史小麗 姚玉玲 付浩然 潘軍利

(長安大學(xué)公路學(xué)院1) 西安 710064) (內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司2) 錫林郭勒 026000) (陜西省交通建設(shè)集團公司3) 西安 710075)

0 引 言

隧道工程在施工中面臨著斷層破碎帶、滲水、偏壓等各種不良地質(zhì)條件，使隧道施工中發(fā)生安全事故的概率大大增加.為了加強隧道工程在施工過程中的風(fēng)險管理，中國交通運輸部頒發(fā)了《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》(以下簡稱《指南》)[1].此外，國內(nèi)外學(xué)者也進行了大量的研究工作，通過梳理該領(lǐng)域的已有研究內(nèi)容，其研究焦點集中在：①針對某一特定隧道的全過程風(fēng)險管理研究[2-5]；②針對某一特定施工方法中存在的風(fēng)險因素對項目合同、費用、工期、質(zhì)量和安全等方面的影響研究[6-8]；③研究過程中都采用了相應(yīng)的模型、方法，建立了決策平臺[9-10].由此可見，針對特定地質(zhì)條件或特定施工方法的隧道工程進行風(fēng)險應(yīng)用研究在國內(nèi)外相當普遍.

盡管隧道工程施工中面臨的地質(zhì)環(huán)境具有多樣性，采用的施工方法具有不同的針對性，但隧道施工中的致險因素最終導(dǎo)致的結(jié)果是確定的，即可能產(chǎn)生施工生產(chǎn)安全事故，造成人民生命和財產(chǎn)的損失.本文突破以往風(fēng)險管理研究中以某一特定隧道或某一施工方法為出發(fā)點的常規(guī)思路，立足于現(xiàn)行《指南》中對坍塌、涌水突泥和瓦斯爆炸這三種施工安全重大風(fēng)險源的風(fēng)險等級評估方法進行研究，修正現(xiàn)有評方法的評估結(jié)果，提高公路隧道施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險等級預(yù)判的準確性.

1 現(xiàn)行公路隧道工程施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險評估方法評價

現(xiàn)行《指南》中根據(jù)風(fēng)險可能性和后果嚴重程度這兩個因素，采用風(fēng)險矩陣法判定風(fēng)險等級，其中前者是采用指標體系法對坍塌、涌水突泥和瓦斯爆炸事故進行評估確定風(fēng)險可能性等級，后者根據(jù)專家調(diào)查的主觀方法確定后果嚴重程度等級.該評估方法中風(fēng)險可能性等級確定是核心內(nèi)容，其特點如下。

1) 評估指標綜合、全面 《指南》從人、機、料、法、環(huán)境等方面對可能導(dǎo)致事故的致險因子形成評估指標，并且確定了各評估指標可能存在的狀態(tài)和對應(yīng)的打分值.如坍塌事故這一風(fēng)險源的風(fēng)險可能性等級判定需要從隧道施工區(qū)段坍塌事故可能性評估指標和安全管理評估指標兩個角度綜合確定，前者評估指標包括圍巖級別(A)、斷層破碎情況(B)、滲水狀態(tài)(C)、地質(zhì)符合性(D)、施工方法(E)、施工步距(F)，這幾個指標分別存在4，4，4，3，3，4種狀態(tài)；后者評估指標包括總包企業(yè)資質(zhì)(a)、專業(yè)及勞務(wù)分包企業(yè)資質(zhì)(b)、歷史事故情況(c)、作業(yè)人員經(jīng)驗(d)、安全管理人員配備(e)、安全投入(f)、機械設(shè)備配置及管理(g)、專項施工方案(h)，這幾個指標分別存在4,2,4,3,3,3,3,3種狀態(tài).

2) 評估方法簡便、快捷 仍以坍塌事故為例，首先根據(jù)實體隧道工程的情況和《指南》設(shè)計的指標狀態(tài)分值，打分得出事故可能性的各評估指標得分值A(chǔ),B,C,D,E,F和反映安全管理的評估指標得分值a,b,c,d,e,f；其次根據(jù)安全管理評估指標的狀態(tài)分累計值M(M=a+b+c+d+e+f+g+h)，得出折減系數(shù)γ；再計算得出事故可能性的計算分值P(P=γ(C×A+B+D+E+F))；最后根據(jù)《指南》確定的計算分值P與事故可能性等級的對應(yīng)關(guān)系，得出風(fēng)險可能性等級.

