地鐵建設(shè)安全風(fēng)險識別與評估研究綜述

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(福建工程學(xué)院 管理學(xué)院， 福建 福州 350118)

隨著大城市交通擁堵狀況持續(xù)上升，優(yōu)先發(fā)展公共交通已成為緩解運輸壓力的首選模式。據(jù)《中國城市軌道交通年報》統(tǒng)計，截止到2016年12月31日，我國內(nèi)地地鐵運營里程總數(shù)超過3 558 km，未建成的里程總數(shù)為6 557.93 km，我國已成為全世界最大的地鐵建設(shè)市場。[1]地鐵工程基本處于地下作業(yè)且工藝復(fù)雜，存在的安全風(fēng)險較多。研究表明，隨著地鐵項目的增多，地鐵建設(shè)過程發(fā)生的安全事故總數(shù)呈上升趨勢。[2]因此必須對地鐵建設(shè)潛在的安全風(fēng)險進(jìn)行識別和評估，保證人員和財產(chǎn)安全。

本文從理論方法和研究成果兩個角度對風(fēng)險識別和風(fēng)險評估兩部分內(nèi)容進(jìn)行分析，并結(jié)合目前地鐵建設(shè)現(xiàn)狀，闡述地鐵風(fēng)險評估存在的問題和挑戰(zhàn)，繼而根據(jù)研究現(xiàn)狀和現(xiàn)實難點進(jìn)行討論和展望。

一、風(fēng)險識別

細(xì)致全面的風(fēng)險識別是進(jìn)行有效風(fēng)險控制的重要前提，反之風(fēng)險因素識別不當(dāng)是造成安全事故的重要原因之一。根據(jù)《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南》和國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范(GB 50652—2011)》規(guī)定，可將風(fēng)險識別定義為如圖1所示的過程。[3-4]

圖1 風(fēng)險識別過程Fig.1 Risk identification process

從識別過程來看，風(fēng)險識別首先提取帶風(fēng)險的參數(shù)，然后分析致險因素并建立技術(shù)參數(shù)和致險因素間的關(guān)系，最后識別可能發(fā)生的風(fēng)險事件。為突破施工技術(shù)參數(shù)和致險因素間聯(lián)系不清晰問題，逐漸由風(fēng)險人工識別發(fā)展出風(fēng)險自動識別。

(一)人工識別

風(fēng)險人工識別方法主要由經(jīng)驗豐富的工程師或?qū)＜?，通過查閱工程規(guī)范、審查圖紙及數(shù)據(jù)資料和勘察實地狀況等直接判斷可能的風(fēng)險事故。依據(jù)是否進(jìn)行風(fēng)險跟蹤，風(fēng)險人工識別分為靜態(tài)風(fēng)險識別和動態(tài)風(fēng)險識別。[5-7]

1.靜態(tài)識別

靜態(tài)風(fēng)險識別通過總結(jié)相似資料經(jīng)驗，或通過專家訪談和問卷調(diào)查形式預(yù)測當(dāng)前地鐵建設(shè)可能存在的風(fēng)險。主要識別方法包括流程圖法、故障樹法、檢查表法、情景分析法、模糊層次分析法、分解分析法等，見表1。但這些傳統(tǒng)方法列出的風(fēng)險源粒度偏大，缺乏致險因素與風(fēng)險間的關(guān)聯(lián)性分析。[8]

2.動態(tài)識別

動態(tài)風(fēng)險識別在靜態(tài)識別的基礎(chǔ)上，綜合考慮地鐵建設(shè)過程的地質(zhì)狀況、水文條件、施工技術(shù)、施工流程及施工重難點等因素，利用信息技術(shù)實時監(jiān)測和采集機器、人、環(huán)境與管理狀況信息，將風(fēng)險因素與施工過程聯(lián)系起來，識別的風(fēng)險結(jié)構(gòu)更加完整。[9]

表1 靜態(tài)風(fēng)險識別方法在地鐵建設(shè)中的研究成果

一般以動態(tài)風(fēng)險分析為主結(jié)合靜態(tài)風(fēng)險分析，能有效識別地鐵建設(shè)風(fēng)險。但人工風(fēng)險識別方法缺少風(fēng)險因素分析和定量研究，且未進(jìn)行技術(shù)參數(shù)和致險因素間關(guān)聯(lián)性的顯性化描述，無法共享和重用所識別的風(fēng)險信息[10]，因此無法滿足難點工程和復(fù)雜工程的風(fēng)險識別?？梢娙斯わL(fēng)險識別方法具有較大的局限性。

