基于熵度量法的兰州地铁盾构施工风险评价

孙艳云

（重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 401120）

城市轨道交通工程作为一项特大型系统工程，不确定因素多，导致近年来我国多市地铁项目施工过程中事故频发[1]，不仅造成了巨大的经济损失，而且严重威胁人们的生命安全，造成恶劣的社会影响。应用科学的方法对城市地铁施工安全风险进行管理日益受到社会的广泛关注。国外较早研究隧道工程的代表人物是Duddeck 教授，其通过隧道工程师面临的挑战分析了隧道工程施工技术的难点和应遵循的理念[2]；国外学者Reilly、Molag 对地下隧道及穿越海峡盾构施工安全的特点管理过程进行深入研究[3-4]。国内最早接触隧道风险理论的学者是毛儒，他介绍了风险管理在发达国家隧道工程运用状况和已取得的经验[5]。我国学者应用各种方法对地下工程建设项目进行较为细致地研究[6-7]。兰州地铁1 号线所处地质情况复杂，施工难度大，下穿黄河，盾构机主要行走于砂卵石地层中，被评为“世界级难题”，因此需要进行针对性地风险评估以保证工程顺利进行。该文从盾构施工技术、周边环境、水文及地质条件、组织管理等方面进行风险分析与评价，以便于对风险跟踪与控制，从而达到降低工程风险的目的。

1 工程概况及水文地质环境条件

1.1 工程概况

兰州市地铁1 号线座落在市区黄河两岸冲积的漫滩及一、二级阶地区，西起西固区陈官营、途经18 个区间站到东岗，全线长26692.363m，都为地下线路，共设车站20 座。最大站间距2334.608m，最小站间距833.825m，平均站间距1334.618m，设车辆段、停车场各一座，主变电站2 座，分别位于西客站和五里铺附近。

1.2 工程地质情况

兰州市位于我国西北地区黄土高原腹部的黄河河谷盆地内，轨道交通1 号线沿线分布地层主要有第四系全新统、下更新统及第三系地层。第四系全新统冲积卵石层分布稳定属低压缩性土，密实状态。第四系下更新统卵石（3-11），泥钙质弱胶结，分布较为稳定，厚度很大。这种卵石属于低压缩性土壤，密实度高，在工程建设中的地质特性良好。而隧道洞室主要位于第三系砂岩（4-2-1）中，这种岩石成岩作用差，属于极软岩，当未进行支护时，洞室的侧壁和顶板很容易变形坍塌，此外，容易遇水崩解成散状。

1.3 水文条件及沿线环境

盆地潜水是兰州市主要的供水水源，其中“三滩”水源为天然动态类型为水文-开采动态类型。地下水位受季节影响变化较大，水位年变化幅度约1.0m～2.0m。地下水含水层厚，渗透系数大，对线路和工程施工的影响较大。

沿线经过多座加油站、企业单位的办公楼、住宅、学校、西站货场、在建深安大桥等；地下电缆、城市给排水等管线密布，部分区间还要下穿越黄河。

2 熵度量法风险评估模型的基本原理及接受准则

2.1 熵度量法风险评估方法

熵的概念源于热力学，是反映自然界热变化过程方向的1个物理量，表示物质系统状态的1 个函数。随着研究的发展，熵的概念逐渐扩张到信息领域，诞生了信息熵的概念。熵的概念如下：评价中所包括的信息量和信息质量直接影响评价的准确性和可靠性，是一种量化信息不确定性的方式，当掌握信息不足时，需要对分布进行预测。此时，应该选择符合约束条件的概率分布，但这个分布的熵值应该是最大的。这是因为在信息不确定性的情况下，熵值最大的分布能够提供最多的信息量[8]，因此熵可用来度量风险。

对连续性随机变量如公式（1）所示。

对离散型随机变量如公式（2）所示。

式中：R为风险值；x为随机变量；F和P分别为连续型和离散型随机变量的概率；f为连续型随机变量的概率密度函数。

熵度量评估模型的主要步骤如下：

设有m个评价指标，n个评价对象，各方案的指标评价值构成原始数据矩阵R′=（r′ij）m×n，通过公式（3）对其进行标准化处理，得到标准化矩阵R=（r′ij）m×n，并进行归一化处理，得到p（xij）。

式中：r′ij为第j个评价人员在第i个指标下的评价值。评价人员j在评价指标i下的熵如公式（4）所示。

在评价问题中，第i个指标的权重如公式（5）所示。

评价问题的风险值定义如公式（6）所示。

2.2 风险接受准则

地铁及地下工程建设期间的工程风险是不可避免的，但是需要评估这些风险是否可接受以及接受程度。这将决定需要采取哪些风险控制对策和处置措施。在风险评估过程中，需要预先确定风险等级和接受准则，以便于更好地评估和管理工程风险。基于风险引发的概率和损失的严重程度，通过调查研究对国际通用的ALARP 风险等级评定准则进行改进，按风险指数的大小在0～1 划分为4 个级别。该文基于这种改进的风险等级判定方法，对兰州地铁1 号线区间盾构施工风险等级进行定义，见表1。

