基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型

黃震，傅鶴林，張加兵，史越，王成洋

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基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型

黃震，傅鶴林，張加兵，史越，王成洋

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法無法將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程的模糊性和隨機(jī)性關(guān)聯(lián)在一起，基于此，針對(duì)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程的模糊性及隨機(jī)性特點(diǎn)，提出基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型。首先，構(gòu)建反映盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。然后，將專家對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性語言值轉(zhuǎn)化為權(quán)重云，用于表征各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度。通過專家組討論確定指標(biāo)的權(quán)重及語言評(píng)價(jià)，得到能夠反映盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模糊性和隨機(jī)性特點(diǎn)的云模型。最后，運(yùn)用云理論的計(jì)算方法對(duì)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果的云模型。該模型成功運(yùn)用于獅子洋盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，驗(yàn)證了其有效性和實(shí)用性。

盾構(gòu)隧道；施工風(fēng)險(xiǎn)；云理論；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；權(quán)重云

作為一項(xiàng)重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，城市地下軌道交通在緩解城市人口增長(zhǎng)與城市交通壓力之間的矛盾上發(fā)揮著巨大的作用，在北京、上海、廣州等特大城市中，軌道交通系統(tǒng)承擔(dān)了城市公共客運(yùn)總量的40%~50%。盾構(gòu)法作為城市軌道交通的主要施工工法，占據(jù)了城市軌道線路施工總長(zhǎng)的50%~70%[1?2]。由于盾構(gòu)隧道穿梭于城市復(fù)雜地層中，其施工技術(shù)難度大，施工質(zhì)量要求高，施工風(fēng)險(xiǎn)大，且周邊存在重要構(gòu)筑物及密集活動(dòng)人群，給盾構(gòu)隧道施工帶來了許多不確定風(fēng)險(xiǎn)因素。針對(duì)這些不確定風(fēng)險(xiǎn)因素，通過高效、準(zhǔn)確、實(shí)用的方法來確定隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，保障隧道安全施工，成為隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理中的一項(xiàng)極為重要的研究?jī)?nèi)容。隨著越來越多的城市地下軌道交通的建設(shè)，許多科研及技術(shù)工作者對(duì)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)開展了相關(guān)研究，Einstein[3]對(duì)海底巖土體中盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)展開了詳細(xì)分析。Tonon等[4]基于模糊理論和隨機(jī)理論研究了隧道工程施工中風(fēng)險(xiǎn)與決策問題。王卓明等[5?6]通過監(jiān)測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。姚浩等[7]采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)軟土地區(qū)土壓式盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。謝壯[8]采用層次—模糊綜合評(píng)估法對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化體段盾構(gòu)施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估。鄭俊杰等[9]結(jié)合模糊故障樹理論，提出用模糊成本重要度的指標(biāo)來評(píng)價(jià)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)成本的影響，進(jìn)而得出盾構(gòu)施工需要規(guī)避的風(fēng)險(xiǎn)。陳自海等[10]采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)杭州某地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。張姣[11]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。王公忠等[12]利用模糊層次分析法對(duì)臺(tái)山核電站海底隧道泥水平衡盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析和安全評(píng)價(jià)。在上述盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中存在以下主要問題：1) 主要考慮了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊性，忽略了風(fēng)險(xiǎn)因素隨機(jī)性和離散性的特點(diǎn)。2) 評(píng)價(jià)結(jié)果比較過程中，容易受到主觀不確定性的影響。云理論作為一種用來描述事物定性與定量之間不確定性關(guān)系轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)工具能夠很好解決上述問題。其主要特點(diǎn)在于能夠同時(shí)反映描述事物的隨機(jī)性和模糊性，并構(gòu)成定性與定量之間的映射關(guān)系，因而可用于描述模糊、信息不完整的不確定性問題。目前，該理論已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)評(píng)估、裝備保障體系性能評(píng)估和環(huán)境質(zhì)量評(píng)估等領(lǐng)域[13?15]，并具有良好的發(fā)展前景。基于此，本文將盾構(gòu)隧道施工過程作為一個(gè)模糊系統(tǒng)，對(duì)各施工過程的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行逐級(jí)分解，構(gòu)建盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型，利用云理論的計(jì)算方法對(duì)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 云理論

云理論是由LI等[16?18]在傳統(tǒng)的模糊集理論和概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上提出來的，用于研究不確定性問題的數(shù)學(xué)工具。它實(shí)現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)兼顧了研究對(duì)象的模糊性和隨機(jī)性特點(diǎn)。