(二)自動識別

面對人工識別的局限性，有學(xué)者基于工程圖紙自動識別風(fēng)險[8]，著重研究致險工程參數(shù)與風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合傳統(tǒng)的風(fēng)險識別方法和計算機語言，識別地鐵建設(shè)過程存在的風(fēng)險，建立風(fēng)險系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，見圖2。

如圖2所示，基于工程圖紙的風(fēng)險自動識別首先通過工程經(jīng)驗分析法、風(fēng)險定義語義分析法、規(guī)范條文分析法和可靠度分析法等靜態(tài)風(fēng)險分析方法，建立風(fēng)險識別規(guī)則并構(gòu)建風(fēng)險識別知識庫，再定義需識別的工程圖紙類別及計算機按序識圖策略，最后對計算機識別的基本圖元進(jìn)行面向安全風(fēng)險的語義解析和計算分析，實現(xiàn)利用計算機存儲的顯性安全知識從工程圖紙中自動識別風(fēng)險。

圖2 從地鐵圖紙中自動識別風(fēng)險過程Fig.2 Process of automatic identification of risks from subway drawings

目前風(fēng)險自動識別存在兩大難點，其一是如何建立圖元信息和工程技術(shù)參數(shù)間的關(guān)系，并分析風(fēng)險與致險參數(shù)的關(guān)聯(lián)性；其二是如何將復(fù)雜的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化，并讓計算機讀取和運用建立的歷史信息。國內(nèi)外學(xué)者對相關(guān)理論和實現(xiàn)路徑的研究還比較匱乏，盡管華中科技大學(xué)研究團隊突破局限研發(fā)出《基于工程圖紙的地鐵施工安全風(fēng)險自動識別系統(tǒng)》，但依舊無法涵蓋所有類型的致險因素和風(fēng)險事件。

二、風(fēng)險評估

地鐵建設(shè)風(fēng)險評估是在風(fēng)險識別的基礎(chǔ)上建立指標(biāo)體系，對事故發(fā)生的概率和發(fā)生事故帶來的損失進(jìn)行分析，再依據(jù)公式(1)的基本計算方法或其變式綜合評估得出風(fēng)險等級。

R=F(p,c)=p×c

(1)

其中R表示風(fēng)險度，p表示風(fēng)險發(fā)生概率，c表示事故后果。

評估中研究者選擇的指標(biāo)權(quán)重和風(fēng)險等級的確定方法不同，導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異，下文將對地鐵建設(shè)風(fēng)險評估的研究方法和研究結(jié)果進(jìn)行分析。

(一)方法研究

為了針對潛在風(fēng)險事故進(jìn)行有效管理，研究人員采用了各種具有適用性、針對性和可操作性的評估方法進(jìn)行風(fēng)險評估，見表2。

據(jù)表2內(nèi)容分析，在風(fēng)險評估中模糊理論應(yīng)用最為普遍，目的是通過假設(shè)得到線性分布的隸屬函數(shù)建立綜合評估模型，或通過引入一種非線性模糊算子建立修正模型。[11]模糊理論常與層次分析法結(jié)合應(yīng)用，利用層次分析法確定各層指標(biāo)的權(quán)重或概率，為隸屬函數(shù)的建立奠定基礎(chǔ)。[12-13]

表2 地鐵建設(shè)風(fēng)險評估應(yīng)用方法分類

施工擾動造成的土體沉降為主要風(fēng)險來源，促使數(shù)值計算或仿真和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在地鐵安全評估中的大量應(yīng)用，即先對影響沉降的參數(shù)和數(shù)值進(jìn)行嚴(yán)格計算和仿真[14-18]，再依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險概率評估[19-20]。

可拓理論和指數(shù)法主要用于評估盾構(gòu)法中存在的風(fēng)險，包括軟土盾構(gòu)、刀具磨損[21]、水下盾構(gòu)[22]等，也有學(xué)者將可拓理論用于地鐵施工過程的火災(zāi)風(fēng)險評估[23]。

地鐵建設(shè)過程中存在的風(fēng)險因素繁雜，一些學(xué)者通過利用粗糙集理論簡化數(shù)據(jù)，或在此基礎(chǔ)上結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險評估，提高網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率和判斷準(zhǔn)確率。

此外，少量學(xué)者分別利用質(zhì)量功能展開法、風(fēng)險度R=F(p,c)的評價模型、剛度修正法、國外案例分析法和廣義函數(shù)法等方法對不同類型的地鐵建設(shè)風(fēng)險進(jìn)行評估，取得了一定成果。

(二)研究成果

通過對表2中研究對象歸類，根據(jù)研究內(nèi)容的豐富程度將風(fēng)險評估研究成果分為深基坑風(fēng)險評估、周邊建筑環(huán)境風(fēng)險評估、盾構(gòu)法風(fēng)險評估和其他風(fēng)險評估。

