地鐵工程施工安全風險識別規則

余宏亮， 丁烈云， 余明暉

(華中科技大學 a．土木工程與力學學院;b．系統工程研究所，湖北 武漢 430074)

地鐵工程是一項復雜的高風險性建設工程。我國地鐵工程建設規模逐年擴大，但地鐵施工安全事故頻發。以深圳地鐵工程為例，僅2009年7月就發生傷亡事故4起，死亡5人［1］，2010年2月9日又發生一起塌方事故［2］。

目前，地鐵工程規模大、發展快，技術和管理力量難以保證［3］，對風險辨識不細致全面、風險控制措施不到位。在缺乏地鐵工程施工風險識別工程師的情況下，如何將專家經驗和規范中的風險識別知識結構化，通過計算機自動識別風險，具有理論研究和工程實踐價值。實現上述目標的前提之一是建設較完善的地鐵工程施工安全風險識別知識庫，而如何從文獻、技術文檔及專家經驗中將零散、重復、模糊的風險識別知識抽取出來，形成風險識別規則是知識庫建設的重難點。

國內外學者在地鐵隧道、公路隧道風險評估方面作了大量的研究，國際組織ITA、ITIG分別發表相關的國際風險評估需求和指南［4，5］，對風險評估過程、評估方法給出了建議。Molag給出了隧道設計和運營維護階段危害識別(Hazard Identification)的適用方法［6］。王振飛針對具體工程采用WBS分解、核查表、專家問卷相結合的方法識別工程風險［7］，周紅波等引入 WBS-RBS識別地鐵基坑工程風險因素或風險事件，并對風險因素進行敏感性分析［8］，同濟大學黃宏偉基于風險數據庫開發了盾構隧道施工風險管理軟件(TRMl．0)［9，10］，但該數據庫僅列出風險與致險因子表，未建立風險識別規則。綜上所述，國內外學者在風險識別、風險評估方面提出了若干有價值的工作流程和方法，但如何建立風險識別規則庫，實現地鐵工程施工安全風險識別則少有文獻涉及。

風險識別規則獲取的簡便性，規則描述的準確性、完備性，直接影響風險自動識別系統推理的準確性和高效性。因此，本文首先提出了地鐵工程施工安全風險識別規則的定義，然后詳細描述風險識別規則的獲取過程，并給出基于擴展產生式表示風險識別規則和風險識別規則的結構化存儲方法，最后給出風險識別規則的應用案例。

1 施工風險及風險識別規則

1．1 地鐵工程施工風險及風險識別規則的定義

地鐵工程施工風險是指在地鐵工程施工過程中，發生經濟損失、人員傷亡、環境影響、工期延誤或耐久性降低等情況的不確定性。本文著重研究地鐵工程施工階段與安全管理直接相關的風險，并將之分為技術風險、地質風險和環境風險。根據《地鐵及地下工程建設風險管理指南》［11］闡述的風險發生機理，其風險作用鏈如圖1所示。

圖1 風險作用鏈

工程技術參數的具體取值決定存在哪些致險因素，致險因素的不同組合決定風險事件發生的可能性，風險事件的發生成為導致損失的直接原因，損失的發生說明實際結果與預期結果存在差異，于是風險事件的可能性及其損失的組合［12］——風險就產生了。以基坑底流砂風險為例:技術參數“基坑底地層”、“基坑內外水頭差”的取值分別為“粉細砂”、“基坑內外水頭差為4．5 m”等，說明存在“基坑底軟弱非粘性土”、“基坑內外水頭差大”等致險因素，若干致險因素綜合作用，引發“流砂”風險事件，引起基坑底土層破壞，延誤工期，搶險造成經濟損失，導致工程實際狀況與預期結果差異，產生了“基坑底流砂風險”。

本文將獲取技術參數、識別致險因素和風險事件的過程定義為風險識別。風險識別規則就是描述致險因素的不同組合導致風險發生的可能性。用自然語言一般描述為:如果(存在……條件)那么(可能產生……風險)。例如:如果(地鐵車站基坑外側開挖范圍內存在淤泥層)那么(可能會發生基坑側壁滲漏風險)。

