王永祥，吳 滔，李 亮，黃 瀅，耿大新

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330033；2.南昌軌道交通集團有限公司,江西 南昌 330038)

地鐵盾構(gòu)施工具有施工技術(shù)復(fù)雜、施工周期長、不可預(yù)見風(fēng)險因素多、事故后果對周邊環(huán)境的影響大等特點，因此地鐵盾構(gòu)施工安全是業(yè)主等相關(guān)單位以及國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的焦點。在地鐵盾構(gòu)施工過程中，風(fēng)險評估是整個項目風(fēng)險管理的基石，只有在理論聯(lián)系實際的基礎(chǔ)上正確識別風(fēng)險因素，準(zhǔn)確進行風(fēng)險評估，才能為后續(xù)的風(fēng)險管理過程制定適宜的對策和預(yù)案。

在上述研究中，主要使用層次分析法、模糊層次分析法、故障樹分析法和熵權(quán)法等，總體來說，這些方法都較好地分析了地鐵盾構(gòu)施工過程中的安全風(fēng)險，但仍存在計算繁瑣和評價指標(biāo)權(quán)重設(shè)定主觀性過大等不足。為此，本文提出將突變理論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的突變級數(shù)法，并將其應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)施工的安全風(fēng)險評估，該方法可以彌補上述分析方法的不足。突變級數(shù)法以突變理論為原理，計算中由于無需確定指標(biāo)之間的相對權(quán)重，只需要考慮各指標(biāo)的相對重要度，因此有效降低了地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評價的主觀性，從而提高了評價結(jié)果的精確度，且具有運算簡單、實施性好的特點，已被廣泛運用于多目標(biāo)綜合評價等領(lǐng)域。

1 基于突變級數(shù)法的地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評價模型建立

1.1 突變級數(shù)法基本原理

突變理論是法國數(shù)學(xué)家Rene Thom 在20世紀(jì)70年代提出的研究突變(質(zhì)變)現(xiàn)象的理論。突變級數(shù)法是基于突變理論將評價指標(biāo)體系分解為若干個目標(biāo)，由下層指標(biāo)向上層指標(biāo)逐層綜合，經(jīng)過遞階運算，得到總目標(biāo)的綜合指數(shù)，從而對評價指標(biāo)體系進行分析。目前，突變級數(shù)法常用的突變模型有Rene Thom提出的自然界7種突變形式，一般常用的有折疊型、尖點型、燕尾型、蝴蝶型4種突變形式，其突變模型的狀態(tài)變量、控制變量和勢函數(shù)見表1。

表1 突變級數(shù)法常用的4種突變模型

根據(jù)突變理論，勢函數(shù)

f

(

x

)求一階導(dǎo)數(shù)可得到平衡曲面，求二階導(dǎo)數(shù)可得到平衡曲面的分歧點集，并令

f

′(

x

)=0和

f

″(

x

)=0,即可得到反映狀態(tài)變量和控制變量關(guān)系的分歧方程；當(dāng)控制變量的關(guān)系滿足分歧方程時，系統(tǒng)就會發(fā)生突變，然后通過分歧方程可導(dǎo)出將系統(tǒng)內(nèi)各控制變量不同的質(zhì)態(tài)歸一化為可比較的同一種質(zhì)態(tài)的歸一化公式：

(1)

將上式聯(lián)立求解，可得到表1中各突變模型的歸一化公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:

