摘要：為系統(tǒng)分析地鐵項目施工風(fēng)險，首先，根據(jù)實際案例建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系；其次，利用層次分析法確定各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重及相關(guān)方程參數(shù)；最后，通過CIM模型算出各子系統(tǒng)及項目施工階段整體風(fēng)險概率，并利用SD仿真分析各子系統(tǒng)對地鐵施工風(fēng)險的影響程度。結(jié)果表明，地鐵項目施工階段整體處于較低風(fēng)險狀態(tài)，且施工技術(shù)因素對項目影響最大，風(fēng)險概率也最大。將兩種方法相結(jié)合，可進一步完善地鐵項目施工風(fēng)險評價方法體系。

關(guān)鍵詞：地鐵項目；風(fēng)險評價；CIM模型；系統(tǒng)動力學(xué)；仿真分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，城市軌道交通不斷擴建。地鐵作為一種節(jié)能環(huán)保的出行工具，成為人們?nèi)粘３鲂械姆绞街弧８鶕?jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，截至2022年12月31日，我國內(nèi)地共有55個城市開通了城市軌道交通項目，運營總里程達到10291.95km，其中地鐵8012.85km，占比77.85%。然而，隨著地鐵建設(shè)項目增多，施工事故也越來越多。據(jù)統(tǒng)計，我國在2011—2021年間累計發(fā)生了202起地鐵事故^[1-2]。因此，研究地鐵項目施工風(fēng)險狀況，以采取有效預(yù)防措施降低施工風(fēng)險極為重要。

近年來，針對地鐵項目施工安全風(fēng)險問題，國內(nèi)外專家學(xué)者做了大量研究，并積累了不少研究成果，主要集中在三個方面：①事故起因的統(tǒng)計描述性分析，Arsalan等^[3]從隧道的應(yīng)用特點、深度、土地類型和鉆探方式等幾個方面對風(fēng)險源進行統(tǒng)計性研究；②各事故起因重要程度的定量分析，Zhang^[4]對地鐵深部開挖過程中的各種風(fēng)險因素的重要程度進行了定量的研究，Ge等^[5]在AHP基礎(chǔ)上，引入三角模糊數(shù)概念來評估深基坑施工風(fēng)險；③事故起因間的交互分析，龔穎超等^[6]通過改善AHP法，加入控制區(qū)間與記憶模型對事故起因進行縱橫向分析，Wang等^[7]利用貝葉斯方法對各個事故起因之間的相互關(guān)系進行分析，Zou等^[8]將UD與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對風(fēng)險因素進行交互分析?，F(xiàn)有研究多數(shù)是從靜態(tài)角度來分析事故起因之間的關(guān)系，且對風(fēng)險概率做分級評價時，往往采用主觀方式來確定評價結(jié)果，難以動態(tài)客觀地表現(xiàn)出地鐵項目施工過程中多種因素間的反饋機制及變化情況，并且沒有分析風(fēng)險因素對項目施工的重要程度及其與發(fā)生概率之間的關(guān)系，致使在量化和分析風(fēng)險時易產(chǎn)生分歧，容易影響正確的風(fēng)險評判。

基于上述研究的不足，利用控制區(qū)間與記憶模型（CIM）來確定各風(fēng)險因素以及地鐵項目施工階段發(fā)生風(fēng)險的概率；并利用系統(tǒng)動力學(xué)理論（SD）來研究施工階段不同風(fēng)險因素對項目的影響程度，將兩種方法相結(jié)合，可以完善地鐵項目施工風(fēng)險評價方法體系，進而為減少地鐵項目施工事故提供有效的決策思路。

