隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價

趙映瓔，馬維珍，溫海燕

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國社會經(jīng)濟技術(shù)的高速發(fā)展，交通網(wǎng)的完整化建設(shè)，大量的鐵路和公路向西北部山區(qū)高原延伸，隧道工程項目大幅度增加。和其他工程類項目相比，隧道施工作業(yè)地點隱蔽、施工技術(shù)復(fù)雜、地質(zhì)條件難以準(zhǔn)確預(yù)見、施工環(huán)境艱苦[1]，這些因素不僅提升了施工難度，還增加了施工的風(fēng)險， 提高隧道施工應(yīng)急管理水平，建立可操作性強且符合施工實際的應(yīng)急管理體系，是我國交通建設(shè)，人民安全保障的必要研究課題。國家安全生產(chǎn)管理總局于2017年12月11日在北京召開隧道施工事故應(yīng)急救援專題研討會。會議中指出，最近幾年，我國的隧道應(yīng)急救援隊伍已經(jīng)基本建成，應(yīng)急救援體系還在不斷完善中，應(yīng)急救援能力已經(jīng)有了質(zhì)的提升[2]。但到目前為止，我國對施工應(yīng)急系統(tǒng)評價還處于起步階段，存在評價意識淡薄，評價目標(biāo)不明確，評價標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。

為響應(yīng)國家綠色施工，保證安全文明施工，國內(nèi)許多專家學(xué)者對工程施工應(yīng)急能力進行評價研究，其中江新[3]等結(jié)合灰色聚類分析對水電工程應(yīng)急管理能力的脆弱性進行評價；柯超[4]等運用突變級數(shù)法和多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)評價了土石圍堰施工應(yīng)急能力的成熟度；李彥玲[5]基于模糊矩陣及集對分析法評價地鐵施工的應(yīng)急能力。上述文獻的評價研究都比較重視應(yīng)急評價的模糊性，而忽視了應(yīng)急系統(tǒng)的整體性；都是對應(yīng)急能力和應(yīng)急預(yù)案的評價研究，忽視了系統(tǒng)的演化過程和優(yōu)化能力。目前，韌性是系統(tǒng)研究的熱點，利用韌性理論能很好地綜合分析系統(tǒng)防御能力和優(yōu)化能力，近年來被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險災(zāi)害領(lǐng)域。例如Reed等[6]基于系統(tǒng)韌性建立模型，對電力系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)害事故后的恢復(fù)、投入、產(chǎn)出進行了評估；Makana[7]應(yīng)用可持續(xù)理論和韌性理論對城市地下空間安全韌性進行評價。Labaka等[8]從組織、技術(shù)、社會和經(jīng)濟四個維度分析研究公共領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的安全韌性；Shirall等[9]根據(jù)安全管理特征評估了城市能源系統(tǒng)的韌性。本文將韌性理論引入隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)中，結(jié)合模糊性和系統(tǒng)性，通過可拓云模型評價隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)。構(gòu)建了隧道施工應(yīng)急評價指標(biāo)體系，為不同的管理主體進行施工應(yīng)急系統(tǒng)評價提供依據(jù)，通過對評價結(jié)果分析可以確定施工應(yīng)急能力主要影響因素，同時查找企業(yè)隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為其優(yōu)化自身應(yīng)急能力提供方向。

1 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性分析

系統(tǒng)韌性是指在已知和未知風(fēng)險的沖擊下，系統(tǒng)維持、吸收、應(yīng)對風(fēng)險并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，并且系統(tǒng)在此過程中學(xué)習(xí)總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，提高各項能力，優(yōu)化自身[10]。本文參考城市安全韌性[11]以及系統(tǒng)安全韌性[12]方面研究成果，基于系統(tǒng)韌性對隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的評價，其實質(zhì)是結(jié)合隧道施工特點對其應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件時維持、吸收、恢復(fù)和優(yōu)化四個動態(tài)演化過程的評價。通過四個階段循環(huán)，使得隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)不斷優(yōu)化，結(jié)合韌性曲線，總結(jié)了應(yīng)急系統(tǒng)韌性比較常見的幾種表現(xiàn)形式如圖1所示。以時間作為橫軸，以系統(tǒng)功能水平為縱軸，顯示各系統(tǒng)功能水平隨時間的變化情況，進而定義系統(tǒng)韌性水平。表1是對圖1各曲線形式的簡單描述。