x

、

x

、

x

、

x

分別表示對應(yīng)控制變量

a

、

b

、

c

、

d

的突變級數(shù)值。

1.2 地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系建立

1.2.1 評價指標(biāo)體系建立

在實踐的基礎(chǔ)上，將地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險劃分為工程本體風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險、施工人員作業(yè)安全風(fēng)險和自然風(fēng)險4大類。其中，工程本體風(fēng)險包括盾構(gòu)掘進、盾構(gòu)施工準(zhǔn)備、盾構(gòu)始發(fā)及到達、車站與隧道結(jié)構(gòu)施工等階段面臨的潛在風(fēng)險；周邊環(huán)境風(fēng)險包括擬建場地內(nèi)的各種市政管線、周邊構(gòu)(建)筑物、道路等在工程項目施工中面臨的風(fēng)險；施工人員作業(yè)安全風(fēng)險是指人員在施工作業(yè)時面臨的物體打擊、機械傷害、用電安全以及火災(zāi)風(fēng)險；自然風(fēng)險包括在施工期內(nèi)面臨的氣象、水文、地質(zhì)災(zāi)害等對工程結(jié)構(gòu)以及施工人員造成的傷害風(fēng)險。同時，再結(jié)合實際工程的特性，采用德爾菲法進一步進行風(fēng)險結(jié)構(gòu)分解，并對風(fēng)險部位與風(fēng)險因素進行耦合分析，構(gòu)建出耦合矩陣，最終得到整個風(fēng)險評價指標(biāo)體系。

1.2.2 評價集建立

風(fēng)險量定義為風(fēng)險發(fā)生概率的估值乘以該風(fēng)險發(fā)生后對工程項目可能造成的損失估值。若假定風(fēng)險量為

R

，風(fēng)險發(fā)生概率的估值為

P

，風(fēng)險發(fā)生后對工程造成的風(fēng)險損失估值為

C

，則風(fēng)險量的計算公式為

R

=

P

×

C

(6)

根據(jù)前人的研究成果，將風(fēng)險量

R

分為可忽略風(fēng)險、可接受風(fēng)險、一般風(fēng)險、較高風(fēng)險、 高風(fēng)險5個等級。相應(yīng)等級的風(fēng)險發(fā)生概率的估值

P

以及風(fēng)險損失估值

C

的取值依據(jù)分別見表2和表3。

表2 風(fēng)險發(fā)生概率估值(P)的取值依據(jù)

表3 風(fēng)險損失估值C的取值依據(jù)

1.2.3 風(fēng)險隸屬函數(shù)的確定

風(fēng)險量

R

的隸屬函數(shù)

f

(

R

)如下。

(1) 可忽略風(fēng)險：

(2) 可接受風(fēng)險：

(3) 一般風(fēng)險：

(4) 較高風(fēng)險：

(5) 高風(fēng)險：

風(fēng)險描述與接受準(zhǔn)則見表4。

表4 風(fēng)險描述與接受準(zhǔn)則

1.3 基于突變級數(shù)法的地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險評價模型建立

首先邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家根據(jù)表2和表3中風(fēng)險發(fā)生概率估值

P

和風(fēng)險損失估值

C

的取值依據(jù)對風(fēng)險評價指標(biāo)體系中底層指標(biāo)的風(fēng)險發(fā)生概率估值

P

和風(fēng)險損失估值

C

進行評分，得到風(fēng)險量

R

；然后通過風(fēng)險隸屬函數(shù)，得到風(fēng)險評價指標(biāo)體系中底層指標(biāo)的風(fēng)險隸屬函數(shù)值矩陣

B

；最后利用突變級數(shù)法對其進行評價。例如：風(fēng)險指標(biāo)

U

下含4個子風(fēng)險評價指標(biāo)，其相對重要度排序為

U

、

U

、

U

、

U

；通過專家評分后計算出4個子風(fēng)險指標(biāo)的風(fēng)險量分別為

r

、

r

、

r

、

r

，并通過風(fēng)險隸屬函數(shù)計算，得到

U

底層指標(biāo)的風(fēng)險隸屬函數(shù)值矩陣

B

:

(7)

(8)

在利用突變級數(shù)法對評價指標(biāo)進行評價時，主要采用互補、閾值互補和非互補原則。若各控制變量之間存在相互關(guān)聯(lián)作用，則各控制變量為互補，否則為非互補?；パa原則是按照隸屬函數(shù)的平均值作為狀態(tài)變量

x

的隸屬函數(shù)值；非互補原則是采用最小值作為狀態(tài)變量

x

的隸屬函數(shù)值；閾值互補原則是當(dāng)各控制變量滿足決策者設(shè)定的閾值時，采用互補原則，否則采用非互補原則。在本文案例的評價系統(tǒng)中，將突變級數(shù)的平均值作為狀態(tài)變量

x

的隸屬函數(shù)值，如計算風(fēng)險指標(biāo)

U

“可忽略風(fēng)險”等級的隸屬函數(shù)值如下：

(9)

