基于DEMATEL-ANP的盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險影響因素研究

蘇小萌 袁永博

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

0 引言

近年來，地鐵成為人們出行的主要交通工具之一。在地鐵隧道修建過程中，盾構(gòu)法因其對周邊干擾較小、施工速度快、機械自動化程度高而成為普遍采用的施工方法。施工階段是地鐵項目事故高發(fā)階段，也是風(fēng)險管理的重要環(huán)節(jié)[1]。為減少地鐵施工階段安全事故，學(xué)者們對該領(lǐng)域開展了大量研究。宮志群[2]將風(fēng)險辨識方法應(yīng)用于上海地鐵盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險研究；吳賢國等[3]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析不同情況下地鐵施工風(fēng)險概率，確定了最主要的風(fēng)險因素；胡長明等[4]通過建立可拓風(fēng)險評估模型對盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險指標(biāo)進行評價；王建波等[5]根據(jù)盾構(gòu)機施工特點，從人、法、機、環(huán)4個方面構(gòu)建風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并提出改進的物元可拓風(fēng)險評價模型。由此可見，大多數(shù)學(xué)者根據(jù)盾構(gòu)法施工特點和盾構(gòu)機特性，通過建立風(fēng)險指標(biāo)體系對盾構(gòu)施工過程進行風(fēng)險評價與分析。

盾構(gòu)隧道二次襯砌具有耐久性、防水性、安全性等特點。不參與承載的二次襯砌是隧道減震、防水、防腐、防火最有力的保護屏障，因此，對其質(zhì)量要求極高。施工過程中稍有不慎，不僅會造成施工安全事故，而且會導(dǎo)致隧道開裂、滲水甚至坍塌等質(zhì)量事故，造成難以估量的生命財產(chǎn)損失[6-7]。因此，有必要對二次襯砌施工階段的風(fēng)險管理進行研究。

目前，針對二次襯砌施工過程風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建和風(fēng)險因素的研究較少，且缺乏對風(fēng)險因素間相互作用關(guān)系的分析。基于此，本文識別和梳理盾構(gòu)隧道二次襯砌施工階段相關(guān)風(fēng)險因素，建立二次襯砌施工風(fēng)險影響因素評價體系。通過DEMATEL-ANP風(fēng)險因素評價模型識別關(guān)鍵風(fēng)險影響因素，并通過實例驗證該模型的科學(xué)性與實用性，可為二次襯砌施工階段風(fēng)險管理提供參考。

1 二次襯砌施工風(fēng)險影響因素指標(biāo)體系構(gòu)建

基于4M1E理論，本文將盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險影響因素分為人員、機械設(shè)備、材料、技術(shù)、環(huán)境5個方面進行研究。通過對盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場進行調(diào)研，結(jié)合專家意見對風(fēng)險指標(biāo)進行篩選，建立盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險指標(biāo)體系，見表1。

(續(xù))

2 基于DEMATEL-ANP的二次襯砌施工風(fēng)險影響因素評價模型

2.1 研究方法概述

決策和評價實驗室法(DEMATEL)是一種分析復(fù)雜系統(tǒng)中元素之間影響關(guān)系及影響程度的方法[8]。網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)是一種針對非獨立的因素基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的決策方法[9]。

DEMATEL法通過定量計算各指標(biāo)間的影響關(guān)系及影響程度識別關(guān)鍵因素，可為ANP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型建立基礎(chǔ)邏輯關(guān)系。ANP法考慮元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和遞階層次內(nèi)部結(jié)構(gòu)的循環(huán)特性，利用關(guān)聯(lián)關(guān)系計算指標(biāo)權(quán)重，是一種解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決策的方法[10]。將上述兩種方法相結(jié)合可解決單一的ANP計算方法精度不夠和主觀性較強等問題。

2.2 DEMATEL-ANP模型構(gòu)建

2.2.1 基于DEMATEL法確定各風(fēng)險因素間影響關(guān)系

盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險因素間存在錯綜復(fù)雜的影響關(guān)系，利用DEMATEL法確定因素間的影響關(guān)系及影響程度。具體步驟如下。

2.2.1.1 構(gòu)建直接影響矩陣

邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍蓛娠L(fēng)險因素間的影響程度依照0～3標(biāo)度法打分。數(shù)值越大，代表影響程度越高，0代表無影響。對專家結(jié)果取算數(shù)平均值，構(gòu)建直接影響矩陣A，即

A={aij}18×18

(1)

式中，aij表示因素i對因素j的影響。

2.2.1.2 規(guī)范直接影響矩陣

對直接影響矩陣A規(guī)范化處理，得到規(guī)范直接影響矩陣X，即

(2)