1.1 云的數(shù)字特征

云理論通過引入期望值E，熵E和超熵e來表示云的數(shù)字特征。數(shù)字特征將模糊性和隨機(jī)性關(guān)聯(lián)起來，可反映事物定性概念的定量特征，并建立了定性概念與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換模型。其中，期望值E是論域上最能夠代表模糊定性概念的點(diǎn)值，表示模糊概念在論域中的中心值，是隸屬云的中心分布；熵E是對(duì)定性概念不確定性程度的度量，它的大小反映了定性概念的云滴出現(xiàn)的隨機(jī)概率和論域中可被定性概念接受的云滴范圍，熵值越大，隨機(jī)性和模糊性越大，反之亦然；超熵e是熵的不確性度量，反映了云的離散程度和云厚度，超熵由熵的模糊性和隨機(jī)性決定，可反映研究對(duì)象的隨機(jī)性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)性。

1.2 云的運(yùn)算法則

表1 云的運(yùn)算法則

1.3 正態(tài)云模型

為實(shí)現(xiàn)定性語言的定量化表示，采用正向正態(tài)云的云發(fā)生器建立定量與定性之間的映射關(guān)系。具體算法如下：

1) 生成1個(gè)E為期望值，e為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)E；

2) 生成1個(gè)E為期望值，E為標(biāo)準(zhǔn)差的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)，為論域空間中的一個(gè)云滴；

4) 重復(fù)計(jì)算上述步驟，直至生成個(gè)云滴 為止。

圖1 正態(tài)云圖

2 基于云理論盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估

2.1 盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的首要任務(wù)是建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。為此，本著科學(xué)性，獨(dú)立性，完備性，層次性的原則，結(jié)合盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素及實(shí)際工況，建立隧道盾構(gòu)施工2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[20]。從盾構(gòu)施工順序的角度將盾構(gòu)隧道施工過程的第1層指標(biāo)分解為施工前準(zhǔn)備階段、盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)階段、盾構(gòu)正常推進(jìn)階段、管片拼裝階段、同步注漿及二次注漿階段、壓氣、開刀及換刀階段、盾構(gòu)穿越建筑物及管線階段、盾構(gòu)輔助階段。這樣有利于對(duì)不同過程的盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。依據(jù)第1層指標(biāo)依次劃分第2層指標(biāo)。其中，第1層指標(biāo)為1級(jí)指標(biāo)，共8個(gè)，第2層指標(biāo)為子指標(biāo)，共70個(gè)，如圖2所示。

2.2 指標(biāo)等級(jí)的權(quán)重云模型

目前，指標(biāo)權(quán)重確定的方法主要有2類，一類是以專家打分為主的主觀賦權(quán)法，另一類是以數(shù)據(jù)結(jié)果為依據(jù)的客觀賦權(quán)法，這2類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于人的自身偏好差異，主觀賦權(quán)法存在一定的隨意性，客觀賦權(quán)法得到的權(quán)重存在與實(shí)際不符的現(xiàn)象。由于在實(shí)際評(píng)估中通常難以準(zhǔn)確得到指標(biāo)的權(quán)重量化值，因此，可以采用語言評(píng)價(jià)值來反映指標(biāo)的重要程度，這種方法既反映了人類思維的模糊性、不確定性和復(fù)雜性，也消除了主客觀賦權(quán)法隨意性以及與實(shí)際不符的問題。

假設(shè)用于表征指標(biāo)重要程度的論域?yàn)閇0,1]，依據(jù)專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)重要程度的語言評(píng)價(jià)值及其對(duì)應(yīng)的論域轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的權(quán)重云[21]。表2列出了指標(biāo)評(píng)價(jià)語言值及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重云，圖3為云表示的指標(biāo)權(quán)重等級(jí)圖。

圖2 盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

表2 指標(biāo)評(píng)價(jià)語言及權(quán)重云

圖3 指標(biāo)權(quán)重等級(jí)云圖

2.3 指標(biāo)的評(píng)價(jià)云模型

表3 語言評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)的云模型

表4 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

2.4 綜合評(píng)判

工程上通常采用表4[24]所示的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定，并給出相應(yīng)的工程決策。風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與本文建立指標(biāo)語言評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)，因此，可轉(zhuǎn)化為與語言評(píng)價(jià)相同的云模型來表示。圖4為指標(biāo)語言評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的云圖。

圖4 指標(biāo)語言評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)云圖

根據(jù)圖2盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系及表1中的云計(jì)算法則，結(jié)合評(píng)價(jià)語言值確定最底層指標(biāo)評(píng)價(jià)云模型，計(jì)算如下：

a=v×w(4)

