復合地層盾構施工安全影響因素及安全事故致因機理

劉天雄，陳輝華，李瑚均

復合地層盾構施工安全影響因素及安全事故致因機理

劉天雄，陳輝華，李瑚均

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

為更好地開展復合地層盾構施工安全管理，研究該情境下盾構施工安全影響因素和安全事故致因機理。遵循文本挖掘范式，提煉基于“特征值字典”的文本挖掘方法，構建集成“頻次-卡方優(yōu)化”的文本挖掘算法，并基于此識別復合地層盾構施工安全的關鍵影響因素；選用ISM方法剖析關鍵影響因素的作用關系和多級結構，在此基礎上研究復合地層情境下盾構施工安全事故致因機理；針對X項目開展實證分析。研究結果表明：本文構建的文本挖掘方法識別出環(huán)境類、人員類和機械設備類等關鍵影響因素；設計完備程度、人員安全影響因素和機械設備安全影響因素是開展復合地層盾構施工安全管理的關鍵，而完善安全組織有利于保障上述因素處于安全狀態(tài)。

盾構施工；安全事故；復合地層；安全影響因素；事故致因機理

城市地鐵交通系統(tǒng)具有速度快、運量大、能耗低、環(huán)保等優(yōu)點，可有效利用地下空間緩解地表交通，是城市居民主要通行方式，全國大中地市正在積極推進該交通系統(tǒng)建設。當下地鐵隧道施工多采用盾構掘進技術，因隧道深埋在城市密集建筑區(qū)地下，施工過程受多種復雜因素影響，安全事故時有發(fā)生，給國家、建設企業(yè)和個人帶來較大經(jīng)濟損失。復合地層是指盾構機切削截面通過兩種以上不同特征的土體構成的地層，由于切削截面土體瞬變，盾構施工具有更大的安全風險，因此有必要探究該施工情境下的安全影響因素及其致因機理，為復合地層地鐵盾構施工安全管理提供有效思路。學術界多是從風險管理視角識別盾構施工安全影響因素，分析維度主要有勘察設計[1-2]、施工技術[1, 3]、施工管理[4]、自然環(huán)境[1, 5]、地質(zhì)條件[2, 6]、鄰近既有線[1]、鄰近站場[5]、鄰近建筑物[2, 6]、鄰近河道[7]等。然而綜合分析發(fā)現(xiàn)：針對盾構施工安全管理過程，既往學者多關注環(huán)境、技術和機械設備等維度安全影響因素的識別，而人員安全影響因素并未被廣泛討論，且關鍵影響因素的識別方法效率較低、科學性與完備性不高；同時，針對盾構施工安全事故的致因機理研究較少?，F(xiàn)有的建筑施工安全事故致因模型，比如“約束和響應”模型[8]、拉夫堡模型[9-10]、因果連鎖模型[11]、復雜系統(tǒng)模型[12-13]、“2-4”事故鏈[14]等，可有效解釋地表建筑施工安全事故的致因機理，但在復合地層施工情境下的實際應用性較差。因此有必要進一步剖析復合地層盾構施工安全事故致因過程?；谏鲜鲈?，本文運用文本挖掘方法識別復合地層盾構施工安全的關鍵影響因素，選用ISM系統(tǒng)方法剖析關鍵影響因素的作用關系及多層結構，并基于此分析該情境下施工安全關鍵影響因素的事故致因機理，最后選用X項目開展實證分析。研究成果將有助于施工安全管理人員認知復合地層施工情境下的安全事故致因過程，提前設定安全干預措施，規(guī)避或降低盾構安全事故。

1 盾構施工安全影響因素分析

文本挖掘(Text Mining)是綜合運用統(tǒng)計學、機器學習和自然語言處理等挖掘技術從文本數(shù)據(jù)中抽取有價值信息和知識的計算機技術[15]。該項技術也逐漸被引入安全管理領域解決實際問題，并取得較好效果[16]。鑒于其可充分、科學和高效地利用現(xiàn)存的大量安全或事故文本數(shù)據(jù)挖掘施工安全影響因素相關重要信息，本文采用文本挖掘技術識別施工安全關鍵影響因素(關鍵特征值)，文本挖掘流程如如圖1所示。

