基于風(fēng)險(xiǎn)耦合的洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)云評(píng)價(jià)

鄒小華，徐 平

(1.福州大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建 福州 350108；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

在工程建設(shè)領(lǐng)域中，越來越多的地下水電站、抽水蓄能電站等大長隧道以洞室群的形式建成并投入使用。這些工程投資規(guī)模大、建設(shè)周期長，施工區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，具有大跨度、空間縱橫交錯(cuò)、挖空率高等特點(diǎn)，給施工安全保障帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，為減少或避免安全事故的發(fā)生，保障業(yè)主利益，有必要對(duì)洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)做出客觀合理的評(píng)價(jià)。

單一的風(fēng)險(xiǎn)因素往往不具有導(dǎo)致安全事故發(fā)生的能量，安全事故往往都是在一系列風(fēng)險(xiǎn)因素交互耦合作用下發(fā)生的。目前，國內(nèi)外學(xué)者已將風(fēng)險(xiǎn)耦合理論用于車間安全[1]、煤礦安全[2- 3]、地鐵施工[4]和洞室施工等領(lǐng)域。在洞室施工方面，YB Jung[5]在液化天然氣巖石洞穴開展水熱耦合建模研究，通過耦合分析得到冰環(huán)的位置和厚度，洞穴周圍的溫度分布和地下水位估計(jì)；劉會(huì)波等[6]將開挖荷載釋放與開挖擾動(dòng)空間效應(yīng)進(jìn)行耦合計(jì)算，合理有效地模擬大型地下洞室施工開挖全過程圍巖的時(shí)效變形力學(xué)行為；薛烈[7]建立施工期動(dòng)態(tài)安全信息可視化模型，實(shí)現(xiàn)洞室施工面貌和結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的動(dòng)態(tài)耦合可視化展示；王華寧等[8]對(duì)具有流變效應(yīng)的粘彈性巖體，根據(jù)流變時(shí)效與施工效應(yīng)的耦合作用，給出一種可用于計(jì)算圓形洞室半徑任意開挖并加支護(hù)后的應(yīng)力、位移的方法；趙凱[9]研究了多層耦合法施工方案在不同圍巖條件下的某些具體參數(shù)以及對(duì)施工過程中圍巖穩(wěn)定性的影響。

以上研究多將風(fēng)險(xiǎn)耦合理論直接應(yīng)用于工程實(shí)際，在洞室施工方面，耦合研究多集中于圍巖穩(wěn)定保障方面，很少涉及洞室群施工安全方面，也較少將其與其他理論及方法聯(lián)合運(yùn)用，優(yōu)勢(shì)不足?；诖?，本文將同風(fēng)險(xiǎn)耦合理論相結(jié)合，分析洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)，并基于云理論構(gòu)建施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，客觀科學(xué)的對(duì)洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估，以期在理論上彌補(bǔ)既有研究在洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)方面的不足，在實(shí)踐上為不同行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理者提供理論指導(dǎo)與決策支持。

1 洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

業(yè)主單位在洞室群施工過程中起著統(tǒng)籌規(guī)劃、資源調(diào)配及管理協(xié)調(diào)的重要作用，故本文從業(yè)主的角度展開洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別。

洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素來源于地下工程實(shí)際，運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的思想將人(施工人員)-機(jī)(機(jī)械設(shè)備)-環(huán)境(施工環(huán)境)-管理組成有機(jī)整體，可以對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素間的關(guān)聯(lián)性和層次性進(jìn)行有效理清。參考前人對(duì)施工安全事故各致因權(quán)重的統(tǒng)計(jì)[10- 11]，并結(jié)合我國近年來地下工程事故的統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)歸納，風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分解并篩選，建立洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)耦合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用分析

施工人員、機(jī)械設(shè)備、施工環(huán)境和施工管理都屬于洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，安全事故往往既可以由單獨(dú)因子內(nèi)部要素耦合形成，也可以由跨因子系統(tǒng)彼此相互作用形成耦合作用而產(chǎn)生。單風(fēng)險(xiǎn)因子耦合形成事故，是指在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子系統(tǒng)中，各風(fēng)險(xiǎn)因素之間由于相互作用，突破制定的安全風(fēng)險(xiǎn)控制和防御措施，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)閾值，形成正向耦合進(jìn)而產(chǎn)生事故，如圖2所示。

