基于SD-CIM對地鐵項目施工安全風險的仿真研究

摘要：為系統分析地鐵項目施工風險，首先，根據實際案例建立風險評價指標體系；其次，利用層次分析法確定各風險指標的權重及相關方程參數；最后，通過CIM模型算出各子系統及項目施工階段整體風險概率，并利用SD仿真分析各子系統對地鐵施工風險的影響程度。結果表明，地鐵項目施工階段整體處于較低風險狀態(tài)，且施工技術因素對項目影響最大，風險概率也最大。將兩種方法相結合，可進一步完善地鐵項目施工風險評價方法體系。

關鍵詞：地鐵項目；風險評價；CIM模型；系統動力學；仿真分析

0 引言

隨著我國經濟高速發(fā)展，城市軌道交通不斷擴建。地鐵作為一種節(jié)能環(huán)保的出行工具，成為人們日常出行的方式之一。根據中國城市軌道交通協會發(fā)布的最新數據，截至2022年12月31日，我國內地共有55個城市開通了城市軌道交通項目，運營總里程達到10291.95km，其中地鐵8012.85km，占比77.85%。然而，隨著地鐵建設項目增多，施工事故也越來越多。據統計，我國在2011—2021年間累計發(fā)生了202起地鐵事故^[1-2]。因此，研究地鐵項目施工風險狀況，以采取有效預防措施降低施工風險極為重要。

近年來，針對地鐵項目施工安全風險問題，國內外專家學者做了大量研究，并積累了不少研究成果，主要集中在三個方面：①事故起因的統計描述性分析，Arsalan等^[3]從隧道的應用特點、深度、土地類型和鉆探方式等幾個方面對風險源進行統計性研究；②各事故起因重要程度的定量分析，Zhang^[4]對地鐵深部開挖過程中的各種風險因素的重要程度進行了定量的研究，Ge等^[5]在AHP基礎上，引入三角模糊數概念來評估深基坑施工風險；③事故起因間的交互分析，龔穎超等^[6]通過改善AHP法，加入控制區(qū)間與記憶模型對事故起因進行縱橫向分析，Wang等^[7]利用貝葉斯方法對各個事故起因之間的相互關系進行分析，Zou等^[8]將UD與BP神經網絡相結合，對風險因素進行交互分析。現有研究多數是從靜態(tài)角度來分析事故起因之間的關系，且對風險概率做分級評價時，往往采用主觀方式來確定評價結果，難以動態(tài)客觀地表現出地鐵項目施工過程中多種因素間的反饋機制及變化情況，并且沒有分析風險因素對項目施工的重要程度及其與發(fā)生概率之間的關系，致使在量化和分析風險時易產生分歧，容易影響正確的風險評判。

基于上述研究的不足，利用控制區(qū)間與記憶模型（CIM）來確定各風險因素以及地鐵項目施工階段發(fā)生風險的概率；并利用系統動力學理論（SD）來研究施工階段不同風險因素對項目的影響程度，將兩種方法相結合，可以完善地鐵項目施工風險評價方法體系，進而為減少地鐵項目施工事故提供有效的決策思路。

1 CIM模型

控制區(qū)間與記憶（Controlled Interval and Memory，CIM）模型最早由經濟學衍變而來，主要用于基礎建設和水電項目風險評價。CIM方法的關鍵在于“控制區(qū)間”和“記憶”，控制區(qū)間是指旨在縮小概率區(qū)間以達到減少疊加誤差目的的表示變量概率分布的直方圖，區(qū)間分的越多，得出的結果越精準。記憶是指把兩個以上變量的概率進行疊加時，記憶前一個變量的概率分布疊加結果。在工程風險分析中，采用CIM模型進行風險概率分布疊加時，可解決變量之間相互獨立及相互聯系情況下的綜合評估。近年來，CIM模型在地鐵施工風險評價方面的研究逐漸增多，黃宏偉等^[9]利用CIM模型制作出隧道風險施工管理軟件，對上海長江隧道施工風險做出了分析；李小浩等^[10]，將AHP與CIM結合對地鐵施工風險進行研究，驗證了CIM模型的有效性。

