基于N-K模型的隧道施工事故多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合分析

潘紅偉， 郭德賽， 宋戰(zhàn)平， 徐 甜， 張玉偉， 丁立波

(1. 中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司， 陜西 西安 710100； 2. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055； 3. 西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055； 4. 中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司， 北京 100011)

0 引言

隧道工程建設(shè)是一項(xiàng)規(guī)模大、難度高、工期長(zhǎng)、運(yùn)行復(fù)雜、施工困難的高風(fēng)險(xiǎn)工程，具有隨機(jī)性、模糊性、不確定性和未知因素多等特點(diǎn)[1]，常常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的隧道施工事故[2]。同時(shí)，隧道施工系統(tǒng)是一個(gè)具有多重危險(xiǎn)源的復(fù)雜社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)[3]，在施工過程中常受到施工人員能力不足、設(shè)備缺陷、復(fù)雜地質(zhì)條件和安全管理薄弱等因素的影響，多種風(fēng)險(xiǎn)因素之間共同作用、共同影響和相互耦合,導(dǎo)致隧道施工事故頻發(fā)。因此，分析隧道施工事故的多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合機(jī)制,對(duì)于控制隧道施工事故的發(fā)生具有一定意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理方面做了深入的研究。Einstein[4]首次將風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)理論引入到隧道工程建設(shè)中，推動(dòng)了風(fēng)險(xiǎn)管理研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在隧道工程領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。目前，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的研究主要包括風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)等[5-6]。風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)是進(jìn)行隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，常用的方法主要有專家調(diào)查法、層次分析法、事故樹法和WBS-RBS法等定性、半定量方法[7-8]。在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，吳賢國(guó)等[9]提出了一種將證據(jù)理論和模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法,對(duì)盾構(gòu)下穿既有隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Xu等[10]提出了一種基于云模型的方法,用于在建隧道施工對(duì)既有隧道影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Ou等[11]建立了一種將案例分析、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的方法，對(duì)隧道的塌陷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。陳舞等[12]結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法，提出了一種粗糙集條件下的信息熵方法，對(duì)山嶺隧道的坍塌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。張歡等[13]建立了數(shù)據(jù)場(chǎng)聚類的高斯混合模型，對(duì)高寒地區(qū)隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。宋戰(zhàn)平等[14]基于非線性模糊層次分析法構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)TBM施工進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。吳波等[15]結(jié)合熵值賦權(quán)法和多級(jí)模糊評(píng)價(jià)理論，對(duì)上軟下硬復(fù)合地層隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制方面，周宗青等[16]通過對(duì)施工方案的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了淺埋隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)控制。夏潤(rùn)禾[17]深入分析了盾構(gòu)隧道事故發(fā)生的機(jī)制，完善了地鐵隧道施工安全責(zé)任體系。Lei等[18]對(duì)下穿既有鐵路砂卵石地層盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行分項(xiàng)研究，提出了有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制方案。王海洋等[19]在統(tǒng)計(jì)分析隧道瓦斯爆炸事故的基礎(chǔ)上，采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)典型的瓦斯隧道施工事故進(jìn)行了影響因素分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)研究的理論、方法和模型等對(duì)于隧道安全施工具有一定的實(shí)際參考價(jià)值，但這些方法多是從單一維度去分析隧道施工事故發(fā)生的過程，沒有從多風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用、相互耦合的角度去研究導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的原因。

目前，許多學(xué)者通過構(gòu)建N-K模型來分析多種風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用。吳賢國(guó)等[20]通過構(gòu)建N-K模型對(duì)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)耦合進(jìn)行了研究。張津嘉等[21]通過構(gòu)建N-K模型對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)耦合分析。黃文成等[22]基于N-K模型對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)耦合風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制進(jìn)行了研究。王煥新等[23]通過構(gòu)建N-K模型對(duì)海上交通安全風(fēng)險(xiǎn)因素耦合進(jìn)行了分析。喬萬(wàn)冠等[24]通過構(gòu)建N-K模型對(duì)煤礦重大瓦斯事故多風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了研究。N-K模型在風(fēng)險(xiǎn)管理方面的廣泛使用，證明該方法在多風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合分析中具有一定的優(yōu)勢(shì)，但目前尚未有文獻(xiàn)通過構(gòu)建N-K模型對(duì)隧道施工事故多風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。