式中：a，v和w分別為最底層第個(gè)子指標(biāo)的評(píng)價(jià)云模型、語言評(píng)價(jià)云模型和權(quán)重云模型。

若逐層向上進(jìn)行加權(quán)綜合評(píng)價(jià)，得到隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)，按照相應(yīng)的接受準(zhǔn)則認(rèn)為是可容許的，然而實(shí)際上，隧道始發(fā)和接收階段的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4級(jí)，是不可接受的，需要采取相應(yīng)控制措施和預(yù)警方案。因此，該類綜合評(píng)定分析結(jié)果與實(shí)際相悖，具有一定的不可靠性。模糊綜合評(píng)價(jià)、物元法等也存在相似問題。為解決這一問題，本文引入短板效應(yīng)來解釋和解決這一問題，該理論認(rèn)為木桶盛水多少，取決于木桶側(cè)壁最短的那塊木板。結(jié)合本文提出的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，將1級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果比作木板，隧道施工安全程度比作水，1級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果決定了隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全程度。因此，本文選取1級(jí)指標(biāo)的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的最不利結(jié)果作為隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，然后依據(jù)1級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)的控制措施。

3 工程案例分析

佛山至東莞城際鐵路獅子洋隧道，盾構(gòu)段長(zhǎng)4 900 m，盾構(gòu)直徑13.46 m，采用泥水平衡盾構(gòu)。始發(fā)井和接收井的平面尺寸為28.8 m× 29.1 m。進(jìn)洞洞門側(cè)面地質(zhì)剖面圖如圖5所示。始發(fā)井與接收井位于鄰近獅子洋入海口，地層由上至下為人工填土層，第四系海相沉積及沖擊層，基巖層，地下承壓水頭較大，地下水極為豐富。這些不利因素成為盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞施工安全的風(fēng)險(xiǎn)源，盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)決策具有重要的指導(dǎo)作用。

因此，本研究以“盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段”為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段共10個(gè)子指標(biāo)，通過由隧道工程專業(yè)的專家、科研單位主要技術(shù)人員、設(shè)計(jì)院主要技術(shù)人員、項(xiàng)目部主要技術(shù)人員組成的專家討論組，確定子指標(biāo)的權(quán)重及評(píng)價(jià)語言，然后根據(jù)云計(jì)算法則，利用式(4)計(jì)算子指標(biāo)的評(píng)價(jià)云模型。相應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

結(jié)合表5子指標(biāo)的評(píng)價(jià)云模型，利用式(5)計(jì)算出盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段的評(píng)估結(jié)果云模型為(0.578，0.032，0.003)。將評(píng)估結(jié)果云模型，按照正向正態(tài)云發(fā)生器計(jì)算步驟，得到評(píng)估結(jié)果云圖，如圖6所示。從圖6中可直觀看出，獅子洋隧道盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)~3級(jí)之間，且偏向于3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

采用上述相同方法對(duì)其他1級(jí)指標(biāo)進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到相應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果云模型和對(duì)應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，選取1級(jí)指標(biāo)的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的最不利結(jié)果作為隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果如表6所示。隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為偏向于3級(jí)，因此，該項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)可接受，但需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及防范，并對(duì)此重視，制定相應(yīng)的預(yù)防措施方案。

圖5 進(jìn)洞側(cè)面地質(zhì)剖面圖

表5 子指標(biāo)的權(quán)重、語言評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)云模型

圖6 盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果云圖

為了驗(yàn)證基于云理論的施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型的實(shí)用性和有效性，采用文獻(xiàn)[7]提出的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法，結(jié)合本文中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)該隧道盾構(gòu)施工整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與本文基于云理論的隧道施工綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相符，如表6所示。此外，該評(píng)價(jià)結(jié)果與獅子洋隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告結(jié)果相吻合，進(jìn)一步說明了基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的可行性。

盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)定性的概念，影響盾構(gòu)隧道施工安全的影響因素較為復(fù)雜，難以用合適的方法進(jìn)行統(tǒng)一度量，而云模型利用云數(shù)字特征可將這些因素進(jìn)行量化表示，并反映了評(píng)估過程和結(jié)果隨機(jī)性和模糊性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定性語言與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換關(guān)系，其應(yīng)用在文中案例分析中得到了較好的體現(xiàn)。

表6 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

1) 傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法無法將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模糊性和隨機(jī)性關(guān)聯(lián)在一起，基于此，提出基于云理論的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型，該模型很好地兼顧了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模糊性和隨機(jī)性特點(diǎn)。通過對(duì)獅子洋隧道盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)階段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用，驗(yàn)證了該模型的實(shí)用性及有效性。

