黃震，傅鶴林，張加兵，史越，王成洋

?

基于云理論的盾構隧道施工風險綜合評價模型

黃震，傅鶴林，張加兵，史越，王成洋

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

傳統(tǒng)的風險評估方法無法將風險評估過程的模糊性和隨機性關聯在一起，基于此，針對盾構隧道施工風險評估過程的模糊性及隨機性特點，提出基于云理論的盾構隧道施工風險綜合評估模型。首先，構建反映盾構隧道施工風險的評價指標體系。然后，將專家對各項評價指標的重要性語言值轉化為權重云，用于表征各評價指標的重要程度。通過專家組討論確定指標的權重及語言評價，得到能夠反映盾構隧道施工風險狀態(tài)綜合評價模糊性和隨機性特點的云模型。最后，運用云理論的計算方法對盾構隧道施工風險等級進行評估，得到風險等級評估結果的云模型。該模型成功運用于獅子洋盾構隧道施工風險評估，驗證了其有效性和實用性。

盾構隧道；施工風險；云理論；風險評估；權重云

作為一項重要的交通基礎設施，城市地下軌道交通在緩解城市人口增長與城市交通壓力之間的矛盾上發(fā)揮著巨大的作用，在北京、上海、廣州等特大城市中，軌道交通系統(tǒng)承擔了城市公共客運總量的40%~50%。盾構法作為城市軌道交通的主要施工工法，占據了城市軌道線路施工總長的50%~70%[1?2]。由于盾構隧道穿梭于城市復雜地層中，其施工技術難度大，施工質量要求高，施工風險大，且周邊存在重要構筑物及密集活動人群，給盾構隧道施工帶來了許多不確定風險因素。針對這些不確定風險因素，通過高效、準確、實用的方法來確定隧道施工風險等級，保障隧道安全施工，成為隧道施工安全風險管理中的一項極為重要的研究內容。隨著越來越多的城市地下軌道交通的建設，許多科研及技術工作者對盾構隧道施工風險評價開展了相關研究，Einstein[3]對海底巖土體中盾構隧道風險展開了詳細分析。Tonon等[4]基于模糊理論和隨機理論研究了隧道工程施工中風險與決策問題。王卓明等[5?6]通過監(jiān)測項目指標與盾構隧道結構狀態(tài)之間關系，對盾構隧道進行風險評價。姚浩等[7]采用模糊綜合評價模型對軟土地區(qū)土壓式盾構掘進施工風險進行評估。謝壯[8]采用層次—模糊綜合評估法對花崗巖球狀風化體段盾構施工進行風險因素的評估。鄭俊杰等[9]結合模糊故障樹理論，提出用模糊成本重要度的指標來評價盾構隧道施工風險因素對成本的影響，進而得出盾構施工需要規(guī)避的風險。陳自海等[10]采用模糊綜合評判法對杭州某地鐵盾構隧道施工進行風險評價。張姣[11]采用貝葉斯網絡模型對地鐵盾構隧道施工進行風險評估。王公忠等[12]利用模糊層次分析法對臺山核電站海底隧道泥水平衡盾構施工風險因素進行分析和安全評價。在上述盾構隧道施工風險評價過程中存在以下主要問題：1) 主要考慮了盾構隧道施工風險因素的模糊性，忽略了風險因素隨機性和離散性的特點。2) 評價結果比較過程中，容易受到主觀不確定性的影響。云理論作為一種用來描述事物定性與定量之間不確定性關系轉化的數學工具能夠很好解決上述問題。其主要特點在于能夠同時反映描述事物的隨機性和模糊性，并構成定性與定量之間的映射關系，因而可用于描述模糊、信息不完整的不確定性問題。目前，該理論已廣泛應用于電力系統(tǒng)評估、裝備保障體系性能評估和環(huán)境質量評估等領域[13?15]，并具有良好的發(fā)展前景?；诖?，本文將盾構隧道施工過程作為一個模糊系統(tǒng)，對各施工過程的風險因素進行逐級分解，構建盾構隧道施工風險評價指標體系，提出基于云理論的盾構隧道施工風險綜合評估模型，利用云理論的計算方法對盾構隧道施工風險進行評價。

1 云理論

云理論是由LI等[16?18]在傳統(tǒng)的模糊集理論和概率統(tǒng)計學的基礎上提出來的，用于研究不確定性問題的數學工具。它實現了定性概念與定量數值之間的轉換，同時兼顧了研究對象的模糊性和隨機性特點。