同理，可得到風(fēng)險指標(biāo)

U

的其他風(fēng)險等級的隸屬函數(shù)值。將上述計算過程，根據(jù)下含子風(fēng)險評價指標(biāo)的個數(shù)得到風(fēng)險控制變量；然后選取對應(yīng)的突變模型，按評價指標(biāo)體系依次由下而上進行遞階計算，則可得到該評價指標(biāo)體系的總突變隸屬函數(shù)值；最后依據(jù)突變隸屬函數(shù)值越大越優(yōu)原則，可得到該風(fēng)險評價體系的整體風(fēng)險等級。

2 實例應(yīng)用與分析

2.1 工程概況

2.1.1 工程地質(zhì)條件

2.1.2 水文地質(zhì)條件

擬建場地沿線地下水按水動力特征及其賦存條件可將其分為上層滯水和紅色碎屑巖類裂隙溶隙水兩類。上層滯水水位隨氣候變化較大，地下水水位峰值集中在4～6月份；紅色碎屑巖類裂隙溶隙水主要賦存于白堊系上統(tǒng)南雄組較破碎的泥質(zhì)粉砂層段，主要受風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙控制，裂隙多呈閉合狀態(tài)，一般富水性極差。

2.1.3 工程設(shè)計概況

本區(qū)間設(shè)計分界里程為：左線起終點里程為左XK6+014.528～左XK7+717.776，右線起終點里程為右SK6+014.52～右SK7+717.77，左右線全長為3 407.68 m。隧道埋深為11.3～24.72 m，曲線最小半徑為500 m，最大坡度為25‰，線間距為13～17 m。區(qū)間設(shè)置2座聯(lián)絡(luò)通道，采用超前小導(dǎo)管加全斷面注漿加固，礦山法施工。盾構(gòu)沿線下穿供水管、雨水管、燃氣管等多種市政管線，其中SCK6+686～SCK6+736處隧道下穿楓生高速高架橋，橋樁與隧道外輪廓水平凈距最近處約為3.5 m，橋樁為鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m，樁長為10 m，樁底標(biāo)高為21.47 m。區(qū)間南側(cè)為邊坡及空地，北側(cè)途徑富聯(lián)花園小區(qū)臨街商品房，建筑物外邊沿線距隧道外邊緣約28～35 m，大于1.5

H

(

H

為盾構(gòu)隧道底板埋深)，經(jīng)專家組綜合分析，在受影響范圍之外，隧道盾構(gòu)施工對地面建筑物的影響不予考慮。

2.2 建立評價指標(biāo)體系

根據(jù)南昌地鐵4號線禮莊山站—西站南廣場站盾構(gòu)區(qū)間的工程概況，南昌軌道交通集團有限公司項目分公司質(zhì)安部邀請專家組首先根據(jù)第1.2.1節(jié)中描述的4大類風(fēng)險類型，并結(jié)合該實際工程的特性，采用德爾菲法進行風(fēng)險結(jié)構(gòu)分解，再對風(fēng)險部位和風(fēng)險因素進行耦合分析后，識別出該工程盾構(gòu)施工的風(fēng)險評價指標(biāo)體系；然后采用1～5標(biāo)度法對各同層次評價指標(biāo)進行兩兩重要性打分，完成評價指標(biāo)的相對重要度排序后，建立了禮莊山站—西站南廣場站盾構(gòu)區(qū)間施工的風(fēng)險評價指標(biāo)體系；最后專家組根據(jù)風(fēng)險發(fā)生概率估值

P

和風(fēng)險損失估值

C

的取值依據(jù)，并結(jié)合工程的實際情況，對評價指標(biāo)的風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險損失量進行估值，其結(jié)果見表5。

表5 南昌地鐵4號線禮莊山站—西站南廣場站盾構(gòu)區(qū)間施工的風(fēng)險評價指標(biāo)體系

續(xù)表5

2.3 利用突變級數(shù)法對風(fēng)險評價指標(biāo)體系進行風(fēng)險分析

以目標(biāo)層周邊環(huán)境風(fēng)險(

U

)為例，利用突變級數(shù)法對其風(fēng)險評價指標(biāo)體系進行風(fēng)險評價。(1) 根據(jù)公式(7)，將底層指標(biāo)的各風(fēng)險量

