馬小云 李樂 劉偉 母雪珂

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

地鐵隧道礦山法施工系統(tǒng)十分復(fù)雜且不確定性較大，加之管理水平不高，導(dǎo)致地鐵施工事故頻發(fā)[1]。而事故發(fā)生通常是多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相互影響引起的，風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合作用使得風(fēng)險(xiǎn)管控更加困難。目前，風(fēng)險(xiǎn)耦合效應(yīng)研究在航空[2]、企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[3]、煤礦[4]等領(lǐng)域廣泛開展。在地鐵項(xiàng)目領(lǐng)域，許慧等[5]構(gòu)建N-K模型得到各耦合方式對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響程度。馬伶伶[6]運(yùn)用耦合度模型分析軌道交通運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)耦合規(guī)律。陳濤[7]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)定性分析和耦合度模型定量分析相結(jié)合的方法研究地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合特性。

目前，地鐵相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)耦合分析大多針對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)施工階段關(guān)注較少，且沒有結(jié)合具體施工方法，僅從人、機(jī)、環(huán)、管進(jìn)行研究，針對(duì)性較差。N-K模型的構(gòu)建是基于客觀已發(fā)生的具體風(fēng)險(xiǎn)事件，相較于其他耦合評(píng)價(jià)模型而言，個(gè)人主觀性較低。因此，本文基于N-K模型研究北京地鐵礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合，考慮到具體施工方法，將相關(guān)施工技術(shù)因素引入地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)耦合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，增強(qiáng)了該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的適用性。

1 地鐵區(qū)間礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

通過對(duì)北京地鐵礦山法事故案例的調(diào)研及相關(guān)文獻(xiàn)分析，結(jié)合礦山法施工特點(diǎn)，從人、物(機(jī)械材料)、環(huán)、管、施5個(gè)維度識(shí)別出各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建地鐵隧道礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 風(fēng)險(xiǎn)耦合機(jī)理分析及分類

2.1 風(fēng)險(xiǎn)耦合效應(yīng)發(fā)生機(jī)理

耦合是動(dòng)態(tài)的相互作用關(guān)系，系統(tǒng)內(nèi)的子系統(tǒng)相互促進(jìn)或抵消使得原有屬性放大或減小[8]。地鐵礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合發(fā)生機(jī)理如圖2所示。地鐵礦山法施工系統(tǒng)中存在人、物、環(huán)、管、施5個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)下或子系統(tǒng)間的風(fēng)險(xiǎn)因素容易發(fā)生耦合震蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)增大甚至生成新的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而打破原有的平衡狀態(tài)，使得整個(gè)施工系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)超過閾值，引發(fā)施工事故。

圖2 地鐵礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合發(fā)生機(jī)理

2.2 地鐵礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合類型

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素參與耦合作用的數(shù)量，將施工系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)耦合分為以下三大類：

(1)單因素風(fēng)險(xiǎn)耦合。指影響施工安全的某類風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用，用T1表示風(fēng)險(xiǎn)值。包括人-人、物-物、環(huán)-環(huán)、管-管、施-施5種耦合方式，耦合風(fēng)險(xiǎn)值分別記為T11、T12、T13、T14和T15。

(2)雙因素風(fēng)險(xiǎn)耦合。指兩類風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用，用T2表示總風(fēng)險(xiǎn)值。包括人-物、人-環(huán)、人-管、人-施、物-環(huán)、物-管、物-施，環(huán)-管、環(huán)-施、管-施10種耦合方式，分別記為T21、T22、T23、T24、T25、T26、T27、T28、T29、T2X。

