綜合管廊全壽命風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

聶長(zhǎng)強(qiáng)，付偉慶,2，黃劍，王建

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 青島 266033；2.青島理工大學(xué) 藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266033；3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

中國(guó)處于城市綜合管廊建設(shè)大發(fā)展階段，因綜合管廊存在技術(shù)綜合性強(qiáng)及管線高度集中等特點(diǎn)，導(dǎo)致管理經(jīng)驗(yàn)滯后、維護(hù)困難等問(wèn)題，在策劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)等多方面存在風(fēng)險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管廊風(fēng)險(xiǎn)做了大量研究。強(qiáng)萬(wàn)明等[1]在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別中運(yùn)用層次全息模型法構(gòu)建了綜合管廊安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)體系。黃萍等[2]運(yùn)用事故樹(shù)法分析了綜合管廊施工階段影響安全的因素。李芊、陳雍君等[3-4]運(yùn)用在運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，并建立了城市地下綜合管廊運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。Jang等[5]識(shí)別出綜合管廊燃?xì)庑孤┘巴咚贡ǖ娘L(fēng)險(xiǎn)因素，并推進(jìn)了安全措施進(jìn)行改進(jìn)。Niira等[6]識(shí)別出日本綜合管廊發(fā)生水災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)設(shè)計(jì)防水設(shè)施提供參考。

綜合來(lái)看，現(xiàn)有管廊安全評(píng)估研究主要針對(duì)某一特定事故或項(xiàng)目某一階段過(guò)程，缺乏對(duì)管廊建設(shè)在全過(guò)程和全覆蓋面上的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估。本文分策劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)四個(gè)階段進(jìn)對(duì)管廊風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和篩選，采用模糊綜合評(píng)判法構(gòu)建管廊全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，并引入工程案例進(jìn)行評(píng)估過(guò)程應(yīng)用說(shuō)明。

1 綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

在綜合管廊全壽命周期內(nèi)存在大量的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有些風(fēng)險(xiǎn)相互聯(lián)系影響，為了全面系統(tǒng)地辨別全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)因素，參考相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范使用風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)法[7]分解風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 策劃階段風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

策劃階段主要考慮項(xiàng)目是否能夠順利展開(kāi)，文獻(xiàn)[8]中描述了影響綜合管廊項(xiàng)目策劃價(jià)的主要因素包括資金、法律、公司、環(huán)境等。通過(guò)咨詢從事相關(guān)工程項(xiàng)目專家，將風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)一步進(jìn)行分解，具體風(fēng)險(xiǎn)因素描述見(jiàn)表1。

表1 策劃階段風(fēng)險(xiǎn)分解表

1.2 設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

綜合管廊設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣直接影響后期施工的順利開(kāi)展，以及后期運(yùn)營(yíng)階段的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過(guò)咨詢相關(guān)設(shè)計(jì)人員，將設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)分為三類[9-10]，歸納設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)因素見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)分解表

1.3 施工階段風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

施工階段內(nèi)發(fā)生事故較多，通過(guò)調(diào)研工地現(xiàn)場(chǎng)的施工技術(shù)及管理人員，收集環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、安全問(wèn)題、組織管理、材料設(shè)備等多方面風(fēng)險(xiǎn)因素[11-12]，將各方面風(fēng)險(xiǎn)使用風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)法，分解得到施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素見(jiàn)表3。

表3 施工階段風(fēng)險(xiǎn)分解表

1.4 運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

運(yùn)營(yíng)階段是綜合管廊實(shí)際使用階段，通過(guò)與專家進(jìn)行討論，確定該階段主要風(fēng)險(xiǎn)包括人為、設(shè)備、管線、管理、環(huán)境、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)[13-14]，將運(yùn)營(yíng)階段的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分解后的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)分解表