圖1 應(yīng)急系統(tǒng)韌性曲線對比

表1 應(yīng)急系統(tǒng)韌性曲線對比描述

2 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系

本文隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)評價是從預(yù)防與準(zhǔn)備、檢測與預(yù)警、處理與援救、恢復(fù)與重建等四個過程，對施工應(yīng)急系統(tǒng)的綜合評價。從韌性理論角度出發(fā)，可以將應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價簡化為對系統(tǒng)承受能力、吸收能力、恢復(fù)能力和優(yōu)化能力的評價。

通過大量的應(yīng)急管理文獻閱讀整理以及隧道施工事故過程分析，從施工人員、管理方法、施工設(shè)備、施工材料、施工方案及施工環(huán)境等六大施工組成中，本著科學(xué)性、獨立性、全面性和層次性的原則，整理出影響應(yīng)急能力的37個因素，參考《生產(chǎn)安全事故應(yīng)急預(yù)案管理辦法》和《城市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全事故應(yīng)急預(yù)案管理》等相關(guān)規(guī)范，經(jīng)過專家訪談，刪除對應(yīng)急能力影響較弱的因素，最終確定了26個影響施工企業(yè)應(yīng)急能力的主要因素作為隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)。根據(jù)各因素影響突發(fā)事件時間先后和在應(yīng)急系統(tǒng)中的作用，將指標(biāo)分為四個階段，以此形成了隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系。通過分析隧道施工工序和應(yīng)急管理內(nèi)容總結(jié)各指標(biāo)評價要點，如表2所示。

表2 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系及評價要點

此隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系涵蓋隧道施工中管理團隊的指揮協(xié)調(diào)、施工人員的教育演習(xí)、施工機械設(shè)備的性能、風(fēng)險識別評估、應(yīng)急預(yù)案及后期處置等多方面，事前、事中及事后全過程。能較為全面地剖析隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)，評價其應(yīng)急能力水平，評價結(jié)果可信度高。

3 隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價模型

3.1 可拓云模型

可拓理論是將物元理論的觀點融入可拓學(xué)中建立物元模型R=(N,C,V)，其中N為事物名稱，C為事物特征，V為事物特征對應(yīng)的值，以其作為描述事物的基本元[13]。云理論是通過期望Ex、熵En和超熵He等數(shù)字特征來表述一個定性的概念[14]。

由于隧道施工應(yīng)急評價各指標(biāo)影響因素的多樣性，指標(biāo)評價等級均是模糊的定性區(qū)間。將云模型在處理模糊性和隨機性的優(yōu)勢引入物元分析中，對物元結(jié)構(gòu)重新構(gòu)造，應(yīng)用可拓云模型進行評價，結(jié)合可拓學(xué)中一般物元分析方法，對隧道應(yīng)急系統(tǒng)各階段進行描述分析，保留了可拓物元法的評價思路，利用云模型取代事物特征值V，能充分體現(xiàn)應(yīng)急指標(biāo)評價過程中采集數(shù)據(jù)樣本的隨機性和指標(biāo)區(qū)間范圍的模糊性。

可拓云模型表示形式為：

(1)

式中：m為指標(biāo)數(shù)量；Rj為待評價對象N屬于第j個等級所對應(yīng)的評價指標(biāo)和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)量值范圍構(gòu)成的經(jīng)典域；N為評價對象韌性等級；Ci為評價指標(biāo)；Vj為評指標(biāo)Ci對應(yīng)等級j的標(biāo)準(zhǔn)量值范圍；αji，βji分別為指標(biāo)ci在等級j的上下限；(Exji,Enji,He)為區(qū)間vji對應(yīng)的云參數(shù)(Exji=(αji+βji)/2；Enji=(αji-βji)/6；令He=0.1)。

