潘紅偉, 郭德賽, 宋戰平, 徐 甜, 張玉偉, 丁立波
(1. 中鐵北京工程局集團第一工程有限公司, 陜西 西安 710100; 2. 西安建筑科技大學土木工程學院, 陜西 西安 710055; 3. 西安建筑科技大學 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室, 陜西 西安 710055; 4. 中國路橋工程有限責任公司, 北京 100011)
隧道工程建設是一項規模大、難度高、工期長、運行復雜、施工困難的高風險工程,具有隨機性、模糊性、不確定性和未知因素多等特點[1],常常會發生嚴重的隧道施工事故[2]。同時,隧道施工系統是一個具有多重危險源的復雜社會技術系統[3],在施工過程中常受到施工人員能力不足、設備缺陷、復雜地質條件和安全管理薄弱等因素的影響,多種風險因素之間共同作用、共同影響和相互耦合,導致隧道施工事故頻發。因此,分析隧道施工事故的多風險因素耦合機制,對于控制隧道施工事故的發生具有一定意義。
國內外學者在隧道施工風險管理方面做了深入的研究。Einstein[4]首次將風險管理的相關理論引入到隧道工程建設中,推動了風險管理研究和風險評估方法在隧道工程領域中的應用和發展。目前,隧道施工風險的研究主要包括風險因素辨識、風險評估、風險控制和風險監測等[5-6]。風險因素辨識是進行隧道施工風險分析評價的基礎,常用的方法主要有專家調查法、層次分析法、事故樹法和WBS-RBS法等定性、半定量方法[7-8]。在隧道施工風險評價方面,吳賢國等[9]提出了一種將證據理論和模糊貝葉斯網絡結合的方法,對盾構下穿既有隧道施工風險進行了評價。Xu等[10]提出了一種基于云模型的方法,用于在建隧道施工對既有隧道影響的風險評估。Ou等[11]建立了一種將案例分析、超前地質預報和D-S證據理論相結合的方法,對隧道的塌陷風險進行了綜合評價。陳舞等[12]結合模糊綜合評價法,提出了一種粗糙集條件下的信息熵方法,對山嶺隧道的坍塌風險進行了綜合評價。張歡等[13]建立了數據場聚類的高斯混合模型,對高寒地區隧道的施工風險進行了評價。宋戰平等[14]基于非線性模糊層次分析法構建了風險評價模型,對TBM施工進行了風險分析。吳波等[15]結合熵值賦權法和多級模糊評價理論,對上軟下硬復合地層隧道的施工風險進行了分析評價。在隧道施工風險控制方面,周宗青等[16]通過對施工方案的優化,實現了淺埋隧道塌方地質災害的風險控制。夏潤禾[17]深入分析了盾構隧道事故發生的機制,完善了地鐵隧道施工安全責任體系。Lei等[18]對下穿既有鐵路砂卵石地層盾構隧道施工風險控制進行分項研究,提出了有針對性的風險控制方案。王海洋等[19]在統計分析隧道瓦斯爆炸事故的基礎上,采用灰色關聯法對典型的瓦斯隧道施工事故進行了影響因素分析。國內外學者提出的隧道施工風險研究的理論、方法和模型等對于隧道安全施工具有一定的實際參考價值,但這些方法多是從單一維度去分析隧道施工事故發生的過程,沒有從多風險因素相互作用、相互耦合的角度去研究導致隧道施工事故發生的原因。
目前,許多學者通過構建N-K模型來分析多種風險因素之間的相互作用。吳賢國等[20]通過構建N-K模型對地鐵施工安全風險耦合進行了研究。張津嘉等[21]通過構建N-K模型對瓦斯爆炸事故進行了風險耦合分析。黃文成等[22]基于N-K模型對鐵路危險品運輸系統耦合風險形成機制進行了研究。王煥新等[23]通過構建N-K模型對海上交通安全風險因素耦合進行了分析。喬萬冠等[24]通過構建N-K模型對煤礦重大瓦斯事故多風險因素進行了研究。N-K模型在風險管理方面的廣泛使用,證明該方法在多風險因素的耦合分析中具有一定的優勢,但目前尚未有文獻通過構建N-K模型對隧道施工事故多風險因素進行分析。