綜上，本文在具體分析2009—2019年國(guó)內(nèi)101次隧道施工事故發(fā)生原因的基礎(chǔ)上，將影響隧道安全施工的主要風(fēng)險(xiǎn)因素區(qū)分為人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素，引入風(fēng)險(xiǎn)耦合分析理論，探討隧道施工事故多風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合機(jī)制、分類和解耦方法；利用N-K模型構(gòu)建一種隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)的耦合模型，揭示隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合效應(yīng)。以期基于風(fēng)險(xiǎn)解耦思想從事故源頭上進(jìn)行控制，降低隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，保證隧道的施工安全。

1 隧道施工事故分布特征

本文統(tǒng)計(jì)了2009—2019年國(guó)內(nèi)各地區(qū)(不包括港澳臺(tái)地區(qū))發(fā)生的隧道施工事故，共統(tǒng)計(jì)到事故101次，死亡375人。隧道施工事故統(tǒng)計(jì)來源主要有： 1)中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部官網(wǎng)安全事故情況通報(bào)欄目； 2)中華人民共和國(guó)應(yīng)急管理部官網(wǎng)； 3)安全管理網(wǎng)； 4)新聞報(bào)紙、新聞網(wǎng)站的公開報(bào)道； 5)其他參考資料。

統(tǒng)計(jì)的101次隧道施工事故的樣本中主要包括隧道施工事故發(fā)生時(shí)間、死亡人數(shù)、事故類型以及事故發(fā)生原因。

1.1 隧道施工事故年份分析

年份統(tǒng)計(jì)分析反映了隧道施工事故分布的宏觀趨勢(shì)。在2009—2019年期間，國(guó)內(nèi)各地區(qū)隧道施工事故共發(fā)生101次。隧道施工事故年份與發(fā)生次數(shù)和死亡人數(shù)關(guān)系見圖1。

圖1 隧道事故年份與事故次數(shù)和死亡人數(shù)關(guān)系圖

對(duì)比分析圖1中隧道施工事故次數(shù)和死亡人數(shù)的變化，可以看出兩者具有相同的趨勢(shì)。隧道施工事故次數(shù)和死亡人數(shù)變化呈波動(dòng)式發(fā)展，2011—2014年隧道施工事故發(fā)生次數(shù)逐年下降，2013年降到最低，但在2014年反彈，且為歷年最高。為加強(qiáng)對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的管理，降低隧道施工事故發(fā)生的可能性，2014年相關(guān)部門聯(lián)合頒布了《隧道施工安全九條規(guī)定》，2015年的隧道施工事故發(fā)生次數(shù)和死亡人數(shù)明顯降低，這也表明規(guī)定的頒布對(duì)于降低隧道施工事故的發(fā)生起到了一定作用，同時(shí)表明施工中加強(qiáng)管理可以有效控制隧道施工事故的發(fā)生。

1.2 隧道施工事故原因分析

日本學(xué)者西島茂一對(duì)連鎖反應(yīng)理論進(jìn)行了深層次分析和總結(jié)，提出安全事故發(fā)生的4大致因，分別為人為致因(man)、設(shè)備致因(machine)、作業(yè)致因(media)和管理致因(management)，并且將其命名為“4M”理論[25]。將“4M”理論應(yīng)用到隧道施工事故原因分析中，同時(shí)根據(jù)整理得到的101次隧道施工事故數(shù)據(jù)，對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行具體分析，最終確定人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素是導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

1)人為因素。人為因素是導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素中最為活躍且缺乏穩(wěn)定性的因素。人為因素主要包括生理缺陷、安全技術(shù)素質(zhì)低、違規(guī)操作、品德不端正、技術(shù)水平不足等。

2)設(shè)備因素。設(shè)備因素指用于隧道施工的機(jī)械裝備及其施工機(jī)具等因?yàn)榇嬖谙鄳?yīng)的缺陷而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備因素主要包括機(jī)械設(shè)備及施工機(jī)具發(fā)生故障、設(shè)備質(zhì)量不合格、設(shè)備老化性能降低、施工材料運(yùn)輸不當(dāng)?shù)取?/p>

3)環(huán)境因素。環(huán)境因素是由于地質(zhì)、水文等自然環(huán)境，隧道施工場(chǎng)地周圍建筑物、管線等社會(huì)環(huán)境和隧道施工內(nèi)部工作環(huán)境導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境因素包括工程地質(zhì)條件不良、周邊環(huán)境情況復(fù)雜、地下管線復(fù)雜、下穿或側(cè)穿既有建筑物和惡劣天氣等。