圖1 文本挖掘流程

1.1 文本挖掘特征值字典構建

運用文本挖掘技術獲取施工安全關鍵影響因素，首先需要構建特征值字典(初始地鐵盾構施工安全影響因素清單)，以已有研究成果作為特征值字典的文本來源。為了保證特征值字典的充分性和完備性，先不限定“復合地層”情境，作者以“盾構施工安全”、“盾構施工風險”、“盾構施工安全風險”、“盾構施工安全因素”為關鍵詞檢索知網(wǎng)平臺科技論文，論文來源為EI，CSSCI和CSCD等收錄期刊和博碩士論文。通過初步篩選確定47篇期刊論文和13篇博碩士論文作為提煉特征值字典的文本數(shù)據(jù)源?，F(xiàn)行研究多采用分詞算法提取特征值，但上述算法的準確性和語義分析能力稍差，因此研究人員選用人工抽取初始特征值并結合小組討論適當增添人員相關安全影響因素，匯總初始特征形成特征值字典。

1.2 文本挖掘數(shù)據(jù)庫構建

選用實際工程案例資料構建文本挖掘數(shù)據(jù)庫。工程案例資料主要包括工程安全事故報告和工程安全風險報告。工程事故報告通過查詢國家及各地市住建部門和安全監(jiān)管部門相關網(wǎng)站和運用“百度”綜合搜索獲得，工程安全風險報告主要通過團隊合作網(wǎng)絡從合作施工單位獲得。將獲得的相關案例材料以“.txt”進行文本格式統(tǒng)一，然后抽取相關的文檔片段，對文檔片段進行結構化編碼，最后歸集已編碼的文檔片段構建文本挖掘數(shù)據(jù)庫。

1.3 施工安全關鍵影響因素挖掘

運用文本挖掘識別關鍵影響因素是指通過文本挖掘算法確定特征值字典中初始特征值的重要程度，然后基于初始特征值的重要程度降維，最終獲得關鍵特征值(施工安全關鍵影響因素)。首先限定“復合地層”對數(shù)據(jù)庫進行初步篩選，然后綜合運用Python和R語言編寫文本挖掘算法計算各初始特征值的權重，文本挖掘算法采用集成詞頻()和卡方優(yōu)化算法()具體原理如下。

1) 編碼經(jīng)過初步篩選的數(shù)據(jù)庫，單個文本片段記為P；特征值字典庫所含初始特征值記為s，運用Python語言編寫正則算法，識別特征值s的在單個P內(nèi)出現(xiàn)的頻次記為A，則有

3) 初始特征值的權重記W，則有

經(jīng)過上述挖掘算法獲得復合地層情境下的關鍵特征值，即施工安全關鍵影響因素清單，見表1。

表1 復合地層地鐵盾構施工關鍵安全影響因素清單

2 基于ISM的盾構施工安全事故致因機理分析

2.1 施工安全關鍵影響因素的鄰接矩陣構建

(5)

2.2 施工安全關鍵影響因素的多級結構分析

以鄰接矩陣為基礎計算關鍵影響因素的可達性集合((s))(見表2)，按照由上至下的原則依次抽取沒有可達性集合的關鍵影響因素，逐層分析影響因素，調(diào)整后獲得施工關鍵影響因素的多層結構關系，如圖3所示。施工作業(yè)環(huán)境類安全影響因素處于頂層，機械設備類、人員類和勘察設計環(huán)境類安全影響因素處于中間層，而地質(zhì)環(huán)境類和管理環(huán)境類安全影響因素處于底層。外部環(huán)境類安全影響因素因未統(tǒng)計到與其他安全影響因素相關而未處于關鍵安全影響因素的多級結構中。

施工作業(yè)環(huán)境安全影響因素不斷積累會導致安全事故，搭建施工作業(yè)環(huán)境安全影響因素與安全事故的相關關系，進一步分析復合地層施工情境下安全事故致因機理：現(xiàn)場施工作業(yè)環(huán)境安全狀態(tài)是導致安全事故的直接原因；勘察設計完備情況、機械設備的安全狀態(tài)和人員的安全素質(zhì)直接影響施工作業(yè)環(huán)境的安全狀態(tài)，其中人員安全素質(zhì)對機械設備的安全狀態(tài)有調(diào)控作用；復合地層和管理環(huán)境是導致勘察設計不完備、機械設備不安全狀態(tài)和人員安全素質(zhì)低的基層原因；復合地層可通過機械設備的安全狀態(tài)和勘察設計完備程度影響施工作業(yè)安全環(huán)境，管理環(huán)境通過安全組織影響人員安全素質(zhì)和設計完備程度而綜合導致不安全施工作業(yè)安全環(huán)境；外部環(huán)境并未直接影響安全事故的發(fā)生，而多是已經(jīng)形成安全事件(比如坍塌)，安全事件作用于外部環(huán)境形成了繼發(fā)性安全事件(隧道坍塌導致地表建筑物傾斜甚至倒塌)。因此控制盾構施工作業(yè)的內(nèi)部安全才是關鍵所在。綜合分析可知，雖然“復合地層”特殊作業(yè)環(huán)境增大了安全事故的發(fā)生概率，但是設計完備程度、安全人員素質(zhì)和機械設備安全狀態(tài)是保證安全施工的重要影響因素，重視安全管理環(huán)境有利于安全預案的編制和人員安全素質(zhì)的提升。

