基于集对分析的地铁隧道塌方风险评价

夏超　李洁��

摘要：为了预防和控制地铁施工塌方事故的发生，对塌方原因进行研究，基于集对分析的综合评价方法，对相应的集对联系度进行定义，并确定联系数，最终确定了导致地铁隧道塌方的6类主要因素，建立地铁工程塌方风险初步评价指标，并经过工程实例得到权重指标和联系数确定各因素风险大小。结果表明：基于集对分析的综合评价方法能够从人为、勘察设计、施工技术、施工环境、施工管理5方面识别出可能造成塌方的14个风险因素，并确定出施工项目中的最大的风险因素，方便管理者提出相应的应对方案，使塌方风险降到最低。

关键词：隧道塌方； 联系数； 集对分析； 控制措施

中图分类号：U458.3 文献标志码：B

Abstract： In order to prevent and control the collapse accidents that happen in subway tunnel construction， the causes of the collapses were studied； based on set pair analysis， corresponding set pair connection was defined， and six principal factors that cause the collapses were determined. Indicators for preliminary evaluation of collapse risk were established， and weight index and connection number were found in practical projects to be the indicators of risk. Results show that 14 factors will be indentified by the comprehensive evaluation measure based on set pair analysis， including the one that causes the biggest risk.

Key words： tunnel collapse； connection number； set pair analysis； control measure

0 引 言

随着社会经济与科学技术的飞速发展，世界上许多大城市对于地下交通系统产生了很大的需求。目前，中国有28个城市地铁正在运营，38个城市地铁正在建设，规划的总路程超过6 880 km，总投资额超过2.5万亿[1]。到2020年，将有超过50个城市达到建设地铁的条件。然而，复杂的工程环境中潜藏的一些危险因素，会导致地铁施工时出现一些安全事故。据国家安全生产安全监督管理总局网站对近十五年地铁事故进行的统计，可以判别事故类型的有140起，其中有73起是坍塌事故，在这73起坍塌事故中有42起是地铁隧道塌方事故，为了预防和控制塌方事故的发生，需要对塌方风险进行研究[2]。

1 塌方原因及研究方法

地铁隧道工程的施工具有环境复杂、施工难度大、技术要求高、工期长、对环境影响控制要求高等特点，是一项相当复杂的高风险性系统工程。隧道塌方事故发生有隧道工程发展过于迅速，技术支撑和管理制度不能相应跟上的客观原因，也有施工方安全意识不强，应对方法不够全面的主观原因。隧道发生塌方，不仅会造成惨重的人员伤亡和经济损失，还会在社会上形成恶劣的影响，严重干扰工程的顺利实施。因此对隧道塌方的风险进行分析，制定预防应对措施是很有必要的。

目前，国内对于隧道塌方的风险评价研究并不少，周峰运用模糊层次评估模型对青山岗隧道出口浅埋偏压段的塌方风险进行评估[3]；王燕采用事故树方法对塌方风险的可能性进行估计[4]；童祥则提出基于ANP的铁路隧道塌方风险评价方法[5]；陈洁金等建立了山岭隧道塌方风险的模糊层次分析方法[6]。由于不同隧道工程的塌方风险因素不一样，隧道塌方的风险因素往往具有随机性、复杂性，而且在实际工程中，塌方风险影响因素同时具备确定性与不确定性信息。因此，模糊综合评价方法对信息的描述并不完整，难以全面地反映风险影响因素信息的确定与不确定性特征，而集对分析方法可以有效解决这一问题，并能有效地刻画出确定与不确定性的对立统一关系，为地铁隧道的塌方风险评估提供新途径。

本文针对具体的地铁工程项目实际情况的分析以及对工作人员的访谈得到该具体工程项目的塌方风险评价指标，然后将基于集对分析的综合评价模型应用到隧道塌方的风险评价中，得到最终评价结果，以此为据制定决策、控制风险，希望能为今后隧道施工中对塌方的事前评价与决策提供相关的依据[7-10]。

2 基于集对分析的综合评价方法

2.1 集对分析理论概述

集对分析理论是中国学者赵克勤研究员于1989年提出一种新颖的确定和不确定系统分析理论，该理论基于哲学中的对立统一、认识层次的相对性和普遍联系的原理。通过同异反完整有效刻画确定不确定系统的对立统一关系，并以联系数描述系统中确定和不确定性的相互联系、相互影响与相互制约的关系，实现整体和局部全面的辩证分析和数学处理，为统一处理确定和不确定性关系提供了新思路。

3 地铁隧道塌方风险评价指标

为准确评估地铁隧道塌方的风险程度，需要建立一个系统、全面的风险指标体系。

本文在参考其他塌方风险辨识框架的基础上，采用5M1E的分析方法将塌方风险因素分为5类：人的因素、材料与设备因素、技术因素、环境因素和管理因素[11]。通过对案例的整合分析和对隧道工作人员进行访谈发现勘察设计因素作为对塌方影响重大的因素也不可或缺，因此最终确立了导致地铁隧道塌方的6类主要影响因素：人的因素、材料与设备因素、勘察设计因素、技术因素、环境因素和管理因素，建立了关于地铁工程塌方风险的初步评价指标，如表1所示。

