荀曉霖，袁永博

(大連理工大學(xué) 建設(shè)管理系，遼寧 大連 116024)

隨著人們對(duì)交通便捷性要求越來(lái)越高，各國(guó)日益重視海底隧道的建設(shè)。世界已建成的著名海底隧道有日本青函隧道、英吉利海峽隧道、連接歐亞大陸的馬爾馬拉海底隧道、挪威海底隧道等[1]。我國(guó)雖然在海底隧道建設(shè)起步較晚，但發(fā)展迅速，從2010年建成內(nèi)陸第一條海底隧道——廈門(mén)翔安海底隧道后，青島膠州灣海底隧道、港珠澳大橋海底隧道等陸續(xù)建成通車(chē)，汕頭海灣隧道、大連灣海底隧道等多條海底隧道正在施工中，瓊州海底隧道、渤海隧道等正在規(guī)劃。建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，海底隧道建設(shè)項(xiàng)目復(fù)雜的地質(zhì)條件、特有的施工方法等，導(dǎo)致施工階段風(fēng)險(xiǎn)尤為突出[2]。這需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，以提高海底隧道風(fēng)險(xiǎn)管理水平。

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)排序多采用專(zhuān)家打分法、層次分析法、熵權(quán)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色理論等[3～5]。柳皎等[6]基于安全系統(tǒng)工程理論對(duì)大跨度淺埋深隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；張永剛等[7]運(yùn)用信心指數(shù)法和層次分析法，對(duì)渤海灣海底隧道施工期間的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了估計(jì)與評(píng)價(jià)，給出了該海底隧道施工期的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；趙金先等[8]運(yùn)用AHP-SPA(Analytic Hierarchy Process,Set Pair Analysis)法對(duì)地鐵建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由于這些方法沒(méi)有考慮風(fēng)險(xiǎn)因素之間的交互影響，易導(dǎo)致排序結(jié)果出現(xiàn)偏差。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將風(fēng)險(xiǎn)間的交互影響納入風(fēng)險(xiǎn)排序過(guò)程中[9]，杜修力等[10]考慮風(fēng)險(xiǎn)因素之間的影響提出基于網(wǎng)絡(luò)分析法的地下工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和排序方法，汪濤等[11]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立風(fēng)險(xiǎn)因素之間的交互影響模型，評(píng)估了建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)概率水平。

綜上所述，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者在對(duì)大型工程項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究時(shí)考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素信息的模糊性，也開(kāi)始考慮風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在的交互影響。但是，沒(méi)有同時(shí)考慮風(fēng)險(xiǎn)的模糊性、風(fēng)險(xiǎn)因素交互影響度。因此，本研究將改進(jìn)的QFD(Quality Function Deployment)方法應(yīng)用在海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序中，建立海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋，提出基于直覺(jué)模糊質(zhì)量功能展開(kāi)(Intuitionstic Fuzzy Quality Function Deployment，IFQFD)的風(fēng)險(xiǎn)排序模型。該模型運(yùn)用符合客觀情況的直覺(jué)模糊集理論，集成海底隧道施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重、施工各階段風(fēng)險(xiǎn)因素重要度以及風(fēng)險(xiǎn)因素之間關(guān)聯(lián)度，使海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序更加合理。

1 直覺(jué)模糊集

Atanassov[12]于1986年提出的直覺(jué)模糊集理論，是對(duì)Zadeh(1965)模糊集合的拓展，直覺(jué)模糊集將模糊子集由隸屬函數(shù)刻畫(huà)拓展為由隸屬函數(shù)、非隸屬函數(shù)和猶豫度函數(shù)表示，提供了對(duì)客觀事物不確定信息更貼合的描述方法。

定義1：設(shè)E是一個(gè)固定集，有A={〈x,μA(x),νA(x)〉|x∈E}，那么稱(chēng)A為一個(gè)直覺(jué)模糊集(Intuitionistic Fuzzy Set，IFS)，其中任意x的隸屬度函數(shù)為μA(x)，非隸屬度函數(shù)為νA(x)，且滿(mǎn)足0≤μA(x)+νA(x)≤1。猶豫度函數(shù)定義為：πA(x)=1-μA(x)-νA(x)。若A已確定，則對(duì)于每個(gè)x∈E，其對(duì)應(yīng)的直覺(jué)模糊數(shù)都可簡(jiǎn)記為x=(μx,vx)。

定義2：設(shè)ai(i=1,2,…,n)為直覺(jué)模糊數(shù)，直覺(jué)模糊冪平均(Intuitive Fuzzy Power Averaging，IFPA)算子計(jì)算如公式為：