(3)多因素風(fēng)險(xiǎn)耦合。指三類或三類以上風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用。用T3表示風(fēng)險(xiǎn)因素耦合的總風(fēng)險(xiǎn)值，包括人-物-環(huán)、人-物-管、人-物-施、人-環(huán)-管、人-環(huán)-施、人-管-施、物-環(huán)-管、物-環(huán)-施、物-管-施、環(huán)-管-施10種耦合方式，分別記為T31、T32、T33、T34、T35、T36、T37、T38、T39、T3X。用T4表示4類風(fēng)險(xiǎn)因素耦合總風(fēng)險(xiǎn)值，包括人-物-環(huán)-管、人-物-環(huán)-施、人-物-管-施、人-環(huán)-管-施、物-環(huán)-管-施5種耦合方式，分別記為T41、T42、T43、T44、T45。用T5表示5類因素風(fēng)險(xiǎn)耦合值，即人-物-環(huán)-管-施耦合。

3 基于N-K模型的風(fēng)險(xiǎn)耦合度量研究

N-K模型最早用于分析物種進(jìn)化的基因排序問題，隨后逐漸成為解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的通用模型[9]。其中，N代表構(gòu)成礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；K代表施工系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)因素可發(fā)生耦合作用關(guān)系的數(shù)量。若礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)存在n種狀態(tài)，則最多有nN種可能的交互耦合方式，從而形成復(fù)雜的交互網(wǎng)絡(luò)[10]。

3.1 礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合度量信息交互公式

基于地鐵區(qū)間礦山法施工系統(tǒng)中的5類風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生的交互信息，度量各風(fēng)險(xiǎn)耦合方式下系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)程度。交互信息的計(jì)算公式如下

(1)

式中，a、b、c、d、e分別代表人員、機(jī)械材料、環(huán)境、管理、施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素；Phijk代表在系統(tǒng)中人員因素存在h種情況、機(jī)械材料因素存在i種情況、環(huán)境因素存在j種情況、管理因素存在k種情況、施工技術(shù)因素存在l種情況下，風(fēng)險(xiǎn)耦合作用發(fā)生的概率。T值可用于量化評(píng)估地鐵區(qū)間礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合效應(yīng)。T值越大，表明在該種耦合方式下施工系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值越大，發(fā)生施工事故的概率也越大。

3.2 構(gòu)建礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合度量模型

地鐵礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)通常在局部進(jìn)行耦合。例如，事故發(fā)生是由于人為因素和機(jī)械材料因素共同作用引起的，且其他類別風(fēng)險(xiǎn)因素未參與或影響程度極小，這就是雙因素局部風(fēng)險(xiǎn)耦合。因此，度量局部耦合的程度可以利用這兩種因素之間的交互信息。以人-物風(fēng)險(xiǎn)耦合為例，計(jì)算公式如下

(2)

同理，可計(jì)算其余雙因素風(fēng)險(xiǎn)耦合度量。

以人-物-環(huán)風(fēng)險(xiǎn)耦合為例，三因素耦合度量計(jì)算公式如下

(3)

以人-物-環(huán)-管風(fēng)險(xiǎn)耦合為例，四因素耦合度量計(jì)算公式如下

(4)

同理，可得其余風(fēng)險(xiǎn)耦合度量計(jì)算式。

4 實(shí)例分析

4.1 工程背景與數(shù)據(jù)來源

礦山法具有對(duì)地面干擾較小的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于北京市區(qū)地鐵建設(shè)。本文基于北京軌道交通工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)了2014—2020年北京地鐵礦山法施工區(qū)間發(fā)生的152起風(fēng)險(xiǎn)事件。部分安全事故信息統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 部分安全事故信息統(tǒng)計(jì)

4.2 風(fēng)險(xiǎn)耦合度計(jì)算

在N-K模型中，礦山法施工系統(tǒng)的5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素都有發(fā)生和未發(fā)生兩種狀態(tài)，分別用0和1表示，最多可出現(xiàn)32種風(fēng)險(xiǎn)耦合方式。對(duì)上述152起礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各耦合方式的頻數(shù)及頻率，具體結(jié)果見表2。