1.深基坑風(fēng)險評估

深基坑工程風(fēng)險來源最廣，相關(guān)研究內(nèi)容也最多。研究人員通常結(jié)合模糊理論、層次分析法和專家評價法量化風(fēng)險，通過數(shù)學(xué)處理減少主觀判斷差異。但指標(biāo)的選取卻不盡相同，有研究者從圍護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖及支撐兩方面選取風(fēng)險指標(biāo)，有些則從基坑本體和周邊環(huán)境兩方面選取指標(biāo)，以上方法選取指標(biāo)數(shù)量偏少且粗糙。針對不足有研究者將風(fēng)險指標(biāo)分為三級，通過三級模糊計算評估，結(jié)論更客觀可靠。

2.建筑環(huán)境風(fēng)險評估

周邊建筑環(huán)境的風(fēng)險評估對象主要包括對鄰近車站、管線、隧道、橋梁、房屋建筑和在建工程等，評估內(nèi)容主要包括不均勻沉降、變形、開裂和坍塌等，評估方法包括模糊理論、數(shù)值計算或仿真、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論及剛度修正法和國外案例分析等。有學(xué)者對周邊建筑環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險評估時將風(fēng)險劃分成五個等級，但由于分析的影響因素和選用的權(quán)重系數(shù)不同，導(dǎo)致劃分的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果存在差異。歷史研究基本從水文地質(zhì)、施工工藝、既有建筑自身條件和既有建筑與地鐵工程的間距等四個方面來篩選風(fēng)險因素，有學(xué)者將管理因素納入研究后，提高了評估的可靠度。

對周邊建筑環(huán)境的風(fēng)險評估主要是對沉降值進(jìn)行監(jiān)測、計算和模擬，但對變形、開裂和坍塌的研究較少，尤其規(guī)律性的探索不足。目前的評估研究缺少對施工動態(tài)影響、施工復(fù)雜工序轉(zhuǎn)換及地下水抽排等因素的考慮，盡管有研究者進(jìn)行了工前檢測、工前安全評估、工中動態(tài)控制以及工后評估四方面的風(fēng)險評估，但僅限于對鄰近橋梁的研究。

3.盾構(gòu)風(fēng)險評估

隨著盾構(gòu)技術(shù)的推廣，相比于其他幾種地鐵施工方法，風(fēng)險發(fā)生的頻次也隨之增多。有學(xué)者專門通過改進(jìn)后的肯特指數(shù)法對地鐵施工風(fēng)險進(jìn)行分析，將評估模型應(yīng)用于盾構(gòu)刀具磨損，具有一定的使用價值。但模型建立過程中某些風(fēng)險的發(fā)生機理并不完全清晰，依舊需要靠數(shù)據(jù)和經(jīng)驗整理所得。

土質(zhì)條件對盾構(gòu)法施工的影響很大，有學(xué)者將可拓理論應(yīng)用于軟土地層地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險評估，主要評估施工復(fù)雜性和不確定性，解決主觀風(fēng)險指標(biāo)量化的問題，但整個評估過程未考慮單因素的具體影響機理。

有別于普通施工，水下隧道施工風(fēng)險更大，有學(xué)者通過應(yīng)用指數(shù)法，拓展上述基本公式(1)中p和c得到公式(2)(3)(4)的計算形式，拓展后分值變化范圍更大，更符合實際工況，但對于風(fēng)險接受準(zhǔn)則的研究和探討卻不足。

R=p×c

(2)

p=f1(B,D,C)=B×D×C

(3)

c=f2(后果指數(shù))

(4)

其中R為風(fēng)險值；p為事故發(fā)生概率；c為事故后果；B為基本指數(shù)；D為設(shè)計指數(shù)；C為施工指數(shù)。

4.其他風(fēng)險評估

上文所述三種風(fēng)險評估的研究已較豐富，通過文獻(xiàn)研究還總結(jié)出其他風(fēng)險評估，包括關(guān)鍵節(jié)點、地下水、火災(zāi)、隧道管片錯臺、裂縫災(zāi)害和鉆眼爆破開挖等，但研究成果較少。

(1)關(guān)鍵節(jié)點風(fēng)險。學(xué)者[24]依據(jù)工可階段的資料評估并提出建議，缺少對風(fēng)險的動態(tài)跟蹤，未實現(xiàn)動態(tài)風(fēng)險管理。

(2)地下水風(fēng)險。學(xué)者[20]分析信息不完備的地下水風(fēng)險，強調(diào)評估中勘測的薄弱性和重要性，提出加強水文地質(zhì)監(jiān)測的建議，但未說明具體如何選取水文地質(zhì)參數(shù)。