4)管理因素。管理因素是導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的間接原因，指隧道施工管理部門的安全指導(dǎo)、組織結(jié)構(gòu)、規(guī)章制度建設(shè)等引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。管理因素主要包括對(duì)人員管理失誤、管理方案不科學(xué)、施工組織設(shè)計(jì)不合理、實(shí)際生產(chǎn)管理監(jiān)督不到位等。

隧道施工事故原因統(tǒng)計(jì)分布(2009—2019年)見表1。其中，人為因素-設(shè)備因素表示隧道施工事故產(chǎn)生的原因是人為因素和設(shè)備因素相互影響、共同作用的結(jié)果。下同。

表1 隧道施工事故原因統(tǒng)計(jì)分布(2009—2019年)

2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合理論

2.1 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合機(jī)制

“耦合”一詞被廣泛應(yīng)用于概率論、電子學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域。在物理學(xué)中，2個(gè)或2個(gè)以上的體系或運(yùn)動(dòng)形式之間相互作用和相互影響的現(xiàn)象稱為耦合，風(fēng)險(xiǎn)耦合指的是某個(gè)系統(tǒng)中同類風(fēng)險(xiǎn)不同風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互影響和相互依賴的程度[26]。隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)耦合指的是隧道安全施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響、相互作用和相互依賴關(guān)系。因此，在確定隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合作用機(jī)制時(shí)，從人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素四維角度出發(fā)，采用軌跡交叉理論進(jìn)行分析。隧道施工風(fēng)險(xiǎn)多維軌跡交叉因素耦合作用機(jī)制見圖2。

圖2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)多維軌跡交叉因素耦合作用機(jī)制[24]

由圖2可知，人的不安全行為可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工人員的操作失誤；設(shè)備在不安全狀態(tài)下操作可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械和施工機(jī)具發(fā)生故障；在環(huán)境的不安全狀態(tài)下，隧道施工產(chǎn)生的擾動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)脆弱的環(huán)境；管理的不合理狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致隧道施工管理組織失效。同時(shí)，在隧道施工過程中還會(huì)存在其他潛在的影響因素，在未突破隧道安全施工系統(tǒng)閾值時(shí)，不會(huì)直接導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生，但是與其他潛在的影響因素之間發(fā)生相互作用和相互耦合時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一定的耦合效應(yīng)，此時(shí)便會(huì)突破隧道安全施工的系統(tǒng)閾值，從而導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生。

2.2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合的類型

按照隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素參與耦合的數(shù)量多少，可以將隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合分為以下3類。

1)單因素耦合。影響隧道安全施工的某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素中所屬的風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相互作用、相互影響和相互依賴關(guān)系稱為單因素耦合。單因素耦合共有4種，分別是人為因素耦合、設(shè)備因素耦合、環(huán)境因素耦合和管理因素耦合，分別記為T11(a)，T12(b)，T13(c)和T14(d)，風(fēng)險(xiǎn)因素耦合總值記為T1。

2)雙因素耦合。影響隧道安全施工的2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用、相互影響和相互依賴關(guān)系稱為雙因素耦合。雙因素耦合共有6種，分別是人為-設(shè)備因素耦合、人為-環(huán)境因素耦合、人為-管理因素耦合、設(shè)備-環(huán)境因素耦合、設(shè)備-管理因素耦合、環(huán)境-管理因素耦合，分別記為T21(a,b)，T22(a,c)，T23(a,d)，T24(b,c)，T25(b,d)，T26(c,d)，風(fēng)險(xiǎn)因素耦合總值記為T2。

3)多因素耦合。影響隧道安全施工的3個(gè)及以上風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用、相互影響和相互依賴關(guān)系稱為多因素耦合。多因素耦合共有5種，分別是人為-設(shè)備-環(huán)境因素耦合、人為-設(shè)備-管理因素耦合、人為-環(huán)境-管理因素耦合、設(shè)備-環(huán)境-管理因素耦合、人為-設(shè)備-環(huán)境-管理因素耦合。其中，3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合分別記為T31(a,b,c)，T32(a,b,d)，T33(a,c,d)和T34(b,c,d)，風(fēng)險(xiǎn)因素耦合總值記為T3；4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合記為T41(a,b,c,d)，風(fēng)險(xiǎn)因素耦合總值記為T4。