(1)首先將應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價中的二級評價指標(biāo)作為云滴，以Ex為期望，He為標(biāo)準(zhǔn)差生成正態(tài)隨機數(shù)En′，再利用式(2)計算云滴相對應(yīng)各個評價等級的隸屬度k。

(2)

利用MATLAB軟件編程重復(fù)上述計算過程200次，取結(jié)果的中位數(shù)作為二級評價指標(biāo)的最終隸屬度K：

(3)

式中：kij為第i個評價指標(biāo)在評價等級j中的隸屬度。

(2)一級指標(biāo)隸屬度KB：

KB=WK

(4)

式中：W為二級指標(biāo)權(quán)重。

(3)目標(biāo)層隸屬度KA：

KA=WBKB

(5)

式中：WB為一級指標(biāo)權(quán)重。

(4)在KA中如果ki=maxi=1,2,…,nki，由最大隸屬度原則，得評價對象所屬等級為i。記i′為隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性的級別變量特征值，即隸屬某韌性級別的程度，可由式(6)(7)求得i′。

(6)

(7)

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定方法

在確定評價指標(biāo)權(quán)重時，由于韌性是較為主觀的概念，所以選擇序關(guān)系法確定評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，且序關(guān)系法可以很好地將表2中各指標(biāo)相互獨立、層次分明的特點表達出來，為了消除序關(guān)系法主觀性太強的缺點，引入熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的客觀權(quán)重，將二者權(quán)重加權(quán)平均作為指標(biāo)的最終權(quán)重。

(1)序關(guān)系分析法

若待測對象有m個評價指標(biāo)S={s1,s2,…,sm}，依據(jù)各指標(biāo)對評價結(jié)果影響程度對S進行重新排序，記為S′={s′1,s′2,…,s′m}，其指標(biāo)關(guān)系為：

s′1≥s′2≥…≥s′m

(8)

(9)

(10)

式中：k=m,m-1,…,3,2；r′k為在s′中第k-1個指標(biāo)和第k個指標(biāo)重要程度的比值；w′k為指標(biāo)s′k的權(quán)重。

根據(jù)式(10)可計算出對評價結(jié)果影響最小指標(biāo)s′m的權(quán)重值，根據(jù)式(9)依次計算出各指標(biāo)的權(quán)重值。并將計算所得S′中的各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)原來次序賦予S，可得到指標(biāo)集合{s1,s2,…,sm}對應(yīng)的權(quán)重W1={w11,w12,…,w1m}。

(1)熵權(quán)法

若待評價對象有m個待評價指標(biāo)，有n位專家對其進行評價，令第i位專家對第j個評價指標(biāo)的評價值為cij，得到判斷矩陣C=(cij)n×m。

令評價指標(biāo)j的熵值為Hj：

(11)

(12)

式中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

最后可計算指標(biāo)j的權(quán)重wj：

(13)

所有評價指標(biāo)的權(quán)重W2={w21,w22,…,w2m}。

(2)綜合權(quán)重

用加法集成確定最終指標(biāo)所占權(quán)重：

(14)

4 實例研究

本文以四川省某隧道為例，隧道全長9390 m，最大埋深700 m，線路縱坡呈1.19%單面下坡，洞身穿越4條富水?dāng)鄬訋?，整個隧道地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，巖層破碎，地下水豐富，最大涌水量23400 m3/d，且有4495 m為反坡排水，抽排水難度大。正洞設(shè)計有二級圍巖2875 m，三級圍巖4625 m，四級圍巖98 m，五級圍巖910 m。

邀請應(yīng)急管理專家7名，本工程管理者3名，對此項目應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價的26個指標(biāo)的重要程度評價并結(jié)合工程實際對項目各指標(biāo)評分，其中指標(biāo)施工材料合格率S4和安全防護用品配置率S5由施工單位提供。評價過程如下。