2) 采用語言評(píng)價(jià)值來反映指標(biāo)的重要程度，既反映了人類思維對(duì)事物評(píng)價(jià)的模糊性、不確定性，也消除了主客觀賦權(quán)法的隨意性問題。盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為定性概念，將評(píng)價(jià)指標(biāo)用語言評(píng)價(jià)集來描述，再利用云理論將語言評(píng)價(jià)集轉(zhuǎn)化為正態(tài)云圖，較好地保留了定性指標(biāo)的模糊性和評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。

3) 依據(jù)本文建立的盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，可得到盾構(gòu)隧道不同施工階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，便于施工風(fēng)險(xiǎn)控制提供動(dòng)態(tài)指導(dǎo)。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果是一個(gè)有期望值、熵和超熵3個(gè)數(shù)字特征組成的云模型。該云模型綜合考慮了評(píng)估結(jié)果的期望值、模糊性及隨機(jī)性特點(diǎn)，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的魯棒性，為盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的不確定性，提出了一種簡(jiǎn)便高效可視的新方法。

4) 基于本文提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該評(píng)價(jià)方法既能對(duì)隧道不同施工階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，還能確定整個(gè)階段的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，能夠快速確定盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，便于指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)管控。

[1] 張新金, 劉維寧, 路美麗, 等. 北京地鐵盾構(gòu)法施工問題及解決方案[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2008, 41(10): 93?99. ZHANG Xinjin, LIU Weining, LU Meili, et al. Problems and solutions of shield tunneling for Beijing metro[J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(10): 93?99.

[2] 徐順明. 廣州軌道交通盾構(gòu)隧道施工控制測(cè)量的研究[D]. 武漢: 武漢大學(xué), 2011. XU Shunming. On the control survey in the shield tunnel construction of Guangzhou rail traffic[D]. Wuhan: Wuhan University, 2011.

[3] Einstein H H. Risk and risk analysis in rock engineering[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1996, 2(11): 141?155.

[4] Tonon F, Mammion A. Bernardini A. Multiobjective optimization under uncertainty in tunneling application to The design of tunnel support/ reinforcement with case histories[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2002(17): 33?54.

[5] 王明卓, 黃宏偉. 基于橫向收斂變形的盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2014, 51(增1): 5?9. WANG Mingzhuo, HUANG Hongwei. Risk assessment of shield tunnel based on horizontal convergence[J]. Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(Suppl 1): 5?9.

[6] 彭銘, 黃宏偉, 胡群芳, 等. 基于盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫開發(fā)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2007, 3(7): 1255?1260. PENG Ming, HUANG Hongwei, HU Qunfang, et al. A risk database designed for dynamic risk management in shield tunneling from monitoring date[J]. Chinese Journal Underground Space and Engineering, 2007, 3(7): 1255?1260.

[7] 姚浩, 周紅波, 蔡來炳, 等. 軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(8): 1753?1756. YAO Hao, ZHOU Hongbo, CAI Laibing, et al. Fuzzy synthetic evaluation on construction risk of EPBS during tunnelling in soft soil area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(8): 1753?1756.

[8] 謝壯. 花崗巖球狀風(fēng)化體地段地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2010. XIE Zhuang. Risk analysis and control of metro shield construction in the area of the spherical weathered granite[D]. Changsha: Central South University, 2010.

[9] 鄭俊杰, 林池峰, 趙冬安, 等. 基于模糊故障樹的盾構(gòu)隧道施工成本風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(4): 501?508. ZHENG Junjie, LIN Chifeng, ZHAO Dongan, et al. Risk assessment of shield tunnel construction cost using fuzzy fault tree[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(4): 501?508.

[10] 陳自海, 陳建軍, 楊建輝. 基于模糊層次分析法的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2013, 9(6): 1427?1432. CHEN Zihai, CHEN Jianjun, YANG Jianhui. Risk analysis of tunnel shield machine driving in construction process based on fuzzy AHP[J]. Chinese Journal Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1427?1432.

[11] 張姣. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的地鐵盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[J]. 城市軌道交通研究, 2014(3): 30?34. ZHANG Jiao. Risk assessment of metro shield tunnel construction based on bayesian network[J]. Urban Mass Transit, 2014(3): 30?34.

[12] 王公忠, 劉星魁, 李鳳琴. 層次分析法的海底隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 34(11): 1240?1243. WANG Gongzhong, LIU Xingkui, LI Fengqin. Evaluation of risks of shield construction of submarine tunnel with analytic hierarchy process[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2015, 34(11): 1240?1243.