綜上,本文在具體分析2009—2019年國內101次隧道施工事故發生原因的基礎上,將影響隧道安全施工的主要風險因素區分為人為因素、設備因素、環境因素和管理因素,引入風險耦合分析理論,探討隧道施工事故多風險因素的耦合機制、分類和解耦方法;利用N-K模型構建一種隧道施工事故風險的耦合模型,揭示隧道施工事故風險因素之間的耦合效應。以期基于風險解耦思想從事故源頭上進行控制,降低隧道施工事故風險發生的可能性,保證隧道的施工安全。
本文統計了2009—2019年國內各地區(不包括港澳臺地區)發生的隧道施工事故,共統計到事故101次,死亡375人。隧道施工事故統計來源主要有: 1)中華人民共和國住房和城鄉建設部官網安全事故情況通報欄目; 2)中華人民共和國應急管理部官網; 3)安全管理網; 4)新聞報紙、新聞網站的公開報道; 5)其他參考資料。
統計的101次隧道施工事故的樣本中主要包括隧道施工事故發生時間、死亡人數、事故類型以及事故發生原因。
年份統計分析反映了隧道施工事故分布的宏觀趨勢。在2009—2019年期間,國內各地區隧道施工事故共發生101次。隧道施工事故年份與發生次數和死亡人數關系見圖1。

圖1 隧道事故年份與事故次數和死亡人數關系圖
對比分析圖1中隧道施工事故次數和死亡人數的變化,可以看出兩者具有相同的趨勢。隧道施工事故次數和死亡人數變化呈波動式發展,2011—2014年隧道施工事故發生次數逐年下降,2013年降到最低,但在2014年反彈,且為歷年最高。為加強對隧道施工風險的管理,降低隧道施工事故發生的可能性,2014年相關部門聯合頒布了《隧道施工安全九條規定》,2015年的隧道施工事故發生次數和死亡人數明顯降低,這也表明規定的頒布對于降低隧道施工事故的發生起到了一定作用,同時表明施工中加強管理可以有效控制隧道施工事故的發生。
日本學者西島茂一對連鎖反應理論進行了深層次分析和總結,提出安全事故發生的4大致因,分別為人為致因(man)、設備致因(machine)、作業致因(media)和管理致因(management),并且將其命名為“4M”理論[25]。將“4M”理論應用到隧道施工事故原因分析中,同時根據整理得到的101次隧道施工事故數據,對其產生原因進行具體分析,最終確定人為因素、設備因素、環境因素和管理因素是導致隧道施工事故發生的主要風險因素。
1)人為因素。人為因素是導致隧道施工事故發生的風險因素中最為活躍且缺乏穩定性的因素。人為因素主要包括生理缺陷、安全技術素質低、違規操作、品德不端正、技術水平不足等。
2)設備因素。設備因素指用于隧道施工的機械裝備及其施工機具等因為存在相應的缺陷而導致的風險。設備因素主要包括機械設備及施工機具發生故障、設備質量不合格、設備老化性能降低、施工材料運輸不當等。
3)環境因素。環境因素是由于地質、水文等自然環境,隧道施工場地周圍建筑物、管線等社會環境和隧道施工內部工作環境導致的風險。環境因素包括工程地質條件不良、周邊環境情況復雜、地下管線復雜、下穿或側穿既有建筑物和惡劣天氣等。
4)管理因素。管理因素是導致隧道施工事故發生的間接原因,指隧道施工管理部門的安全指導、組織結構、規章制度建設等引發的風險。管理因素主要包括對人員管理失誤、管理方案不科學、施工組織設計不合理、實際生產管理監督不到位等。
隧道施工事故原因統計分布(2009—2019年)見表1。其中,人為因素-設備因素表示隧道施工事故產生的原因是人為因素和設備因素相互影響、共同作用的結果。下同。

表1 隧道施工事故原因統計分布(2009—2019年)
“耦合”一詞被廣泛應用于概率論、電子學、物理學和計算機科學等領域。在物理學中,2個或2個以上的體系或運動形式之間相互作用和相互影響的現象稱為耦合,風險耦合指的是某個系統中同類風險不同風險因素之間相互影響和相互依賴的程度[26]。隧道施工事故風險耦合指的是隧道安全施工風險因素之間的相互影響、相互作用和相互依賴關系。因此,在確定隧道施工風險耦合作用機制時,從人為因素、設備因素、環境因素和管理因素四維角度出發,采用軌跡交叉理論進行分析。隧道施工風險多維軌跡交叉因素耦合作用機制見圖2。

