韋海民 王旭 賀廣學(xué)

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710011)

0 引言

地鐵盾構(gòu)施工過程中往往面臨地質(zhì)條件較差、地下管線復(fù)雜、鄰近建(構(gòu))筑物妨礙等諸多風(fēng)險，且各風(fēng)險因素之間相互影響、作用機理復(fù)雜。我國西北地區(qū)的土質(zhì)多屬于濕陷性黃土，土質(zhì)具有水敏性、結(jié)構(gòu)性、欠壓密性等特點，因此在此區(qū)域施工存在區(qū)別于在其他普通地質(zhì)條件下施工的安全風(fēng)險，更易引發(fā)安全事故。于?，摰萚1]對我國近年來發(fā)生的多起地鐵施工安全事故進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明盾構(gòu)法是導(dǎo)致安全事故多發(fā)的工法。因此，研究地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險對于加強地鐵施工安全管理具有重要意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者對地鐵施工階段的安全問題展開了研究。Wu等[2]通過三維數(shù)字模擬分析了多種因素對隧道穩(wěn)定性的影響，提出了基于FAHP-灰色關(guān)聯(lián)度-理想解法的隧道穩(wěn)定性評價模型，為保障隧道安全施工提供了一種新方法。Hyun等[3]通過對有經(jīng)驗的盾構(gòu)設(shè)備施工人員進(jìn)行訪談?wù){(diào)查并收集施工過程中潛在的風(fēng)險因素，將風(fēng)險因素分為環(huán)境、設(shè)計、技術(shù)和管理4類，考慮風(fēng)險的概率及影響，結(jié)合故障樹分析法和層次分析法，通過某地鐵施工項目實例驗證了該模型的可行性。劉尚各等[4]針對公路隧道建立了風(fēng)險指標(biāo)體系，以熵權(quán)理論結(jié)合云模型理論建立施工風(fēng)險評價的改進(jìn)云模型，與常規(guī)方法的評價結(jié)果一致，豐富了施工風(fēng)險評價的方法理論。江新等[5]結(jié)合SD和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與MIV算法，構(gòu)建了地鐵隧道施工風(fēng)險的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并對某地鐵項目進(jìn)行了評價。柴國榮等[6]基于施工進(jìn)度的角度，構(gòu)建了地鐵施工項目安全評估的SD模型，通過對影響進(jìn)度的三個關(guān)鍵因素進(jìn)行調(diào)整，提出了減少施工安全事故發(fā)生的有效方式。楊寶懷等[7]將肯特指數(shù)法應(yīng)用于地鐵施工風(fēng)險評估，通過對其進(jìn)行改進(jìn)構(gòu)建風(fēng)險評估模型，并以北京地鐵某標(biāo)段項目為例驗證了該模型具有較強的指導(dǎo)性。

目前，學(xué)者們大多把地鐵施工風(fēng)險看作靜止?fàn)顟B(tài)，在進(jìn)行風(fēng)險評價時忽略了各風(fēng)險因素之間的相互影響，對地鐵施工安全缺乏系統(tǒng)性的研究，較少關(guān)注各風(fēng)險因素之間的層次性和相關(guān)性。特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜或施工周期較長的情況下，難以對施工風(fēng)險進(jìn)行動態(tài)反饋分析。基于此，本文結(jié)合特殊的地質(zhì)條件，在構(gòu)建濕陷性黃土地區(qū)地鐵施工安全風(fēng)險因素指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，選用Vensim PLE軟件構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，確定風(fēng)險因素的因果回路圖，梳理出影響地鐵施工階段的主要風(fēng)險因素，并提出應(yīng)對策略，為該地區(qū)地鐵施工危險事故預(yù)防提供參考。

1 濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險因素分析

工程項目施工風(fēng)險管理一般包括施工準(zhǔn)備階段的風(fēng)險管理和施工過程中的風(fēng)險管理[8]，本文主要分析地鐵盾構(gòu)施工過程中的風(fēng)險。

1.1 風(fēng)險因素識別

風(fēng)險識別方法一般包括文獻(xiàn)分析法和實踐經(jīng)驗法[8]，以下從理論研究、文獻(xiàn)研究、案例研究三個層面結(jié)合濕陷性黃土的特有性質(zhì)對風(fēng)險進(jìn)行識別。

(1)理論研究。海因里希于1931年提出了“事故因果連鎖理論”[9]，認(rèn)為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)僅是事故發(fā)生的前提。博得的“現(xiàn)代事故因果連鎖論”指出，物的不安全狀態(tài)、人的不安全行為僅是表層次的原因，其根本原因是管理不當(dāng)。

(2)文獻(xiàn)研究。楊仙等[10-12]將地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險劃分為地質(zhì)條件、鄰近建(構(gòu))筑物、施工設(shè)備、施工技術(shù)、施工質(zhì)量、不可抗力因素、勘察設(shè)計、施工人員的操作經(jīng)驗及身心素質(zhì)、地下水位等。