CIM模型分為串聯響應模型與并聯響應模型^[11]。本文采用CIM并聯響應模型進行風險概率分析。假設一個集合里有n個因子，每一個因子都會對這個集合造成影響，那這n個因子的概率分布組合稱為并聯響應模型。

CIM并聯響應模型評價步驟如下：

（1）建立風險指標體系。

（2）建立風險等級評價集V={風險高，風險較高，風險適中，風險較低，風險低}，邀請專家對Ⅱ級風險指標進行評價，獲取初步評價數據。

（3）數據處理，Ⅱ級指標風險概率公式如下

式中，N_i為某一風險要素在某風險等級下專家打分的人數；N為專家總人數。

（4）通過并聯模型逐層計算各Ⅰ級指標風險概率，公式如下

式中，X₁，X₂為不同的風險因素；X_a為被劃分的概率區(qū)間。

2 案例分析

2.1 模型邊界確定

模型邊界應囊括與模型特定動態(tài)相關的各種因素，只有在明確模型邊界的情況下才能對工程內部的結構化問題進行研究，所以合理地確定模型邊界對后續(xù)的研究十分重要。模型邊界確定的原則如下：

（1）可操作性。模型邊界中的各種因素應具有理論依據與實踐意義，且字句簡潔明了，施工單位在實際的工程中能夠依據模型對項目風險進行評估，因而模型邊界不考慮生態(tài)環(huán)境、社會形勢及國家政策變化等因素。

（2）科學性。選取的因素不僅能真實反映地鐵項目施工風險的特點，而且能客觀反映因素之間的相互作用。一方面，因素選取不能太多、太瑣碎、太詳細，不然容易產生重疊部分；另一方面，因素選取不能出現太少、失真、過于簡單的情況。因此，應依據實際施工事故和工程案例，選取代表性強、客觀真實的因素。

（3）系統性。構建模型邊界應有系統概念，各種因素應具有系統性，從上到下形成一個不可分割的完整體系。

基于以上原則，采用文獻研讀法和地鐵施工事故案例分析法來初步確定地鐵項目施工風險因素清單。首先，在中國知網上以“施工”“地鐵”“風險管理”作為關鍵詞進行查詢，篩選相關性較強且引用率較高的文獻進行閱讀；其次，通過查閱國家住建部公示文件、國家應急管理部網站，查看新聞等方式收集近15年的地鐵項目施工事故，并對事故發(fā)生的原因進行詳細的歸納和整理。最后，為明確風險評價指標體系。本文以長沙某地鐵站為研究對象，通過現場考察、訪問及專家建議，最終從施工技術、管理、機械設備和人為4個方面歸納總結出地鐵施工風險評價指標體系，如圖1所示。

2.2 基于CIM模型的運算

2.2.1 建立判斷矩陣及一致性檢驗

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種專門研究定性問題的多準則決策方法^[12]。AHP是根據問題的屬性及要達到的總目標，把問題劃分為不同的指標因素，按照因素間的隸屬關系和相互作用將因素進行不同層次的組合，從而產生一個多層次的分析模型，最終使研究問題轉化為最低層對于最高層相對重要次序的排定。AHP適用于具有分層評價指標的目標系統，且目標值難以定性描述的決策問題，通過把定性問題轉化為定量問題進行研究，從而降低主觀因素對風險評價的影響。