圖2 隧道施工風險多維軌跡交叉因素耦合作用機制[24]
由圖2可知,人的不安全行為可能會導致現場施工人員的操作失誤;設備在不安全狀態下操作可能會導致機械和施工機具發生故障;在環境的不安全狀態下,隧道施工產生的擾動可能會出現脆弱的環境;管理的不合理狀態可能會導致隧道施工管理組織失效。同時,在隧道施工過程中還會存在其他潛在的影響因素,在未突破隧道安全施工系統閾值時,不會直接導致隧道施工事故發生,但是與其他潛在的影響因素之間發生相互作用和相互耦合時,則會產生一定的耦合效應,此時便會突破隧道安全施工的系統閾值,從而導致隧道施工事故發生。
按照隧道施工風險因素參與耦合的數量多少,可以將隧道施工風險耦合分為以下3類。
1)單因素耦合。影響隧道安全施工的某個風險因素中所屬的風險因子之間的相互作用、相互影響和相互依賴關系稱為單因素耦合。單因素耦合共有4種,分別是人為因素耦合、設備因素耦合、環境因素耦合和管理因素耦合,分別記為T11(a),T12(b),T13(c)和T14(d),風險因素耦合總值記為T1。
2)雙因素耦合。影響隧道安全施工的2個風險因素之間的相互作用、相互影響和相互依賴關系稱為雙因素耦合。雙因素耦合共有6種,分別是人為-設備因素耦合、人為-環境因素耦合、人為-管理因素耦合、設備-環境因素耦合、設備-管理因素耦合、環境-管理因素耦合,分別記為T21(a,b),T22(a,c),T23(a,d),T24(b,c),T25(b,d),T26(c,d),風險因素耦合總值記為T2。
3)多因素耦合。影響隧道安全施工的3個及以上風險因素之間的相互作用、相互影響和相互依賴關系稱為多因素耦合。多因素耦合共有5種,分別是人為-設備-環境因素耦合、人為-設備-管理因素耦合、人為-環境-管理因素耦合、設備-環境-管理因素耦合、人為-設備-環境-管理因素耦合。其中,3個風險因素參與的耦合分別記為T31(a,b,c),T32(a,b,d),T33(a,c,d)和T34(b,c,d),風險因素耦合總值記為T3;4個風險因素參與的耦合記為T41(a,b,c,d),風險因素耦合總值記為T4。
隧道施工風險因素之間的耦合效應是不可逆的,耦合風險一旦形成會對隧道施工造成不可恢復的影響。因此,引入解耦思想來避免隧道施工風險因素之間產生強的正向耦合。解耦思想主要應用于計算機、通信等領域[27],指的是采取一定的技術或管理上的措施減少或降低風險因素間的耦合關聯程度,將2個及多個風險因素之間的相互耦合作用獨立或分離,從而使得風險因素之間的正向耦合強度降低甚至轉變為零耦合或者負向耦合。
影響隧道安全施工的風險因素之間的耦合具有不同層次,隧道施工事故風險解耦的目的就是削弱隧道安全施工中子系統內部風險因素之間的相互耦合,隔離子系統之間的相互作用、相互耦合關系,進而達到從不同層次對風險進行解耦。通過改變風險耦合的方向,可以降低隧道施工事故發生的可能性。隧道施工事故風險解耦原理見圖3。

圖3 隧道施工事故風險解耦原理圖[28]
由圖3可知,影響隧道安全施工的風險因素A和風險因素B的2個波峰相遇時會發生相互作用、相互耦合,進而可能導致隧道施工事故的發生。人為采取一定的施工措施可以盡可能地使它們的波峰和波谷發生相遇,即通過解耦器將2個風險因素的波峰和波谷發生相互作用、相互耦合,那么波峰和波谷之間的相互耦合作用就會把正向耦合轉變為零耦合或負向耦合,從而降低風險因素之間的相互耦合作用對隧道施工的不良影響,保證隧道的安全施工。
近年來,國內外學者對于風險耦合模型的研究日益增加,常見的風險耦合模型有風險傳導模型[29]、耦合度模型[30]、SHEL模型[31]、系統動力學模型(S-D模型)[32]和N-K模型[28]等。其中,N-K模型作為研究復雜系統的通用模型,適合用于探索研究隧道施工各風險因素間的相互作用、相互影響和相互耦合關系,以及各個風險因素組合對隧道施工系統整體適應性的影響。因此,本文采用N-K模型來揭示隧道施工風險因素之間的耦合效應。