上述對評估指標和評估方法的分析可見，目前的評估方法存在兩方面問題：①對評估指標間的相關(guān)性欠缺考慮，只是簡單的將不同指標的得分值進行疊加；但各評估指標間是具有一定的相關(guān)性的，如上述斷層破碎帶和滲水狀態(tài)都會影響圍巖等級、企業(yè)資質(zhì)會影響歷史事故情況和作業(yè)人員經(jīng)驗等；②評估結(jié)果過于絕對化，而評估結(jié)果應(yīng)是一個概率事件，并且此概率性的評估結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)下一步的施工項目管理.

2 基于Bayes網(wǎng)絡(luò)的改進的評估方法

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用于隧道施工安全風(fēng)險等級評估的可行性分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖形可對風(fēng)險源評估中各評估指標間的不確定性內(nèi)容進行準確表達，其中的節(jié)點即為現(xiàn)行《指南》中確定的各評估指標；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)推理能力可對各評估指標之間復(fù)雜的關(guān)系進行學(xué)習(xí)，并以有向弧線和概率分布的形式進行表達.這種由節(jié)點和箭線組成的圖示化模型，可清晰的表達隧道施工安全風(fēng)險評估中各評估指標之間的因果關(guān)系，風(fēng)險判斷結(jié)果以概率形式給出，更加可靠，對實際工程中的風(fēng)險控制、預(yù)防措施制定具有指導(dǎo)意義.

2.2 貝葉斯定理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中最基本的信息傳遞基礎(chǔ)即為貝葉斯定理，貝葉斯定理可以描述兩個條件概率之間的關(guān)系[11-12].

公路隧道施工安全風(fēng)險等級評估結(jié)果有四種可能，即I級、II級、III級和IV級風(fēng)險，這四個事件用Ri表示(i=1～4),構(gòu)成了一個樣本空間；貝葉斯定理中需要事先對這四個事件出現(xiàn)的可能性大小進行估計，即確定P(Ri)稱為先驗概率；當對某個隧道施工安全風(fēng)險等級進行評估時，對各評估指標的打分得到了一個結(jié)果S，那么貝葉斯公式提供了根據(jù)S的出現(xiàn)而對先驗概率做出新評價的方法，即確定出P(Ri/S)，稱為后驗概率

(1)

先驗概率可根據(jù)以往的數(shù)據(jù)分析得到，本文根據(jù)《指南》確定的評估指標體系和相應(yīng)的狀態(tài)分值建立數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括了所有與風(fēng)險等級相對應(yīng)的判定風(fēng)險可能性等級和后果嚴重程度的評估指標狀態(tài)值，據(jù)此數(shù)據(jù)庫通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和參數(shù)學(xué)習(xí)可以得出先驗概率；再將實體隧道的評估指標參數(shù)值代入，即可得出考慮了可能性的風(fēng)險等級判斷結(jié)果，即后驗概率.

2.3 改進的公路隧道施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險等級評估方法

圖1為隧道施工安全風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立流程圖，圖中左側(cè)部分為模型的建立過程，右側(cè)為對相應(yīng)步驟的解釋及具體實施內(nèi)容.

圖1 改進的公路隧道施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險等級評估方法流程圖

3 數(shù)據(jù)庫的建立

評估方法中數(shù)據(jù)庫的建立完全依賴于現(xiàn)行《指南》中全面綜合的評估指標，涉及物的不安全狀態(tài)指標、人的因素及施工管理指標、人員傷亡和直接經(jīng)濟損失指標三個方面，圖2以坍塌事故為例表示數(shù)據(jù)庫生成的過程，圖中字母所代表的含義同1中的描述，因隧道施工安全重大風(fēng)險源事故受多重因素的影響，評估指標較多，圖中未一一列出，僅以省略號表示數(shù)據(jù)庫的建立思路；圖中字母的下標表示評估指標的狀態(tài)；人員傷亡和直接經(jīng)濟損失共四種狀態(tài)，未在圖中顯示.據(jù)此可以得出僅坍塌事故的數(shù)據(jù)庫就有17 832 960組數(shù)據(jù).