4.1 界定標(biāo)準(zhǔn)云

本實例通過對已有文獻的研究，結(jié)合專家意見，參照韌性等級劃分將各指標(biāo)水平劃分為高、中、低三個等級，各等級區(qū)間Vj根據(jù)指標(biāo)的屬性和隧道環(huán)境綜合分析確定。由區(qū)間vji根據(jù)式(1)確定各指標(biāo)云參數(shù)，如表3所示。以指標(biāo)S1為例，用MATLAB繪制標(biāo)準(zhǔn)云狀態(tài)圖，如圖2所示。

表3 評價指標(biāo)等級界限云模型

圖2 指標(biāo)S1韌性等級評價標(biāo)準(zhǔn)云圖

4.2 確定權(quán)重

由專家評定得R={r′2,r′3,…,r′25}并根據(jù)式(9)(10)計算權(quán)重W1；再結(jié)合評分結(jié)果得矩陣C并根據(jù)式(11)～(13)得權(quán)重W2，最終求得綜合權(quán)重W如表4所示。

表4 二級評價指標(biāo)評分、隸屬度及綜合權(quán)重

4.3 計算隸屬度

匯總專家對各指標(biāo)評分求平均值作為二級指標(biāo)評分值(表4)，代入表3的標(biāo)準(zhǔn)云中，運用MATLAB編程多次計算整合得本項目二級指標(biāo)隸屬度K(表4)。根據(jù)式(4)計算一級指標(biāo)隸屬度KA并匯總WB結(jié)果如表5所示。

表5 一級評價指標(biāo)隸屬度及權(quán)重

4.4 韌性等級劃分

根據(jù)式(5)計算目標(biāo)層KA={0.0093,0.1027,0.0017}。根據(jù)最大隸屬度原則，該項目施工應(yīng)急系統(tǒng)的承受能力、恢復(fù)能力及優(yōu)化能力都屬于中等水平，而吸收能力屬于高等水平。應(yīng)急系統(tǒng)韌性級別i為中韌性，由式(6)(7)計算得韌性等級特征值i′=1.9264。

4.5 評價結(jié)果分析

經(jīng)過計算得出該隧道項目應(yīng)急系統(tǒng)韌性屬于中等，應(yīng)急管理能力還有待提高，尤其系統(tǒng)的承受能力、恢復(fù)能力和優(yōu)化能力。根據(jù)各級指標(biāo)權(quán)重分析得，對該項目應(yīng)急系統(tǒng)韌性結(jié)果影響最大的是系統(tǒng)對風(fēng)險事故的承受能力。根據(jù)各評價指標(biāo)韌性所屬等級可得：施工環(huán)境、風(fēng)險源評估、現(xiàn)場搶險救援及應(yīng)急搶險知識培訓(xùn)與演練等四項是該項目施工應(yīng)急能力表現(xiàn)中最薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地制定措施整改，是提升該企業(yè)隧道施工中應(yīng)急能力較為有效的方法。

5 結(jié) 語

(1)由于隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，本文綜合隧道施工應(yīng)急管理的各要素，結(jié)合韌性理論分層分項進行指標(biāo)細化，構(gòu)建了隧道施工應(yīng)急韌性評價指標(biāo)體系，包含了4個一級指標(biāo)，26個二級指標(biāo)，并且羅列了每個指標(biāo)的評價要點，涵蓋了應(yīng)急管理的全方位、全過程，使得評價指標(biāo)體有較高的可信度。運用序關(guān)系分析法和熵權(quán)法綜合確定指標(biāo)權(quán)重。

(2)針對目前施工應(yīng)急評價忽略系統(tǒng)整體性和優(yōu)化能力的問題，本文運用可拓云模型不僅可以對隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)的韌性進行綜合評估，而且可以將施工應(yīng)急系統(tǒng)優(yōu)化能力及系統(tǒng)的整體性表達出來，極大地提高了評價結(jié)果的準(zhǔn)確率及可靠性。通過該模型對案例隧道進行施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性評價，且根據(jù)結(jié)果分析了影響該隧道施工應(yīng)急系統(tǒng)韌性程度的主要因素及施工企業(yè)應(yīng)急能力的薄弱環(huán)節(jié)，為企業(yè)以后應(yīng)急能力提升提供參考依據(jù)。