1993年,Kauffman教授在研究基因組合問題時提出了N-K模型,該模型是用于解決復雜問題的通用經典模型,包括2個重要的參數:N代表組成系統的元件數目,K代表系統中相互依存的元件數目。如果某系統中有N種元件,每種元件都有n種不同的狀態,則可能存在的組合方式共有nN種。系統元件按照一定方式進行組合,就會形成網絡,K最小值為0,最大值為N-1。利用N-K模型對隧道施工事故進行分析的步驟為: 1)隧道施工風險耦合分類; 2)確定隧道施工風險耦合信息交互公式; 3)構建雙因素風險之間耦合作用計算公式; 4)構建多因素風險之間耦合作用計算公式。
隧道施工風險系統主要包括4類不同的風險元件,分別為人為因素風險元件、設備因素風險元件、環境因素風險元件和管理因素風險元件。依據風險量是否超過隧道安全施工的預期警戒值并導致隧道施工事故,每類風險元件包括2種不同的情況: 1)超過隧道安全施工的預期警戒值并導致隧道施工事故,取值為“1”; 2)未導致隧道施工事故,取值為“0”。可以通過計算隧道施工風險系統中4類不同的風險元件之間的交互信息T來直接評價不同風險因素之間的相互作用、相互耦合形成新的隧道安全施工風險狀態。根據不同風險因素之間的耦合值大小衡量不同耦合風險的大小,進而判斷隧道施工風險的大小,即以某種耦合作用形式計算的耦合值越大,該耦合作用形式下造成的隧道施工風險越大。其中,交互信息的計算公式見式(1)。
(1)
式中:Ph,i,j,k為人處在第h種狀態、設備在第i種狀態、環境在第j種狀態、管理在第k種狀態下隧道施工事故發生的概率;h=1,2,…,H;i=1,2,3,…,I;j=1,2,3,…,J;k=1,2,…,K。
計算得到的T值越大,造成的隧道施工風險越大,越容易導致隧道施工事故發生,即T值大小表示隧道施工事故風險量化的綜合評估。
隧道施工風險因素之間的耦合作用大多數情況下發生在局部,其中,局部的風險耦合指的是2個或3個風險因素之間發生相互耦合作用。例如: 當人為因素和設備因素之間發生相互耦合作用后導致了隧道施工事故發生,而此時與環境因素和管理因素之間的關系不大,那么就發生2個因素之間的風險耦合;當人為因素、設備因素和環境因素之間發生相互耦合作用后導致了隧道施工事故發生,而此時與管理因素的關系不大,那么就發生3個因素之間的風險耦合。通過計算交互信息T值大小來研究局部的風險耦合,進而研究隧道施工風險因素之間的耦合內在機制和隧道施工事故發生的具體原因。
4個隧道安全施工風險因素中,兩兩風險因素之間的相互耦合作用會產生6種不同情況,其計算公式為:
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
4個隧道安全施工風險因素中3個風險因素之間的相互耦合作用會產生4種不同情況,其計算公式為:

(8)
(9)
(10)
(11)
根據表1中統計的101起隧道施工事故分布情況,采用“0”和“1”分別對人為因素、設備因素、管理因素和環境因素的順序進行標記,“0”表示某個風險因素未參與耦合作用但發生隧道施工事故,“1”表示某個風險因素參與耦合作用并導致隧道施工事故發生,則4種風險因素之間相互結合一共有16種不同的耦合形式。不同的耦合形式導致隧道施工事故發生的次數和概率分別見圖4和圖5。其中,“1100”表示隧道事故的產生是由人為因素和設備因素耦合共同導致的,P1100=0.009 9表示人為因素和設備因素相互耦合導致隧道事故發生的概率為0.009 9。下同。

圖4 不同耦合形式下隧道施工事故發生的次數統計

圖5 不同耦合形式下隧道施工事故發生概率
為了計算T值,需要先計算不同耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率。