圖2 單風(fēng)險(xiǎn)因子系統(tǒng)耦合作用示意圖

同理，多風(fēng)險(xiǎn)因子耦合形成事故，指在施工過程中，由于多個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)間相互作用、影響，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)因素的危害程度，導(dǎo)致事故發(fā)生。如作業(yè)流程的設(shè)計(jì)不規(guī)范，在執(zhí)行過程中，操作人員就可能產(chǎn)生不安全行為，也可能損壞設(shè)備，這就是“施工管理、施工人員和機(jī)械設(shè)備”3個(gè)子系統(tǒng)的耦合；還包括“施工管理和施工人員”子系統(tǒng)耦合、“施工人員和機(jī)械設(shè)備”子系統(tǒng)耦合等情形[12]。

2 施工安全風(fēng)險(xiǎn)云評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 AHP確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種應(yīng)用比較成熟的決策分析方法，該方法將定性與定量相結(jié)合，且各層次結(jié)構(gòu)之間的依賴性和反饋性以及遞階層次結(jié)構(gòu)間具有內(nèi)部循環(huán)的特征都能夠充分體現(xiàn)，洞室群的施工安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)狀況也能夠得到充分反映，符合洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際特點(diǎn)。因此，根據(jù)洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)之間的耦合相關(guān)性，可用AHP計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)圖1中得到的洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用進(jìn)行分析，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將由2層組成。施工過程中考慮不同風(fēng)險(xiǎn)因子系統(tǒng)間耦合作用的為第1層次指標(biāo)權(quán)重，即多風(fēng)險(xiǎn)因子耦合權(quán)重；而只考慮同一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子系統(tǒng)中各個(gè)不同風(fēng)險(xiǎn)因素間耦合作用的為第2層次指標(biāo)權(quán)重，每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)中各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的和均為1。運(yùn)用Super-Decision軟件中的AHP確定第1層次指標(biāo)在施工安全風(fēng)險(xiǎn)中所占權(quán)重Wi(i=1,2,3,4)，第2層次指標(biāo)在施工安全風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重向量Wij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5,6)。

2.2 基于云模型的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

云模型是一種研究定性與定量相互轉(zhuǎn)換的模型。該模型既考慮概念的模糊性，也充分體現(xiàn)了評(píng)估的隨機(jī)性，符合洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)的特征。云通常通過期望Ex、熵En和超熵He三個(gè)數(shù)字來刻畫，Ex反映云滴的重心位置，En描述云滴的模糊性和隨機(jī)性，反映云滴的離散程度[13]。本文通過專家打分法測(cè)定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)危害程度，并結(jié)合云模型克服專家打分的模糊性及主觀性太強(qiáng)問題。

2.2.1洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集云模型

根據(jù)業(yè)主單位對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響的可接受程度，構(gòu)建洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集V={v1，v2，v3，v4}。評(píng)語集中的每一個(gè)評(píng)語標(biāo)準(zhǔn)都有一個(gè)范圍界定，即存在雙邊約束[Fmin,Fmax]，F(xiàn)min、Fmax分別表示評(píng)語取值的最小邊界和最大邊界，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)值范圍見表1。云模型的三個(gè)數(shù)字特征Ex、En、He可以表示雙邊約束，其計(jì)算式如下：

(1)

式中，i—常數(shù)，根據(jù)評(píng)語本身的模糊程度進(jìn)行合理的設(shè)定。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

2.2.2施工安全風(fēng)險(xiǎn)隸屬度云模型

(1)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)危害性評(píng)估。將洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的危害性評(píng)估分為極度嚴(yán)重、很嚴(yán)重、嚴(yán)重、不嚴(yán)重和偏輕5個(gè)級(jí)別，分別對(duì)其賦值量化。取各評(píng)估類別對(duì)應(yīng)的閥值依次為9，7，5，3，1，處于2等級(jí)之間的分值依此為8，6，4，2。請(qǐng)洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)專家對(duì)圖1中各個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的危害程度矩陣如下。

(2)

式中，m—風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)量，n—專家組人數(shù)，某一行元素指同一專家對(duì)m個(gè)指標(biāo)的打分值，某一列元素指n個(gè)專家對(duì)同一指標(biāo)的打分值。

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2.3綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云模型

第2層次各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的云模型得到確定后，并結(jié)合該層各指標(biāo)權(quán)重便可得到第1層次風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的云模型，計(jì)算公式如下：

(7)

同理，利用第1層次指標(biāo)權(quán)重和公式(7)便可求得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云模型，并同評(píng)語集云模型比對(duì)，確定洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

洞室群由水電站的地下廠房、交通洞等組成，本文通過對(duì)某水電站大型地下洞室群施工來驗(yàn)證上述模型的有效性。危石、塌方、地下水、巖爆等事故極易出現(xiàn)在該洞室群施工過程中，因此，需根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)裂隙和發(fā)育開展不同的施工安全措施處置，這種狀況極易影響施工人員的心理狀況，進(jìn)而影響操作技能發(fā)揮和施工組織間協(xié)調(diào)管理等。由于事故發(fā)生時(shí)各風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用明顯，因此，確保這類洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在耦合作用下的合理性及科學(xué)性，對(duì)采取有效的風(fēng)險(xiǎn)管理措施具有指導(dǎo)意義。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集云模型

