張社榮，尚 超，王 超

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

為了提高水資源配置效率和促進區(qū)域協(xié)調發(fā)展，國內開展多項大型引水工程建設[1]，在穿越山體或城區(qū)時多為隧洞形式。但是，引水隧洞工程存在工程地質[2]、施工技術[3]、密集周邊建筑物/結構[4]和自然災害[5]等安全風險，對工程施工質量、運行安全[6]造成威脅。因此，亟須研究契合長距離引水隧洞工程特點的高效風險識別方法，為引水工程施工和運行階段中的潛在安全風險實時管理提供基礎[7]，從而確保工程項目安全 。

國內外科研人員針對地下隧洞工程的風險評估進行了很多研究，并提出了相應的風險識別方法。羅倩鈺[8]基于事故場景對輸水隧洞風險評估進行了分析研究；Ding等[9]基于圖形識別提出了安全風險識別系統(tǒng)，在地下工程施工前期通過施工圖進行風險評估；El-Karim等[10]通過問卷調查、文獻綜述和專家意見收集風險因子數(shù)據(jù)，并通過Crystal Ball軟件計算相應數(shù)值和誤差；Li等[11-12]基于BIM研究了安全風險識別流程和系統(tǒng)；Liu等[13]基于綜合探索性因子分析和結構方程模型識別了地下工程中的安全風險因子。

此外，為了解決地下隧洞工程風險評估的復雜性和主觀性，許多學者采用模糊理論更加準確地評估風險， Subramanyan等[14]基于層次分析法(AHP)開發(fā)了風險評估模型； Nieto-Morote等[15]基于AHP和模糊集理論開展了項目風險評估研究；陳婷婷[16]基于AHP-TOPSIS法對地下工程的施工方案進行了比選；龔劍等[17]基于AHP-TOPSIS法對巖爆傾向性進行預測。但是，實際工程中的多標準權重分配往往是不確定的，通過IAHP法的成對比較可以使多標準的權重分配更加客觀和準確。

大型引水工程涉及的技術種類多、時空跨度長、參建單位多，潛在風險貫穿引水隧洞的全生命周期，因此潛在安全風險因子權重并非一成不變[18]。上述方法主要用于施工前期，根據(jù)初期的工程信息識別工程安全風險，然而長距離引水隧洞工程中安全風險在不同施工階段不盡相同。本文基于IAHP法和擴展區(qū)間TOPSIS法，提出一種適用于長距離引水隧洞施工階段的實時安全風險識別模型，并通過典型引水工程案例進行驗證，從而為引水隧洞工程的預警與風險管理系統(tǒng)和類似工程提供理論基礎。

1 引水隧洞實時安全風險識別模型

根據(jù)中國應急管理部網站、學術文獻[3]和近幾年的事故新聞提供的事故數(shù)據(jù)來源，隧洞施工事故類型主要包括：由于圍巖和支護結構失穩(wěn)引起的塌方、地面塌陷，防滲措施不當引起的滲水和滲漏，以及施工不當引起的機械事故、管線受損、火災和爆炸等。此外，接近城區(qū)施工會對周邊社會、自然和生態(tài)環(huán)境產生較大影響，由此帶來的施工監(jiān)測覆蓋范圍和密度的變化也對接近城區(qū)隧洞施工風險識別提出更高要求。

對于長距離引水隧洞工程，其安全風險的類別和權重在各個施工階段都會發(fā)生變化。因此，實時安全風險識別對于確保長期有效的風險控制尤為重要。下面提出一種適用于長距離引水工程施工期實時安全風險識別模型，該模型通過IAHP和擴展TOPSIS法實現(xiàn)[19-22]。模型的規(guī)劃和執(zhí)行階段可分為5個主要步驟，流程圖如圖1所示。由于技術種類、環(huán)境和監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，模型應在所有階段進行實時迭代，通過MATLAB編程計算。

圖1 引水隧洞工程安全風險識別模型框架

1.1 潛在安全風險數(shù)據(jù)的收集和確定

通過實時數(shù)據(jù)收集來識別風險因子。有3種主要的數(shù)據(jù)來源：案例/專家?guī)欤F(xiàn)場狀況和監(jiān)測設備。數(shù)據(jù)將在不同階段發(fā)生變化并更新。

