劉一鵬,王軍武,吳 寒

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

引言

地鐵對(duì)于拓寬城市立體空間、改善城市交通，緩解沉重的交通壓力具有重大意義，我國(guó)各大城市也都陸續(xù)開展了地鐵建設(shè)活動(dòng)。水下地鐵盾構(gòu)作為特殊的暗挖掘進(jìn)工程，水下復(fù)雜地質(zhì)條件不可完全預(yù)見，施工過(guò)程的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)增大，容易發(fā)生各類工程安全事故。水下盾構(gòu)工程的建設(shè)安全問(wèn)題已成為備受關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題之一，需要對(duì)其展開深入研究。

目前對(duì)于水下地鐵盾構(gòu)施工的研究多從以下角度展開：結(jié)合水下盾構(gòu)工程的風(fēng)險(xiǎn)特征和技術(shù)難點(diǎn)，從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，評(píng)價(jià)分析。肖春春等[1]針對(duì)特殊的水文地質(zhì)條件和周邊建筑環(huán)境下建立了蘭州地鐵下穿黃河隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。郭春香等[2]基于南京緯三路過(guò)江工程，以盾構(gòu)施工流程為基礎(chǔ)，整理出了每個(gè)分部工程的風(fēng)險(xiǎn)。翟越等[3]采用FAHP法對(duì)水下浮式隧道的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)。徐童等[4]采用模糊網(wǎng)絡(luò)法對(duì)水下隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多對(duì)水下地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析，多采用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)、故障樹法等評(píng)價(jià)方法，對(duì)水下地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)分析。而水下地鐵盾構(gòu)施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的施工過(guò)程，風(fēng)險(xiǎn)因素在整個(gè)施工過(guò)程中是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，學(xué)者們?nèi)狈?duì)水下地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)性和風(fēng)險(xiǎn)事件演化的研究。

在風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化方面，李浩然等[5]基于災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摵蛷?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)城市軌道交通災(zāi)害事件災(zāi)情鏈?zhǔn)絺鬟f規(guī)律展開研究；趙怡晴等[6]將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與SD模型相結(jié)合，研究了危害作用關(guān)系、演化路徑、風(fēng)險(xiǎn)水平等；羅軍華等[7]提出山區(qū)公路暴雨-洪水災(zāi)害的演化過(guò)程具有鏈?zhǔn)揭?guī)律，以靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合災(zāi)害歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)構(gòu)建災(zāi)害鏈貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理模型。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)演化，學(xué)者通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)模型考慮所有可能的風(fēng)險(xiǎn)因素，研究風(fēng)險(xiǎn)的傳導(dǎo)路徑，關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)路線，但是缺乏對(duì)風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間變化的研究，多從單一時(shí)間層面考慮所有風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系，未具體研究風(fēng)險(xiǎn)因素隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)變化的風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

近年來(lái)，動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Dynamic Bayesian Network，DBN)廣泛應(yīng)用于具有動(dòng)態(tài)不確定性的推理問(wèn)題，如張敬磊等[8]將動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于交通流狀態(tài)辨識(shí)模型研究，該方法能更加準(zhǔn)確地判別出交通流所處的運(yùn)行狀態(tài)。陳潔等[9]采用DBN研究人機(jī)交互下的深水井界面系統(tǒng)的可靠性，借助DBN的時(shí)間屬性，各時(shí)刻點(diǎn)的數(shù)據(jù)能清晰的表示各變量的變化趨勢(shì)。以上研究表明，針對(duì)眾多不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素，動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)不僅能基于網(wǎng)絡(luò)模型研究風(fēng)險(xiǎn)之間的傳遞路徑，風(fēng)險(xiǎn)演化的路徑，還能在考慮時(shí)間因素的影響下研究水下地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此本文將動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)引入水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的研究中，能建立一個(gè)基于盾構(gòu)施工全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，基于時(shí)間和空間上從動(dòng)態(tài)角度研究風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)展演化過(guò)程，更加實(shí)際和科學(xué)的研究水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的變化。

通過(guò)WBS-RBS方法識(shí)別水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立一個(gè)完備系統(tǒng)的指標(biāo)體系，根據(jù)每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)因素之間的傳遞關(guān)系以及當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)與下一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)的傳遞關(guān)系，明確整個(gè)施工全過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的影響路徑，結(jié)合DBN構(gòu)建一個(gè)水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)演化模型，找出全過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的演化路徑，以更好地預(yù)防水下地鐵盾構(gòu)施工事故的發(fā)生和提高施工安全管理水平。