2.3 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合的解耦

隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合效應(yīng)是不可逆的，耦合風(fēng)險(xiǎn)一旦形成會(huì)對(duì)隧道施工造成不可恢復(fù)的影響。因此，引入解耦思想來避免隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間產(chǎn)生強(qiáng)的正向耦合。解耦思想主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域[27]，指的是采取一定的技術(shù)或管理上的措施減少或降低風(fēng)險(xiǎn)因素間的耦合關(guān)聯(lián)程度，將2個(gè)及多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互耦合作用獨(dú)立或分離，從而使得風(fēng)險(xiǎn)因素之間的正向耦合強(qiáng)度降低甚至轉(zhuǎn)變?yōu)榱泷詈匣蛘哓?fù)向耦合。

影響隧道安全施工的風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合具有不同層次，隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)解耦的目的就是削弱隧道安全施工中子系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互耦合，隔離子系統(tǒng)之間的相互作用、相互耦合關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到從不同層次對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行解耦。通過改變風(fēng)險(xiǎn)耦合的方向，可以降低隧道施工事故發(fā)生的可能性。隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)解耦原理見圖3。

圖3 隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)解耦原理圖[28]

由圖3可知，影響隧道安全施工的風(fēng)險(xiǎn)因素A和風(fēng)險(xiǎn)因素B的2個(gè)波峰相遇時(shí)會(huì)發(fā)生相互作用、相互耦合，進(jìn)而可能導(dǎo)致隧道施工事故的發(fā)生。人為采取一定的施工措施可以盡可能地使它們的波峰和波谷發(fā)生相遇，即通過解耦器將2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的波峰和波谷發(fā)生相互作用、相互耦合，那么波峰和波谷之間的相互耦合作用就會(huì)把正向耦合轉(zhuǎn)變?yōu)榱泷詈匣蜇?fù)向耦合，從而降低風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互耦合作用對(duì)隧道施工的不良影響，保證隧道的安全施工。

3 基于N-K模型的風(fēng)險(xiǎn)耦合分析

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)耦合模型的研究日益增加，常見的風(fēng)險(xiǎn)耦合模型有風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)模型[29]、耦合度模型[30]、SHEL模型[31]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(S-D模型)[32]和N-K模型[28]等。其中，N-K模型作為研究復(fù)雜系統(tǒng)的通用模型，適合用于探索研究隧道施工各風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互作用、相互影響和相互耦合關(guān)系，以及各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素組合對(duì)隧道施工系統(tǒng)整體適應(yīng)性的影響。因此，本文采用N-K模型來揭示隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合效應(yīng)。

1993年，Kauffman教授在研究基因組合問題時(shí)提出了N-K模型，該模型是用于解決復(fù)雜問題的通用經(jīng)典模型，包括2個(gè)重要的參數(shù)：N代表組成系統(tǒng)的元件數(shù)目，K代表系統(tǒng)中相互依存的元件數(shù)目。如果某系統(tǒng)中有N種元件，每種元件都有n種不同的狀態(tài)，則可能存在的組合方式共有nN種。系統(tǒng)元件按照一定方式進(jìn)行組合，就會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)，K最小值為0，最大值為N-1。利用N-K模型對(duì)隧道施工事故進(jìn)行分析的步驟為： 1)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合分類； 2)確定隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合信息交互公式； 3)構(gòu)建雙因素風(fēng)險(xiǎn)之間耦合作用計(jì)算公式； 4)構(gòu)建多因素風(fēng)險(xiǎn)之間耦合作用計(jì)算公式。