確定潛在安全風險是風險識別規(guī)劃和執(zhí)行階段的基礎，關鍵風險因子會影響施工期和運營維護階段的項目安全。因此，應進一步完善安全風險數(shù)據(jù)，以保證風險識別的準確性。安全風險識別和評估過程包括傳感層、傳輸層、分析層和控制層[19]，本文重點介紹分析層。實時安全風險數(shù)據(jù)的收集是通過傳感層和傳輸層，并將其發(fā)送到中央遠程控制服務器，通過用戶界面登錄到數(shù)據(jù)庫。潛在的安全風險因子根據(jù)安全風險數(shù)據(jù)庫確定。

1.2 基于IAHP法建立決策層和分配權重

首先，明確潛在的安全風險因子，確定決策層等級。然后，建立用于風險評估的標準，并與決策者的建議相結合。決策者包括項目業(yè)主、工程師、在特定領域具有相關知識的專家或利益相關者等。最后，基于IAHP法進行權重分配，其中各階段權重是動態(tài)變化的。引水隧洞安全風險識別的標準及其定義：地質條件(C1)、復雜施工(C2)、環(huán)境所受影響(C3)、結構安全(C4)、自然災害(C5)。所有標準都被認為是重要的。

a.建立決策層。層次結構是將多指標決策問題分解和簡化為至少3層(即目標層，標準層和指標層)的關鍵[17]。

b.建立判斷矩陣?；贗AHP法將權重分配給標準和決策者。根據(jù)成對比較的標度和判斷原則，采用二元對比法比較和分配同一層次的相關指標[23]，這種方法同時反映了主、客觀性。若C=(cj)(j=1,2,…,n)是一個判斷矩陣，n個標準的成對比較結果可以概括為(n×n)區(qū)間判斷矩陣A，其中每個元素都表示對風險的影響程度：

其中aii=1,al,ji=1/au,ij,aij≠0)

式中：al,ij為兩個風險因子比較重要性的下限；au,ij為它們之間比較的上限。

c.檢查判斷矩陣的一致性。驗證矩陣一致性比例CR的公式為[19]：

(2)

(3)

式中：SI為一致性檢驗指數(shù)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為成對比較因子的階數(shù)，此處n=5；RI為平均隨機一致性指數(shù)，由n確定不同的值，這里RI=1.12。

判斷矩陣的一致性必須滿足SI<0.1。否則，必須調整判斷矩陣的權重。

d.確定標準的權重

通過區(qū)間數(shù)特征向量法(IEM)，使用和積法排序得出最大特征值。

1.3 基于擴展區(qū)間TOPSIS法做出決策

基于TOPSIS法對各潛在安全風險因子的距理想解貼近度進行求解之前，首先要確定：標準可能具有不同的權重；對所有決策者而言，標準是相同的，但每位決策者的權重是不同的。

建立一個矩陣D=(fl,jn，fu,jn)，使得m個決策者應該有m個決策矩陣，并計算每項指數(shù)的歸一化決策矩陣R=(rl,ij，ru,ij)。(rl,ij,ru,ij)是標準化值。

建立區(qū)間群決策矩陣G=(gl,jn，gu,jn)，其中：

(4)

然后，構建加權歸一化決策矩陣，可以通過將歸一化矩陣乘以其相關權重來計算。

加權歸一化值(vl,ij,vu,ij)求解：vl,ij=wjgl,ij，vu,ij=wjgu,ij(i=1,2,…,J;j=1,2,…,n),其中wj為第j個屬性或標準的權重。

指標值Rk為替代k的相對貼近度，在閉合區(qū)間[0,1]內取值。指標值越大，評判對象的表現(xiàn)越好。

(5)

1.4 確定主要安全風險因子排序

通過計算與理想解的相對貼近度在施工期各階段進行潛在安全風險因子的排序，選出排名前4的風險因子(取決于實際情況)。由于技術種類多、外界環(huán)境的變化、監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋和結構的損耗等，潛在風險因子權重的排序會發(fā)生變化，因此需要對實際工程的風險識別進行實時迭代。