1 CIM模型

控制區(qū)間與記憶（Controlled Interval and Memory，CIM）模型最早由經(jīng)濟學(xué)衍變而來，主要用于基礎(chǔ)建設(shè)和水電項目風(fēng)險評價。CIM方法的關(guān)鍵在于“控制區(qū)間”和“記憶”，控制區(qū)間是指旨在縮小概率區(qū)間以達到減少疊加誤差目的的表示變量概率分布的直方圖，區(qū)間分的越多，得出的結(jié)果越精準(zhǔn)。記憶是指把兩個以上變量的概率進行疊加時，記憶前一個變量的概率分布疊加結(jié)果。在工程風(fēng)險分析中，采用CIM模型進行風(fēng)險概率分布疊加時，可解決變量之間相互獨立及相互聯(lián)系情況下的綜合評估。近年來，CIM模型在地鐵施工風(fēng)險評價方面的研究逐漸增多，黃宏偉等^[9]利用CIM模型制作出隧道風(fēng)險施工管理軟件，對上海長江隧道施工風(fēng)險做出了分析；李小浩等^[10]，將AHP與CIM結(jié)合對地鐵施工風(fēng)險進行研究，驗證了CIM模型的有效性。

CIM模型分為串聯(lián)響應(yīng)模型與并聯(lián)響應(yīng)模型^[11]。本文采用CIM并聯(lián)響應(yīng)模型進行風(fēng)險概率分析。假設(shè)一個集合里有n個因子，每一個因子都會對這個集合造成影響，那這n個因子的概率分布組合稱為并聯(lián)響應(yīng)模型。

CIM并聯(lián)響應(yīng)模型評價步驟如下：

（1）建立風(fēng)險指標(biāo)體系。

（2）建立風(fēng)險等級評價集V={風(fēng)險高，風(fēng)險較高，風(fēng)險適中，風(fēng)險較低，風(fēng)險低}，邀請專家對Ⅱ級風(fēng)險指標(biāo)進行評價，獲取初步評價數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理，Ⅱ級指標(biāo)風(fēng)險概率公式如下

式中，N_i為某一風(fēng)險要素在某風(fēng)險等級下專家打分的人數(shù)；N為專家總?cè)藬?shù)。

（4）通過并聯(lián)模型逐層計算各Ⅰ級指標(biāo)風(fēng)險概率，公式如下

式中，X₁，X₂為不同的風(fēng)險因素；X_a為被劃分的概率區(qū)間。

2 案例分析

2.1 模型邊界確定

模型邊界應(yīng)囊括與模型特定動態(tài)相關(guān)的各種因素，只有在明確模型邊界的情況下才能對工程內(nèi)部的結(jié)構(gòu)化問題進行研究，所以合理地確定模型邊界對后續(xù)的研究十分重要。模型邊界確定的原則如下：

（1）可操作性。模型邊界中的各種因素應(yīng)具有理論依據(jù)與實踐意義，且字句簡潔明了，施工單位在實際的工程中能夠依據(jù)模型對項目風(fēng)險進行評估，因而模型邊界不考慮生態(tài)環(huán)境、社會形勢及國家政策變化等因素。

（2）科學(xué)性。選取的因素不僅能真實反映地鐵項目施工風(fēng)險的特點，而且能客觀反映因素之間的相互作用。一方面，因素選取不能太多、太瑣碎、太詳細(xì)，不然容易產(chǎn)生重疊部分；另一方面，因素選取不能出現(xiàn)太少、失真、過于簡單的情況。因此，應(yīng)依據(jù)實際施工事故和工程案例，選取代表性強、客觀真實的因素。

（3）系統(tǒng)性。構(gòu)建模型邊界應(yīng)有系統(tǒng)概念，各種因素應(yīng)具有系統(tǒng)性，從上到下形成一個不可分割的完整體系。

基于以上原則，采用文獻研讀法和地鐵施工事故案例分析法來初步確定地鐵項目施工風(fēng)險因素清單。首先，在中國知網(wǎng)上以“施工”“地鐵”“風(fēng)險管理”作為關(guān)鍵詞進行查詢，篩選相關(guān)性較強且引用率較高的文獻進行閱讀；其次，通過查閱國家住建部公示文件、國家應(yīng)急管理部網(wǎng)站，查看新聞等方式收集近15年的地鐵項目施工事故，并對事故發(fā)生的原因進行詳細(xì)的歸納和整理。最后，為明確風(fēng)險評價指標(biāo)體系。本文以長沙某地鐵站為研究對象，通過現(xiàn)場考察、訪問及專家建議，最終從施工技術(shù)、管理、機械設(shè)備和人為4個方面歸納總結(jié)出地鐵施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