1.1 云的數字特征

云理論通過引入期望值E，熵E和超熵e來表示云的數字特征。數字特征將模糊性和隨機性關聯起來，可反映事物定性概念的定量特征，并建立了定性概念與定量數值之間的轉換模型。其中，期望值E是論域上最能夠代表模糊定性概念的點值，表示模糊概念在論域中的中心值，是隸屬云的中心分布；熵E是對定性概念不確定性程度的度量，它的大小反映了定性概念的云滴出現的隨機概率和論域中可被定性概念接受的云滴范圍，熵值越大，隨機性和模糊性越大，反之亦然；超熵e是熵的不確性度量，反映了云的離散程度和云厚度，超熵由熵的模糊性和隨機性決定，可反映研究對象的隨機性和模糊性之間的關聯性。

1.2 云的運算法則

表1 云的運算法則

1.3 正態(tài)云模型

為實現定性語言的定量化表示，采用正向正態(tài)云的云發(fā)生器建立定量與定性之間的映射關系。具體算法如下：

1) 生成1個E為期望值，e為標準差的一個正態(tài)隨機數E；

2) 生成1個E為期望值，E為標準差的一個正態(tài)隨機數，為論域空間中的一個云滴；

4) 重復計算上述步驟，直至生成個云滴 為止。

圖1 正態(tài)云圖

2 基于云理論盾構隧道施工風險綜合評估

2.1 盾構隧道施工風險評估指標體系

盾構隧道施工風險評估的首要任務是建立風險評估指標體系。為此，本著科學性，獨立性，完備性，層次性的原則，結合盾構隧道施工風險因素及實際工況，建立隧道盾構施工2級風險評價指標體系[20]。從盾構施工順序的角度將盾構隧道施工過程的第1層指標分解為施工前準備階段、盾構始發(fā)及到達階段、盾構正常推進階段、管片拼裝階段、同步注漿及二次注漿階段、壓氣、開刀及換刀階段、盾構穿越建筑物及管線階段、盾構輔助階段。這樣有利于對不同過程的盾構隧道施工進行風險評估。依據第1層指標依次劃分第2層指標。其中，第1層指標為1級指標，共8個，第2層指標為子指標，共70個，如圖2所示。

2.2 指標等級的權重云模型

目前，指標權重確定的方法主要有2類，一類是以專家打分為主的主觀賦權法，另一類是以數據結果為依據的客觀賦權法，這2類方法各有優(yōu)缺點，由于人的自身偏好差異，主觀賦權法存在一定的隨意性，客觀賦權法得到的權重存在與實際不符的現象。由于在實際評估中通常難以準確得到指標的權重量化值，因此，可以采用語言評價值來反映指標的重要程度，這種方法既反映了人類思維的模糊性、不確定性和復雜性，也消除了主客觀賦權法隨意性以及與實際不符的問題。

假設用于表征指標重要程度的論域為[0,1]，依據專家對各個指標重要程度的語言評價值及其對應的論域轉化為相應的權重云[21]。表2列出了指標評價語言值及其對應的權重云，圖3為云表示的指標權重等級圖。

圖2 盾構隧道施工風險評估指標體系

表2 指標評價語言及權重云

圖3 指標權重等級云圖

2.3 指標的評價云模型

表3 語言評價對應的云模型

表4 風險接受準則

2.4 綜合評判

工程上通常采用表4[24]所示的風險接受準則對風險等級進行判定，并給出相應的工程決策。風險準則中的風險等級與本文建立指標語言評價對應，因此，可轉化為與語言評價相同的云模型來表示。圖4為指標語言評價和風險等級的云圖。

圖4 指標語言評價和風險等級云圖

根據圖2盾構隧道施工風險指標體系及表1中的云計算法則，結合評價語言值確定最底層指標評價云模型，計算如下：

a=v×w(4)

式中：a，v和w分別為最底層第個子指標的評價云模型、語言評價云模型和權重云模型。

若逐層向上進行加權綜合評價，得到隧道施工風險等級為2級，按照相應的接受準則認為是可容許的，然而實際上，隧道始發(fā)和接收階段的施工風險等級為4級，是不可接受的，需要采取相應控制措施和預警方案。因此，該類綜合評定分析結果與實際相悖，具有一定的不可靠性。模糊綜合評價、物元法等也存在相似問題。為解決這一問題，本文引入短板效應來解釋和解決這一問題，該理論認為木桶盛水多少，取決于木桶側壁最短的那塊木板。結合本文提出的指標評價體系，將1級指標的評價結果比作木板，隧道施工安全程度比作水，1級指標的風險等級評價結果決定了隧道整體施工風險等級和安全程度。因此，本文選取1級指標的施工風險等級的最不利結果作為隧道整體施工風險等級，然后依據1級指標的評價結果提出相應的控制措施。