1.5 綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)篩選

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)法識(shí)別出綜合管廊全壽命周期中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)分類和風(fēng)險(xiǎn)子分類，邀請(qǐng)150名綜合管廊方面的人員對(duì)識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)因素采用Likert-type五點(diǎn)量表形式進(jìn)行重要程度打分，調(diào)包括研究學(xué)者、施工經(jīng)驗(yàn)豐富的人員、從事過(guò)地下工程及綜合管廊工程的專家，使用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行可信性分析，信度系數(shù)alpha值為0.92，在0.90以上，證明整體數(shù)據(jù)的可靠性和問(wèn)卷的內(nèi)部一致性好。五點(diǎn)量表分值設(shè)計(jì)及打分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，調(diào)研人員信息統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

表5 分值對(duì)照表

(a)工作單位組成 (b)學(xué)歷水平

將得分權(quán)重大于3分的風(fēng)險(xiǎn)因素保留，并根據(jù)重要性、相關(guān)性、獨(dú)立鑒別性原則將部分風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行合并或修改名稱(合并后的風(fēng)險(xiǎn)因素得分取平均)，得到最終的風(fēng)險(xiǎn)清單見(jiàn)表6。

表6 全壽命周期下的風(fēng)險(xiǎn)清單

2 綜合管廊全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

2.1 全壽命評(píng)估方法流程

模糊綜合評(píng)判法可以總體評(píng)估受到多種因素制約的事物或?qū)ο?，層次分析法通過(guò)構(gòu)造比較矩陣來(lái)計(jì)算被相對(duì)權(quán)重，能對(duì)非性的事情做出定量分析。在篩選識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素清單基礎(chǔ)上，使用層次分析法與模糊綜合評(píng)判法，對(duì)綜合管廊構(gòu)建全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，評(píng)估流程如圖2所示。

圖2 綜合管廊全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程說(shuō)明

2.2.1 權(quán)重集建立流程

將全壽命周期下的風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為3個(gè)層次，總風(fēng)險(xiǎn)層：全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)C；風(fēng)險(xiǎn)階段層：策劃階段C1、設(shè)計(jì)階段C2、施工階段C3、運(yùn)營(yíng)階段C4；風(fēng)險(xiǎn)因素層：各風(fēng)險(xiǎn)階段的具體風(fēng)險(xiǎn)因素Cij見(jiàn)表6。

風(fēng)險(xiǎn)層次建立后，可以確定各因素上下層隸屬度關(guān)系，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)階段層與風(fēng)險(xiǎn)因素層使用層次分析法建立權(quán)重集。首先使用專家打分法確定每一層指標(biāo)相互重要性程度，并運(yùn)用1～9標(biāo)度法[15]打分，建立兩兩指標(biāo)比較的判斷矩陣。

以風(fēng)險(xiǎn)階段層：策劃階段風(fēng)險(xiǎn)C為例，根據(jù)策劃階段5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的相互重要程度，可構(gòu)建判斷矩陣A1：

(1)

式中：矩陣元素aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)因素的比較結(jié)果，其中i=1,2,3,4；j=1,2,3,4。

由權(quán)向量公式A1ω1=λmaxω1可以得到ω1={ω11,ω12,ω13,ω14}T，對(duì)權(quán)向量中的元素進(jìn)行歸一化，權(quán)重集計(jì)算公式與最大特征值如下：

(2)

(3)

CR=CI/RI，

(4)

當(dāng)CR>0.1，計(jì)算的權(quán)重不正確，需對(duì)兩兩比較矩陣重新計(jì)算權(quán)向量，直至通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果確定

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)的概率及損失，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為9級(jí)：1—可以忽略；3—較輕；5—一般；7—嚴(yán)重；9—災(zāi)難性；2、4、6、8為兩相鄰程度的中值，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集如下：

V={1,2,3,4,5,6,7,8,9}。

(5)