2.2.1.3 計算綜合影響矩陣

計算綜合影響矩陣T，記為T={tij}18×18，得到

T=X(I-X)-1

(3)

式中，I為單位矩陣。

2.2.1.4 計算閾值

為消除二次襯砌施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系中可忽略的冗余因素影響，對綜合影響矩陣選取合理閾值λ。一般λ值由專家經(jīng)驗判斷確定[11]，得到處理后的綜合影響矩陣G，記為G={gij}18×18。當(dāng)tij≤λ時，gij=0，代表因素i對因素j的影響可忽略不計；當(dāng)tij>λ時，gij=1，代表因素i對因素j有影響。為減少專家主觀經(jīng)驗的影響，本文取T中各數(shù)據(jù)的均值作為閾值λ。

2.2.1.5 計算各指標(biāo)的影響度D、被影響度C、中心度D+C、原因度D-C

中心度越大，說明該因素與其他因素的關(guān)聯(lián)度越高，該因素越重要；原因度>0，說明該因素對其他因素影響較大，為原因要素。反之，代表其受其他因素影響較大，為結(jié)果要素。

為保證計算結(jié)果的有效性，對問卷信度進行檢驗。若檢驗結(jié)果高于95%，說明問卷有效。計算公式如下

(4)

問卷信度=1-不一致率=1-

(5)

式中，s代表專家數(shù)；aijs代表因素i對因素j的平均影響程度；n代表指標(biāo)數(shù)量。

2.2.2 基于ANP法計算權(quán)重

2.2.2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型的目標(biāo)層為盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險評價。網(wǎng)絡(luò)層為一級指標(biāo)Ci(i=1,2,3,4,5),包括人員風(fēng)險C1等5個指標(biāo)。二級指標(biāo)Cij包括工人專業(yè)素質(zhì)低C11等18個指標(biāo)。根據(jù)處理后的綜合影響矩陣G確定網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型,并將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸入Super Decision軟件，進行下一步計算。

2.2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

通過專家問卷結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，以Bi為準(zhǔn)則層，以Cj中的因素Cjl(l=1,2,…，nl)為次準(zhǔn)則，分別與Ci中的因素Cik(k=1,2,…，nk)進行間接兩兩優(yōu)勢度比較，按照1～9標(biāo)度法進行重要性判斷。1～9標(biāo)度法含義見表2。

表2 1～9標(biāo)度法含義

由于重要性取決于專家的主觀判斷，為保證結(jié)果可信度需要進行一致性檢驗。若CR<0.1，說明結(jié)果通過檢驗。公式如下

(6)

根據(jù)重要性比較結(jié)果，構(gòu)建初始判斷矩陣Wij，公式如下

(7)

初始判斷矩陣Wij中的列向量為一級指標(biāo)Cj中的二級指標(biāo)Cjl(l=1,2,…，nl)的相對重要程度排序向量。當(dāng)Ci不受Cj影響時，Wij=0。

2.2.2.3 計算超級矩陣

當(dāng)i=1,2,…，n;j=1,2,…，n時，Wij為未加權(quán)超級矩陣，得到

(8)

通過一級指標(biāo)Ci與Cj之間的兩兩重要性比較，得到一級指標(biāo)權(quán)重矩陣Q，即

(9)

將指標(biāo)權(quán)重矩陣Q與未加權(quán)矩陣Wij相乘，得到二級指標(biāo)Cij的加權(quán)超矩陣，公式如下

(10)

(11)

由于各因素之間存在影響關(guān)系，需要對加權(quán)超矩陣進行穩(wěn)定性處理，得到極限超級矩陣，公式如下

(12)

在極限矩陣W∞中，若每列數(shù)值相加和為1，且每行收斂為相同的數(shù)值，該數(shù)值即為該行首列因素的全局權(quán)重。本文借助SD軟件計算得到盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險的一級指標(biāo)與二級指標(biāo)的全局權(quán)重以及二級指標(biāo)的組內(nèi)權(quán)重。

3 案例分析

本文以某項目盾構(gòu)區(qū)間隧道為例，對二次襯砌施工現(xiàn)場風(fēng)險影響因素進行分析。

3.1 識別指標(biāo)影響關(guān)系

利用DEMATEL法，邀請10名該領(lǐng)域?qū)＜覍χ笜?biāo)進行打分。10名專家均從事多年地鐵工程施工安全管理或科研工作，職稱為高工或教授，樣本可信度較高。