(1)

(2)

定義3：設(shè)a和b是確定直覺(jué)模糊集A中的兩個(gè)直覺(jué)模糊數(shù)，其中a=(μa,va)，b=(μb,vb)，兩直覺(jué)模糊數(shù)運(yùn)算法則為：

(1)a⊕b=(μa+μb-μaμb,vavb)；

(2)a?b=(μaμb,va+vb-vavb)；

定義4 ：對(duì)于任一直覺(jué)模糊數(shù)a=(μa,va)，可通過(guò)得分函數(shù)s對(duì)其進(jìn)行評(píng)估[13]。得分函數(shù)按式(3)計(jì)算。

s(a)=μa-va

(3)

在對(duì)多個(gè)直覺(jué)模糊數(shù)進(jìn)行排序時(shí)，得分越高，排序越靠前。

2 IFQFD方法的優(yōu)勢(shì)與不足

IFQFD風(fēng)險(xiǎn)排序方法優(yōu)勢(shì)與不足主要有以下幾個(gè)方面：

(1)QFD方法能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品和功能分解的有機(jī)結(jié)合，已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，供應(yīng)商選擇，風(fēng)險(xiǎn)管理等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。海底隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，導(dǎo)致施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素多且風(fēng)險(xiǎn)間存在關(guān)系和關(guān)聯(lián)，將QFD方法引入解決了施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)間關(guān)聯(lián)和關(guān)系的合成問(wèn)題。

(2)專(zhuān)家在對(duì)權(quán)重及關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，難免會(huì)因?yàn)橹饔^意識(shí)的差異影響到風(fēng)險(xiǎn)因素的排序結(jié)果。直覺(jué)模糊集是模糊集的拓展，它既能刻畫(huà)海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊性，又能通過(guò)隸屬度和非隸屬度對(duì)專(zhuān)家評(píng)價(jià)的自然語(yǔ)言進(jìn)行定量化處理，可以有效解決評(píng)價(jià)中風(fēng)險(xiǎn)信息的模糊性問(wèn)題。

(3)QFD方法和直覺(jué)模糊集結(jié)合而成的IFQFD模型，綜合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)多名專(zhuān)家評(píng)價(jià)信息進(jìn)行集結(jié)時(shí)，利用IFPA算子可以降低多名專(zhuān)家之間由于知識(shí)背景不同帶來(lái)的個(gè)體之間的主觀差異。

(4)IFQFD風(fēng)險(xiǎn)排序方法和AHP、模糊數(shù)等常用排序方法比較，IFQFD方法同時(shí)考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊性、風(fēng)險(xiǎn)因素間交互影響，更加符合實(shí)際情況。不足之處是計(jì)算較復(fù)雜，可操作性稍遜。

3 基于IFQFD的風(fēng)險(xiǎn)因素排序模型

基于IFQFD的海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序過(guò)程可以分為以下幾個(gè)主要步驟：

(1)明確研究范圍，對(duì)海底隧道施工階段進(jìn)行劃分，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素，建立施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋；

(2)邀請(qǐng)專(zhuān)家分別對(duì)施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重進(jìn)行自然語(yǔ)言評(píng)價(jià)，使用IFAHP法計(jì)算權(quán)重；

(3)確定施工各階段和風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系矩陣，量化風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)矩陣；

(4)求出各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序。

3.1 建立施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋

海底隧道施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素的產(chǎn)生和施工各階段的作業(yè)活動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系[14]，進(jìn)行海底隧道風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)需要考慮兩者之間的關(guān)系，符合運(yùn)用質(zhì)量屋和QFD方法解決問(wèn)題的思路。

將海底隧道施工各階段作為左墻，施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重作為右墻，風(fēng)險(xiǎn)因素作為天花板，施工各階段和風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)系矩陣作為房間，風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)聯(lián)作為屋頂，風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重作為地板。建立的海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋如圖1所示。

圖1 海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋

3.2 計(jì)算施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

海底隧道施工各階段不同的作業(yè)活動(dòng)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的概率和損失不同，專(zhuān)家在評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)類(lèi)似工程風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重要度衡量，運(yùn)用直覺(jué)模糊層次分析法(IFAHP)計(jì)算權(quán)重。

3.2.1 構(gòu)造直覺(jué)模糊判斷矩陣

表1 自然語(yǔ)言和直覺(jué)模糊數(shù)轉(zhuǎn)換

3.2.2 一致性檢驗(yàn)和修正

專(zhuān)家對(duì)多個(gè)因素兩兩比較給出的評(píng)價(jià)結(jié)果，往往存在偏差，不能得到一致的結(jié)論。根據(jù)徐澤水[15]提出的方法，以專(zhuān)家k為例，一致性檢驗(yàn)和修正步驟為：

