基于DEMATEL-ISM的隧道施工塌方事故影响因素分析

刘桂权　彭福淋

摘 要：隧道施工塌方事故由于水文地质条件的复杂多变、施工技术难度大等问题，导致隧道施工塌方事故发生的影响因素之间的层级作用关系不清。在文献研究和专家调查的基础上，按照建模步骤构建DEMATEL-ISM模型，通过DEMATEL可以估计隧道施工塌方事故各影响因素的影响程度，并且ISM可以将隧道施工塌方影响因素之间的层级关系清晰展示，从而找出造成隧道施工塌方事故的直接因素、间接因素和根本因素，以及各影响因素之间的作用关系。

关键词：隧道工程;塌方事故;影响因素;DEMATEL-ISM模型

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.070

0 引言

截至2019年末，全国建成运营铁路隧道16084座，总长约18041km，全国建成运营公路隧道19067座，总长度为18966.6km。在隧道施工大规模建设的同时，矿山 [2017 ]41号文指出，2013年—2017年我国发生隧道施工事故39起，导致107人死亡，204人受伤，隧道施工安全生产问题突出。而隧道施工塌方事故是隧道施工事故类型中最为常见，张军伟对89起隧道施工事故统计发现塌方事故占隧道事故总数的55.06%。目前虽然对于隧道施工塌方事故研究也越来越多，但对于隧道施工塌方事故影响因素的层级划分和作用关系界定还很少。本文综合运用决策试验和评价实验法（DEMATEL）与解释结构方程模型（ISM）两种方法，探讨隧道施工塌方事故的影响因素以及因素之间关联关系。

1 隧道施工塌方事故影响因素提取

造成隧道施工塌方事故的影响因素有很多，许多学者对隧道施工塌方事故展开了研究。翟友成（2016）认为隧道塌方风险来源于工程地质、岩体结构特性、隧道结构特性、开挖、支护等方面，运用非线性模糊评价理论评判了隧道施工整体的塌方风险;王迎超（2016）在统计分析的基础上，筛选出隧道施工塌方主要影响因素，发现地下水以及隧道围岩情况对塌方的影响最大;孟超（2018）综合运用ISM和信息熵的方法对隧道塌方风险进行分析，研究表明开挖方式的选择、地下水的发育程度、不良地质是隧道施工塌方的关键致因;刘灿（2020）将隧道施工塌方影响因素细分为12个，研究发现降雨量、隧道跨度、围岩级别、隧道埋深是隧道施工塌方的关键因素。

结合已有的隧道施工塌方研究成果，将统计文献中频数大于2次的因素作为备选因素，按照风险产生的根源将隧道施工塌方影响因素分为四类，分别是人员及施工安全管理、施工质量、施工影响、水文地质因素，建立如下隧道施工塌方事故影响因素体系，如图1。

2 隧道施工塌方事故影响因素DEMATEL-ISM模型构建

综合运用DEMATEL和ISM两种研究方法可以得到系统因素之间影响程度以及系统内部层次结构。

按照以下步骤构建模型：

（1）确定隧道施工塌方事故的影响因素，对隧道施工塌方事故影响因素进行编号，表示为xii=1，2，3…。

（2）根据专家意见，建立直接影响矩阵X=aijn×n，在直接影响矩阵X中，aij表示的是隧道施工塌方影响因素之间影响的强弱程度，其取值分为0、1、2、3，aij=3xixj对xjxi有高影响2xixj对xjxi有中影响1xixj对xjxi有低影响0xixj对xjxi无影响。

（3）规范化矩阵W是由矩阵X按照如下计算式计算得到：

W=1max1SymbolcB@iSymbolcB@n∑nj=1xijX。

（4）对矩阵W进行如下运算：B=liml→SymboleB@（W+W2+…+Wl）=W（I-W）-1，得到矩阵B即综合影响矩阵B=bijn×n，综合影响矩阵B可以反映隧道施工塌方影响之前的作用关系，以及影响程度的大小。

（5）得到综合影响矩阵B之后，就可以进一步对隧道施工塌方影响因素之前的关系进行分析。对于影响度D可以按下式进行计算：

Di=∑nj=1cij（i=1，2，…，n）

对于被影响度F可以按下式进行计算：

Fi=∑nj=1cji（i=1，2，…，n）

（6）由综合影响矩阵与单位矩阵之间的关系，可以计算得到可达矩阵M=mijnxn。

（7）在可达矩阵的基础上，对隧道施工塌方事故影响因素进行层级划分。

3 塌方事故影响因素结构分析

3.1 DEMATEL-ISM模型应用

按照上述建模步骤，根据专家经验，对隧道施工塌方事故影响因素进行量化，得到隧道施工塌方事故影响的直接影响矩阵X。在此基础上由步骤4～5得到隧道施工塌方事故各因素影响程度，如表1。

由步骤（6）～（7）进行层级划分，可将隧道施工塌方事故影响因素划分为5个层级，如图2所示。

3.2 结果分析

应用DEMATEL-ISM模型得到主要結论如下：

（1）隧道施工塌方事故影响因素间呈分层作用关系。由图2可知隧道施工塌方事故影响因素分为五个层级。①第一级包括属于施工影响维度即隧道施工过程中这些因素使得施工扰动过大，称为直接影响因素;②第二级和第三级因素反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工质量差，是间接影响因素;③第四级和第五级反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工准备不足，是影响隧道施工进度的根本因素。

（2）层次结构表明，隧道施工塌方事故影响因素之间遵循着以下因果路径关系：隧道施工准备不充分→隧道施工质量差→隧道施工影响大→隧道施工塌方事故，而管理因素伴随整个施工过程。

4 结语

本文运用DEMATEL-ISM对隧道施工塌方事故影响因素进行分析，明确了隧道施工塌方事故影响因素之间的影响关系，包括影响程度以及致因路径，为隧道施工塌方研究提供参考。在隧道实际施工过程中还应注意以下两点：（1）做好隧道施工监控量测，动态监测隧道施工过程中地质变化，加强隧道施工现场的安全管理和安全检查;（2）从塌方事故的致因路径进行防控。

参考文献

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