本次調(diào)研共發(fā)放問卷10份，全部回收，問卷信度為97.36%，信度水平高。依據(jù)問卷結(jié)果計算風(fēng)險指標(biāo)關(guān)系直接影響矩陣A，得到綜合影響矩陣T以及各指標(biāo)的影響度、被影響度、中心度和原因度，見表3。

表3 各風(fēng)險影響因素影響度、被影響度、中心度及原因度

計算綜合影響矩陣G，得到

借助SD軟件構(gòu)建盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 基于ANP計算風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

邀請10名專家對各指標(biāo)間的重要度進行比較?；厥盏?0份問卷全部有效。根據(jù)問卷結(jié)果計算各指標(biāo)之間的比較重要度。在一級指標(biāo)全部評分完畢后，進行二級指標(biāo)之間的兩兩重要度比較。以此類推，直至完成所有指標(biāo)之間的重要度兩兩比較，并檢驗結(jié)果的一致性。

通過SD軟件計算未加權(quán)超級矩陣，再計算加權(quán)超級矩陣和極限超級矩陣，得到所有指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果及排序，見表4。由表4可知，某項目盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險評價一級指標(biāo)全局權(quán)重QCi=(q1,q2,q3,q4,q5)=(0.364 44，0.204 87，0.063 44，0.250 19，0.117 06)。二級指標(biāo)組內(nèi)權(quán)重QCij=(q11,q12,…,q54)=(0.070 31,0.070 55,…,0.029 75)。二級指標(biāo)全局權(quán)重WCij=(w11,w12,…,w54)=(0.025 63，0.025 71，…，0.003 48)。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 基于DEMATEL的計算結(jié)果分析

中心度最高的前4個關(guān)鍵因素為現(xiàn)場管理不到位、人員違規(guī)操作、臺車未固定到位、作業(yè)空間狹小。

(1)人員因素維度。工人專業(yè)素質(zhì)低、安全意識差、現(xiàn)場管理不到位、安全教育不足均為原因指標(biāo)，需要在施工時重點關(guān)注。其中，現(xiàn)場管理不到位中心度最高，是引發(fā)該項目風(fēng)險的關(guān)鍵原因。

(2)機械設(shè)備維度。臺車進出場檢查不到位、臺車未按安全要求裝卸及使用、臺車未固定到位均為結(jié)果指標(biāo)。其中，臺車未固定到位中心度最大，表明該指標(biāo)與其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)密切。

(3)材料風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險均為結(jié)果指標(biāo)，說明受其他風(fēng)險影響較大。

(4)環(huán)境維度風(fēng)險中的各因素均為原因指標(biāo)，說明作業(yè)環(huán)境管理對施工風(fēng)險控制較為重要。其中，作業(yè)空間狹小的中心度最大，是引發(fā)其他風(fēng)險的重要原因。這一結(jié)果也符合該項目的實際情況。

表4 風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重及排序

3.3.2 基于ANP的計算結(jié)果分析

(1)人員因素所占權(quán)重最高，為0.364 44，其次是技術(shù)風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險，材料風(fēng)險權(quán)重最低，這與項目實際情況相符。

(2)二級指標(biāo)權(quán)重最高的三個指標(biāo)為人員違規(guī)操作、混凝土澆筑不連續(xù)、臺車未固定到位。對于該項目而言，應(yīng)加強安全教育以及監(jiān)督力度，盡量避免工人違規(guī)操作；及時整改材料亂堆放的問題，預(yù)留作業(yè)空間，避免材料運輸不及時以及混凝土澆筑不連續(xù)導(dǎo)致嚴重的質(zhì)量缺陷；臺車固定時需嚴格按照技術(shù)交底執(zhí)行，嚴格檢查臺車固定情況，防止其在施工過程中移位、上浮等，進而造成安全事故。

4 結(jié)語

綜上所述，本文研究結(jié)論如下：

(1)依據(jù)4M1E理論，結(jié)合文獻梳理結(jié)果、相關(guān)事故數(shù)據(jù)和施工標(biāo)準(zhǔn)，參考專家意見構(gòu)建盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險指標(biāo)體系。

(2)將DEMATEL法與ANP法相結(jié)合，構(gòu)建基于DEMATEL-ANP的盾構(gòu)隧道二次襯砌施工風(fēng)險影響因素評價模型，并以某項目為例計算各風(fēng)險因素影響度，識別各維度中的關(guān)鍵影響因素，列出原因指標(biāo)和結(jié)果指標(biāo)。同時，將風(fēng)險權(quán)重排序，針對風(fēng)險權(quán)重較高的前三個因素提出應(yīng)對措施。

(3)通過將計算結(jié)果與實際情況進行比較，驗證該評價模型的合理性與可行性。