R

值代入隸屬函數(shù)，計算得到初始模糊風(fēng)險隸屬函數(shù)值矩陣：

B

=[0.00 0.00 1.00 0.00 0.00]

(2) 根據(jù)各評價指標(biāo)所含子評價指標(biāo)的個數(shù)作為控制變量，根據(jù)表 1選擇對應(yīng)的突變模型，按照公式(8)計算得到上述各評價指標(biāo)的突變級數(shù)值矩陣：

(3) 根據(jù)公式(9)，計算得到

U

的風(fēng)險隸屬函數(shù)值矩陣

B

：

(5) 根據(jù)風(fēng)險指標(biāo)

U

、

U

、

U

、

U

的突變級數(shù)值，計算得到

U

的風(fēng)險隸屬函數(shù)值矩陣

B

:

由此可得到該工程項目整體施工的風(fēng)險等級隸屬函數(shù)值矩陣

B

=[0.43，0.85，0.98，0.35，0.00]。

2.4 風(fēng)險評價結(jié)果分析

根據(jù)上述的風(fēng)險計算，依據(jù)突變隸屬函數(shù)值越大越優(yōu)原則可知，該地鐵盾構(gòu)施工的整體風(fēng)險屬于一般風(fēng)險等級，其目標(biāo)層4大風(fēng)險源的工程本體風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險和自然風(fēng)險也都屬于一般風(fēng)險等級，而施工人員作業(yè)安全風(fēng)險為可接受風(fēng)險等級，根據(jù)風(fēng)險接受準(zhǔn)則，上述風(fēng)險源需要在均衡風(fēng)險損失和風(fēng)險控制成本制定風(fēng)險控制措施的同時，還必須加強日常的監(jiān)控。此外，從工程本體風(fēng)險的隸屬函數(shù)值來看，較高風(fēng)險等級的隸屬函數(shù)值為0.75，該風(fēng)險源的風(fēng)險等級有升高的風(fēng)險，由上往下深入分析其各級評價指標(biāo)的風(fēng)險隸屬函數(shù)值發(fā)現(xiàn)，聯(lián)絡(luò)通道施工、隧道注漿、盾構(gòu)進出洞、盾構(gòu)設(shè)備吊裝拼裝及解體和洞門土體加固的施工安全風(fēng)險上升壓力較大，在施工過程中應(yīng)對其著重加強風(fēng)險管理，提前制定風(fēng)險預(yù)案和對策；從周邊環(huán)境風(fēng)險來看，主要風(fēng)險源為燃氣管、供水管和下穿楓生高速高架橋，因此應(yīng)在周邊布置監(jiān)控點，注意監(jiān)控其沉降信息；從自然風(fēng)險來看，自然風(fēng)險具有明顯的可下降空間，需著重注意大風(fēng)天氣對臨時設(shè)施的破壞以及引發(fā)起重吊裝事故的發(fā)生；從施工人員作業(yè)安全風(fēng)險來看，施工人員作業(yè)安全風(fēng)險屬于可接受風(fēng)險等級，但具有風(fēng)險升級的壓力，需著重防范吊裝運輸對施工人員的物體打擊，嚴(yán)防風(fēng)險升級。

2.5 不同評價方法評價結(jié)果的對比

利用專家對指標(biāo)相對重要度兩兩打分的數(shù)據(jù)，在通過簡單處理和一致性檢驗后，分別利用層次分析法和熵權(quán)法對本文案例進行風(fēng)險評價，其評價結(jié)果見表6。按照最大隸屬原則，突變級數(shù)法與層次分析法和熵權(quán)法得出的結(jié)論一致。但從該工程項目整體施工風(fēng)險中各風(fēng)險等級的隸屬度函數(shù)值排序來看，突變級數(shù)法與熵權(quán)法得出的結(jié)果排序一致，均為一般風(fēng)險>可接受風(fēng)險>可忽略風(fēng)險>較高風(fēng)險>高風(fēng)險；層次分析法得出的結(jié)果排序為一般風(fēng)險>可接受風(fēng)險>較高風(fēng)險>可忽略風(fēng)險>高風(fēng)險。由此可見，對于該工程項目的整體風(fēng)險等級，專家主觀上更偏向于較高風(fēng)險。