2.2 基于CIM模型的運算

2.2.1 建立判斷矩陣及一致性檢驗

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種專門研究定性問題的多準(zhǔn)則決策方法^[12]。AHP是根據(jù)問題的屬性及要達到的總目標(biāo)，把問題劃分為不同的指標(biāo)因素，按照因素間的隸屬關(guān)系和相互作用將因素進行不同層次的組合，從而產(chǎn)生一個多層次的分析模型，最終使研究問題轉(zhuǎn)化為最低層對于最高層相對重要次序的排定。AHP適用于具有分層評價指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，且目標(biāo)值難以定性描述的決策問題，通過把定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題進行研究，從而降低主觀因素對風(fēng)險評價的影響。

AHP分析問題要經(jīng)過以下三個步驟：

（1）構(gòu)造判斷矩陣，引入1～9判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定兩兩因素相對重要性。

（2）確定各層指標(biāo)因素的權(quán)重。

（3）進行一致性檢驗。此處以Ⅰ級指標(biāo)為例進行AHP分析。地鐵項目Ⅰ級指標(biāo)的權(quán)重見表1。

同理，經(jīng)驗算，Ⅱ級風(fēng)險指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重均滿足一致性檢驗。

2.2.2 風(fēng)險概率計算

本文邀請10名專家通過風(fēng)險評價集對Ⅱ級指標(biāo)進行評價。地鐵項目Ⅱ級指標(biāo)風(fēng)險概率見表2。

根據(jù)公式計算得出地鐵項目Ⅰ級指標(biāo)風(fēng)險概率（表3）。

將Ⅰ級指標(biāo)各風(fēng)險概率與對應(yīng)權(quán)重相乘，得出地鐵項目施工階段風(fēng)險概率，公式如下

高風(fēng)險的概率分布=0.38125×0.0002=0.0001

較高風(fēng)險的概率分布=0.38125×0.043+0.26875×0.0002=0.0164

適中風(fēng)險的概率分布=0.38125×0.4233+0.0094×0.26875+0.04×0.12812=0.1690

較低風(fēng)險的概率分布=0.38125×0.5334+0.6384×0.26875+0.536×0.12812+0.4757×0.22188=0.5491

低風(fēng)險的概率分布=0.38125×0.352+0.424×0.12812+0.7943×0.22188=0.3251

結(jié)果表明，在Ⅰ級指標(biāo)中，施工技術(shù)是風(fēng)險較高的一組因素。分析施工事故案例可知，該項目存在基坑土方嚴(yán)重超挖、開挖不規(guī)范、監(jiān)測數(shù)據(jù)長期缺失、基坑支護體系存在缺陷、二次襯砌拱墻鋼筋拱架加固時失穩(wěn)等諸多因施工技術(shù)導(dǎo)致的風(fēng)險。對于項目整個施工階段而言，發(fā)生高風(fēng)險概率是0.01%，發(fā)生較高風(fēng)險概率是1.64%，發(fā)生適中風(fēng)險概率是16.9%，發(fā)生較低風(fēng)險概率是54.91%，發(fā)生低風(fēng)險概率是32.51%。因此，該地鐵項目施工階段處于較低風(fēng)險狀態(tài)。

2.3 基于SD的系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics，SD）是一門研究定性與定量相結(jié)合的綜合性學(xué)科^[13]，用來識別和解決系統(tǒng)問題，著重于對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為進行研究。

系統(tǒng)動力學(xué)最早在工業(yè)管理中應(yīng)用較多，現(xiàn)主要應(yīng)用于研究復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)反饋問題。羅聰?shù)?sup>[14]以脆弱性理論為切入點，利用系統(tǒng)動力學(xué)對建筑施工安全系統(tǒng)脆弱性的敏感性、暴露度和適應(yīng)度的影響程度進行了分析。胡成輝等^[15]將工序表函數(shù)融入系統(tǒng)動力學(xué)模型，建立了離散-連續(xù)混合模型，證明了項目進度控制模型與實際工期相擬合。從系統(tǒng)論的角度來看，各種影響因素之間相互作用，導(dǎo)致了地鐵項目施工風(fēng)險評價的復(fù)雜性，難以用簡單的數(shù)學(xué)模型來進行分析，因此可運用系統(tǒng)動力學(xué)對研究體系進行綜合性分析。

