湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险的系统动力学分析*

2022-06-23韦海民王旭贺广学

项目管理技术 2022年5期

韦海民王旭贺广学

(1.西安建筑科技大学管理学院，陕西西安 710055；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710011)

0 引言

地铁盾构施工过程中往往面临地质条件较差、地下管线复杂、邻近建(构)筑物妨碍等诸多风险，且各风险因素之间相互影响、作用机理复杂。我国西北地区的土质多属于湿陷性黄土，土质具有水敏性、结构性、欠压密性等特点，因此在此区域施工存在区别于在其他普通地质条件下施工的安全风险，更易引发安全事故。于海莹等[1]对我国近年来发生的多起地铁施工安全事故进行了统计分析，结果表明盾构法是导致安全事故多发的工法。因此，研究地铁盾构施工风险对于加强地铁施工安全管理具有重要意义。

国内外很多学者对地铁施工阶段的安全问题展开了研究。Wu等[2]通过三维数字模拟分析了多种因素对隧道稳定性的影响，提出了基于FAHP-灰色关联度-理想解法的隧道稳定性评价模型，为保障隧道安全施工提供了一种新方法。Hyun等[3]通过对有经验的盾构设备施工人员进行访谈调查并收集施工过程中潜在的风险因素，将风险因素分为环境、设计、技术和管理4类，考虑风险的概率及影响，结合故障树分析法和层次分析法，通过某地铁施工项目实例验证了该模型的可行性。刘尚各等[4]针对公路隧道建立了风险指标体系，以熵权理论结合云模型理论建立施工风险评价的改进云模型，与常规方法的评价结果一致，丰富了施工风险评价的方法理论。江新等[5]结合SD和BP神经网络与MIV算法，构建了地铁隧道施工风险的系统动力学模型，并对某地铁项目进行了评价。柴国荣等[6]基于施工进度的角度，构建了地铁施工项目安全评估的SD模型，通过对影响进度的三个关键因素进行调整，提出了减少施工安全事故发生的有效方式。杨宝怀等[7]将肯特指数法应用于地铁施工风险评估，通过对其进行改进构建风险评估模型，并以北京地铁某标段项目为例验证了该模型具有较强的指导性。

目前，学者们大多把地铁施工风险看作静止状态，在进行风险评价时忽略了各风险因素之间的相互影响，对地铁施工安全缺乏系统性的研究，较少关注各风险因素之间的层次性和相关性。特别是在地质条件复杂或施工周期较长的情况下，难以对施工风险进行动态反馈分析。基于此，本文结合特殊的地质条件，在构建湿陷性黄土地区地铁施工安全风险因素指标体系的基础上，选用Vensim PLE软件构建系统动力学模型，确定风险因素的因果回路图，梳理出影响地铁施工阶段的主要风险因素，并提出应对策略，为该地区地铁施工危险事故预防提供参考。

1 湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险因素分析

工程项目施工风险管理一般包括施工准备阶段的风险管理和施工过程中的风险管理[8]，本文主要分析地铁盾构施工过程中的风险。

1.1 风险因素识别

风险识别方法一般包括文献分析法和实践经验法[8]，以下从理论研究、文献研究、案例研究三个层面结合湿陷性黄土的特有性质对风险进行识别。

(1)理论研究。海因里希于1931年提出了“事故因果连锁理论”[9]，认为人的不安全行为、物的不安全状态仅是事故发生的前提。博得的“现代事故因果连锁论”指出，物的不安全状态、人的不安全行为仅是表层次的原因，其根本原因是管理不当。

(2)文献研究。杨仙等[10-12]将地铁盾构施工风险划分为地质条件、邻近建(构)筑物、施工设备、施工技术、施工质量、不可抗力因素、勘察设计、施工人员的操作经验及身心素质、地下水位等。

1.2 风险因素分类

《生产过程危险和有害因素分类与代码》将导致安全事故发生的风险因素划分为人、物、环境、管理四大类。

本文通过梳理上述参考文献及相关地铁建设规范指南[1-7，9-13]，参考专家学者及相关地铁施工管理人员的建议，对有歧义的风险因素进行合并、修改，最终得到的地铁盾构施工安全风险因素见表1。