(3)火災(zāi)風(fēng)險。學(xué)者[25]通過多級可拓評估流程確定地鐵火災(zāi)風(fēng)險的薄弱環(huán)節(jié)及管理重點，并驗證可拓理論在地鐵火災(zāi)風(fēng)評估中的可行性。

(4)隧道管片錯臺風(fēng)險。學(xué)者[26]通過廣義函數(shù)思想建立管片錯臺的六指標(biāo)風(fēng)險評估體系，使評價指標(biāo)間具有可比性，但風(fēng)險因素的選取不全面，仍需完善。

(5)裂縫風(fēng)險。學(xué)者[27]用風(fēng)險度R=F(p,c)的評價模型，提出了減小風(fēng)險度的方法。

(6)鉆眼爆破開挖風(fēng)險。學(xué)者[28]先將事故類型作為輸入向量，再從宏觀上量化事故類型和作業(yè)活動的風(fēng)險權(quán)重，進(jìn)一步以風(fēng)險因素作為輸入向量進(jìn)行研究。

此外，有學(xué)者希望通過粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及CIM模型等理論和方法，對整條地鐵線路進(jìn)行全面綜合的風(fēng)險評估，但還處于初步探討階段，整體風(fēng)險等級仍缺乏統(tǒng)一定量界定，可見地鐵工程風(fēng)險評估還存在較大的研究空間。

三、問題與挑戰(zhàn)

(一)風(fēng)險因素完全識別困難

盡管目前風(fēng)險識別已發(fā)展出自動識別技術(shù)，但風(fēng)險與致險參數(shù)的關(guān)聯(lián)性及復(fù)雜關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化研究還欠完善，尚未建立包含所有風(fēng)險的關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)庫。地鐵施工過程本身十分復(fù)雜，加之我國疆土面積廣，地質(zhì)水文差異大，建設(shè)過程需要不斷改變施工參數(shù)或施工工藝，造成整個系統(tǒng)內(nèi)、外部環(huán)境的不斷變化，增加了風(fēng)險識別的難度；監(jiān)測系統(tǒng)在檢修非服役階段產(chǎn)生的離線數(shù)據(jù)信息，缺乏系統(tǒng)性保存、分類和分析，千差萬別的采集周期、精度要求、單位量綱、數(shù)據(jù)格式等導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)無法調(diào)用，造成風(fēng)險分析識別時信息數(shù)據(jù)不完備。

(二)綜合性風(fēng)險評估困難

上文研究表明，目前關(guān)于風(fēng)險評估的方法及成果較多且分散，但若將整條地鐵建設(shè)線路看成一個系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間會相互聯(lián)系，則綜合性的風(fēng)險評估才更有價值。傳統(tǒng)的風(fēng)險評估方法達(dá)不到對整條地鐵線路系統(tǒng)性綜合風(fēng)險評估要求，受限于技術(shù)和管理水平，鮮有學(xué)者針對整條地鐵建設(shè)線路進(jìn)行綜合性風(fēng)險評估研究。

(三)智慧化程度低

中國工程院院士錢七虎強調(diào)，國內(nèi)地鐵建設(shè)安全預(yù)警及信息化應(yīng)用程度的智慧化水平不足，更趨向于“數(shù)字”階段，即處于隧道工程信息化的初始階段。目前預(yù)警系統(tǒng)所依托的“虛擬隧道”與物理實體處于分離狀態(tài)，因此需要繼續(xù)通過信息技術(shù)的融合，打破隔閡，實現(xiàn)對預(yù)警信息的發(fā)布、應(yīng)急防治方案的實施等作出智能化響應(yīng)和決策支持的指令。

四、結(jié)論

全面綜述和分析地鐵建設(shè)風(fēng)險識別及評估現(xiàn)狀，探討其不足，得出以下結(jié)論。

第一，逐步建立完整的風(fēng)險識別數(shù)據(jù)庫，將風(fēng)險與致險參數(shù)一一對應(yīng)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化保存，便于計算機讀取數(shù)據(jù)信息，益于重復(fù)利用。

第二，利用系統(tǒng)論的方法建立綜合性風(fēng)險評估模型，結(jié)合傳統(tǒng)的風(fēng)險評估方法，以整條地鐵線路為單位進(jìn)行風(fēng)險分析，增加風(fēng)險評估的可靠性。

第三，向“智慧隧道”方向發(fā)展，即利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和BIM等技術(shù)與“數(shù)字隧道”融合，實現(xiàn)透徹感知、全面互聯(lián)、深度整合和智能服務(wù)，錢七虎更強調(diào)這是今后一個時期的發(fā)展方向。[29]