1)不同單因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率。當人為因素不參與耦合作用時,隧道施工事故發生的概率P0···=P0000+P0100+P0010+P0001+P0110+P0101+P0011+P0111=0+0+0.207 9+0.019 8+0+0.079 2+0.247 6+0.019 8=0.574 3。同理,可計算得到其他不同單因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率,計算結果見圖6。

圖6 不同單因素耦合情況下發生的概率
2)不同雙因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率。人為因素和設備因素均不參與耦合作用時,隧道施工事故發生的概率P00··=P0000+P0010+P0001+P0011=0+0.207 9+0.019 8+0.247 6=0.475 3。同理,可計算得到不同雙因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率,計算結果見圖7。

圖7 不同雙因素耦合情況下發生的概率
3)不同多因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率。人為因素、設備因素和環境因素均不參與耦合作用時,隧道施工事故發生的概率P000·=P0000+P0001= 0+0.019 8=0.019 8。同理,可計算得到不同多因素耦合作用形式下隧道施工事故發生的概率,計算結果見圖8。
根據式(1)—(11),可分別計算出單因素耦合作用形式、雙因素耦合作用形式和多因素耦合作用形式的T值:
T21(a,b)=0.001 6;T22(a,c)=0.083 1;T23(a,d)=0.047 0;T24(b,c)=0.171 8;T25(b,d)=0.026 0;T26(c,d)=0.080 0;T31(a,b,c)=0.290 8;T32(a,b,d)=0.130 7;T33(a,c,d)=0.207 5;T34(b,c,d)=0.253 4;T4(a,b,c,d)=0.813 1。
由計算結果可以看出:
T4(a,b,c,d)>T31(a,b,c)>T34(b,c,d)>T33(a,c,d)>T24(b,c)>T32(a,b,d)>T22(a,c)>T26(c,d)>T23(a,d)>T25(b,d)>T21(a,b)。
1)參與耦合作用的風險因素越多,耦合作用形式計算的耦合值越大,造成的隧道施工風險越大。由計算結果可知: 在4個風險因素參與的耦合作用下造成的隧道施工風險最大,其次是3個風險因素參與的耦合作用,其中,人為-設備-管理3個風險因素參與的耦合作用要小于設備-環境2個風險因素參與的耦合作用,但總體趨勢仍然是隨著風險因素的增加,隧道施工風險逐漸增大,這符合實際的隧道施工事故發生情況。
2)在3個因素風險耦合中,T31(a,b,c)>T33(a,c,d)>T32(a,b,d)。人為-設備-環境因素參與的耦合作用造成隧道施工風險最大,其次是設備-環境-管理因素和人為-環境-管理因素參與的相互耦合作用,造成隧道施工風險最小的是人為-設備-管理因素參與的相互耦合作用。導致隧道施工事故發生的前3個風險耦合形式都有環境因素的參與,說明隧道施工事故發生的主要原因是環境因素。在隧道施工過程中時常會遇到濕陷性黃土、軟弱圍巖、富水斷層破碎帶、高地應力、巖溶和高瓦斯等不良地質環境,同時,施工場地的周圍建筑物、管線等社會環境和隧道施工內部工作環境都極易導致隧道事故的發生。