1 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(DBN)是靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在時(shí)序空間中的延伸[10]，利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建水下盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)演化模型，對(duì)水下盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)演變路徑、節(jié)點(diǎn)概率分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，同時(shí)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的因果推理和診斷推理，能幫助在考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素變化下對(duì)風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行分析。

一個(gè)DBN可以定義為(B0，B→)。其中B0表示BN的先驗(yàn)分布，即DBN的初始網(wǎng)絡(luò)；B→表示有2個(gè)以上時(shí)間片段的BN組成的圖形[11]。動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理本質(zhì)與靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)一致，它的動(dòng)態(tài)并不是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化，而是樣本數(shù)據(jù)，或者說(shuō)觀測(cè)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的變化而變化。動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的基本原理和靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基本相同，設(shè)X={X1，X2，…，Xn}是動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)，Xi[t]表示節(jié)點(diǎn)Xi在時(shí)間t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量。轉(zhuǎn)移網(wǎng)B→代表節(jié)點(diǎn)由t時(shí)間節(jié)點(diǎn)到t+1時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的轉(zhuǎn)移概率PB(Xi(t+1)|Xi(t))，因此，給定一個(gè)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)某一節(jié)點(diǎn)Xi在Xi[1]，…，Xi[n]上的聯(lián)合概率分布可表示

PB(Xi[1]，…，Xi[n])=

(1)

2 基于DBN的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化

2.1 水下地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化模型的構(gòu)建2.1.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系建立

目前，學(xué)者們對(duì)水下地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)研究得不多，大多是從單一的角度識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源，缺乏風(fēng)險(xiǎn)因素動(dòng)態(tài)性的分析?？紤]到水下地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)在各階段會(huì)有明顯的變化，通常情況下，地鐵盾構(gòu)施工階段分為盾構(gòu)始發(fā)，盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)到達(dá)3個(gè)階段，本文主要研究盾構(gòu)掘進(jìn)下穿河道施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的演化作用。將盾構(gòu)掘進(jìn)階段細(xì)分為盾構(gòu)掘進(jìn)穿越河道前、穿越河道、穿越河道后3個(gè)階段，盾構(gòu)施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分為盾構(gòu)始發(fā)T1，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越河道前T2，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越河道中T3，盾構(gòu)掘進(jìn)穿越河道后T4，盾構(gòu)到達(dá)T5，5個(gè)施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)。每個(gè)階段是一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)T?；诎踩芾淼?大要素，根據(jù)每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合地鐵盾構(gòu)施工對(duì)象研究特點(diǎn)，將風(fēng)險(xiǎn)因素分為人、機(jī)械、管理、環(huán)境4個(gè)類別，從而構(gòu)建基于WBS-RBS[12]的水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)耦合矩陣，建立一個(gè)完備系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)清單。

水下地鐵盾構(gòu)施工，面臨高水壓、防滲漏水、缺乏可靠支撐保護(hù)的問(wèn)題[13]，在下穿河道的過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)有著明顯的區(qū)別，風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響關(guān)系也和其他地鐵盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)有所區(qū)別。與以往地鐵盾構(gòu)施工相比，水下地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的不同主要體現(xiàn)在施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)上，以及由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)引起的其他風(fēng)險(xiǎn)因素，且風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率也有所不同。因此需要針對(duì)水下特殊的環(huán)境建立一個(gè)完備的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。在穿越河道前后主要有以下特殊的風(fēng)險(xiǎn)[14-16]。

(1)地質(zhì)勘探不準(zhǔn)確

由于水下環(huán)境復(fù)雜，地鐵盾構(gòu)區(qū)間勘察受河道影響，對(duì)河道下的自然環(huán)境不能有效的探測(cè)，會(huì)導(dǎo)致施工時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)和軸線控制出現(xiàn)不當(dāng)。

(2)管片受損

①盾構(gòu)在透水性較好的地層掘進(jìn)時(shí)，易發(fā)生管片上浮現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管片的破損。