表6 不同評價方法評價結(jié)果的對比

2.6 工點監(jiān)測情況分析

根據(jù)該工程項目風(fēng)險評價結(jié)果，為了監(jiān)控該地鐵盾構(gòu)區(qū)間線路地面豎向位移情況布置了176個監(jiān)測點，為了監(jiān)控該地鐵盾構(gòu)施工周邊管線豎向位移情況布置了193個監(jiān)測點，為了監(jiān)控隧道拱頂沉降情況布置了31個監(jiān)測點，為了監(jiān)控盾構(gòu)隧道管片上浮情況布置了31個監(jiān)測點，為了監(jiān)控盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)凈空收斂情況布置了31個監(jiān)測點，經(jīng)過289 d的連續(xù)監(jiān)測，現(xiàn)將監(jiān)控該地鐵盾構(gòu)區(qū)間線路地面豎向位移的176個監(jiān)測點的地表累計位移數(shù)據(jù)繪制成分布頻率直方圖，見圖1。

圖1 某地鐵盾構(gòu)區(qū)間176個監(jiān)測點地表累計位移量 實測結(jié)果分布頻率直方圖Fig.1 Distribution frequency histogram of measured surface cumulative displacement of 176 monitoring points in a subway shield

由圖1可見，該地鐵盾構(gòu)區(qū)間線路的地表有略微的沉降和隆起，監(jiān)測點的地表累計位移量主要分布在-2～-1 mm之間，統(tǒng)計平均值為-1.62 mm，最大監(jiān)測沉降量為-3.75 mm，最大監(jiān)測隆起量為0.98 mm，均在位移報警值-30～10 mm范圍以內(nèi)。限于篇幅，周邊管線豎向累計最大位移為0.58 mm和-3.25 mm；隧道拱頂沉降累計最大位移量為-1.2 mm；隧道管片上浮累計最大位移量為-1.11 mm；隧道管片結(jié)構(gòu)凈空收斂累計最大位移量為1.10 mm。由監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化較小，其累計變形量均在報警值范圍內(nèi)，說明該地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工安全風(fēng)險處于穩(wěn)定狀態(tài)，且項目風(fēng)險可控，風(fēng)險分析結(jié)論真實可信，風(fēng)險控制措施切實可行。

3 結(jié) 論

(1) 按風(fēng)險類別，本文將地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險劃分為工程本體風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險、施工人員作業(yè)安全風(fēng)險和自然風(fēng)險4大類以及與之相關(guān)的16個一級指標(biāo)，同時針對這16個一級指標(biāo)采用德爾菲法進行風(fēng)險結(jié)構(gòu)分解，再結(jié)合實際工程特性，將風(fēng)險部位與風(fēng)險因素進行耦合分析，最終構(gòu)建出的風(fēng)險評價指標(biāo)體系更科學(xué)、更合理、更完整。

(2) 與傳統(tǒng)評價方法相比，突變級數(shù)法無需確定評價指標(biāo)權(quán)重，在確定評價指標(biāo)相對重要度過程中的指標(biāo)兩兩重要度賦值不參與后續(xù)運算，因此既減少了繁雜的計算過程，又降低了評價方法的主觀性。

(3) 在本文實例中，采用突變級數(shù)法得出該工程項目盾構(gòu)施工的整體風(fēng)險為一般風(fēng)險，其中4大風(fēng)險源中的工程本體風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險、自然風(fēng)險均為一般風(fēng)險，施工人員作業(yè)安全風(fēng)險為可接受風(fēng)險，該結(jié)論與傳統(tǒng)的層次分析法和熵權(quán)法得出的結(jié)論一致，且與項目的實際施工過程高度吻合，驗證了該評價方法在地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險評價中的適用性。

(4) 本文利用突變級數(shù)法對地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險進行了評價研究，但還存在一定的局限性，比如評價指標(biāo)相對重要度的排序和“互補”、“非互補”準(zhǔn)則的使用以及“閾值互補”閾值的設(shè)定主要依靠專家經(jīng)驗，使得評價結(jié)果難免帶有一定的主觀性，因此還需在后續(xù)的研究中不斷加以完善。