隧道施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)主要包括4類不同的風(fēng)險(xiǎn)元件，分別為人為因素風(fēng)險(xiǎn)元件、設(shè)備因素風(fēng)險(xiǎn)元件、環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)元件和管理因素風(fēng)險(xiǎn)元件。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)量是否超過隧道安全施工的預(yù)期警戒值并導(dǎo)致隧道施工事故，每類風(fēng)險(xiǎn)元件包括2種不同的情況: 1)超過隧道安全施工的預(yù)期警戒值并導(dǎo)致隧道施工事故,取值為“1”; 2)未導(dǎo)致隧道施工事故，取值為“0”?？梢酝ㄟ^計(jì)算隧道施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中4類不同的風(fēng)險(xiǎn)元件之間的交互信息T來直接評(píng)價(jià)不同風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用、相互耦合形成新的隧道安全施工風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合值大小衡量不同耦合風(fēng)險(xiǎn)的大小，進(jìn)而判斷隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的大小，即以某種耦合作用形式計(jì)算的耦合值越大，該耦合作用形式下造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)越大。其中，交互信息的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：Ph,i,j,k為人處在第h種狀態(tài)、設(shè)備在第i種狀態(tài)、環(huán)境在第j種狀態(tài)、管理在第k種狀態(tài)下隧道施工事故發(fā)生的概率;h=1,2,…,H;i=1,2,3,…,I;j=1,2,3,…,J;k=1,2,…,K。

計(jì)算得到的T值越大，造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)越大，越容易導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生，即T值大小表示隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)量化的綜合評(píng)估。

隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合作用大多數(shù)情況下發(fā)生在局部，其中，局部的風(fēng)險(xiǎn)耦合指的是2個(gè)或3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間發(fā)生相互耦合作用。例如： 當(dāng)人為因素和設(shè)備因素之間發(fā)生相互耦合作用后導(dǎo)致了隧道施工事故發(fā)生，而此時(shí)與環(huán)境因素和管理因素之間的關(guān)系不大，那么就發(fā)生2個(gè)因素之間的風(fēng)險(xiǎn)耦合；當(dāng)人為因素、設(shè)備因素和環(huán)境因素之間發(fā)生相互耦合作用后導(dǎo)致了隧道施工事故發(fā)生，而此時(shí)與管理因素的關(guān)系不大，那么就發(fā)生3個(gè)因素之間的風(fēng)險(xiǎn)耦合。通過計(jì)算交互信息T值大小來研究局部的風(fēng)險(xiǎn)耦合，進(jìn)而研究隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合內(nèi)在機(jī)制和隧道施工事故發(fā)生的具體原因。

4個(gè)隧道安全施工風(fēng)險(xiǎn)因素中，兩兩風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互耦合作用會(huì)產(chǎn)生6種不同情況，其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4個(gè)隧道安全施工風(fēng)險(xiǎn)因素中3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互耦合作用會(huì)產(chǎn)生4種不同情況，其計(jì)算公式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

4 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合實(shí)例研究

4.1 原始數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中統(tǒng)計(jì)的101起隧道施工事故分布情況，采用“0”和“1”分別對(duì)人為因素、設(shè)備因素、管理因素和環(huán)境因素的順序進(jìn)行標(biāo)記，“0”表示某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素未參與耦合作用但發(fā)生隧道施工事故，“1”表示某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與耦合作用并導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生，則4種風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互結(jié)合一共有16種不同的耦合形式。不同的耦合形式導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的次數(shù)和概率分別見圖4和圖5。其中，“1100”表示隧道事故的產(chǎn)生是由人為因素和設(shè)備因素耦合共同導(dǎo)致的，P1100=0.009 9表示人為因素和設(shè)備因素相互耦合導(dǎo)致隧道事故發(fā)生的概率為0.009 9。下同。

圖4 不同耦合形式下隧道施工事故發(fā)生的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 不同耦合形式下隧道施工事故發(fā)生概率

4.2 風(fēng)險(xiǎn)耦合計(jì)算

為了計(jì)算T值，需要先計(jì)算不同耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率。

1)不同單因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率。當(dāng)人為因素不參與耦合作用時(shí)，隧道施工事故發(fā)生的概率P0···=P0000+P0100+P0010+P0001+P0110+P0101+P0011+P0111=0+0+0.207 9+0.019 8+0+0.079 2+0.247 6+0.019 8=0.574 3。同理，可計(jì)算得到其他不同單因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同單因素耦合情況下發(fā)生的概率

2)不同雙因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率。人為因素和設(shè)備因素均不參與耦合作用時(shí)，隧道施工事故發(fā)生的概率P00··=P0000+P0010+P0001+P0011=0+0.207 9+0.019 8+0.247 6=0.475 3。同理，可計(jì)算得到不同雙因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率，計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 不同雙因素耦合情況下發(fā)生的概率

3)不同多因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率。人為因素、設(shè)備因素和環(huán)境因素均不參與耦合作用時(shí)，隧道施工事故發(fā)生的概率P000·=P0000+P0001= 0+0.019 8=0.019 8。同理，可計(jì)算得到不同多因素耦合作用形式下隧道施工事故發(fā)生的概率，計(jì)算結(jié)果見圖8。

