基于DEMATEL-ANP的盾构隧道二次衬砌施工风险影响因素研究

苏小萌 袁永博

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

0 引言

近年来，地铁成为人们出行的主要交通工具之一。在地铁隧道修建过程中，盾构法因其对周边干扰较小、施工速度快、机械自动化程度高而成为普遍采用的施工方法。施工阶段是地铁项目事故高发阶段，也是风险管理的重要环节[1]。为减少地铁施工阶段安全事故，学者们对该领域开展了大量研究。宫志群[2]将风险辨识方法应用于上海地铁盾构隧道施工风险研究；吴贤国等[3]利用贝叶斯网络分析不同情况下地铁施工风险概率，确定了最主要的风险因素；胡长明等[4]通过建立可拓风险评估模型对盾构隧道施工风险指标进行评价；王建波等[5]根据盾构机施工特点，从人、法、机、环4个方面构建风险评价指标体系，并提出改进的物元可拓风险评价模型。由此可见，大多数学者根据盾构法施工特点和盾构机特性，通过建立风险指标体系对盾构施工过程进行风险评价与分析。

盾构隧道二次衬砌具有耐久性、防水性、安全性等特点。不参与承载的二次衬砌是隧道减震、防水、防腐、防火最有力的保护屏障，因此，对其质量要求极高。施工过程中稍有不慎，不仅会造成施工安全事故，而且会导致隧道开裂、渗水甚至坍塌等质量事故，造成难以估量的生命财产损失[6-7]。因此，有必要对二次衬砌施工阶段的风险管理进行研究。

目前，针对二次衬砌施工过程风险指标体系构建和风险因素的研究较少，且缺乏对风险因素间相互作用关系的分析。基于此，本文识别和梳理盾构隧道二次衬砌施工阶段相关风险因素，建立二次衬砌施工风险影响因素评价体系。通过DEMATEL-ANP风险因素评价模型识别关键风险影响因素，并通过实例验证该模型的科学性与实用性，可为二次衬砌施工阶段风险管理提供参考。

1 二次衬砌施工风险影响因素指标体系构建

基于4M1E理论，本文将盾构隧道二次衬砌施工风险影响因素分为人员、机械设备、材料、技术、环境5个方面进行研究。通过对盾构隧道施工现场进行调研，结合专家意见对风险指标进行筛选，建立盾构隧道二次衬砌施工风险指标体系，见表1。

(续)

2 基于DEMATEL-ANP的二次衬砌施工风险影响因素评价模型

2.1 研究方法概述

决策和评价实验室法(DEMATEL)是一种分析复杂系统中元素之间影响关系及影响程度的方法[8]。网络层次分析法(ANP)是一种针对非独立的因素基于网络结构的决策方法[9]。

DEMATEL法通过定量计算各指标间的影响关系及影响程度识别关键因素，可为ANP的网络结构模型建立基础逻辑关系。ANP法考虑元素间的关联关系和递阶层次内部结构的循环特性，利用关联关系计算指标权重，是一种解决复杂网络结构决策的方法[10]。将上述两种方法相结合可解决单一的ANP计算方法精度不够和主观性较强等问题。

2.2 DEMATEL-ANP模型构建

2.2.1 基于DEMATEL法确定各风险因素间影响关系

盾构隧道二次衬砌施工风险因素间存在错综复杂的影响关系，利用DEMATEL法确定因素间的影响关系及影响程度。具体步骤如下。

2.2.1.1 构建直接影响矩阵

邀请相关领域专家对两两风险因素间的影响程度依照0～3标度法打分。数值越大，代表影响程度越高，0代表无影响。对专家结果取算数平均值，构建直接影响矩阵A，即

A={aij}18×18

(1)

式中，aij表示因素i对因素j的影响。

2.2.1.2 规范直接影响矩阵

对直接影响矩阵A规范化处理，得到规范直接影响矩阵X，即

(2)

2.2.1.3 计算综合影响矩阵

计算综合影响矩阵T，记为T={tij}18×18，得到

T=X(I-X)-1

(3)

式中，I为单位矩阵。

2.2.1.4 计算阈值

为消除二次衬砌施工风险评价指标体系中可忽略的冗余因素影响，对综合影响矩阵选取合理阈值λ。一般λ值由专家经验判断确定[11]，得到处理后的综合影响矩阵G，记为G={gij}18×18。当tij≤λ时，gij=0，代表因素i对因素j的影响可忽略不计；当tij>λ时，gij=1，代表因素i对因素j有影响。为减少专家主观经验的影响，本文取T中各数据的均值作为阈值λ。

2.2.1.5 计算各指标的影响度D、被影响度C、中心度D+C、原因度D-C

中心度越大，说明该因素与其他因素的关联度越高，该因素越重要；原因度>0，说明该因素对其他因素影响较大，为原因要素。反之，代表其受其他因素影响较大，为结果要素。

为保证计算结果的有效性，对问卷信度进行检验。若检验结果高于95%，说明问卷有效。计算公式如下

(4)

问卷信度=1-不一致率=1-

(5)

式中，s代表专家数；aijs代表因素i对因素j的平均影响程度；n代表指标数量。

2.2.2 基于ANP法计算权重

2.2.2.1 构建网络层次结构模型

网络层次结构模型的目标层为盾构隧道二次衬砌施工风险评价。网络层为一级指标Ci(i=1,2,3,4,5),包括人员风险C1等5个指标。二级指标Cij包括工人专业素质低C11等18个指标。根据处理后的综合影响矩阵G确定网络层次结构模型,并将网络结构输入Super Decision软件，进行下一步计算。