2.3.1 建立地鐵項目施工風(fēng)險系統(tǒng)流量圖

系統(tǒng)動力學(xué)以反饋理論為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)綜合分析推理的方法，借用計算機仿真技術(shù)進行建模，來研究復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動態(tài)行為之間的關(guān)系。該理論認(rèn)為系統(tǒng)中各因素間的相互作用決定了系統(tǒng)外部的行為特性。相互作用不僅包括正向作用，還包括反饋作用。為揭示系統(tǒng)中存在的正向作用與反饋作用機制，本文運用Vensim-PLE軟件建立地鐵項目施工風(fēng)險系統(tǒng)流量圖，如圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)中的子因素有些單獨對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，有些與其他子因素相互作用進而對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。以施工技術(shù)子系統(tǒng)為例，當(dāng)監(jiān)控測量不準(zhǔn)確時，會導(dǎo)致降、排水結(jié)果不符合預(yù)期的概率增加，進而會增加支護結(jié)構(gòu)體系不穩(wěn)定及預(yù)加固效果不符合預(yù)期的風(fēng)險概率，最終會導(dǎo)致整個地鐵項目施工風(fēng)險的增加，所以當(dāng)某一個指標(biāo)因素風(fēng)險量發(fā)生變化時，與之相關(guān)的其他指標(biāo)因素風(fēng)險量也會發(fā)生變化。

2.3.2 系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立

根據(jù)層次分析法確定的各項施工風(fēng)險因素權(quán)重，建立系統(tǒng)動力學(xué)主要方程式，計算如下：

（1）地鐵隧道施工風(fēng)險水平=0.3813×施工技術(shù)風(fēng)險+0.2688×管理風(fēng)險+0.1281×機械設(shè)備風(fēng)險+0.2219×人為風(fēng)險

（2）施工技術(shù)風(fēng)險水平=INTEG（增量1，0.23）

（3）增量1=0.3364×降、排水情況風(fēng)險變化量+0.1068×預(yù)加固效果風(fēng)險變化量+0.0381×二次襯砌及時性風(fēng)險變化量+0.0681×監(jiān)控測量準(zhǔn)確性風(fēng)險變化量+0.2495×盾構(gòu)開挖換刀及時性風(fēng)險變化量+0.2012×支護結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性風(fēng)險變化量

（4）管理風(fēng)險水平=INTEG（增量2，0.21）

（5）增量2=0.0833×安全生產(chǎn)責(zé)任制健全程度風(fēng)險變化量+0.0485×進場人員安排合理性風(fēng)險變化量+0.0333×安全隱患排查治理制度完善程度風(fēng)險變化量+0.2679×應(yīng)急預(yù)案合理性風(fēng)險變化量+0.3832×專項施工方案合理性風(fēng)險變化量+0.1838×班前安全技術(shù)交底詳細(xì)度風(fēng)險變化量

（6）機械設(shè)備風(fēng)險水平=INTEG（增量3，0.13）

（7）增量3=0.1638×機械設(shè)備的運輸、儲存堆放情況風(fēng)險變化量+0.2973×機械設(shè)備的維修和保養(yǎng)情況風(fēng)險變化量+0.5390×機械設(shè)備選擇的合理性風(fēng)險變化量

（8）人為風(fēng)險水平=INTEG（增量4，0.18）

（9）增量4=0.0505×身體及心理素質(zhì)風(fēng)險變化量+0.4305×專業(yè)技術(shù)熟練度風(fēng)險變化量+0.3062×風(fēng)險預(yù)判、處理能力風(fēng)險變化量+0.0734×溝通協(xié)調(diào)能力風(fēng)險變化量+0.1394×責(zé)任感風(fēng)險變化量

四個Ⅰ級指標(biāo)的初始值由10名專家打分并通過加權(quán)計算獲得，在打分過程中參考眾多學(xué)者的研究理論將風(fēng)險水平值確定在0～1的范圍內(nèi)，為無量綱變量。