邀請(qǐng)有關(guān)專家評(píng)估本洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合業(yè)主單位對(duì)各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)取值的量化標(biāo)準(zhǔn)，確定四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估值范圍，其分別是v1[1，3)，v2[3，5)，v3[5，7)，v4[7，9]，根據(jù)公式(1)，計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的三個(gè)數(shù)字特征值，用相應(yīng)的云模型表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。計(jì)算結(jié)果分別為：

根據(jù)以上結(jié)果，繪制相應(yīng)的評(píng)語集云模型，如圖3所示。

圖3 洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集云模型

3.3 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定及云模型計(jì)算

結(jié)合圖1建立的風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Super-Decision求解該洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素一級(jí)指標(biāo)Yi和二級(jí)指標(biāo)Yij的權(quán)重如下：

Wi=(0.276,0.182,0.170,0.371)

(8)

(9)

結(jié)合圖1中建立的洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系的第2層次各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)實(shí)際危害程度由7位風(fēng)險(xiǎn)專家進(jìn)行評(píng)估打分，得到的第2層次各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)危害程度矩陣如下：

(10)

將式(10)中風(fēng)險(xiǎn)危害矩陣中專家打分值輸入逆向云發(fā)生器中，根據(jù)式(3)～(7)和權(quán)重(9)可得第1層次風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的云模型，見表2。

表2 第1層次風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)云模型

同理，利用權(quán)重(8)對(duì)表2中第1層次風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)隸屬度云模型進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算，根據(jù)公式(7)，得到耦合作用下洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云模型：Ex=3.270，En=0.948，He=0.261。其相應(yīng)的云模型，如圖4中c所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云模型同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集云模型(v1、v2、v3、v4)相比較，可直觀看到，該洞室群地下廠房、交通洞的施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)位于v1和v2之間，En=0.948，He=0.261，隨機(jī)性大，離散程度高，評(píng)價(jià)結(jié)果分布大致滿足標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，充分體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性和離散性。由圖4可以看出，此洞室群風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)始終未超出v1至v3的范圍，即此地下廠房、交通洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)是有條件可接受的。運(yùn)用該方法對(duì)整個(gè)地下工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，能得到其施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果云模型與評(píng)語集云模型的對(duì)比

根據(jù)對(duì)該地下廠房、交通洞等組成的洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)全過程的信息追蹤和管理反饋，可以發(fā)現(xiàn)部分風(fēng)險(xiǎn)因素間耦合作用隱蔽、施工人員安全應(yīng)急意識(shí)及應(yīng)急技能提高難，作業(yè)程序設(shè)計(jì)優(yōu)化突破難以及施工組織協(xié)調(diào)管理難，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生頻繁等問題。然而，業(yè)主單位在洞室施工方面已具備多年的經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合作用也多有了解，并且，這些風(fēng)險(xiǎn)損失大都未超出可接受的范圍，也存在一些不確定性事件，而通過采取一些措施反倒不經(jīng)濟(jì)，即風(fēng)險(xiǎn)處于有條件可接受等級(jí)。由此得出，該洞室群施工安

全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合實(shí)際情況，表明該評(píng)價(jià)方法具有一定的可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

(1)通過歸納分析洞室群面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，可以發(fā)現(xiàn)其具有明顯的系統(tǒng)性和層次性。而從業(yè)主對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理的角度，可以將風(fēng)險(xiǎn)因素分為施工人員、機(jī)械設(shè)備、施工環(huán)境和施工管理4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類別，安全應(yīng)急技能、管理結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)等20項(xiàng)要素，構(gòu)建了洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)考慮洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合作用，通過AHP方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并同云模型評(píng)估洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合，充分考慮風(fēng)險(xiǎn)的模糊性、隨機(jī)性和離散性，評(píng)價(jià)結(jié)果也更為真實(shí)、可靠。在實(shí)踐中，提高風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)效果和減少業(yè)主的風(fēng)險(xiǎn)損失。

(3)評(píng)估實(shí)例中水電站的大型地下洞室群施工安全風(fēng)險(xiǎn)，將其評(píng)價(jià)結(jié)果云模型同評(píng)語集云模型進(jìn)行比對(duì)，可以直觀得到研究對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為有條件可接受，評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合實(shí)際情況，表明該評(píng)價(jià)方法具有一定的可行性和實(shí)用性。

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