根據(jù)式(1)—(11)，可分別計(jì)算出單因素耦合作用形式、雙因素耦合作用形式和多因素耦合作用形式的T值：

T21(a,b)=0.001 6；T22(a,c)=0.083 1；T23(a,d)=0.047 0；T24(b,c)=0.171 8；T25(b,d)=0.026 0；T26(c,d)=0.080 0；T31(a,b,c)=0.290 8；T32(a,b,d)=0.130 7；T33(a,c,d)=0.207 5；T34(b,c,d)=0.253 4；T4(a,b,c,d)=0.813 1。

由計(jì)算結(jié)果可以看出:

T4(a,b,c,d)>T31(a,b,c)>T34(b,c,d)>T33(a,c,d)>T24(b,c)>T32(a,b,d)>T22(a,c)>T26(c,d)>T23(a,d)>T25(b,d)>T21(a,b)。

4.3 結(jié)果分析

1)參與耦合作用的風(fēng)險(xiǎn)因素越多，耦合作用形式計(jì)算的耦合值越大，造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)越大。由計(jì)算結(jié)果可知： 在4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合作用下造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合作用，其中，人為-設(shè)備-管理3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合作用要小于設(shè)備-環(huán)境2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素參與的耦合作用，但總體趨勢(shì)仍然是隨著風(fēng)險(xiǎn)因素的增加，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，這符合實(shí)際的隧道施工事故發(fā)生情況。

2)在3個(gè)因素風(fēng)險(xiǎn)耦合中，T31(a,b,c)>T33(a,c,d)>T32(a,b,d)。人為-設(shè)備-環(huán)境因素參與的耦合作用造成隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是設(shè)備-環(huán)境-管理因素和人為-環(huán)境-管理因素參與的相互耦合作用，造成隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最小的是人為-設(shè)備-管理因素參與的相互耦合作用。導(dǎo)致隧道施工事故發(fā)生的前3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)耦合形式都有環(huán)境因素的參與，說明隧道施工事故發(fā)生的主要原因是環(huán)境因素。在隧道施工過程中時(shí)常會(huì)遇到濕陷性黃土、軟弱圍巖、富水?dāng)鄬悠扑閹А⒏叩貞?yīng)力、巖溶和高瓦斯等不良地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)，施工場(chǎng)地的周圍建筑物、管線等社會(huì)環(huán)境和隧道施工內(nèi)部工作環(huán)境都極易導(dǎo)致隧道事故的發(fā)生。

在統(tǒng)計(jì)的101起隧道施工事故中，有72起發(fā)生的原因都涉及環(huán)境因素的影響。例如： 新建七扇巖隧道和扎西隧道都發(fā)了瓦斯爆炸事故，事故產(chǎn)生的原因主要是2座隧道都屬于高瓦斯隧道，施工單位對(duì)瓦斯危害認(rèn)識(shí)不足，瓦斯防控措施不到位；廈漳高速公路廈門段雷公山隧道發(fā)生拱頂坍塌的原因?yàn)榈刭|(zhì)狀況較差，同時(shí)降雨導(dǎo)致地下水驟增，經(jīng)由隧道拱頂斷層破碎帶形成的導(dǎo)水通道排泄，業(yè)主、施工、監(jiān)理、監(jiān)管等方面對(duì)雨后該地段引發(fā)坍塌的可能性及嚴(yán)重性估計(jì)不足因而未采取更有效的控制措施。以上事故發(fā)生都是由環(huán)境因素、人為因素和管理因素相互作用、相互耦合導(dǎo)致的。因此，在隧道施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)環(huán)境因素的重視，盡可能避免環(huán)境因素與其他因素之間的耦合作用。

3)在雙因素風(fēng)險(xiǎn)耦合中,T24(b,c)>T22(a,c)>T26(c,d)>T23(a,d)>T25(b,d)>T21(a,b)，設(shè)備-環(huán)境因素耦合造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大，人為-環(huán)境因素和環(huán)境-管理因素耦合造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，人為-管理因素、設(shè)備-管理因素和人為-設(shè)備因素耦合作用造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較小。這也證明了導(dǎo)致隧道施工事故的主要因素是環(huán)境因素，同時(shí)人為因素和管理因素對(duì)隧道施工也產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的影響。因此，在隧道施工過程中需要提高現(xiàn)場(chǎng)的管理水平，加強(qiáng)對(duì)隧道施工人員、施工設(shè)備和環(huán)境因素的管理。