2.3.3 影響程度的分析

本文以實際項目為例，將步長設(shè)為1個月，進行12個月的系統(tǒng)仿真。為研究各子系統(tǒng)對地鐵項目施工風(fēng)險水平的影響程度，將對各子系統(tǒng)的風(fēng)險初值做出變動，在其他子系統(tǒng)風(fēng)險初值不變的情況下，一次只變動一個子系統(tǒng)下所有風(fēng)險因素的初始值。為使各子系統(tǒng)產(chǎn)生的影響更加具有區(qū)分度，各子系統(tǒng)的風(fēng)險因素初值增加0.01進行仿真。不同方案下的系統(tǒng)風(fēng)險發(fā)展趨勢如圖3所示。

由圖3可知，通過改變不同子系統(tǒng)下的風(fēng)險因素初值，系統(tǒng)風(fēng)險水平隨之發(fā)生變化。在各子系統(tǒng)中，對整個項目施工風(fēng)險影響最大是施工技術(shù)風(fēng)險，其次是管理風(fēng)險、人為風(fēng)險，最后是機械設(shè)備風(fēng)險。

2.4 研究結(jié)果與對策

根據(jù)CIM模型運算結(jié)果和系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果可知，對地鐵項目施工安全影響最大的子系統(tǒng)為施工技術(shù)，其也是風(fēng)險最高的一組因素。通過分析近15年200多起地鐵項目施工事故，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)工程事故是由施工技術(shù)造成，因施工技術(shù)引起事故最多的類型為坍塌事故。一方面，地鐵項目在深基坑施工過程中，如果出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)侵限、地下水控制失效、監(jiān)測值發(fā)出紅色預(yù)警、止水帷幕滲漏、周邊建筑物或構(gòu)筑物產(chǎn)生傾斜或裂縫等情況時，易導(dǎo)致整體深基坑的坍塌；另一方面，采用盾構(gòu)法施工時，參數(shù)出現(xiàn)異常變化、預(yù)警時未及時做出有效應(yīng)對措施，開挖時未考慮盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)、排（降）水情況，也會引起坍塌事故。因此，為降低地鐵項目施工風(fēng)險水平，在施工技術(shù)方面，建議施工單位在地鐵項目前期施工階段保質(zhì)保量完成地質(zhì)勘察工作，為施工人員提供精準(zhǔn)且詳細(xì)的地質(zhì)勘察報告，并做好基坑支護和圍巖等措施;明確監(jiān)測負(fù)責(zé)人，并配備相適應(yīng)的儀器設(shè)備和作業(yè)人員。在監(jiān)測前，監(jiān)測負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)向有關(guān)人員進行監(jiān)測方案的技術(shù)交底，且定期提交監(jiān)測周報，并對監(jiān)測結(jié)果進行綜合分析，及時做好信息反饋，動態(tài)掌控施工現(xiàn)場狀況;在盾構(gòu)開挖換刀時，要留意刀盤前、頂部的砂漿壁的穩(wěn)固性，若出現(xiàn)砂漿墻下滑情況，應(yīng)立即撤離。

3 結(jié)語

（1）本文以實際地鐵項目為例，構(gòu)建了20個風(fēng)險評價指標(biāo)，采用AHP法確定指標(biāo)權(quán)重并用CIM模型和SD系統(tǒng)仿真相結(jié)合的方法來分析地鐵項目施工風(fēng)險。

（2）為研究風(fēng)險因素對項目施工影響程度及其與發(fā)生風(fēng)險概率的關(guān)系，本文將CIM模型與SD系統(tǒng)動力學(xué)理論相結(jié)合，結(jié)果表明各子因素對項目施工的影響程度與其風(fēng)險概率大小趨于同向性，即影響程度越大的因素，其發(fā)生風(fēng)險的概率越高。另外，CIM模型運算結(jié)果表明，該項目施工階段整體處于較低風(fēng)險狀態(tài)。因此，CIM模型與SD系統(tǒng)動力學(xué)相結(jié)合可以進一步完善地鐵項目施工風(fēng)險評價方法體系，為降低項目施工風(fēng)險提供有效的決策思路。

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收稿日期：2023-09-15

作者簡介：

宛子明（1998—），男，研究方向：工程項目管理。

綦春明（通信作者）（1965—），男，教授，研究方向：工程項目管理。

馮世昌（1998—），男，研究方向：工程項目管理。