表2 關鍵安全影響因素可達集合

圖3 復合地層盾構施工安全事故致因機理

注：圖中“刀盤功能缺陷”指代“刀片磨損”、“刀盤偏載”和“刀盤結泥餅”。

3 案例分析

3.1 案例概況

X項目施工情境為填海區(qū)復合地層，原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)狀為人工造陸場地，地形平坦，局部有起伏，地面標高一般3.0～7.0 m之間。自上至下地層依次為填土(局部填石)、軟土、中粗砂、黏性土、殘積土和風化巖。總體上沿線基巖埋深較大，僅機場北站以北區(qū)間局部基巖凸起侵入隧道。

3.2 區(qū)間施工安全關鍵影響因素識別

基于上文識別的地鐵盾構施工關鍵安全影響清單，結合施工區(qū)間的具體情況和專家分析，最終匯總本區(qū)間施工安全關鍵影響因素清單，見表3。

3.3 編制安全防護措施及應用結果

該項目安全管理人員依據(jù)前文安全事故致因機理，分析了施工安全關鍵影響因素的事故致因過程，并基于致因過程分析，采取了主要安全防護措施(如表4所示)。

表3 X項目關鍵安全影響因素清單

表4 X項目安全管理人員采取的主要安全防護措施

通過采取對應的安全防護措施，該段盾構施工地表沉降控制在標準范圍內(nèi)，未發(fā)生安全事故，復合地層段平穩(wěn)通過，并獲得該市安全質(zhì)量標準化示范工地。

4 結論

1) 提煉基于“特征值字典”的文本挖掘方法，構建了集成“詞頻-卡方優(yōu)化”的文本挖掘算法，并應用該算法識別了復合地層盾構施工安全的關鍵影響因素，關鍵影響因素可劃分為：環(huán)境安全影響因素、人員安全影響因素和機械設備安全影響因素。

2) 運用ISM方法探究了關鍵影響因素的作用關系及其多層結構，并基于此分析了復合地層盾構施工安全事故致因機理，其中設計完備程度、人員安全影響因素、機械設備安全影響因素是開展安全管理工作的關鍵因素。

3) 選擇X項目應用本文研究的施工安全關鍵影響因素和事故致因模型進行實證分析，通過采取針對性的安全措施，達到較好的施工安全管理 效果。

[1] 林大涌, 雷明鋒, 曹豪榮, 等. 盾構下穿運營鐵路施工風險模糊綜合評價方法研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2018, 15(5): 1347-1355. LIN Dayong, LEI Mingfeng, CAO Haorong, et al. Study on construction risk of shield tunnel under-passing existing railway by fuzzy comprehensive evaluation[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(5): 1347-1355.

[2] 魏綱, 周琰. 鄰近盾構隧道的建筑物安全風險模糊層次分析[J]. 地下空間與工程學報, 2014, 10(4): 956- 961. WEI Gang, ZHOU Yan. Fuzzy assessment method combining AHP for safety risk of buildings caused by adjacent shield tunnel construction[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(4): 956- 961.

[3] 吳賢國, 李鐵軍, 林凈怡, 等. 基于粗糙集和貝葉斯網(wǎng)絡的地鐵盾構施工誘發(fā)鄰近橋梁安全風險評價[J]. 土木工程與管理學報, 2016, 33(3): 9-15, 29. WU Xianguo, LI Tiejun, LIN Jingyi, et al. Safety risk assessment of metro shield tunnel-induced adjacent bridge damage based on rough set and Bayesian network[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2016, 33(3): 9-15, 29.

[4] 余學嬌. 蘭州軌道交通區(qū)間隧道盾構施工風險管理研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學, 2017. YU Xuejiao. Research on risk management about rail transit shield tunnel construction of Lanzhou[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiatong University, 2017.