1.2 風(fēng)險因素分類

《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》將導(dǎo)致安全事故發(fā)生的風(fēng)險因素劃分為人、物、環(huán)境、管理四大類。

本文通過梳理上述參考文獻(xiàn)及相關(guān)地鐵建設(shè)規(guī)范指南[1-7，9-13]，參考專家學(xué)者及相關(guān)地鐵施工管理人員的建議，對有歧義的風(fēng)險因素進(jìn)行合并、修改，最終得到的地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險因素見表1。

表1 地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險因素

2 濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險SD模型構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)用的可行性及解決問題的步驟

系統(tǒng)動力學(xué)是一種基于系統(tǒng)理論的定量與定性分析相結(jié)合的方法，使用Vensim PLE軟件可以將各種變量聯(lián)系起來，動態(tài)分析各變量之間的相互作用，在因果回路圖的基礎(chǔ)上構(gòu)建流圖進(jìn)行計算機仿真實驗，預(yù)測各個變量的發(fā)展趨勢，有效處理系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的多重反饋、高階次、非線性等問題。該方法已廣泛應(yīng)用于政治、經(jīng)濟等領(lǐng)域。

地鐵盾構(gòu)施工過程開放且復(fù)雜，影響系統(tǒng)安全的風(fēng)險因素眾多。隨著項目的推進(jìn)，風(fēng)險以及各風(fēng)險因素之間的相互作用也在不斷變化，當(dāng)風(fēng)險耦合積聚的能量突破系統(tǒng)的風(fēng)險閾值時，必然會發(fā)生安全事故，給系統(tǒng)安全帶來威脅和隱患。各風(fēng)險因素之間的復(fù)雜性與傳播性可以用系統(tǒng)動力學(xué)中流圖和因果回路圖的形式表達(dá)，進(jìn)而研究系統(tǒng)形態(tài)的變化。圖1為應(yīng)用SD模型解決問題的步驟。

2.2 模型假定與系統(tǒng)邊界的確定

隨著地鐵盾構(gòu)施工的不斷推進(jìn)，風(fēng)險系統(tǒng)呈現(xiàn)動態(tài)性、復(fù)雜性特點，本文將人-環(huán)境-材料/設(shè)備-管理視為一個整體，提出以下假設(shè)。

H1：將人員風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、材料/設(shè)備風(fēng)險、管理風(fēng)險視為系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)生變量，將其他因素均視為外生變量不予考慮。

H2：安全管理人員雖然對風(fēng)險具有一定的管控能力，但不能完全消除風(fēng)險所產(chǎn)生的不利影響。

H3：從施工過程的角度出發(fā)，只考慮盾構(gòu)設(shè)備施工過程對盾構(gòu)施工風(fēng)險系統(tǒng)的影響，不考慮其進(jìn)出場、安拆階段的風(fēng)險。

2.3 構(gòu)建地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險演化因果回路圖

地鐵盾構(gòu)施工過程中的各類風(fēng)險因素具有動態(tài)性和復(fù)雜性等特點，體現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)中的多個風(fēng)險進(jìn)行傳導(dǎo)時，風(fēng)險之間相互耦合可能會導(dǎo)致風(fēng)險急劇擴大或者產(chǎn)生新的風(fēng)險，進(jìn)而擴大負(fù)面影響范圍，危及整個系統(tǒng)的安全。

事故致因理論指出，安全事故是多種因素共同作用的結(jié)果，其演化過程呈現(xiàn)動態(tài)性和復(fù)雜性的特點，可以用Vensim PLE軟件中的因果回路圖體現(xiàn)，如圖2所示。

在因果回路圖中，以“系統(tǒng)風(fēng)險水平”為工作變量，通過軟件分析該變量共有正反饋4條、負(fù)反饋14條。當(dāng)?shù)罔F施工風(fēng)險水平較高時，可以通過發(fā)揮負(fù)反饋回路的調(diào)節(jié)作用進(jìn)而降低風(fēng)險。以“系統(tǒng)風(fēng)險水平”的某一負(fù)反饋回路為例：系統(tǒng)風(fēng)險水平↑→風(fēng)險管控↑→安全投入↑→安全防護↑→作業(yè)人員素質(zhì)↑→人的不安全行為↓→系統(tǒng)風(fēng)險水平↓(-)。因此，隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，項目管理人員應(yīng)重點關(guān)注系統(tǒng)風(fēng)險水平負(fù)反饋回路中的各個變量，有效利用負(fù)反饋回路的調(diào)節(jié)作用降低系統(tǒng)的風(fēng)險水平和事故發(fā)生的概率。