AHP分析問題要經過以下三個步驟：

（1）構造判斷矩陣，引入1～9判斷標準，確定兩兩因素相對重要性。

（2）確定各層指標因素的權重。

（3）進行一致性檢驗。此處以Ⅰ級指標為例進行AHP分析。地鐵項目Ⅰ級指標的權重見表1。

同理，經驗算，Ⅱ級風險指標相應權重均滿足一致性檢驗。

2.2.2 風險概率計算

本文邀請10名專家通過風險評價集對Ⅱ級指標進行評價。地鐵項目Ⅱ級指標風險概率見表2。

根據公式計算得出地鐵項目Ⅰ級指標風險概率（表3）。

將Ⅰ級指標各風險概率與對應權重相乘，得出地鐵項目施工階段風險概率，公式如下

高風險的概率分布=0.38125×0.0002=0.0001

較高風險的概率分布=0.38125×0.043+0.26875×0.0002=0.0164

適中風險的概率分布=0.38125×0.4233+0.0094×0.26875+0.04×0.12812=0.1690

較低風險的概率分布=0.38125×0.5334+0.6384×0.26875+0.536×0.12812+0.4757×0.22188=0.5491

低風險的概率分布=0.38125×0.352+0.424×0.12812+0.7943×0.22188=0.3251

結果表明，在Ⅰ級指標中，施工技術是風險較高的一組因素。分析施工事故案例可知，該項目存在基坑土方嚴重超挖、開挖不規(guī)范、監(jiān)測數據長期缺失、基坑支護體系存在缺陷、二次襯砌拱墻鋼筋拱架加固時失穩(wěn)等諸多因施工技術導致的風險。對于項目整個施工階段而言，發(fā)生高風險概率是0.01%，發(fā)生較高風險概率是1.64%，發(fā)生適中風險概率是16.9%，發(fā)生較低風險概率是54.91%，發(fā)生低風險概率是32.51%。因此，該地鐵項目施工階段處于較低風險狀態(tài)。

2.3 基于SD的系統仿真

系統動力學（System Dynamics，SD）是一門研究定性與定量相結合的綜合性學科^[13]，用來識別和解決系統問題，著重于對系統結構和動態(tài)行為進行研究。

系統動力學最早在工業(yè)管理中應用較多，現主要應用于研究復雜系統動態(tài)反饋問題。羅聰等^[14]以脆弱性理論為切入點，利用系統動力學對建筑施工安全系統脆弱性的敏感性、暴露度和適應度的影響程度進行了分析。胡成輝等^[15]將工序表函數融入系統動力學模型，建立了離散-連續(xù)混合模型，證明了項目進度控制模型與實際工期相擬合。從系統論的角度來看，各種影響因素之間相互作用，導致了地鐵項目施工風險評價的復雜性，難以用簡單的數學模型來進行分析，因此可運用系統動力學對研究體系進行綜合性分析。

2.3.1 建立地鐵項目施工風險系統流量圖

系統動力學以反饋理論為基礎，結合系統綜合分析推理的方法，借用計算機仿真技術進行建模，來研究復雜系統結構與動態(tài)行為之間的關系。該理論認為系統中各因素間的相互作用決定了系統外部的行為特性。相互作用不僅包括正向作用，還包括反饋作用。為揭示系統中存在的正向作用與反饋作用機制，本文運用Vensim-PLE軟件建立地鐵項目施工風險系統流量圖，如圖2所示。

由圖2可知，系統中的子因素有些單獨對系統產生影響，有些與其他子因素相互作用進而對系統產生影響。以施工技術子系統為例，當監(jiān)控測量不準確時，會導致降、排水結果不符合預期的概率增加，進而會增加支護結構體系不穩(wěn)定及預加固效果不符合預期的風險概率，最終會導致整個地鐵項目施工風險的增加，所以當某一個指標因素風險量發(fā)生變化時，與之相關的其他指標因素風險量也會發(fā)生變化。

2.3.2 系統動力學方程的建立

根據層次分析法確定的各項施工風險因素權重，建立系統動力學主要方程式，計算如下：

（1）地鐵隧道施工風險水平=0.3813×施工技術風險+0.2688×管理風險+0.1281×機械設備風險+0.2219×人為風險

（2）施工技術風險水平=INTEG（增量1，0.23）

（3）增量1=0.3364×降、排水情況風險變化量+0.1068×預加固效果風險變化量+0.0381×二次襯砌及時性風險變化量+0.0681×監(jiān)控測量準確性風險變化量+0.2495×盾構開挖換刀及時性風險變化量+0.2012×支護結構體系穩(wěn)定性風險變化量

（4）管理風險水平=INTEG（增量2，0.21）

（5）增量2=0.0833×安全生產責任制健全程度風險變化量+0.0485×進場人員安排合理性風險變化量+0.0333×安全隱患排查治理制度完善程度風險變化量+0.2679×應急預案合理性風險變化量+0.3832×專項施工方案合理性風險變化量+0.1838×班前安全技術交底詳細度風險變化量