[5] 鄭余朝, 周賢舜, 李俊松. 盾構隧道下穿高速鐵路站場安全風險評估管理方法[J]. 地下空間與工程學報, 2018, 14(2): 523-529, 557. ZHENG Yuchao, ZHOU Xianshun, LI Junsong. Security risk assessment management on shield tunnel under-crossing high-speed railway station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(2): 523-529, 557.

[6] 任建喜, 楊鋒, 朱元偉. 鄰近建筑物條件下西安地鐵盾構施工風險評估[J]. 鐵道工程學報, 2016, 33(7): 88- 93. REN Jianxi, YANG Feng, ZHU Yuanwei. The risk assessment of shield construction under the condition of adjacent buildings in Xi’an metro[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(7): 88-93.

[7] 盧浩, 施燁輝, 戎曉力. 水下隧道盾構法施工安全風險評估探討[J]. 中國工程科學, 2013, 15(10): 91-96. LU hao, SHI Yehui, RONG Xiaoli. Discussion on safety risk assessment of shield construction in underwater tunnel[J]. Engineering Science, 2013, 15(10): 91-96.

[8] Suraji A, Duff A R, Peckitt S J. Development of causal model of construction accident causation[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2001, 127(4): 337-344.

[9] Haslam R A, Hide S A, Gibb A G F, et al. Contributing factors in construction accidents[J]. Applied Ergonomics, 2005, 36(4): 401-415.

[10] Behm M, Schneller A. Application of the loughborough construction accident causation model: A framework for organizational learning[J]. Construction Management and Economics, 2013, 31(6): 580-595.

[11] 孫玉嶺, 孟超, 王景春, 等. 鐵路建設管理行為與安全事故致因關聯(lián)性分析[J]. 中國安全科學學報, 2018, 28(增1): 71-76. SUN Yuling, MENG Chao, WANG Jingchun, et al. Correlative analysis on causes of railway construction management behavior and safety accidents[J]. China Safety Science Journal, 2018, 28(Suppl 1): 71-76.

[12] Mitropoulos P, Abdelhamid T S, Howell G A. Systems model of construction accident causation[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2005, 131(7): 816-825.

[13] 王旭峰. 建筑施工事故致因復雜網(wǎng)絡模型與事故預防研究[D]. 福州: 福州大學, 2017. WANG Xufeng. Research on the complex network model of construction accident causation and the accident prevention[D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2017.

[14] 李世方. 地鐵施工中安全事故致因鏈研究[D]. 西安: 西安工業(yè)大學, 2017. LI Shifang. Research on causation chain of safety accidents in subway construction[D]. Xi’an: Xi’an Technological University, 2017.

[15] Jo T. Text categorization: Implementation[M]. Cham: Springer International Press, 2018: 129-156.

[16] 吳伋, 江福才, 姚厚杰, 等. 基于文本挖掘的內(nèi)河船舶碰撞事故致因因素分析與風險預測[J]. 交通信息與安全, 2018, 36(3): 8-18. WU Ji, JIANG Fucai, YAO Houjie, et al. An analysis and risk forecasting of inland ship collision based on text mining[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2018, 36(3): 8-18.

Research on safety impact factors and safety accident causation mechanism of subway shield construction in mix-ground

LIU Tianxiong, CHEN Huihua, LI Hujun

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

In order to better carry out the safety management of shield construction in mix-ground, the safety impact factors (SIFs) and safety accident causation mechanism (SACM) were studied in this paper. Following the text mining paradigm, a text mining method based on “eigenvalue dictionary” and a text mining algorithm integrating “frequency-chi-square optimization” were constructed, which then were used to identify the key SIFs during shield construction in mix-ground. Applying the ISM method, the relationships and multi-tiered structure of key SIFs were constructed, which then were used to analyze the SACM of shield construction in mix-ground. Finally, the X project was used for empirical analysis. The research shows that the text-mining method constructed in this paper identifies environmental, personnel and mechanical equipment key SIFs. Personnel SIFs and mechanical equipment SIFs are key factors to carry out safety management of shield construction in mix-ground. and could be maintained safe through perfecting safety organization.

shield construction; safety accident; mix-ground; safety impact factors; accident causation mechanism

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190784

TU714

A

1672 - 7029(2020)01 - 0266 - 07

2019-09-05

國家自然科學基金資助項目(71273283)；湖南省自然科學基金資助項目(2019JJ40407)

李瑚均(1991-)，男，河南濮陽人，博士，從事工程建造安全管理研究；E-mail：lihujunsr@outlook.com

(編輯 蔣學東)