3 工程案例分析

佛山至東莞城際鐵路獅子洋隧道，盾構段長4 900 m，盾構直徑13.46 m，采用泥水平衡盾構。始發(fā)井和接收井的平面尺寸為28.8 m× 29.1 m。進洞洞門側面地質剖面圖如圖5所示。始發(fā)井與接收井位于鄰近獅子洋入?？冢貙佑缮现料聻槿斯ぬ钔翆?，第四系海相沉積及沖擊層，基巖層，地下承壓水頭較大，地下水極為豐富。這些不利因素成為盾構隧道進出洞施工安全的風險源，盾構始發(fā)與到達階段施工風險評估對工程風險決策具有重要的指導作用。

因此，本研究以“盾構始發(fā)與到達階段”為例進行風險評估。盾構始發(fā)與到達階段共10個子指標，通過由隧道工程專業(yè)的專家、科研單位主要技術人員、設計院主要技術人員、項目部主要技術人員組成的專家討論組，確定子指標的權重及評價語言，然后根據云計算法則，利用式(4)計算子指標的評價云模型。相應計算結果如表5所示。

結合表5子指標的評價云模型，利用式(5)計算出盾構始發(fā)與到達階段的評估結果云模型為(0.578，0.032，0.003)。將評估結果云模型，按照正向正態(tài)云發(fā)生器計算步驟，得到評估結果云圖，如圖6所示。從圖6中可直觀看出，獅子洋隧道盾構始發(fā)與到達階段的施工風險等級為2級~3級之間，且偏向于3級風險。

采用上述相同方法對其他1級指標進行施工風險評價，得到相應的施工風險評價結果云模型和對應的施工風險評價等級，選取1級指標的施工風險等級的最不利結果作為隧道整體施工風險等級，結果如表6所示。隧道整體施工風險等級為偏向于3級，因此，該項目施工風險可接受，但需要加強監(jiān)測及防范，并對此重視，制定相應的預防措施方案。

圖5 進洞側面地質剖面圖

表5 子指標的權重、語言評價及評價云模型

圖6 盾構始發(fā)與到達階段風險等級評價結果云圖

為了驗證基于云理論的施工風險綜合評價模型的實用性和有效性，采用文獻[7]提出的盾構隧道施工風險模糊綜合評價方法，結合本文中的評價指標體系，對該隧道盾構施工整體風險進行評價，評價結果與本文基于云理論的隧道施工綜合評價結果相符，如表6所示。此外，該評價結果與獅子洋隧道施工安全風險評估報告結果相吻合，進一步說明了基于云理論的盾構隧道施工風險評價方法的可行性。

盾構隧道施工風險是一個定性的概念，影響盾構隧道施工安全的影響因素較為復雜，難以用合適的方法進行統(tǒng)一度量，而云模型利用云數字特征可將這些因素進行量化表示，并反映了評估過程和結果隨機性和模糊性的特點，實現了定性語言與定量數值之間的不確定性轉換關系，其應用在文中案例分析中得到了較好的體現。

表6 隧道施工風險等級綜合評價結果

4 結論

1) 傳統(tǒng)的風險評估方法無法將風險評價的模糊性和隨機性關聯在一起，基于此，提出基于云理論的盾構隧道施工風險綜合評價模型，該模型很好地兼顧了盾構隧道施工風險評價的模糊性和隨機性特點。通過對獅子洋隧道盾構始發(fā)與到達階段施工風險評估的應用，驗證了該模型的實用性及有效性。

2) 采用語言評價值來反映指標的重要程度，既反映了人類思維對事物評價的模糊性、不確定性，也消除了主客觀賦權法的隨意性問題。盾構隧道施工風險評價中的評價指標均為定性概念，將評價指標用語言評價集來描述，再利用云理論將語言評價集轉化為正態(tài)云圖，較好地保留了定性指標的模糊性和評價結果的客觀性。