圖2 坍塌事故風(fēng)險可能性等級判斷對應(yīng)關(guān)系圖

4 隧道施工安全風(fēng)險等級判斷模型的建立

4.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的過程，是尋找一個最能準確描述先驗知識及節(jié)點相關(guān)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程，本文選用機器學(xué)習(xí)法和專家經(jīng)驗法建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).由于本文中的數(shù)據(jù)為完整的數(shù)據(jù)集，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機器學(xué)習(xí)算法選擇貪婪搜索算法(greedy thick thinning)中的K2算法，再將所得學(xué)習(xí)結(jié)果與工程經(jīng)驗結(jié)合對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，這一過程充分考慮了各評估指標之間的相關(guān)性.圖3為根據(jù)坍塌事故數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)后得到的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖.

圖3 坍塌事故風(fēng)險等級判斷的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

4.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)過程是通過樣本數(shù)據(jù)集進行評估，得出先驗概率.本文采用極大似然估計(MLE)方法進行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參數(shù)學(xué)習(xí).

首先需對各節(jié)點的狀態(tài)進行定義，并與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)進行匹配；本網(wǎng)絡(luò)模型中的匹配是將節(jié)點的各狀態(tài)與各評估指標的得分值相對應(yīng)，見圖4.

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建和參數(shù)學(xué)習(xí)后，一個完整的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險等級概率判斷模型便建立完成，圖5為坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險等級概率判斷模型.

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點與數(shù)據(jù)的狀態(tài)對應(yīng)圖

圖5 坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險等級概率判斷模型

在實際應(yīng)用過程中，將所評估隧道的各評估指標的狀態(tài)值代入網(wǎng)絡(luò)模型中，即可實現(xiàn)事故風(fēng)險等級的判斷.

5 結(jié)果驗證與應(yīng)用

為驗證本文提出的評估方法的準確性，選擇西鐘嶺隧道專項施工安全風(fēng)險評估報告的評估結(jié)果進行驗證，該隧道無瓦斯爆炸事故風(fēng)險源，故僅對坍塌和涌水兩個重大風(fēng)險源進行分析.表1為坍塌事故風(fēng)險等級判斷結(jié)果對照表，表2為涌水事故風(fēng)險等級判斷結(jié)果對照表.

由表1～2可知：

1) 現(xiàn)有方法的風(fēng)險等級判斷結(jié)果，實質(zhì)是改進方法判斷結(jié)果中概率值最大時對應(yīng)的風(fēng)險等級，從這一點看，兩種方法所得結(jié)果是一致的.

表1 西鐘嶺隧道坍塌事故風(fēng)險等級判斷表

表2 西鐘嶺隧道涌水事故風(fēng)險等級判斷表

2) 風(fēng)險等級判斷結(jié)果中II級風(fēng)險和III級風(fēng)險發(fā)生概率分別是45%和55%，與判斷結(jié)果分別是28%和72%，11%和89%，21%和79%時，需引起的重視程度是大大不同的.

3) 兩種方法相對比，改進的概率判斷模型所得結(jié)果不僅可以準確判斷事故風(fēng)險的等級，而且得出了事故各風(fēng)險等級發(fā)生的概率，結(jié)果更加詳細、可靠，對下一步的風(fēng)險應(yīng)對與防范指導(dǎo)意義更大.

4)可根據(jù)概率性的風(fēng)險等級評估結(jié)果，從施工技術(shù)方案角度制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，計算期望工期和費用，為項目管理決策提供依據(jù).

6 結(jié) 論

1) 對現(xiàn)行《指南》公路隧道施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險評估方法進行評價，表明評估指標全面，但評估方法僅是對各評估指標進行疊加、未考慮各評估指標間的相關(guān)性，評估結(jié)果未體現(xiàn)風(fēng)險發(fā)生概率大小.

2) 論證了貝葉斯理論用于公路隧道施工安全重大風(fēng)險源風(fēng)險評估的可行性和適用性，通過建立風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所需的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和節(jié)點參數(shù)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)貝葉斯風(fēng)險等級概率判斷模型的構(gòu)建.

3) 依托實體隧道工程，采用改進的方法進行評估，將所得結(jié)果與現(xiàn)行方法進行對比，其結(jié)果更加詳細、可靠，對下一步的風(fēng)險應(yīng)對與防范指導(dǎo)意義更大.

4)同一隧道工程的同一評估區(qū)段，可能同時存在兩種以上風(fēng)險源，下一步可考慮對受多種風(fēng)險源影響的區(qū)段進行風(fēng)險管理開展研究.