4)在面對(duì)隧道施工多風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合作用時(shí)，可以采用解耦的思想來避免隧道施工事故的發(fā)生。隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)的解耦思想體現(xiàn)在隧道施工事故多風(fēng)險(xiǎn)因素耦合前、耦合中和耦合后3個(gè)階段。當(dāng)隧道施工過程中存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)首先對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨別、分析和控制，避免風(fēng)險(xiǎn)因素之間發(fā)生相互耦合作用。例如： 現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員可以對(duì)隱患進(jìn)行調(diào)查排除風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)控制不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)耦合作用發(fā)生時(shí)，應(yīng)將正向耦合及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泷詈匣蜇?fù)向耦合。例如： 當(dāng)人為因素參與相互耦合作用時(shí)，可以加強(qiáng)對(duì)人的不安全行為的控制和管理，從而降低與人為因素相關(guān)的耦合作用強(qiáng)度。最后，當(dāng)正耦合和強(qiáng)耦合發(fā)生時(shí)，需要采取有效的措施減少事故對(duì)隧道施工的影響。例如： 在發(fā)生隧道坍塌等隧道施工事故時(shí)，可以利用人為因素和管理因素來對(duì)隧道施工事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移和處理。

5 結(jié)論與討論

本文將風(fēng)險(xiǎn)耦合理論引入到隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)分析上，探討了隧道施工事故多風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合機(jī)制、分類和解耦原理，并利用N-K模型構(gòu)建隧道施工風(fēng)險(xiǎn)耦合模型揭示隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合效應(yīng)，得出以下結(jié)論：

1)多種因素耦合作用是導(dǎo)致隧道施工事故不確定性存在且發(fā)生的根本原因。隧道施工過程中存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，在未突破隧道安全施工系統(tǒng)閾值時(shí)，不會(huì)直接導(dǎo)致隧道施工事故的發(fā)生，但是與其他潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素之間發(fā)生相互耦合作用時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一定的耦合效應(yīng)，此時(shí)便會(huì)突破隧道安全施工的系統(tǒng)閾值，從而導(dǎo)致隧道施工事故的發(fā)生。

2)利用N-K模型計(jì)算隧道施工過程中各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合值，得到參與耦合作用的風(fēng)險(xiǎn)因素越多，耦合作用形式計(jì)算的耦合值越大，造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)越大。在3個(gè)因素參與風(fēng)險(xiǎn)耦合過程中，人為-設(shè)備-環(huán)境因素之間的相互耦合作用造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大； 在雙因素參與風(fēng)險(xiǎn)耦合過程中，設(shè)備-環(huán)境因素之間的相互耦合作用造成的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大。

3)在隧道施工事故風(fēng)險(xiǎn)耦合中，環(huán)境因素是風(fēng)險(xiǎn)耦合形式的主要參與者。隧道施工事故發(fā)生的主要風(fēng)險(xiǎn)因素是環(huán)境因素，在隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境因素的重視，盡可能避免環(huán)境因素與其他風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合作用。

4)應(yīng)用解耦思想可以弱化隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合作用。在風(fēng)險(xiǎn)耦合前，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)、分析和控制，避免風(fēng)險(xiǎn)因素之間發(fā)生耦合作用； 當(dāng)控制不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)因素之間發(fā)生耦合作用時(shí)，應(yīng)將正耦合和強(qiáng)耦合轉(zhuǎn)化為負(fù)向耦合； 當(dāng)正耦合和強(qiáng)耦合發(fā)生時(shí)，應(yīng)采取有效的措施減小事故對(duì)隧道施工的影響。

隧道施工多風(fēng)險(xiǎn)因素之間的耦合作用研究能夠充分反映隧道施工系統(tǒng)各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用，通過理論研究對(duì)隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)控制和管理具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。但本文所搜集的隧道施工事故數(shù)據(jù)有限，且某些隧道施工事故記錄較為簡(jiǎn)潔，具體相關(guān)信息不夠完善充分，在運(yùn)用模型時(shí)還需要進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的完整性和精度，使計(jì)算結(jié)果更加符合隧道施工的實(shí)際情況。