若仍不滿(mǎn)足要求，則繼續(xù)調(diào)整σ，直到調(diào)整后矩陣滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)為止。

3.2.3 施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算

(4)

運(yùn)用式(1)(2)中IFPA算子對(duì)n名專(zhuān)家的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行集結(jié)，得到m個(gè)施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)直覺(jué)模糊權(quán)重矩陣wc=(w1,w2,…,wi,…,wm)。

3.3 確定風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)矩陣和關(guān)系矩陣

表2 自然語(yǔ)言和直覺(jué)模糊數(shù)轉(zhuǎn)換

同理，可以得到施工各階段和風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系矩陣WC=(cip)m×t。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)因素排序

確定施工各階段和風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)系矩陣以及風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)矩陣后，可以通過(guò)公式(5)計(jì)算得到風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重矩陣wR=(w1,w2,…,wp,…,wt)，其中wp=(μp,vp)。

wR=wCWCWR

(5)

利用式(3)將直覺(jué)模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為確定數(shù)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的排序。

4 實(shí)例分析

以大連地鐵5號(hào)線海底隧道工程為例展開(kāi)實(shí)證研究。該隧道火車(chē)站—梭魚(yú)灣南站區(qū)間下穿大連鉆石灣海域，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，具有長(zhǎng)距離掘進(jìn)、高水壓帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)等施工特點(diǎn)。隧道穿越的海域水深4～9 m，地質(zhì)條件復(fù)雜。在勘察階段分初勘、詳勘和專(zhuān)勘對(duì)該海底隧道進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察，地勘資料顯示隧道主要穿過(guò)中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、溶蝕地層、中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖、中風(fēng)化板巖等，且穿越巖溶中等—強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。由于溶洞的存在會(huì)對(duì)隧道施工造成嚴(yán)重威脅，因此對(duì)溶洞位置、規(guī)模及填充性質(zhì)進(jìn)行了專(zhuān)勘，并根據(jù)專(zhuān)勘結(jié)果對(duì)溶洞進(jìn)行注漿加固等針對(duì)性預(yù)處理，以降低施工中工程和水文地質(zhì)引起的風(fēng)險(xiǎn)。

邀請(qǐng)4名具有豐富海底隧道盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家對(duì)權(quán)重及關(guān)聯(lián)度進(jìn)行自然語(yǔ)言評(píng)價(jià)，運(yùn)用IFQFD模型進(jìn)行施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素排序。

4.1 構(gòu)建直覺(jué)模糊質(zhì)量屋

通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)[16～18]，將該盾構(gòu)法海底隧道施工階段劃分為6個(gè)，分別為施工前準(zhǔn)備階段，盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段，盾構(gòu)掘進(jìn)階段，管片拼裝階段，注漿階段和盾構(gòu)到達(dá)接受階段。

運(yùn)用WBS-RBS(Work Breakdown Structures and Risk Breakdown Structure)法[19]進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，得到6個(gè)施工階段，共33個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，如表3所示。

表3 施工階段及風(fēng)險(xiǎn)因素

由表3中的施工階段和風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)，構(gòu)建成的海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)法海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋模型

4.2 運(yùn)用IFAHP法確定施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

由4名專(zhuān)家分別給出施工6個(gè)階段的事故相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要性，結(jié)合表1中自然語(yǔ)言和直覺(jué)模糊數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到評(píng)價(jià)矩陣E(1)～E(4)。由于篇幅關(guān)系，僅給出專(zhuān)家1評(píng)價(jià)矩陣E(1)和一致性檢驗(yàn)及修正過(guò)程。

wc=[(0.202,0.786),(0.287,0.713),(0.124,0.874),(0.066,0.933),(0.060,0.937),(0.261,0.737)]

4.3 確定關(guān)系矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣

由4名專(zhuān)家分別進(jìn)行施工6個(gè)階段事故風(fēng)險(xiǎn)和33個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系，以及33個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素間的關(guān)聯(lián)性評(píng)價(jià)。由于篇幅原因，僅給出專(zhuān)家1對(duì)施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素之間關(guān)系的自然語(yǔ)言評(píng)價(jià)結(jié)果，如表4所示。

表4 施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)系自然語(yǔ)言評(píng)價(jià)(專(zhuān)家1)

續(xù)表4

結(jié)合表2中給出的自然語(yǔ)言和直覺(jué)模糊數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，并運(yùn)用IFPA算子對(duì)各專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行集結(jié)，得到施工各階段和風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)系矩陣WC=(cip)6×33，以及風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)矩陣WR=(rpq)33×33。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)因素排序

