 趙格義.地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)辨識與評估研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 楊小偉，閆天俊，倪正茂，等.武漢地鐵越江隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制[J].安全與環(huán)境工程，2012，19（3）：107-110.

[4] 茍敏. 地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2014.

[5] 蔡正. 地鐵隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[6] 王熙照. 模糊測度和模糊積分及在分類技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京： 科學(xué)出版社， 2008.

[7] 石江紅. 基于模糊測度理論的電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評估[D].華北電力大學(xué)，2017.

[8] 張朝勇，王卓甫，邢會(huì)歌.基于Choquet模糊積分的工程投標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評估方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007（10）：98-104.