表1 风险熵度量法接受准则

3 地铁区间盾构施工风险评价的指标体系及问卷调查

3.1 盾构施工风险评价指标体系

根据兰州地区的工程地质、水文条件、沿线环境，结合兰州地铁1 号线区间盾构施工过程的具体情况，从很多地铁盾构施工风险因素清单表中选取较重要的风险因素作为兰州地铁1 号线盾构施工风险评价指标，经过分析选取了4 个一级指标，18 个二级指标作为主要风险指标，见表2。

表2 兰州地铁区间盾构施工风险评价指标体系

3.2 调查问卷

二级指标的风险值是根据风险事件发生的概率等级和损失等级标准相结合确定的，它反映了风险事件发生的可能性和后果对风险值的影响关系。也就是说，风险值与风险概率和后果之间存在紧密的相互关系。见表3。熵度量法则根据表3，通过专家对各风险发生的概率以及产生的后果损失进行问卷调查得到底层风险评价矩阵，然后计算各评价对象信息熵和权重；再计算总体风险。盾构施工风险和组织管理风险的主要调查对象为现场施工技术人员，环境风险和自然地质风险调查对象为行业专家共发出问卷20 份，收回18 份。

表3 底层风险因素的风险值与发生概率、后果关系表

4 实例分析

该文选取兰州轨道交通1 号线奥体中心—世纪大道区间盾构施工过程进行实例分析。该区间隧道的建造将使用泥水平衡盾构技术进行施工。盾构进出洞地基加固采用地面0.6m 素地连墙+地面PVC 注浆+地面降水的方法，具体概况如下：区间设计里程为YCK9+908.088～YCK12+028..097，全长2120.009m，均为双线隧道组成，下穿黄河段里程为YCK10+477.000～YCK10+794.000，长度为317m。

在该案例中，选择运用熵度量法对问卷结果进行综合分析，使调查结果能够更好地反映实际风险情况。首先对18份一级指标盾构施工设备风险进行评价。根据表2，一级指标施工风险共包括盾构进出洞加固、盾构区间进出洞、盾构推进、联络通道兼泵房施工、竖井围护开挖及结构施工5 个二级指标。根据现场施工技术人员的调查结果，可得到5×18原始矩阵，如公式（5）所示。一级指标施工技术风险中盾构进出洞加固、盾构区间进出洞、盾构推进、联络通道兼泵房施工、竖井围护开挖及结构施工的信息熵如公式（6）所示。

由此计算可得到施工技术风险下的5 个二级指标的权重，如公式（7）所示。

根据熵度量法的盾构施工风险评估模型，可以得到施工技术风险的风险值，如公式（8）所示。

同理，可得到周边环境风险值、水文及地质风险值以及组织管理风险值。4 个一级指标风险值如下：

通过计算可知兰州地铁1 号线奥体中心～世纪大道区间盾构施工总体风险值，如公式（10）所示。

式中：Eij为第i个一级指标下第j个二级指标的风险；λij为第i个一级指标下第j个二级指标的熵权；λi为第i个一级指标风险的熵权；n为一级指标的个数；m为某一级指标下二级指标的个数。

通过以上计算，根据表1 可得兰州地铁1 号线奥体中心～世纪大道区间盾构施工风险评估结果，见表4。

表4 风险评估结果表

风险管控措施：奥体中心站～世纪大道站区间，总体风险值为0.3360，风险等级为2 级。针对该文的分析，在施工过程中应关注以下4 个方面：1）对深安大桥匝道桩基采用注浆加固，盾构通过期间准备好桩基托换、在隧道与桩基间施作隔离桩等应急处理措施。2）在下穿建构筑物、管线和黄河期间严格控制隧道的中心线，使其尽可能平稳地前进，并采取有效的方法对其进行校正，以提高灌浆的质量，同时最大限度地减少盾构掘进对周边地质环境造成的干扰。3）穿越黄河段盾构推进须做好高水压下盾尾密封失效的预防和处理，漂石、砂卵石地段的掘进处理。4）针对具体的重要建构筑物、管线制定针对性的应急方案。5）运用信息化技术对工程施工进行全面管理，注重安全风险的监控预警。并根据监测中获取的信息，动态调整施工参数，采取必要的措施来保障工程施工的安全。

5 结论

该文采用熵度量法与专家打分法相结合的综合集成法对兰州轨道交通1 号线区间盾构施工工程进行施工风险评价，且提出相应的风险管控措施，不仅充分利用专家打分法便于操作的优点，还引入信息熵概念对风险重要性权重的排序进行一致性的科学检验，弥补了专家打分法主观性较强的缺陷，使风险评价的结果更具说服力。存在的不足之处在于该文在进行兰州地铁风险因素的识别时对人的行为因素考虑较少，因此在以后的研究中会对风险因素的识别方面进一步加强，使评价结果更精确、科学合理。