由式(5)可以求得各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重矩陣wR=(wp)1×33。利用式(3)中直覺(jué)模糊數(shù)得分函數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行排序，得到結(jié)果如表5所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)因素排序

由表5計(jì)算結(jié)果可知，本例中排序前五位的風(fēng)險(xiǎn)因素依次為：工人技術(shù)不熟練、培訓(xùn)不合格A14；盾構(gòu)機(jī)前方出現(xiàn)不明障礙物A32；后盾系統(tǒng)不穩(wěn)固A21；洞口土體加固及降水不當(dāng)A25；反力架安裝精度不高A23。這五個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素主要存在于海底隧道施工前期，說(shuō)明施工準(zhǔn)備階段及盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段是事故發(fā)生的主要階段，需要進(jìn)行重點(diǎn)管控。

工人技術(shù)不熟練、培訓(xùn)不合格A14得分為0.991，是海底隧道施工期權(quán)重最大的風(fēng)險(xiǎn)因素。根據(jù)錢(qián)七虎等[20]對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事故原因調(diào)查顯示，人是事故發(fā)生的主導(dǎo)因素，和本文結(jié)果一致。施工單位需要加強(qiáng)對(duì)工人崗前培訓(xùn)，培訓(xùn)要理論和實(shí)際結(jié)合，提高工人安全意識(shí)和技術(shù)熟練度，盾構(gòu)機(jī)等特殊機(jī)械設(shè)備操作人員應(yīng)持證上崗。排序第二位的風(fēng)險(xiǎn)因素是盾構(gòu)機(jī)前方出現(xiàn)不明障礙物A32，得分0.964，需要加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)超前勘探和預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理盾構(gòu)機(jī)前方風(fēng)險(xiǎn)。排序第三位的風(fēng)險(xiǎn)因素是盾構(gòu)機(jī)后盾系統(tǒng)不穩(wěn)固A21，得分0.950，需要盾構(gòu)機(jī)后盾系統(tǒng)在安裝、調(diào)試和施工中及時(shí)檢查并加強(qiáng)管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文針對(duì)海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在關(guān)聯(lián)性、其度量存在模糊性等特點(diǎn)，建立了直覺(jué)模糊集和質(zhì)量功能展開(kāi)相結(jié)合，考慮交互影響的海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素排序模型，解決了海底隧道施工各階段事故風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重、風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)聯(lián)度，以及風(fēng)險(xiǎn)因素之間交互影響度的集成風(fēng)險(xiǎn)排序問(wèn)題。

(2)以大連地鐵 5 號(hào)線工程海底隧道施工項(xiàng)目為例，對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行了應(yīng)用。風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果表明，大連地鐵 5 號(hào)線工程海底隧道施工準(zhǔn)備階段及盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段是事故發(fā)生的主要階段。在施工過(guò)程中，對(duì)于工人技術(shù)不熟練、盾構(gòu)機(jī)前方出現(xiàn)不明障礙物、后盾系統(tǒng)不穩(wěn)固等風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控，預(yù)防事故的發(fā)生。根據(jù)相似海底隧道施工工程經(jīng)驗(yàn)，海底隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況及采取處理方法合理性應(yīng)該是施工中降低和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)考慮的主要因素。由于本海底隧道施工工程在勘察階段對(duì)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進(jìn)行了詳勘和專(zhuān)勘，系統(tǒng)掌握了相關(guān)情況并提前采取了相應(yīng)處理措施，所以對(duì)工程和水文地質(zhì)掌握及處理不足不是本例中海底隧道施工的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。盡管已對(duì)復(fù)雜地質(zhì)如巖溶洞采取相應(yīng)的預(yù)處理措施，根據(jù)本次風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果，仍需在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中采取地質(zhì)超前勘探和預(yù)報(bào)等方式關(guān)注掘進(jìn)前方風(fēng)險(xiǎn)。

(3)本文通過(guò)領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家判斷海底隧道施工各階段發(fā)生事故重要性和風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)聯(lián)程度建立風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)系矩陣。在后續(xù)研究中，可以將事故作為施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量屋左墻，在對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素引發(fā)事故的概率和可能造成后果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立事故和風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)矩陣，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素排序。本研究提供了一種新的風(fēng)險(xiǎn)排序方法，應(yīng)用中由于專(zhuān)家偏好和認(rèn)知不同，造成專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果和權(quán)重的取值具有一定隨機(jī)性和離散性，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)因素的排序也具有離散性，故風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果僅可作為參考。