使用專家打分法對(duì)150名綜合管廊方面的人員進(jìn)行二次調(diào)研，通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)分，每個(gè)因素在不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)得分總和所占每一因素總得分百分比可得模糊矩陣，以策劃階段風(fēng)險(xiǎn)C1為例，可得C1與評(píng)語(yǔ)集V之間模糊關(guān)系的模糊矩陣R1：

(6)

式中：矩陣元素rij為在C1={C11,C12,C13,C14,C15}中C1i對(duì)評(píng)語(yǔ)級(jí)V中各等級(jí)的隸屬度評(píng)價(jià)。

進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:

B1=

ω1×R1=(b11,b12,b13,b14,b15,b16,b17,b18,b19)，

(7)

同理可得B2、B3、B4，由B1、B2、B3、B4各行組成綜合模糊矩陣R：

(8)

對(duì)綜合管廊全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)C中對(duì)應(yīng)的權(quán)重ω={ω1,ω2,ω3,ω4}與綜合模糊矩陣R模糊運(yùn)算，得最終評(píng)估結(jié)果：

B=ω×R=

(b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9)，

(9)

(10)

同理，利用加權(quán)分布法也可得到綜合管廊策劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大小。

3 綜合管廊全壽命風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例

3.1 項(xiàng)目概況

綜合考慮新建各類管線情況及地下環(huán)路的位置，確定某地下綜合管廊采用“三橫兩縱”形式，如圖3所示。1～5號(hào)道路的地下綜合管廊于2016年5月開(kāi)建，至2021年4月主體工程完工。

圖3 某綜合管廊項(xiàng)目布置圖

各管廊具體構(gòu)造如下：1號(hào)路綜合管廊采用單艙三室斷面形式、2號(hào)路采用獨(dú)立雙艙室截面，3號(hào)路采用兩艙斷面形式，4號(hào)路為單艙三室，5號(hào)路在3號(hào)路以北部分采用單艙三室截面，5號(hào)路在3號(hào)路以南部分采用單艙室截面，管廊施工圖如圖4所示。

圖4 某管廊施工階段圖

3.2 問(wèn)卷收集及權(quán)重值計(jì)算

運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)級(jí)1～9安全等級(jí)對(duì)識(shí)別篩選出來(lái)的某綜合管廊關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素打分，針對(duì)二次調(diào)研發(fā)放問(wèn)卷150份，回收143份，有效137份，有效率95.8%，表明專家對(duì)此次咨詢內(nèi)容的積極性較高，經(jīng)過(guò)SPSS可信度分析，信度檢驗(yàn)結(jié)果為0.906，大于0.8，屬于高信度，說(shuō)明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，無(wú)需二輪發(fā)放，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。

根據(jù)權(quán)重集建立流程，運(yùn)用層次分析法可求得權(quán)向量。以策劃階段為例，根據(jù)專家反饋可知策劃階段風(fēng)險(xiǎn)因素的相互重要性程度，運(yùn)用1-9標(biāo)度法建立判斷矩陣，矩陣內(nèi)元素見(jiàn)表7。

表7 策劃階段判斷矩陣元素

一致性檢驗(yàn)：λmax=5.068，CI=0.017，RI= 1.12，CR=CI/RI=0.015<0.1，一致性通過(guò)。因此風(fēng)險(xiǎn)權(quán)向量ω1=(0.417,0.097,0.160,0.062,0.263)；

同理可以得出設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)因素與全壽命周期各階段權(quán)向量，分別如下：

ω2=(0.101,0.204,0.093,0.499,0.062,0.04)；

ω3=(0.027,0.047,0.04,0.106,0.159,0.068,0.294, 0.164,0.068,0.027)；

ω4=(0.136,0.039,0.066,0.174,0.049,0.096,0.282, 0.159)；

ω=(0.075,0.345,0.404,0.176)。

3.3 確定模糊矩陣值

根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，確定每個(gè)因素在不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)得分總和所占每一因素總得分百分比，可得各階段風(fēng)險(xiǎn)模糊矩陣Ri，以策劃風(fēng)險(xiǎn)概率統(tǒng)計(jì)表為例，見(jiàn)表8。