3) 依據本文建立的盾構隧道風險評估指標體系，可得到盾構隧道不同施工階段的風險評估結果，便于施工風險控制提供動態(tài)指導。該風險評估結果是一個有期望值、熵和超熵3個數字特征組成的云模型。該云模型綜合考慮了評估結果的期望值、模糊性及隨機性特點，提高了風險評價的魯棒性，為盾構隧道施工風險控制系統(tǒng)的不確定性，提出了一種簡便高效可視的新方法。

4) 基于本文提出的風險評價指標體系，該評價方法既能對隧道不同施工階段進行風險評價，還能確定整個階段的綜合風險等級，能夠快速確定盾構施工風險等級，便于指導風險管控。

[1] 張新金, 劉維寧, 路美麗, 等. 北京地鐵盾構法施工問題及解決方案[J]. 土木工程學報, 2008, 41(10): 93?99. ZHANG Xinjin, LIU Weining, LU Meili, et al. Problems and solutions of shield tunneling for Beijing metro[J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(10): 93?99.

[2] 徐順明. 廣州軌道交通盾構隧道施工控制測量的研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2011. XU Shunming. On the control survey in the shield tunnel construction of Guangzhou rail traffic[D]. Wuhan: Wuhan University, 2011.

[3] Einstein H H. Risk and risk analysis in rock engineering[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1996, 2(11): 141?155.

[4] Tonon F, Mammion A. Bernardini A. Multiobjective optimization under uncertainty in tunneling application to The design of tunnel support/ reinforcement with case histories[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2002(17): 33?54.

[5] 王明卓, 黃宏偉. 基于橫向收斂變形的盾構隧道風險評價研[J]. 現代隧道技術, 2014, 51(增1): 5?9. WANG Mingzhuo, HUANG Hongwei. Risk assessment of shield tunnel based on horizontal convergence[J]. Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(Suppl 1): 5?9.

[6] 彭銘, 黃宏偉, 胡群芳, 等. 基于盾構隧道施工監(jiān)測的動態(tài)風險數據庫開發(fā)[J]. 地下空間與工程學報, 2007, 3(7): 1255?1260. PENG Ming, HUANG Hongwei, HU Qunfang, et al. A risk database designed for dynamic risk management in shield tunneling from monitoring date[J]. Chinese Journal Underground Space and Engineering, 2007, 3(7): 1255?1260.

[7] 姚浩, 周紅波, 蔡來炳, 等. 軟土地區(qū)土壓盾構隧道掘進施工風險模糊評估[J]. 巖土力學, 2007, 28(8): 1753?1756. YAO Hao, ZHOU Hongbo, CAI Laibing, et al. Fuzzy synthetic evaluation on construction risk of EPBS during tunnelling in soft soil area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(8): 1753?1756.

[8] 謝壯. 花崗巖球狀風化體地段地鐵盾構施工風險分析與控制[D]. 長沙: 中南大學, 2010. XIE Zhuang. Risk analysis and control of metro shield construction in the area of the spherical weathered granite[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[9] 鄭俊杰, 林池峰, 趙冬安, 等. 基于模糊故障樹的盾構隧道施工成本風險評估[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(4): 501?508. ZHENG Junjie, LIN Chifeng, ZHAO Dongan, et al. Risk assessment of shield tunnel construction cost using fuzzy fault tree[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(4): 501?508.

[10] 陳自海, 陳建軍, 楊建輝. 基于模糊層次分析法的盾構隧道施工風險分析[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(6): 1427?1432. CHEN Zihai, CHEN Jianjun, YANG Jianhui. Risk analysis of tunnel shield machine driving in construction process based on fuzzy AHP[J]. Chinese Journal Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1427?1432.

[11] 張姣. 基于貝葉斯網絡的地鐵盾構隧道工程風險評估方法[J]. 城市軌道交通研究, 2014(3): 30?34. ZHANG Jiao. Risk assessment of metro shield tunnel construction based on bayesian network[J]. Urban Mass Transit, 2014(3): 30?34.

[12] 王公忠, 劉星魁, 李鳳琴. 層次分析法的海底隧道盾構施工風險評價[J]. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2015, 34(11): 1240?1243. WANG Gongzhong, LIU Xingkui, LI Fengqin. Evaluation of risks of shield construction of submarine tunnel with analytic hierarchy process[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2015, 34(11): 1240?1243.

[13] Jiao P, Zha Y B. Credibility evaluation method based on cloud model[C]// International Conference on Electrical and Control Engineering. Wuhan, China: IEEE, 2010: 648?651.