在統計的101起隧道施工事故中,有72起發生的原因都涉及環境因素的影響。例如: 新建七扇巖隧道和扎西隧道都發了瓦斯爆炸事故,事故產生的原因主要是2座隧道都屬于高瓦斯隧道,施工單位對瓦斯危害認識不足,瓦斯防控措施不到位;廈漳高速公路廈門段雷公山隧道發生拱頂坍塌的原因為地質狀況較差,同時降雨導致地下水驟增,經由隧道拱頂斷層破碎帶形成的導水通道排泄,業主、施工、監理、監管等方面對雨后該地段引發坍塌的可能性及嚴重性估計不足因而未采取更有效的控制措施。以上事故發生都是由環境因素、人為因素和管理因素相互作用、相互耦合導致的。因此,在隧道施工過程中應該加強對環境因素的重視,盡可能避免環境因素與其他因素之間的耦合作用。
3)在雙因素風險耦合中,T24(b,c)>T22(a,c)>T26(c,d)>T23(a,d)>T25(b,d)>T21(a,b),設備-環境因素耦合造成的隧道施工風險最大,人為-環境因素和環境-管理因素耦合造成的隧道施工風險相對較大,人為-管理因素、設備-管理因素和人為-設備因素耦合作用造成的隧道施工風險較小。這也證明了導致隧道施工事故的主要因素是環境因素,同時人為因素和管理因素對隧道施工也產生了比較嚴重的影響。因此,在隧道施工過程中需要提高現場的管理水平,加強對隧道施工人員、施工設備和環境因素的管理。
4)在面對隧道施工多風險因素之間的耦合作用時,可以采用解耦的思想來避免隧道施工事故的發生。隧道施工事故風險的解耦思想體現在隧道施工事故多風險因素耦合前、耦合中和耦合后3個階段。當隧道施工過程中存在風險時,應首先對風險因素進行辨別、分析和控制,避免風險因素之間發生相互耦合作用。例如: 現場施工管理人員可以對隱患進行調查排除風險。當控制不當的風險耦合作用發生時,應將正向耦合及時轉變為零耦合或負向耦合。例如: 當人為因素參與相互耦合作用時,可以加強對人的不安全行為的控制和管理,從而降低與人為因素相關的耦合作用強度。最后,當正耦合和強耦合發生時,需要采取有效的措施減少事故對隧道施工的影響。例如: 在發生隧道坍塌等隧道施工事故時,可以利用人為因素和管理因素來對隧道施工事故進行風險轉移和處理。
本文將風險耦合理論引入到隧道施工事故風險分析上,探討了隧道施工事故多風險因素的耦合機制、分類和解耦原理,并利用N-K模型構建隧道施工風險耦合模型揭示隧道施工事故風險因素之間的耦合效應,得出以下結論:
1)多種因素耦合作用是導致隧道施工事故不確定性存在且發生的根本原因。隧道施工過程中存在潛在的風險因素,在未突破隧道安全施工系統閾值時,不會直接導致隧道施工事故的發生,但是與其他潛在的風險因素之間發生相互耦合作用時,則會產生一定的耦合效應,此時便會突破隧道安全施工的系統閾值,從而導致隧道施工事故的發生。
2)利用N-K模型計算隧道施工過程中各個風險因素之間的耦合值,得到參與耦合作用的風險因素越多,耦合作用形式計算的耦合值越大,造成的隧道施工風險越大。在3個因素參與風險耦合過程中,人為-設備-環境因素之間的相互耦合作用造成的隧道施工風險最大; 在雙因素參與風險耦合過程中,設備-環境因素之間的相互耦合作用造成的隧道施工風險最大。
3)在隧道施工事故風險耦合中,環境因素是風險耦合形式的主要參與者。隧道施工事故發生的主要風險因素是環境因素,在隧道施工過程中應加強對環境因素的重視,盡可能避免環境因素與其他風險因素之間的耦合作用。
4)應用解耦思想可以弱化隧道施工風險因素之間的耦合作用。在風險耦合前,應對風險源進行辨識、分析和控制,避免風險因素之間發生耦合作用; 當控制不當的風險因素之間發生耦合作用時,應將正耦合和強耦合轉化為負向耦合; 當正耦合和強耦合發生時,應采取有效的措施減小事故對隧道施工的影響。
隧道施工多風險因素之間的耦合作用研究能夠充分反映隧道施工系統各風險因素之間的相互作用,通過理論研究對隧道施工的風險控制和管理具有重要的理論和現實意義。但本文所搜集的隧道施工事故數據有限,且某些隧道施工事故記錄較為簡潔,具體相關信息不夠完善充分,在運用模型時還需要進一步提高數據的完整性和精度,使計算結果更加符合隧道施工的實際情況。