②當(dāng)存在地下障礙物時(shí)，盾構(gòu)的頂進(jìn)壓力會(huì)增大，而導(dǎo)致管片的受壓而產(chǎn)生破損。

③在管片吊裝過(guò)程中，由于施工人員操作失誤發(fā)生的管片碰撞、拼裝失誤等可能導(dǎo)致管片破損(具有時(shí)序性，不會(huì)立即發(fā)生，在施工后才會(huì)產(chǎn)生)。

④注漿不及時(shí)，注漿壓力過(guò)小形成注漿空洞，會(huì)損壞管片。

(3)隧道上浮風(fēng)險(xiǎn)

①當(dāng)水下覆土較淺時(shí)，若隧道自重與上部壓載難以平衡地下水引起的浮力時(shí)，易造成隧道上浮。

②注漿系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致高水壓環(huán)境下因注漿不到位引起隧道上浮。

(4)高水壓下施工對(duì)盾構(gòu)機(jī)密封性產(chǎn)生了很大的考驗(yàn)，盾尾密封失效是一個(gè)比較容易發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。若緊固程度不足容易形成滲水問(wèn)題，從而造成隧道滲水。

(5)涌水涌砂

①當(dāng)開挖面充水，盾構(gòu)難以連續(xù)掘進(jìn)，此時(shí)同步注漿不能將管片與土體之間的空隙完全填充，易導(dǎo)致涌水、涌砂。

②在盾構(gòu)掘進(jìn)中如果掘進(jìn)速度控制不當(dāng)，導(dǎo)致盾構(gòu)推力過(guò)大，且部分環(huán)面不平整時(shí)，容易造成管片開裂，導(dǎo)致涌水、涌砂。

筆者結(jié)合文獻(xiàn)[1-4，14-16]及事故資料，結(jié)合課題組在成都11號(hào)線的工程實(shí)踐，總結(jié)出水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)體系，見表1，表中每個(gè)施工階段表示一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)T。

表1 水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

不同于以往的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，本文所建立的指標(biāo)體系既能體現(xiàn)各階段各類別的指標(biāo)，又能體現(xiàn)水下地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中在不同階段風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的變化。水下隧道不同施工階段的風(fēng)險(xiǎn)變化主要體現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)到達(dá)三階段風(fēng)險(xiǎn)因素不同，在盾構(gòu)掘進(jìn)階段風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)未發(fā)生變化，但風(fēng)險(xiǎn)因素的概率發(fā)生明顯改變。

2.1.2 全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)演化網(wǎng)絡(luò)的建立

在盾構(gòu)施工全過(guò)程識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素后，通過(guò)專家決策及資料確定同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)下兩兩風(fēng)險(xiǎn)之間的相互影響關(guān)系，將風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為2類，父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。通過(guò)專家群決策給出風(fēng)險(xiǎn)因素的因果關(guān)系，采用鄰接矩陣aij確定當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)與下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的影響關(guān)系aij(T-T+1)(T表示一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn))[17]，進(jìn)而得到DBN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)到達(dá)階段的風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進(jìn)階段有明顯差別，因此構(gòu)建的DBN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依次進(jìn)行判定。

(2)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員(IPCC)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，將風(fēng)險(xiǎn)劃為7級(jí)，分別是非常低、低、偏低、中等、偏高、高、非常高，邀請(qǐng)4位專家對(duì)水下地鐵盾構(gòu)施工貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)的每種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)給出評(píng)判意見，每個(gè)專家權(quán)重一致。將專家的評(píng)分均值化，再根據(jù)公式(3)面積均值法

(3)

將模糊均值概率轉(zhuǎn)化為精確概率值。第2階段是在專家調(diào)查法得到的相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)noisy-or gate模型[19]計(jì)算得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的條件概率表。

通過(guò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析所有時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，按時(shí)間間隔Δt將水下地鐵盾構(gòu)施工全過(guò)程劃分為N個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。借助GeNIe軟件構(gòu)建盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的DBN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