4 案例分析

4.1 工程概况

4.1.1 工程背景

位于松江区内的上海地铁某盾构区间，左线盾构全长为2 527.48 m，右线盾构全长为2 526.54 m，单线全长为5 054.02 m。区间隧道的纵坡呈“V”字型，它的最大坡度达到30‰。根据地质勘查报告，在45 m深度范围内车站地基下的土均为松散沉积物，主要由淤泥质土、饱和黏性土、砂土组成。

4.1.2 工程项目特点

在施工环境中下，淤泥质土和饱和黏性土在动力作用下容易破坏土壤结构，降低土体强度。

车站标准段基坑开挖深度为18.5 m，南北端头井基坑深度约为21 m，地下连续墙端头井钢筋笼吊装难度大，开挖难度大，施工风险高。

4.2 项目评价指标确立

上文中已经得到关于地铁隧道塌方风险因素的初步指标体系，针对实例隧道，需要进一步对评价指标进行分析。通过对该项目的高级技术和管理人员就分类体系和评价指标进行意见访谈，对该工程项目的特征和技术难点进行分析，除去可能导致塌方发生的微小概率或者难以控制的风险因素。在进行2轮德尔菲式调查之后，建立了最终的地铁隧道塌方风险评价指标，如表2所示。

4.3 问卷调查与权重分析

在本工程实例中，因素权重的确定通过发放调查问卷、采用AHP法评估得到。调查问卷由3个部分组成：一是对被调查者的背景进行简单的了解，详见表3，通过分析，被调查者的项目经验丰富，受教育程度高，符合这次调研的要求；二是对分类体系和评价指标进行一定的说明，方便被调查者在填写问卷前对各个风险因素有一定的认识和理解；三是对AHP方法的简单介绍以及作答的一些要求。在比较层级设置方面，本问卷采用了1～9 级评分制，最后根据一致性指标C.R.<0.1与否作为判断依据。本文请该工程项目的高级技术和管理人员对各级指标权值进行打分，构造出比较矩阵，经过计算，通过了一致性检验分析，最后得到的各级指标权重见表4。

4.5 应对控制措施

考虑到风险发生的突然性，在进行风险评价时不仅要考虑到塌方总体风险等级，而且还要考虑单个因素的风险等级，针对高风险的风险因素采取措施，降低塌方事故发生的概率。从表5中可以看出总的系统风险等级为三级，根据风险接受准则，需要制定详细的管理计划来避免风险，也可以通过提高各一级指标中的主要的影响因素来实现。当风险因素细分到二级指标中，排名前6的因素分别是地质条件、地下水、施工方法、支护、降排水和施工组织。因此，可以采取以下措施来降低和避免风险：在环境因素方面，针对复杂的地质条件和地下水，对洞口地基进行加固，严格控制洞口土体加固质量，加强洞口土体稳定性，采用止水帷幕阻止基坑底地下水流入基坑；在技术因素方面，针对施工方法，需要专家和技术人员通过勘察数据合理制定，并在开挖过程中随着反馈回来的数据做好随时变更的准备；针对支护和降排水，采用真空深井进行基坑降水加固，根据承压水水头情况，设计基坑降承压水，并编制针对性强的降水施工方案，提高排水设备的效率；在管理因素方面，针对施工组织，应加强作业人员的安全意识培训，遵守规章制度和作业规程，这样可以逐步提高整个系统的安全度。

5 结 语

本文针对地铁隧道施工中塌方事故的高发性，尝试构建出基于集对分析的综合评价模型来对隧道塌方风险进行评价，通过上海地铁的施工实例来验证模型，主要成果如下。

（1）针对上海地铁某盾构区间隧道从人的因素、勘察设计因素、技术因素、环境因素、管理因素5个方面识别其可能造成塌方的14个风险因素。

（2）运用集对分析的方法分析14个风险因素，得出该工程塌方的总风险等级为三级，其中地质条件、地下水、施工方法、支护降排水和施工组织这几个风险因素需要重点关注，并提出了相应的管理应对方案，使管理者充分做好应对控制措施，将隧道塌方风险降到最低。

参考文献：

[1] 吴 宇，周文其.去年城市轨道交通日均投资超7.8亿元[J].城市公共交通，2015（6）：7.

[2] 王梦恕，张成平.城市地下工程建设的事故分析及控制对策[J].建筑科学与工程学报，2008，25（2）：1-6.

[3] 周 峰.山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究[D].长沙：中南大学，2008.

[4] 王 燕，黄宏伟，薛亚东.钻爆法施工隧道塌方风险分析[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2009，25（1）：23-27.

[5] 童 祥.基于ANP的铁路隧道塌方风险评价研究[J].铁道标准设计，2011（7）：74-77.

[6] 陈洁金，周 峰，阳军生，等.山岭隧道塌方风险模糊层次分析[J].岩土力学，2009，30（8）：2365-2370.

[7] 曹文贵，翟友成，王江营，等.山岭隧道塌方风险的集对分析方法[J].中国公路学报，2012，25（2）：90-99.

[8] 赵克勤.联系数学的基本原理与应用[J].安阳工学院学报，2009（2）：107-110.

[9] 汪明武.集对分析耦合方法与应用[M].北京：科学出版社，2014.

[10] 冯玉国，王渭明.基于集对分析同一度的基坑支护方案综合评价[J].岩土工程学报，2008，30（9）：1389-1392.

[11] 游鹏飞.地铁隧道施工风险机理研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[责任编辑：高 甜]