[14] 張鐿議, 廖瑞金, 楊麗君, 等. 基于云理論的電力變壓器絕緣狀態(tài)評估方法[J]. 電工技術學報, 2012, 27(5): 13?19. ZHANG Yiyi, LIAO Ruijin, YANG Lijun, et al. An assessment method for insulation condition of power transformer based upon cloud model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5): 13?19.

[15] LI D R, DI K C, LI D Y. Knowledge representation and uncertaintiy reasoning in GIS based on cloud models[C]// 9th International Symposium on Spatial Data Handling. Beijing, China: [s.n.], 2000: 10?12.

[16] LI Deyi. Uncertainty reasoning based on cloud models in controllers journal of computer science and mathematics with application[J]. Elsevier Science, 1998, 35(3): 99? 123.

[17] 李德毅. 不確定性人工智能[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005: 4?31. LI Deyi. Uncertainty artificial intelligence[M]. Beijing: China National Defense Press, 2005: 4?31.

[18] 劉常昱, 李德毅, 杜鹢, 等. 正態(tài)云模型的統(tǒng)計分析[J].信息與控制, 2005, 34(2): 236?239. LIU Changyu, LI Deyi, DU Yi, et al. Some statistical analysis of the normal cloud model[J]. Information and Control, 2005, 34(2): 236?239.

[19] 李德毅, 劉常昱. 論正態(tài)云模型的普適性[J]. 中國工程科學, 2004, 6(8): 28?34. LI Deyi, LIU Changyu. Study on the universality of the normal cloud model[J]. Engineering Science, 2004, 6(8): 28?34.

[20] 茍敏. 地鐵區(qū)間隧道盾構施工風險管理研究[D]. 青島:青島理工大學, 2014. GOU Min. Study on risk management of metro tunnel shield construction[D]. Qingdao: Qingdao Technological University, 2014.

[21] 辛晶, 夏登友, 龐西磊, 等. 基于云理論的高層建筑火災風險評估[J]. 消防管理研究, 2011, 30(3): 258?261. XIN Jin, XIA Dengyou, PANG Xilei, et al. Fire risk assessment for high-rise buildings based on cloud theory[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(3): 258?261.

[22] 邸凱昌, 李德毅, 李德仁. 云理論及其在空間數據發(fā)掘和知識發(fā)現中的應用[J]. 中國圖象圖形學報, 1999, 44(11): 930?935. DI Kaichang, LI Deyi, LI Deren. Cloud theory and its applications in spatial data mining and knowledge discovery[J]. Journal of Image and Graphics, 1999, 44(11): 930?935.

[23] 范莉, 夏非, 蘇浩益, 等. 基于云理論的高壓絕緣子污穢狀態(tài)風險評估[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(15): 57?62. FAN Li, XIA Fei, SU Haoyi, et al. Risk assessment of high voltage insulator contamination condition by cloud theory[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(15): 57?62.

[24] 中華人民共和國建設部. 地鐵及地下工程建設風險管理指南[M]. 北京: 中國建筑出版社, 2007. Ministry of Construction P R China. Guidelines of risk management for the construction of tunnel and underground works[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2007.

Comprehensive evaluation model of shield tunnel construction risk based on cloud theory

HUANG Zhen, FU Helin, ZHANG Jiabing, SHI Yue, WANG Chenyang

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The traditional risk assessment method can not associate the fuzziness with the randomness of risk. Therefore, on the basis of cloud theory, the study puts forward a comprehensive risk assessment model for shield tunnel aiming at the fuzziness and randomness of the risk assessment index of shield tunnel construction. Firstly, construct the evaluation index system which can reflect the construction risk of shield tunnel. Then, convert the experts’ language value on each evaluation index into the weight of the cloud to characterize the importance of each evaluation index.The weight and linguistic evaluation of the index are discussed by the panel, and the cloud model is obtained which can reflect the fuzzy and random characteristics of the risk state of shield tunnel construction. Finally, use the method of cloud theory to evaluate the risk level of shield tunnel. The model is successfully applied to the construction risk assessment of the Shiziyang shield tunnel which verifies the effectiveness and practicability.

shield tunnel; construction risk; cloud theory; risk assessment; the weight of the cloud

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.035

U45；X951

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 3012 ? 09

2017?09?12

國家自然科學基金資助項目(51538009，51578550)；中南大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2017zzts152)

黃震(1989?)，男，湖南長沙人，工程師，博士研究生，從事地下結構安全及巖土工程研究；E?mail：hzcslg@163.com

(編輯 陽麗霞)