2.2 基于全過(guò)程DBN的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化分析

風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化是各風(fēng)險(xiǎn)因素在風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)間不斷變化，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的相互影響及傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是風(fēng)險(xiǎn)因素在時(shí)間和空間上不斷演化形成的系統(tǒng)。在空間上，風(fēng)險(xiǎn)因素之間的影響與被影響形成風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)，在時(shí)間上，風(fēng)險(xiǎn)因素在相鄰時(shí)間節(jié)點(diǎn)上發(fā)生傳遞，共同導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的演化?？紤]到不同施工階段，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)得分和權(quán)重不同，會(huì)隨時(shí)間變化，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)因素在各時(shí)刻會(huì)發(fā)生變化，采用DBN的風(fēng)險(xiǎn)推理來(lái)研究風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)演化。在確定根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率后，基于因果推理和診斷推理，在GeNIe軟件中推理，可以得到各時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的條件概率和風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率，通過(guò)分析各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)概率的變化，得到相鄰因素的影響關(guān)系，進(jìn)而可以得到風(fēng)險(xiǎn)演化的最可能路徑。

(1)正向推理

因果推理是利用DBN的正向因果推理技術(shù)，在已知一定的風(fēng)險(xiǎn)因素狀態(tài)的情況下，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的條件概率，即進(jìn)行預(yù)測(cè)[20]。據(jù)此，可得到風(fēng)險(xiǎn)因素隨時(shí)間演化后的風(fēng)險(xiǎn)概率，從而找出各時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)概率變化最大的風(fēng)險(xiǎn)因素，從根節(jié)點(diǎn)開始找出其最可能影響的子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而找出風(fēng)險(xiǎn)因素在全過(guò)程中隨時(shí)間變化下的傳遞路徑。如已知T=3時(shí)刻下管理因素1發(fā)生，即輸入P(因素1(T=3)=True)=1，根據(jù)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理原則，可以得到T=4時(shí)刻下各因素的風(fēng)險(xiǎn)概率。根據(jù)T=3及T=4時(shí)刻下概率的變化，此時(shí)T=3時(shí)P(M2)概率變化最大，可知風(fēng)險(xiǎn)因素由T=3時(shí)的A1傳遞到了T=4時(shí)的M2。通過(guò)不斷推理，可得全過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的傳遞路徑。

(2)反向推理

反向推理是在已知某些時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的情況下，根據(jù)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理，倒推各風(fēng)險(xiǎn)因素在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)險(xiǎn)概率，根據(jù)概率變化找出風(fēng)險(xiǎn)因素的傳遞演化路徑。

3 案例分析

通常來(lái)說(shuō)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰脤?shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)其有效性，也就是是否符合客觀事實(shí)，給予科學(xué)可信賴的結(jié)果。本文采用案例分析來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，結(jié)合工程實(shí)際數(shù)據(jù)，分析風(fēng)險(xiǎn)演化的結(jié)果。

3.1 DBN模型構(gòu)建

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)公開資料和專家知識(shí)等分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)的因果關(guān)系。由于5個(gè)施工過(guò)程施工時(shí)間并不是完全相同，而且為了更細(xì)致的展現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)間的演化過(guò)程，因此在進(jìn)行DBN模型構(gòu)建時(shí)將整個(gè)施工過(guò)程劃分為了9個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)[21]，盾構(gòu)始發(fā)，盾構(gòu)到達(dá)分別為時(shí)間節(jié)點(diǎn)1，時(shí)間節(jié)點(diǎn)9。GeNIe軟件中盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程分別為0～6時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于盾構(gòu)穿越河道前是0、1時(shí)間節(jié)點(diǎn)；盾構(gòu)穿越河道過(guò)程中是2，3，4時(shí)間節(jié)點(diǎn)；盾構(gòu)掘進(jìn)穿越河道后是5，6時(shí)間節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建的DBN模型如圖2所示。

圖2 水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)DBN模型

圖2中根節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)、連接概率、轉(zhuǎn)移概率均由專家給出，通過(guò)對(duì)比篩選，最終確定根節(jié)點(diǎn)的初始概率和轉(zhuǎn)移概率見表2、表3。

表2 根節(jié)點(diǎn)初始概率

表3 轉(zhuǎn)移概率

在給出各子節(jié)點(diǎn)的連接概率后，各子節(jié)點(diǎn)的條件概率由noisy-or gate模型公式計(jì)算得出。根據(jù)三角模糊數(shù)確定的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分別處于中等、低、偏高、偏高、中等、低、中等的等級(jí)，與專家基于成都的地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)實(shí)際的判斷相符。