1.5 總結高權重的潛在安全風險因子

基于風險識別模型，輸入新的潛在風險數(shù)據(jù)和決策信息更新安全風險因子排序結果，得到并總結排名前4的風險因子，進行風險評估和控制(本文著重研究風險識別模型)，以達到引水隧洞工程施工期實時有效安全風險管理的目的。

2 工程案例

滇中引水工程輸水總干渠昆明段的輸水線路經昆明市區(qū)。受地質條件、地面建筑物的影響，該段工程圍巖穩(wěn)定性差，特別是在施工期，常規(guī)施工方法成洞困難，實施過程對地表影響極大，對引水隧洞運行期的結構安全也有較大影響。按照上述安全風險識別模型的5個主要步驟，下面對滇中引水工程昆明段施工期輸水隧洞進行安全風險識別。

2.1 確定潛在安全風險因子

引水隧洞工程時空跨度大，會遇到深埋[24-25]/淺埋下的多種技術種類、復雜的地質條件和密集周邊建筑情況，參考第1節(jié)中所述主要隧洞施工事故類型，根據(jù)歷史文獻和類似引水項目的風險數(shù)據(jù)庫，將主要的潛在安全風險來源分為以下5類：

a.工程地質風險：由不確定的工程地質參數(shù)或非理想工程地質條件引起的風險。經過昆明城區(qū)段的引水隧洞穿越軟巖地質，地下水位高，個別區(qū)段出現(xiàn)軟土地質，在軟弱圍巖中施工更易發(fā)生較大變形。

b.施工技術風險：軟弱圍巖施工期間因施工方法不當而產生的結構和圍巖失穩(wěn)風險。隧洞圍巖及支護結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和時效性也對隧洞施工風險產生重要影響。相較于礦山法施工，TBM施工對地質條件的準確預估要求較高，會影響到TBM的正確選型和設備配置。此外，施工作業(yè)不當可直接或間接造成機械事故、火災或者爆炸等。

c.環(huán)境風險：工程施工作業(yè)使環(huán)境發(fā)生變化，對周邊建筑物/結構產生不利影響，以及支洞施工排水對地表水及地下水環(huán)境產生的影響。例如，本工程需要重點關注下穿盤龍江段施工期隧洞的支護結構安全、外水壓力和滲水問題；考慮近接施工對周邊建筑物/結構的影響(①近接地下管溝；②下穿自來水管；③近接小區(qū)高層建筑物)。滇中近接城區(qū)引水隧洞施工期可按上述近接建筑物隧洞典型斷面分為3個階段。

d.結構安全：減少施工期事故的發(fā)生，是保證輸水隧洞在設計壽命內的安全運行的關鍵。①支護結構安全的監(jiān)測覆蓋范圍、密度和準確性對隧洞運行風險[26]產生重要影響；②圍巖-支護力學變化和支護結構病害風險。

e.自然災害風險：地震可能誘發(fā)隧洞沿線的圍巖失穩(wěn)、支護結構失效甚至洞內坍塌等事故。

基于案例/專家?guī)?，通過傳感器實時收集安全風險數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)胶笈_服務器進行處理，收集和分析針對本工程項目各方面的信息，并確定潛在的安全風險數(shù)據(jù)。

2.2 建立引水隧洞安全風險決策層和分配權重

根據(jù)上述內容，建立了隧洞潛在安全風險的決策層如圖2所示。由于接近施工會對周圍環(huán)境的建筑物/結構產生較大干擾，在上述典型斷面的施工階段確定潛在安全風險。

圖2 潛在安全風險因子

從標準和決策者的描述性程度到相關度量中間值的關系：幾乎確定(9)、極有可能(7)、容易(5)、可能(3)、不會(1)。表1為標準的區(qū)間數(shù)互補判斷矩陣，表2列出了3個決策者Q1～Q3的區(qū)間成對比較矩陣(實際有很多決策者)，表3為基于IAHP法得到的各標準和決策者的權重。

表1 標準的區(qū)間互補判斷矩陣

表2 決策者的區(qū)間互補判斷矩陣

表3 標準和決策者的權重

2.3 確定標準和排列潛在安全風險因子

參考其他隧洞/隧道工程的數(shù)據(jù)，適用于滇中引水工程過昆明城區(qū)段隧洞的風險識別標準的合理度量如表4所示。表中，C2的標準構成收益性指標集，其值越大越好；C1、C3、C4和C5構成消耗性指標集，其值應盡可能小。