表8 策劃階段風(fēng)險(xiǎn)因素概率統(tǒng)計(jì)表 單位：%

由上表8可得策劃階段風(fēng)險(xiǎn)模糊矩陣R1：

R1=

因此根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)概率統(tǒng)計(jì)，也可得出設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)模糊矩陣R2、R3、R4：

R2=

R3=

R4=

3.4 模糊綜合評(píng)估

由各階段風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)向量ωi，統(tǒng)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷得到模糊矩陣Ri，通過(guò)用M(*，+)算子運(yùn)算進(jìn)行模糊評(píng)估。

策劃階段評(píng)估結(jié)果：B1=ω1×R1=(0.116,0.043,0.055,0.073,0.109,0.152,0.179,0.137,0.135)；

規(guī)劃階段評(píng)估結(jié)果：B2=ω2×R2=(0.034,0.021,0.022,0.118,0.148,0.165,0.204,0.145,0.142)；

施工階段評(píng)估結(jié)果：B3=ω3×R3=(0.079,0.043, 0.036,0.082,0.135,0.150,0.184,0.153,0.138)；

運(yùn)營(yíng)階段評(píng)估結(jié)果：B4=ω4×R4=(0.028,0.081, 0.067,0.049,0.150,0.178,0.181,0.146,0.122)；

因此R=(B1,B2,B3,B4)T，可得綜合評(píng)估結(jié)果如下：B=ω×R=(0.057,0.042,0.038,0.088,0.143, 0.167,0.191,0.140,0.134)。

3.5 評(píng)估結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到評(píng)估結(jié)果B，為了保證結(jié)果準(zhǔn)確性及客觀性，分別采用3種方法對(duì)結(jié)果B分析。

最大隸屬度法：由求得向量B中可看出最大值為0.191，屬于7級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，因此該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)偏向于中高風(fēng)險(xiǎn)。

表9 各風(fēng)險(xiǎn)階段加權(quán)評(píng)價(jià)結(jié)果

依計(jì)算結(jié)果可看出，策劃階段和運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)險(xiǎn)值較低在[5,6]之間，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)階段、施工階段的風(fēng)險(xiǎn)值在[6,7]之間，屬于中高等風(fēng)險(xiǎn)；綜合評(píng)價(jià)結(jié)果也屬于區(qū)間[6,7]，該綜管廊項(xiàng)目全壽命周期域內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)屬于中等偏高風(fēng)險(xiǎn)，各階段風(fēng)險(xiǎn)按大小依次為：設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段、策劃階段。

綜合三種計(jì)算，其分析結(jié)論一致，三種方法客觀、科學(xué)的反映了分析結(jié)果，可以提前對(duì)各個(gè)階段風(fēng)險(xiǎn)因素采取措施以保證項(xiàng)目順利實(shí)施。

4 結(jié)論

1)將綜合管廊全壽命周期分為四個(gè)階段；策劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段，運(yùn)用查閱文獻(xiàn)和風(fēng)險(xiǎn)分解法，全面識(shí)別出各階段可能出現(xiàn)的117種風(fēng)險(xiǎn)因素，并篩選出危害較大的58個(gè)影響因素，通過(guò)對(duì)其整理修訂后得到29個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

2)以層次分析法確定風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重集，以模糊綜合評(píng)判法確定風(fēng)險(xiǎn)概率，采用定性與定量相結(jié)合的方式建立綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判做出了全面、客觀的認(rèn)識(shí)和描述。

3)以某綜合管廊為工程背景，采用所提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，確定出各階段權(quán)重及模糊矩陣，得到綜合評(píng)估結(jié)果并主要運(yùn)用加權(quán)分布法進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所提出評(píng)估方法流程可行性。