2.4 構(gòu)建地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)流圖

圖2僅能反映風(fēng)險因素之間的傳遞路徑和影響關(guān)系，無法定量描述系統(tǒng)內(nèi)部變量隨時間的積累變化情況。在圖2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量，構(gòu)建地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)流圖，如圖3所示。

2.5 確定風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

可以根據(jù)圖3確定邊界因素，如材料質(zhì)量、駕駛?cè)藛T技能水平、作業(yè)人員安全意識等，邀請項目管理人員結(jié)合現(xiàn)場施工情況給出變量賦值。表1中的25個風(fēng)險因素難以用定量的數(shù)值表示，只能用“風(fēng)險大”或“風(fēng)險小”等類似的語言進(jìn)行定性描述。

本文采用熵權(quán)法確定各風(fēng)險因素的熵權(quán)重，首先采用李克特5分量表表達(dá)風(fēng)險的等級，每個評價等級對應(yīng)不同的風(fēng)險等級，現(xiàn)將5等級標(biāo)度設(shè)置如下：R={R1，R2，R3，R4，R5}={風(fēng)險低，風(fēng)險較低，風(fēng)險一般，風(fēng)險較高，風(fēng)險高}={[0，0.3]，[0.3，0.5]，[0.5，0.65]，[0.65，0.8]，[0.8，1]}。邀請7名專家對表1中的25個風(fēng)險因素采用李克特5分量表給邊界因素打分得到原始矩陣，之后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理，最終計算得到各級風(fēng)險影響因素的權(quán)重，見表2。

表2 各級風(fēng)險因素的權(quán)重

(續(xù))

2.6 建立SD方程

基于熵權(quán)法確定的濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險因素的權(quán)重值，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)流圖，構(gòu)建濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的主要SD方程，具體見表3。

表3 濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的主要SD方程

3 濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

3.1 實證分析

以某市地鐵隧道一期施工項目為例，施工地質(zhì)條件為濕陷性黃土，周圍交通便利，人員活動頻繁。邀請項目負(fù)責(zé)人、施工項目管理人員及專家專家學(xué)者使用德爾菲法，根據(jù)項目的相關(guān)資料對邊界因素進(jìn)行打分。這里參考帥珍珍等[14]為確保風(fēng)險因素的一致性，將邊界因素邊界因素均轉(zhuǎn)換為極大型指標(biāo)的做法，賦值介于0～5，采用公式Xij=(a+4m+b)計算專家打分，取邊界因素的值作為每個專家打分的平均值，即Xi=1/7Xij。將上述確定的風(fēng)險因素邊界值及SD方程輸入濕陷性黃土地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險模型，設(shè)置模型的初始值為1、終止值為18，步長設(shè)置為1。

在對模型進(jìn)行有效性檢驗、調(diào)試之后運行，得到的施工風(fēng)險演化圖如圖4所示。需要注意的是，施工風(fēng)險值為無量綱值，在此反映施工過程中風(fēng)險的演化趨勢。

圖4表明，在地鐵施工過程中，R0曲線整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，符合施工項目安全管理的實際情況，證明模型中設(shè)置的參數(shù)準(zhǔn)確。在1～3月項目初期，施工風(fēng)險呈現(xiàn)迅速上升的趨勢，這是由于施工環(huán)境復(fù)雜、項目施工人員對于地質(zhì)條件等不熟悉、安全投入及風(fēng)險管控存在一定的滯后性等因素導(dǎo)致的。隨著施工進(jìn)度的推移，安全投入逐漸增加，施工人員對周圍環(huán)境逐漸了解，對于人員的安全培訓(xùn)教育、隱患排查與監(jiān)管力度進(jìn)一步加強，相比1～3月風(fēng)險有所下降，在第18個月風(fēng)險水平恢復(fù)原始水平。

3.2 施工風(fēng)險的系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

本文選取人員、環(huán)境、材料/設(shè)備、管理4個風(fēng)險子系統(tǒng)作為變量，分析各個子系統(tǒng)的變化對地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險系統(tǒng)的影響。在保持地鐵盾構(gòu)施工其余風(fēng)險子系統(tǒng)不變的情況下依次將各子系統(tǒng)的風(fēng)險值降低10%，觀察其對系統(tǒng)風(fēng)險的影響，具體模擬值如圖4所示。R0表示初始風(fēng)險水平；R1表示人員風(fēng)險減少10%，其余子系統(tǒng)風(fēng)險水平不變；R2表示材料/設(shè)備風(fēng)險減少10%，其余子系統(tǒng)風(fēng)險水平不變；R3表示管理風(fēng)險減少10%，其余子系統(tǒng)風(fēng)險水平不變；R4表示環(huán)境風(fēng)險減少10%，其余子系統(tǒng)風(fēng)險水平不變。根據(jù)仿真模擬的結(jié)果計算R0曲線的施工風(fēng)險平均值為5.69，R1、R2、R3、R4的施工風(fēng)險平均值分別為5.17、5.56、5.27、5.15。用R0情況下的施工風(fēng)險平均值減去R1、R2、R3、R4情況下的施工風(fēng)險平均值再除以R0的值，得到的結(jié)果為0.090、0.022 9、0.073、0.095?？梢?，當(dāng)每個子系統(tǒng)的風(fēng)險減少10%時，環(huán)境風(fēng)險和人員風(fēng)險對系統(tǒng)風(fēng)險的影響最大，管理風(fēng)險和材料/設(shè)備風(fēng)險對系統(tǒng)風(fēng)險的影響次之。這是由于此地區(qū)地下管線復(fù)雜、施工地質(zhì)條件較差、黃土的濕陷性程度大等加劇了施工過程中產(chǎn)生的不均勻沉降。施工作業(yè)環(huán)境的不適宜在一定程度上影響作業(yè)人員的生理和心理狀態(tài)，加大了安全管理的難度。