表4 滇中引水過昆明城區(qū)段隧洞的風險識別標準的度量

注：可以更改風險識別標準的度量以適合相應國家和地區(qū)。

根據(jù)上述信息，要求每個決策者通過分別比較每個標準下的潛在風險因子來建立決策矩陣，結合標準和決策者的權重得到區(qū)間數(shù)群決策矩陣。然后，計算每個潛在風險因子的距理想解的貼近度。潛在安全風險因子的最終排序如表5所示。

表5 滇中引水過昆明城區(qū)段隧洞的風險識別標準的度量

2.4 確定主要安全風險因子最終排序

根據(jù)潛在風險因子的排名，前4項(Z5、Z9、Z10和Z6)被選為下穿盤龍江的主要安全風險因子。結合最新的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和不斷變化的環(huán)境，需要根據(jù)實際監(jiān)測和緊急情況，在各階段實時識別主要潛在安全風險因子。

2.5 關鍵安全風險因子

潛在安全風險因子的權重在不同的施工階段會有所不同。選擇3個典型的階段來說明結果：下穿盤龍江；下穿自來水管道和近接管溝段；近接小區(qū)高層建筑段。

在這項研究中，3個典型施工階段潛在風險因子的最終排名前4項大小排序分別為：階段1Z5、Z9、Z10、Z6;階段2Z7、Z9、Z5、Z1;階段3Z8、Z5、Z9、Z1。在該階段基于關鍵風險因子進行風險評估、風險評級和采取措施，以防止隧洞運行后潛在的結構安全和管理問題。

對于近接城區(qū)的淺埋引水隧洞開挖后周邊土體位移特性匯總如圖3所示。

圖3 各典型階段的位移特性統(tǒng)計

各典型階段的高風險因子排序和圖3的結果規(guī)律基本一致。在典型的施工階段中，因下穿盤龍江，隧洞洞頂土體豎向變形和滲水情況風險增大；在典型的施工階段中，管線的風險相較其他建筑物更大，隧洞盾構施工對自來水管造成的不均勻沉降為6.5 mm(寬30 m)，平均傾斜率為0.022%，小于1/800；在典型的施工階段中，隧洞底部的回彈變形(48 mm)、橫向變形(32.5 mm)和地表沉降(18 mm)相較于其他階段都較大，因此施工技術和管理風險權重增加，對小區(qū)高樓地基造成的不均勻沉降為3.4 mm(寬25 m)，平均傾斜率為0.014%，小于0.25%。

遵循這些程序，可以在施工期間成功識別關鍵的安全風險。綜合3個典型段結果，盾構隧洞在施工期對周邊土體及構筑物的影響較小，滿足近接施工土體變形要求。所有建筑物/結構都在其正常安全運行狀態(tài)內受到控制。

3 結 論

隨著國家多項大型引水工程的建設和發(fā)展，其施工期全過程的風險評估、決策和控制是一個重要問題，首先需要準確的實時安全風險識別。本文提出了引水工程隧洞實時安全風險評估模型，在潛在安全風險中確定了關鍵風險因子，并通過工程實例證明了模型的可行性和合理性。

a.隧洞施工的潛在安全風險來自多個方面，如工程和水文地質風險、施工技術風險、環(huán)境風險(包括周邊建筑物/結構和生態(tài))和自然災害風險等。風險可能由多種風險因子引起，單一風險因子可能導致多種風險。

b.將IAHP-擴展TOPSIS法運用在引水隧洞工程安全風險識別模型上，能夠有效地減小風險識別的復雜性和主觀性，同時避免了TOPSIS法因指標過多分配權重難度增加的問題，可以使風險識別更加全面和準確，并具有時效性。

c.安全風險因子的排序在引水隧洞工程各施工階段發(fā)生變化，安全風險識別和風險評估在各關鍵施工階段實時更新，確定關鍵風險因子從而規(guī)避風險。通過工程實例驗證風險識別結果與實際結果相吻合。