表1 地铁盾构施工安全风险因素

2 湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险SD模型构建

2.1 系统动力学应用的可行性及解决问题的步骤

系统动力学是一种基于系统理论的定量与定性分析相结合的方法，使用Vensim PLE软件可以将各种变量联系起来，动态分析各变量之间的相互作用，在因果回路图的基础上构建流图进行计算机仿真实验，预测各个变量的发展趋势，有效处理系统内部复杂的多重反馈、高阶次、非线性等问题。该方法已广泛应用于政治、经济等领域。

地铁盾构施工过程开放且复杂，影响系统安全的风险因素众多。随着项目的推进，风险以及各风险因素之间的相互作用也在不断变化，当风险耦合积聚的能量突破系统的风险阈值时，必然会发生安全事故，给系统安全带来威胁和隐患。各风险因素之间的复杂性与传播性可以用系统动力学中流图和因果回路图的形式表达，进而研究系统形态的变化。图1为应用SD模型解决问题的步骤。

2.2 模型假定与系统边界的确定

随着地铁盾构施工的不断推进，风险系统呈现动态性、复杂性特点，本文将人-环境-材料/设备-管理视为一个整体，提出以下假设。

H1：将人员风险、环境风险、材料/设备风险、管理风险视为系统内部的内生变量，将其他因素均视为外生变量不予考虑。

H2：安全管理人员虽然对风险具有一定的管控能力，但不能完全消除风险所产生的不利影响。

H3：从施工过程的角度出发，只考虑盾构设备施工过程对盾构施工风险系统的影响，不考虑其进出场、安拆阶段的风险。

2.3 构建地铁盾构施工风险演化因果回路图

地铁盾构施工过程中的各类风险因素具有动态性和复杂性等特点，体现为当系统中的多个风险进行传导时，风险之间相互耦合可能会导致风险急剧扩大或者产生新的风险，进而扩大负面影响范围，危及整个系统的安全。

事故致因理论指出，安全事故是多种因素共同作用的结果，其演化过程呈现动态性和复杂性的特点，可以用Vensim PLE软件中的因果回路图体现，如图2所示。

在因果回路图中，以“系统风险水平”为工作变量，通过软件分析该变量共有正反馈4条、负反馈14条。当地铁施工风险水平较高时，可以通过发挥负反馈回路的调节作用进而降低风险。以“系统风险水平”的某一负反馈回路为例：系统风险水平↑→风险管控↑→安全投入↑→安全防护↑→作业人员素质↑→人的不安全行为↓→系统风险水平↓(-)。因此，随着施工进度的推进，项目管理人员应重点关注系统风险水平负反馈回路中的各个变量，有效利用负反馈回路的调节作用降低系统的风险水平和事故发生的概率。

2.4 构建地铁盾构施工风险系统动力学流图

图2仅能反映风险因素之间的传递路径和影响关系，无法定量描述系统内部变量随时间的积累变化情况。在图2的基础上，进一步确定状态变量、速率变量、辅助变量，构建地铁盾构施工风险系统动力学流图，如图3所示。

2.5 确定风险指标权重

可以根据图3确定边界因素，如材料质量、驾驶人员技能水平、作业人员安全意识等，邀请项目管理人员结合现场施工情况给出变量赋值。表1中的25个风险因素难以用定量的数值表示，只能用“风险大”或“风险小”等类似的语言进行定性描述。

本文采用熵权法确定各风险因素的熵权重，首先采用李克特5分量表表达风险的等级，每个评价等级对应不同的风险等级，现将5等级标度设置如下：R={R1，R2，R3，R4，R5}={风险低，风险较低，风险一般，风险较高，风险高}={[0，0.3]，[0.3，0.5]，[0.5，0.65]，[0.65，0.8]，[0.8，1]}。邀请7名专家对表1中的25个风险因素采用李克特5分量表给边界因素打分得到原始矩阵，之后再进行标准化、规范化处理，最终计算得到各级风险影响因素的权重，见表2。

表2 各级风险因素的权重

(续)

2.6 建立SD方程

基于熵权法确定的湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险因素的权重值，结合系统动力学流图，构建湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险的主要SD方程，具体见表3。

表3 湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险的主要SD方程

3 湿陷性黄土地区地铁盾构施工风险的系统动力学仿真分析

3.1 实证分析

以某市地铁隧道一期施工项目为例，施工地质条件为湿陷性黄土，周围交通便利，人员活动频繁。邀请项目负责人、施工项目管理人员及专家专家学者使用德尔菲法，根据项目的相关资料对边界因素进行打分。这里参考帅珍珍等[14]为确保风险因素的一致性，将边界因素边界因素均转换为极大型指标的做法，赋值介于0～5，采用公式Xij=(a+4m+b)计算专家打分，取边界因素的值作为每个专家打分的平均值，即Xi=1/7Xij。将上述确定的风险因素边界值及SD方程输入湿陷性黄土地铁盾构施工风险模型，设置模型的初始值为1、终止值为18，步长设置为1。