表2 2014—2020年北京地鐵礦山法施工事故各耦合方式頻數(shù)及頻率

4.2.1 單風(fēng)險(xiǎn)因素耦合P值計(jì)算

由式(1)可知，需要計(jì)算Ph…、Pi…、P..j..、P…k.、P…l的值。例如，人員因素參與風(fēng)險(xiǎn)耦合時(shí)事故發(fā)生概率為P1…=P10000+P11000+P10100+P10010+P10001+P11100+P10110+P10011+P11010+P11001+P10101+P11110+P10111+P11011+P11101+P11111=0.684 21。同理，可計(jì)算其他單風(fēng)險(xiǎn)因素的P值。單因素耦合不同情況下發(fā)生概率見表3。

表3 單因素耦合不同情況下發(fā)生的概率

4.2.2 雙因素風(fēng)險(xiǎn)耦合P值計(jì)算

以人員和機(jī)械材料雙因素風(fēng)險(xiǎn)耦合為例計(jì)算P值，根據(jù)式(2)可知，需要計(jì)算Phi…值，有P11…、P10…、P01…、P00…4種情況，P11…=P11000+P11100+P11010+P11001+P11110+P11011+P11101+P1111=0.263 16。同理，可計(jì)算其余情況的P值，結(jié)果見表4。

表4 雙因素耦合不同情況下發(fā)生的概率

4.2.3 多因素風(fēng)險(xiǎn)耦合P值計(jì)算

根據(jù)式(3)和式(4)分別計(jì)算三因素風(fēng)險(xiǎn)耦合與四因素風(fēng)險(xiǎn)耦合的P值。由于篇幅所限，本文不將多因素風(fēng)險(xiǎn)耦合P值結(jié)果列出。

計(jì)算出所有P值后，根據(jù)式(1)～式(4)計(jì)算出所有風(fēng)險(xiǎn)耦合方式的T值，并求出雙因素、三因素、四因素風(fēng)險(xiǎn)耦合T值的平均值。風(fēng)險(xiǎn)耦合值計(jì)算結(jié)果見表5。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)由表5可知，在北京地鐵區(qū)間礦山法施工過程中，隨著參與耦合的風(fēng)險(xiǎn)因素的增多，耦合風(fēng)險(xiǎn)均值遞增，風(fēng)險(xiǎn)耦合程度總體呈上升趨勢(shì)。

表5 風(fēng)險(xiǎn)耦合值計(jì)算結(jié)果

(2)在雙因素耦合中，T23>T28>T22>T25>T26>T29>T27>T24>T2X>T21。其中，人員與管理因素的耦合程度最大，說明當(dāng)管理不到位時(shí)，人做出不安全行為的概率也較大，施工風(fēng)險(xiǎn)值越大；人員與物的耦合程度最小，這與礦山法施工機(jī)械化程度較低的實(shí)際情況相符合。

(3)在三因素耦合中，T34>T37>T32>T36>T3X>T35>T31>T33>T39>T38。其中，人員、環(huán)境與管理因素的耦合程度最大，說明在環(huán)境惡劣的情況下，一旦管理不到位和人的不安全行為發(fā)生，風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率將迅速增大。

(4)在四因素耦合中，T41>T44>T43>T45>T42，可見風(fēng)險(xiǎn)最大的耦合方式都包含人員與管理因素，這與三因素、雙因素耦合情況一致，說明人員與管理這兩類主觀因素的耦合程度較大。當(dāng)它們完全耦合再發(fā)生其他風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將急速增長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合地鐵隧道礦山法施工特點(diǎn)，基于N-K模型構(gòu)建了地鐵隧道礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，有效提升了地鐵區(qū)間礦山法施工風(fēng)險(xiǎn)耦合分析的全面性。具體研究結(jié)論如下：

(1)通過梳理和分析北京地鐵礦山法施工的152起安全事故，基于N-K模型計(jì)算出不同耦合類型的風(fēng)險(xiǎn)值，得到北京地鐵礦山法施工安全風(fēng)險(xiǎn)耦合規(guī)律，可為地鐵工程施工安全管理提供參考。

(2)耦合風(fēng)險(xiǎn)較大的耦合方式都包含人員因素與管理因素，這兩個(gè)因素同時(shí)發(fā)生將大幅提高施工風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率。因此，需要對(duì)上述因素重點(diǎn)管控，以降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。