現(xiàn)對風(fēng)險系統(tǒng)中的變量進(jìn)行靈敏度分析，采取控制變量的方法，每次只將子系統(tǒng)中的一個風(fēng)險因素增加5%，其余風(fēng)險因素保持不變，仿真模擬得出其對系統(tǒng)風(fēng)險的影響程度。在人員系統(tǒng)中，駕駛?cè)藛T技能水平、身心素質(zhì)對系統(tǒng)風(fēng)險的影響較大，其余因素影響較?。辉诓牧?設(shè)備系統(tǒng)中，設(shè)備選型的合理性、材料質(zhì)量對系統(tǒng)風(fēng)險的影響較大，其余因素影響較??；在環(huán)境風(fēng)險系統(tǒng)中，黃土的濕陷性程度、地下水位對系統(tǒng)風(fēng)險的影響較大，其余因素影響較?。辉诠芾盹L(fēng)險系統(tǒng)中，技術(shù)交底落實程度、安全隱患及排查情況和人員崗前教育培訓(xùn)情況對系統(tǒng)風(fēng)險的影響較大，其余因素影響較小。

濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工的風(fēng)險明顯區(qū)別于其他地區(qū)，為保證地鐵盾構(gòu)作業(yè)的安全施工，現(xiàn)提出以下風(fēng)險應(yīng)對策略：

(1)環(huán)境子系統(tǒng)對施工風(fēng)險的影響最大。在項目的建設(shè)前期，勘察監(jiān)測單位加強地質(zhì)勘探工作，獲取真實的地質(zhì)勘探資料；根據(jù)地質(zhì)勘探資料選擇合適的盾構(gòu)設(shè)備；施工時采取有效的土體加固與降排水措施，現(xiàn)場做好監(jiān)控監(jiān)測工作；加強地鐵盾構(gòu)施工區(qū)間的安全管理，重點控制盾構(gòu)設(shè)備掘進(jìn)時的掘進(jìn)速度、泥漿和出土量等關(guān)鍵施工參數(shù)，降低環(huán)境對施工安全的影響。

(2)人員子系統(tǒng)對施工風(fēng)險的影響次之。盾構(gòu)機作為一種大型的特種作業(yè)設(shè)備，駕駛?cè)藛T的技能水平對系統(tǒng)安全的影響較大，應(yīng)在上崗前仔細(xì)檢查駕駛?cè)藛T的技能水平、上崗證書及各種手續(xù)；駕駛?cè)藛T應(yīng)身心健康，無不良嗜好；地下施工環(huán)境較差，駕駛?cè)藛T應(yīng)合理安排休息時間，連續(xù)工作應(yīng)為4小時，超過4小時應(yīng)實行換班制度；對施工作業(yè)人員定期開展安全教育培訓(xùn)，提高其安全意識，加大專項施工方案的監(jiān)督力度，落實技術(shù)交底等工作，合理安排施工進(jìn)度，嚴(yán)格控制材料質(zhì)量等。

4 結(jié)語

本文主要研究結(jié)論如下：

(1)通過繪制施工系統(tǒng)風(fēng)險人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)及作業(yè)環(huán)境的全狀態(tài)因果回路圖，根據(jù)模型定性與定量分析結(jié)果，有針對性地制定了安全防控措施。

(2)構(gòu)建濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并利用Vensim PLE軟件進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行鐵盾構(gòu)施工時，環(huán)境因素對系統(tǒng)的安全影響最大，人員、管理因素的影響次之，材料/設(shè)備的影響最小。此外，確定了影響施工安全的主要因素。

鑒于濕陷性黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的復(fù)雜性，本文將安全投入作為一個整體進(jìn)行研究，關(guān)于安全投入在人員、管理、環(huán)境、材料/設(shè)備上的分配比例對系統(tǒng)風(fēng)險水平的影響有待進(jìn)一步研究。