在对模型进行有效性检验、调试之后运行，得到的施工风险演化图如图4所示。需要注意的是，施工风险值为无量纲值，在此反映施工过程中风险的演化趋势。

图4表明，在地铁施工过程中，R0曲线整体呈现出先上升后下降的趋势，符合施工项目安全管理的实际情况，证明模型中设置的参数准确。在1～3月项目初期，施工风险呈现迅速上升的趋势，这是由于施工环境复杂、项目施工人员对于地质条件等不熟悉、安全投入及风险管控存在一定的滞后性等因素导致的。随着施工进度的推移，安全投入逐渐增加，施工人员对周围环境逐渐了解，对于人员的安全培训教育、隐患排查与监管力度进一步加强，相比1～3月风险有所下降，在第18个月风险水平恢复原始水平。

3.2 施工风险的系统动力学仿真分析

本文选取人员、环境、材料/设备、管理4个风险子系统作为变量，分析各个子系统的变化对地铁盾构施工风险系统的影响。在保持地铁盾构施工其余风险子系统不变的情况下依次将各子系统的风险值降低10%，观察其对系统风险的影响，具体模拟值如图4所示。R0表示初始风险水平；R1表示人员风险减少10%，其余子系统风险水平不变；R2表示材料/设备风险减少10%，其余子系统风险水平不变；R3表示管理风险减少10%，其余子系统风险水平不变；R4表示环境风险减少10%，其余子系统风险水平不变。根据仿真模拟的结果计算R0曲线的施工风险平均值为5.69，R1、R2、R3、R4的施工风险平均值分别为5.17、5.56、5.27、5.15。用R0情况下的施工风险平均值减去R1、R2、R3、R4情况下的施工风险平均值再除以R0的值，得到的结果为0.090、0.022 9、0.073、0.095。可见，当每个子系统的风险减少10%时，环境风险和人员风险对系统风险的影响最大，管理风险和材料/设备风险对系统风险的影响次之。这是由于此地区地下管线复杂、施工地质条件较差、黄土的湿陷性程度大等加剧了施工过程中产生的不均匀沉降。施工作业环境的不适宜在一定程度上影响作业人员的生理和心理状态，加大了安全管理的难度。

现对风险系统中的变量进行灵敏度分析，采取控制变量的方法，每次只将子系统中的一个风险因素增加5%，其余风险因素保持不变，仿真模拟得出其对系统风险的影响程度。在人员系统中，驾驶人员技能水平、身心素质对系统风险的影响较大，其余因素影响较小；在材料/设备系统中，设备选型的合理性、材料质量对系统风险的影响较大，其余因素影响较小；在环境风险系统中，黄土的湿陷性程度、地下水位对系统风险的影响较大，其余因素影响较小；在管理风险系统中，技术交底落实程度、安全隐患及排查情况和人员岗前教育培训情况对系统风险的影响较大，其余因素影响较小。

湿陷性黄土地区地铁盾构施工的风险明显区别于其他地区，为保证地铁盾构作业的安全施工，现提出以下风险应对策略：

(1)环境子系统对施工风险的影响最大。在项目的建设前期，勘察监测单位加强地质勘探工作，获取真实的地质勘探资料；根据地质勘探资料选择合适的盾构设备；施工时采取有效的土体加固与降排水措施，现场做好监控监测工作；加强地铁盾构施工区间的安全管理，重点控制盾构设备掘进时的掘进速度、泥浆和出土量等关键施工参数，降低环境对施工安全的影响。

(2)人员子系统对施工风险的影响次之。盾构机作为一种大型的特种作业设备，驾驶人员的技能水平对系统安全的影响较大，应在上岗前仔细检查驾驶人员的技能水平、上岗证书及各种手续；驾驶人员应身心健康，无不良嗜好；地下施工环境较差，驾驶人员应合理安排休息时间，连续工作应为4小时，超过4小时应实行换班制度；对施工作业人员定期开展安全教育培训，提高其安全意识，加大专项施工方案的监督力度，落实技术交底等工作，合理安排施工进度，严格控制材料质量等。