[13] Jiao P, Zha Y B. Credibility evaluation method based on cloud model[C]// International Conference on Electrical and Control Engineering. Wuhan, China: IEEE, 2010: 648?651.

[14] 張鐿議, 廖瑞金, 楊麗君, 等. 基于云理論的電力變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(5): 13?19. ZHANG Yiyi, LIAO Ruijin, YANG Lijun, et al. An assessment method for insulation condition of power transformer based upon cloud model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(5): 13?19.

[15] LI D R, DI K C, LI D Y. Knowledge representation and uncertaintiy reasoning in GIS based on cloud models[C]// 9th International Symposium on Spatial Data Handling. Beijing, China: [s.n.], 2000: 10?12.

[16] LI Deyi. Uncertainty reasoning based on cloud models in controllers journal of computer science and mathematics with application[J]. Elsevier Science, 1998, 35(3): 99? 123.

[17] 李德毅. 不確定性人工智能[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005: 4?31. LI Deyi. Uncertainty artificial intelligence[M]. Beijing: China National Defense Press, 2005: 4?31.

[18] 劉常昱, 李德毅, 杜鹢, 等. 正態(tài)云模型的統(tǒng)計(jì)分析[J].信息與控制, 2005, 34(2): 236?239. LIU Changyu, LI Deyi, DU Yi, et al. Some statistical analysis of the normal cloud model[J]. Information and Control, 2005, 34(2): 236?239.

[19] 李德毅, 劉常昱. 論正態(tài)云模型的普適性[J]. 中國工程科學(xué), 2004, 6(8): 28?34. LI Deyi, LIU Changyu. Study on the universality of the normal cloud model[J]. Engineering Science, 2004, 6(8): 28?34.

[20] 茍敏. 地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究[D]. 青島:青島理工大學(xué), 2014. GOU Min. Study on risk management of metro tunnel shield construction[D]. Qingdao: Qingdao Technological University, 2014.

[21] 辛晶, 夏登友, 龐西磊, 等. 基于云理論的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 消防管理研究, 2011, 30(3): 258?261. XIN Jin, XIA Dengyou, PANG Xilei, et al. Fire risk assessment for high-rise buildings based on cloud theory[J]. Fire Science and Technology, 2011, 30(3): 258?261.

[22] 邸凱昌, 李德毅, 李德仁. 云理論及其在空間數(shù)據(jù)發(fā)掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用[J]. 中國圖象圖形學(xué)報(bào), 1999, 44(11): 930?935. DI Kaichang, LI Deyi, LI Deren. Cloud theory and its applications in spatial data mining and knowledge discovery[J]. Journal of Image and Graphics, 1999, 44(11): 930?935.

[23] 范莉, 夏非, 蘇浩益, 等. 基于云理論的高壓絕緣子污穢狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(15): 57?62. FAN Li, XIA Fei, SU Haoyi, et al. Risk assessment of high voltage insulator contamination condition by cloud theory[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(15): 57?62.

[24] 中華人民共和國建設(shè)部. 地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南[M]. 北京: 中國建筑出版社, 2007. Ministry of Construction P R China. Guidelines of risk management for the construction of tunnel and underground works[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2007.

Comprehensive evaluation model of shield tunnel construction risk based on cloud theory

HUANG Zhen, FU Helin, ZHANG Jiabing, SHI Yue, WANG Chenyang

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The traditional risk assessment method can not associate the fuzziness with the randomness of risk. Therefore, on the basis of cloud theory, the study puts forward a comprehensive risk assessment model for shield tunnel aiming at the fuzziness and randomness of the risk assessment index of shield tunnel construction. Firstly, construct the evaluation index system which can reflect the construction risk of shield tunnel. Then, convert the experts’ language value on each evaluation index into the weight of the cloud to characterize the importance of each evaluation index.The weight and linguistic evaluation of the index are discussed by the panel, and the cloud model is obtained which can reflect the fuzzy and random characteristics of the risk state of shield tunnel construction. Finally, use the method of cloud theory to evaluate the risk level of shield tunnel. The model is successfully applied to the construction risk assessment of the Shiziyang shield tunnel which verifies the effectiveness and practicability.

shield tunnel; construction risk; cloud theory; risk assessment; the weight of the cloud

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.035

U45；X951

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 3012 ? 09

2017?09?12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51538009，51578550)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2017zzts152)

黃震(1989?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，博士研究生，從事地下結(jié)構(gòu)安全及巖土工程研究；E?mail：hzcslg@163.com

(編輯 陽麗霞)