3.2 基于DBN的正向推理

首先給出無(wú)證據(jù)輸入情況下DBN中各節(jié)點(diǎn)的條件概率，通過(guò)自動(dòng)更新得出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)概率。隨著時(shí)間推移，一部分節(jié)點(diǎn)概率發(fā)生明顯的變化，如H1，H2，H3，M1以及風(fēng)險(xiǎn)事件R概率都明顯增高，其原因在于在動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)里面，隨著時(shí)間向后，某些節(jié)點(diǎn)會(huì)受到前一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)里面其他原本與其無(wú)關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響，從而使風(fēng)險(xiǎn)概率變得更高。同時(shí)在掘進(jìn)過(guò)程中各中風(fēng)險(xiǎn)因素概率較盾構(gòu)始發(fā)及盾構(gòu)到達(dá)過(guò)程中都有明顯上升，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)因素在施工過(guò)程中是隨時(shí)間不斷變化的。

在實(shí)際情況中，經(jīng)常能觀測(cè)到證據(jù)的輸入，在盾構(gòu)下穿河道時(shí)，由于此處環(huán)境較正常盾構(gòu)隧道區(qū)別很大，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更大，觀測(cè)到環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生即P(E1/E2/E3)=1，則在DBN中將E1，E2，E3，E4節(jié)點(diǎn)在下穿河道時(shí)對(duì)應(yīng)的2，3，4時(shí)間節(jié)點(diǎn)上設(shè)置為T(Ture)，在進(jìn)行概率更新后，各節(jié)點(diǎn)概率如圖3所示。

圖3 有證據(jù)輸入下的DBN餅狀模型

圖3中T和F分別代表風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生與不發(fā)生的概率，可以清晰地看出，在E1，E2，E3，E4環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生后，風(fēng)險(xiǎn)迅速的傳遞到M1，M2節(jié)點(diǎn)，從而使M1，M2，M3所屬的機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)迅速增大，同時(shí)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)導(dǎo)致人員風(fēng)險(xiǎn)的增大，通過(guò)原本發(fā)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合后續(xù)導(dǎo)致的機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)和人員風(fēng)險(xiǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)增大。風(fēng)險(xiǎn)由最初幾個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，通過(guò)一系列的傳遞、演化過(guò)程，使整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生變化。風(fēng)險(xiǎn)因素在觀測(cè)到發(fā)生以后，不是立刻導(dǎo)致事故的發(fā)生，也不是沿著一條線固定的傳遞下去，它是通過(guò)多條線交錯(cuò)的傳遞，同時(shí)在時(shí)間上也不是立刻發(fā)生，可能是在下一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生它的影響。因此風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程是隨時(shí)間不斷變化的復(fù)雜過(guò)程，需要基于整個(gè)施工過(guò)程全面的考慮。

3.3 基于DBN的反向推理

基于DBN的反向推理，在觀測(cè)到每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生與否的時(shí)候，通過(guò)DBN模型中更新概率得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率，后驗(yàn)概率的大小可以作為判定風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度。

在施工中，當(dāng)觀測(cè)到2，3，4時(shí)間節(jié)點(diǎn)上風(fēng)險(xiǎn)R發(fā)生，通過(guò)設(shè)置總節(jié)點(diǎn)R上的證據(jù)，概率更新后各節(jié)點(diǎn)后驗(yàn)概率見圖4，根據(jù)圖4可知，在總風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)候，各子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)都有較大的增加，H2，M1，E2，A1風(fēng)險(xiǎn)因素都有所增加，變化趨勢(shì)與H節(jié)點(diǎn)相同，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素連接關(guān)系向前推理，在這個(gè)事件中，風(fēng)險(xiǎn)的演化路徑有以下幾條，E2-M1-M-R，A1-H1-H2-H-R，E2-E-R。對(duì)比M1與M2的概率變化趨勢(shì)見表4。

表4 后驗(yàn)概率下M1、M2概率對(duì)比

圖4 后驗(yàn)概率下的DBN餅狀模型

M1節(jié)點(diǎn)只受到同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)下其他風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，其概率變化趨勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)R大致相同，而M2節(jié)點(diǎn)同時(shí)受到前一時(shí)刻下A1，E4節(jié)點(diǎn)的影響，T=3時(shí)，P(M2)因P(A1(T=2))，P(E4(T=2))影響，此時(shí)P(M2)達(dá)到最大，與此變化相同的還有H1節(jié)點(diǎn)。因此，在T=2到T=3期間，風(fēng)險(xiǎn)的演化除了在單一時(shí)間下在風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)中有E2-M1-M-R，H1-H2-H-R，E2-E-R的傳遞路徑，在T=2→T=3之間有A1/E4-M1-M-R，A1-H1-H2-H-R的傳遞路徑，這些風(fēng)險(xiǎn)演化路徑即是風(fēng)險(xiǎn)因素在時(shí)間因素影響下在網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)演化路徑。