2.2.2.2 构造判断矩阵

通过专家问卷结果构造判断矩阵，以Bi为准则层，以Cj中的因素Cjl(l=1,2,…，nl)为次准则，分别与Ci中的因素Cik(k=1,2,…，nk)进行间接两两优势度比较，按照1～9标度法进行重要性判断。1～9标度法含义见表2。

表2 1～9标度法含义

由于重要性取决于专家的主观判断，为保证结果可信度需要进行一致性检验。若CR<0.1，说明结果通过检验。公式如下

(6)

根据重要性比较结果，构建初始判断矩阵Wij，公式如下

(7)

初始判断矩阵Wij中的列向量为一级指标Cj中的二级指标Cjl(l=1,2,…，nl)的相对重要程度排序向量。当Ci不受Cj影响时，Wij=0。

2.2.2.3 计算超级矩阵

当i=1,2,…，n;j=1,2,…，n时，Wij为未加权超级矩阵，得到

(8)

通过一级指标Ci与Cj之间的两两重要性比较，得到一级指标权重矩阵Q，即

(9)

将指标权重矩阵Q与未加权矩阵Wij相乘，得到二级指标Cij的加权超矩阵，公式如下

(10)

(11)

由于各因素之间存在影响关系，需要对加权超矩阵进行稳定性处理，得到极限超级矩阵，公式如下

(12)

在极限矩阵W∞中，若每列数值相加和为1，且每行收敛为相同的数值，该数值即为该行首列因素的全局权重。本文借助SD软件计算得到盾构隧道二次衬砌施工风险的一级指标与二级指标的全局权重以及二级指标的组内权重。

3 案例分析

本文以某项目盾构区间隧道为例，对二次衬砌施工现场风险影响因素进行分析。

3.1 识别指标影响关系

利用DEMATEL法，邀请10名该领域专家对指标进行打分。10名专家均从事多年地铁工程施工安全管理或科研工作，职称为高工或教授，样本可信度较高。

本次调研共发放问卷10份，全部回收，问卷信度为97.36%，信度水平高。依据问卷结果计算风险指标关系直接影响矩阵A，得到综合影响矩阵T以及各指标的影响度、被影响度、中心度和原因度，见表3。

表3 各风险影响因素影响度、被影响度、中心度及原因度

计算综合影响矩阵G，得到

借助SD软件构建盾构隧道二次衬砌施工风险指标网络层次结构模型，如图1所示。

图1 盾构隧道二次衬砌施工风险指标网络层次结构模型

3.2 基于ANP计算风险指标权重

邀请10名专家对各指标间的重要度进行比较。回收的10份问卷全部有效。根据问卷结果计算各指标之间的比较重要度。在一级指标全部评分完毕后，进行二级指标之间的两两重要度比较。以此类推，直至完成所有指标之间的重要度两两比较，并检验结果的一致性。

通过SD软件计算未加权超级矩阵，再计算加权超级矩阵和极限超级矩阵，得到所有指标的权重结果及排序，见表4。由表4可知，某项目盾构隧道二次衬砌施工风险评价一级指标全局权重QCi=(q1,q2,q3,q4,q5)=(0.364 44，0.204 87，0.063 44，0.250 19，0.117 06)。二级指标组内权重QCij=(q11,q12,…,q54)=(0.070 31,0.070 55,…,0.029 75)。二级指标全局权重WCij=(w11,w12,…,w54)=(0.025 63，0.025 71，…，0.003 48)。

3.3 结果分析

3.3.1 基于DEMATEL的计算结果分析

中心度最高的前4个关键因素为现场管理不到位、人员违规操作、台车未固定到位、作业空间狭小。

(1)人员因素维度。工人专业素质低、安全意识差、现场管理不到位、安全教育不足均为原因指标，需要在施工时重点关注。其中，现场管理不到位中心度最高，是引发该项目风险的关键原因。

(2)机械设备维度。台车进出场检查不到位、台车未按安全要求装卸及使用、台车未固定到位均为结果指标。其中，台车未固定到位中心度最大，表明该指标与其他指标关联密切。

(3)材料风险和技术风险均为结果指标，说明受其他风险影响较大。

(4)环境维度风险中的各因素均为原因指标，说明作业环境管理对施工风险控制较为重要。其中，作业空间狭小的中心度最大，是引发其他风险的重要原因。这一结果也符合该项目的实际情况。

表4 风险指标权重及排序

3.3.2 基于ANP的计算结果分析

(1)人员因素所占权重最高，为0.364 44，其次是技术风险、设备风险和环境风险，材料风险权重最低，这与项目实际情况相符。

(2)二级指标权重最高的三个指标为人员违规操作、混凝土浇筑不连续、台车未固定到位。对于该项目而言，应加强安全教育以及监督力度，尽量避免工人违规操作；及时整改材料乱堆放的问题，预留作业空间，避免材料运输不及时以及混凝土浇筑不连续导致严重的质量缺陷；台车固定时需严格按照技术交底执行，严格检查台车固定情况，防止其在施工过程中移位、上浮等，进而造成安全事故。

4 结语

综上所述，本文研究结论如下：

(1)依据4M1E理论，结合文献梳理结果、相关事故数据和施工标准，参考专家意见构建盾构隧道二次衬砌施工风险指标体系。

(2)将DEMATEL法与ANP法相结合，构建基于DEMATEL-ANP的盾构隧道二次衬砌施工风险影响因素评价模型，并以某项目为例计算各风险因素影响度，识别各维度中的关键影响因素，列出原因指标和结果指标。同时，将风险权重排序，针对风险权重较高的前三个因素提出应对措施。

(3)通过将计算结果与实际情况进行比较，验证该评价模型的合理性与可行性。