（6）機械設備風險水平=INTEG（增量3，0.13）

（7）增量3=0.1638×機械設備的運輸、儲存堆放情況風險變化量+0.2973×機械設備的維修和保養(yǎng)情況風險變化量+0.5390×機械設備選擇的合理性風險變化量

（8）人為風險水平=INTEG（增量4，0.18）

（9）增量4=0.0505×身體及心理素質風險變化量+0.4305×專業(yè)技術熟練度風險變化量+0.3062×風險預判、處理能力風險變化量+0.0734×溝通協調能力風險變化量+0.1394×責任感風險變化量

四個Ⅰ級指標的初始值由10名專家打分并通過加權計算獲得，在打分過程中參考眾多學者的研究理論將風險水平值確定在0～1的范圍內，為無量綱變量。

2.3.3 影響程度的分析

本文以實際項目為例，將步長設為1個月，進行12個月的系統仿真。為研究各子系統對地鐵項目施工風險水平的影響程度，將對各子系統的風險初值做出變動，在其他子系統風險初值不變的情況下，一次只變動一個子系統下所有風險因素的初始值。為使各子系統產生的影響更加具有區(qū)分度，各子系統的風險因素初值增加0.01進行仿真。不同方案下的系統風險發(fā)展趨勢如圖3所示。

由圖3可知，通過改變不同子系統下的風險因素初值，系統風險水平隨之發(fā)生變化。在各子系統中，對整個項目施工風險影響最大是施工技術風險，其次是管理風險、人為風險，最后是機械設備風險。

2.4 研究結果與對策

根據CIM模型運算結果和系統動力學仿真結果可知，對地鐵項目施工安全影響最大的子系統為施工技術，其也是風險最高的一組因素。通過分析近15年200多起地鐵項目施工事故，發(fā)現絕大多數工程事故是由施工技術造成，因施工技術引起事故最多的類型為坍塌事故。一方面，地鐵項目在深基坑施工過程中，如果出現圍護結構侵限、地下水控制失效、監(jiān)測值發(fā)出紅色預警、止水帷幕滲漏、周邊建筑物或構筑物產生傾斜或裂縫等情況時，易導致整體深基坑的坍塌；另一方面，采用盾構法施工時，參數出現異常變化、預警時未及時做出有效應對措施，開挖時未考慮盾構設備狀態(tài)、排（降）水情況，也會引起坍塌事故。因此，為降低地鐵項目施工風險水平，在施工技術方面，建議施工單位在地鐵項目前期施工階段保質保量完成地質勘察工作，為施工人員提供精準且詳細的地質勘察報告，并做好基坑支護和圍巖等措施;明確監(jiān)測負責人，并配備相適應的儀器設備和作業(yè)人員。在監(jiān)測前，監(jiān)測負責人應當向有關人員進行監(jiān)測方案的技術交底，且定期提交監(jiān)測周報，并對監(jiān)測結果進行綜合分析，及時做好信息反饋，動態(tài)掌控施工現場狀況;在盾構開挖換刀時，要留意刀盤前、頂部的砂漿壁的穩(wěn)固性，若出現砂漿墻下滑情況，應立即撤離。

3 結語

（1）本文以實際地鐵項目為例，構建了20個風險評價指標，采用AHP法確定指標權重并用CIM模型和SD系統仿真相結合的方法來分析地鐵項目施工風險。

（2）為研究風險因素對項目施工影響程度及其與發(fā)生風險概率的關系，本文將CIM模型與SD系統動力學理論相結合，結果表明各子因素對項目施工的影響程度與其風險概率大小趨于同向性，即影響程度越大的因素，其發(fā)生風險的概率越高。另外，CIM模型運算結果表明，該項目施工階段整體處于較低風險狀態(tài)。因此，CIM模型與SD系統動力學相結合可以進一步完善地鐵項目施工風險評價方法體系，為降低項目施工風險提供有效的決策思路。

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收稿日期：2023-09-15

作者簡介：

宛子明（1998—），男，研究方向：工程項目管理。

綦春明（通信作者）（1965—），男，教授，研究方向：工程項目管理。

馮世昌（1998—），男，研究方向：工程項目管理。