此次事件中，由于T=2(穿越河道前)時(shí)管理培訓(xùn)不到位A1，在T=3時(shí)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致人員水下勘探出現(xiàn)問(wèn)題H1；T=3(穿越河道中)時(shí)對(duì)掘進(jìn)速度和軸線的控制H2存在不當(dāng)，兩者結(jié)合進(jìn)而使T=3時(shí)水下盾構(gòu)的掘進(jìn)速度和軸線控制不當(dāng)，使人員風(fēng)險(xiǎn)H增大；T=2時(shí)由于地處高水壓下施工，使得環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)E1，E2，E3，E4增大；高水壓下對(duì)盾構(gòu)密封產(chǎn)生很大的壓力，使盾構(gòu)密封失效M1的風(fēng)險(xiǎn)增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)因素的增大。

通過(guò)DBN的正向推理和反向推理可知，由于水下地鐵盾構(gòu)施工需要穿越河道，在高水壓環(huán)境下施工，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較大，而環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一旦發(fā)生，會(huì)迅速引起機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生，導(dǎo)致繼續(xù)風(fēng)險(xiǎn)概率增大。同時(shí)如果管理不當(dāng)，也會(huì)使人員風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率大大提高，從而使整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)概率增加，引起事故的發(fā)生。這表明，本文構(gòu)建的DBN模型中的風(fēng)險(xiǎn)因子與風(fēng)險(xiǎn)事件之間呈正相關(guān)，這一現(xiàn)象與事實(shí)相符，從側(cè)面表明本文構(gòu)建的模型的合理性。因此，在對(duì)水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)加以控制的時(shí)候，不僅需要對(duì)環(huán)境、管理風(fēng)險(xiǎn)加以考慮，由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間演化后的機(jī)械、人員等風(fēng)險(xiǎn)也是必須考慮的。在找出事故的直接影響因素后，整個(gè)事故中風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化的路徑也是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

4 結(jié)論

(1)在水下地鐵盾構(gòu)施工中，采用WBS-RBS法將盾構(gòu)施工過(guò)程按時(shí)間節(jié)點(diǎn)劃分為N個(gè)階段，根據(jù)人、機(jī)、環(huán)、管識(shí)別了風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)DBN模型構(gòu)建了基于施工全過(guò)程的水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化模型，通過(guò)模型分析既找出了風(fēng)險(xiǎn)因素在單一時(shí)刻下的演化路徑，也通過(guò)概率變化定量的分析出管理人員培訓(xùn)不到位A1/隧道上浮E4(前一時(shí)刻)→盾構(gòu)設(shè)備損壞M1→機(jī)械因素M→風(fēng)險(xiǎn)R，管理人員培訓(xùn)不到位(前一時(shí)刻)A1→水下勘探不到位H1→工作面支護(hù)不到位H2→人員因素H→風(fēng)險(xiǎn)事件R的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，通過(guò)案例分析結(jié)果與實(shí)踐情況的對(duì)比證明了模型的正確性。

(2)在穿越河道過(guò)程中，在施工時(shí)刻穿越河道前(T=2)，遇見障礙物、高水壓施工、涌水涌砂、隧道上浮等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大幅度上升，會(huì)導(dǎo)致盾尾密封失效，管片損壞的風(fēng)險(xiǎn)概率上升，并在下一時(shí)刻穿越河道中(T=3)時(shí)刻下，導(dǎo)致人員風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率升高，風(fēng)險(xiǎn)由此在時(shí)間節(jié)點(diǎn)T=n到T=n+1之間傳遞，整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生過(guò)程不斷演化。風(fēng)險(xiǎn)在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下的傳遞以及隨時(shí)序的動(dòng)態(tài)演化導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，在盾構(gòu)穿越河道時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注所在相鄰時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的風(fēng)險(xiǎn)傳遞關(guān)系。

(3)將DBN引入水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)研究中，為水下地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)研究提供了思路，但僅研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變情況下的風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程，后續(xù)需要進(jìn)一步展開對(duì)風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化情況下風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程研究。