1．2 風險識別規則的獲取與表示

地鐵工程施工安全風險識別規則一般從三類風險辨識知識中獲取:一是設計施工規范及手冊中總結的確認性知識;二是從論文中的統計模型獲取的經驗性知識;三是專家的隱性知識。風險識別規則采用擴展的產生式表示為:IfeThenh(CF(h，e)，λ)，其中前提條件e為可能發生風險的致險因素的組合，表示為e1(ω1)∧e2(ω2)∧e3(ω3)…形式，每個致險因素ei均具有權重(ωi)和取值可信度CF(ei);CF(h，e)為規則的可信度;h為結論，即風險事件。

1．2．1 風險識別規則的獲取方法

風險識別規則的結論h，即風險事件，可通過查閱地鐵工程設計施工規范和技術手冊，檢索科技文獻進行歸納總結;風險識別規則前提條件e，即致險因素組合的確定是難點，需解決3個技術問題:(1)確定規則前提中包含的致險因素;(2)確定致險因素的權重;(3)確定致險因素取值的可信度。

1．2．1．1 確定規則前提中包含的致險因素

確定可能導致風險事件的致險因素一般需完成下列3個步驟:

步驟1:選取一個風險事件，通過查閱施工手冊和科技文獻了解風險事件的定義，通過人工識別定義中的工程術語和關鍵詞，可以初步列舉出致險因素。例如:風險事件基坑底部土體突涌的定義如下:當上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時，基坑開挖可能引起承壓水頭壓力沖破基坑底不透水層，造成突涌現象。

根據基坑底部土體突涌的定義識別出術語/關鍵詞，推理出可能的致險因素，如表1所示。由推理過程可知，該風險事件具有①～⑤這5個關聯致險因素，但這些致險因素的選擇和推理路徑多從定性角度考慮，在風險發生機理層面論述較少。

表1 致險因素推理識別

上述分析方法適用于風險定義清晰，作用機理明確的風險事件，對于存在定義模糊性或爭議性的風險事件，現階段還需由專家根據施工經驗給出致險因素。

步驟2:對于適宜建立力學分析解析模型或存在解析經驗公式的風險事件，從可靠度分析理論出發，建立其極限狀態函數。從極限狀態函數的自變量入手，獲得致險因素。

例如:基坑底部土體突涌穩定性的極限狀態函數［12］為:

g(R，S)=γm(Hd+Δh)－1．1·Pw

式中:γm為透水層以上土的飽和重度;Hd+Δh為透水層頂面距基坑底面的深度;Pw為含水層承壓水頭壓力。

從極限狀態函數分析，基坑底部土體突涌風險事件的致險因素至少包括:(1)基坑底土質條件;(2)圍護樁(墻)嵌入深度Hd;(3)圍護樁(墻)底部距透水層頂面距離Δh;(4)承壓水頭壓力Pw。步驟2的分析結果驗證了步驟1定性分析結果的正確性。

對于不適合建立解析模型的風險事件，利用數值模擬方法建立仿真模型，其模型中的參數亦可作為風險致險因素的來源。例如:在模擬隧道開挖對周邊地下管線影響時，數值仿真模型中考慮管線的埋深、走向，隧道、土體、管線的材料物理力學參數等，這些參數綜合分類后形成致險因素集。

步驟3:綜合步驟1、2，結合工程實踐和專家經驗，最后形成風險事件的致險因素集。

1．2．1．2 確定致險因素權重

致險因素權重的含義是該致險因素對于風險發生的貢獻度，是一種重要程度的期望值，通過比較不同因素間相互關系，取值大小反映了重要程度。本文提出一種適合地鐵工程風險因素分析權重取值的計算方法。主要包括兩個步驟:專家群決策確定權重初始值;基于參數靈敏度分析修正權重值。

步驟1:通過風險發生機理分析，可以初步確定致險因素的種類和數量及相互關系，將其分為關鍵因素集合和非關鍵因素集合，關鍵因素集合權重之和大于0．5，各因素權重初始取值采用專家群決策確定。

步驟2:通過建立風險事件的故障樹，采用敏感性分析方法確定各致險因素(基本事件)對風險事件(頂事件)的貢獻程度，從而獲得致險因素的修正權重。其計算方法如下:

(1)計算最小割集

故障樹最小割集通過布爾運算求得，設為{Ki，i=1，2，…，n}，Ki為第i個最小割集。

(2)頂事件概率

通過下式計算頂事件概率

式中，P(T)為頂事件T的概率值。

(3)致險因素敏感系數

通過下式可以計算故障樹頂事件中各基本事件(致險因素)的敏感系數

式中，Ig(i)為第i個風險因素的敏感系數。

(4)修正初始權重值ωi

根據計算的致險因素敏感系數，修正初始權重值

其中ωi'為修正后的權重值，ωi為原權重值。

1．2．1．3 確定致險因素取值的可信度

各致險因素技術參數取值不同，構成識別規則前提條件中各致險因素的可信度不同。其可信度的含義是:該因素能成為致險因素的可能性。越不易成為致險因素的取值，其可信度越小，例如:基底地層=“弱風化巖”，其發生流砂的可能性非常小，可信度取值為0。

各致險因素的值域可分為兩類:一類是離散確定性取值，一類是連續型取值。對于致險因素離散確定性取值，其可信度取值也是離散值;而致險因素連續型取值，其可信度的取值可采用分段函數，分段的界限值來源于機理分析中的理論計算或經驗公式。

例如:對于基坑底流砂(土)風險，致險因素之一:圍護樁(墻)入巖狀態，其狀態值為離散確定型，入巖取值為1，未入巖取值為0。對應的證據可信度分別取0和0．7。

另一致險因素:基坑內外水頭差x(m)，其值為連續型，用CF(ei)來描述基坑內外水頭差可信度取值。根據基坑底流砂流土失穩的極限狀態函數g(R，S)=γsatH1=γwΔh可知，基坑內外水頭差Δh與基坑底降水深度H1成線性關系(γsat/γw近似為常量)，CF(ei)可用分段函數表達:

分段界限值2 m，4 m來源于工程經驗公式和極限狀態計算。

1．2．2 風險識別規則的表示方法

根據上節描述的風險規則獲取方法，對每一條規則，確定其結論h和前提e，特別是對e中各致險因素的組合及其權重的確定，最終形成的風險識別規則采用擴展產生式表示。以地鐵車站基坑底流土(砂)風險識別規則為例，形成的風險識別規則如表2所示。表2中，e1～e6分別代表致險因素:(1)基坑底地層土質;(2)鉆孔灌注樁入巖狀態;(3)基坑內外水頭差;(4)基坑底軟弱地層加固;(5)鉆孔灌注樁入土比;(6)基底土層厚度。

表2 風險識別規則擴展產生式表示舉例

2 風險識別規則的結構化存儲

采用關系模型結構化擴展產生式規則，將規則前提、規則、規則結論分別結構化存儲在幾張有關聯的數據表中，減少了規則組合數，避免“組合爆炸”，其數據結構設計如圖2所示。其中:事實詞條表的作用是保證規則描述術語的一致性;規則前提表描述各類致險因素的不同狀態，通過前提編碼字段與規則表中的規則前提描述關聯;規則表是整個風險識別數據庫的核心，它與規則結論表聯合，描述擴展產生式IF e THEN h(CF(h，e)，λ)的基本結構，規則表設計中根據地鐵工程施工安全風險識別知識的特點，增加了工點分類、工法分類，增加了規則組的概念，增強了規則間的關聯性，減少了推理機的搜索空間，提高了推理效率;結論解釋表描述風險識別結果的特征及風險控制方法。

圖2 風險識別規則數據庫結構設計

3 應用案例

基于風險識別知識庫構建技術和工程圖紙計算機識別技術，采用VC++6．0語言編制研發了《基于工程圖紙的地鐵工程施工安全風險自動識別系統》(SRIS)已成功應用于沈陽、武漢、鄭州等城市地鐵工程風險管理中。下面以武漢地鐵二號線螃蟹甲車站工程為例介紹風險識別規則庫的管理及應用。

螃蟹甲車站長度為189．9 m，標準段寬度為18．7 m，基坑開挖深度達17 m，采用明挖法施工。圍護結構采用鉆孔灌注樁外加旋噴樁止水帷幕，布設鋼支撐及混凝土支撐。其施工安全風險識別知識庫中涉及的規則35條，規則前提條件68條，規則結論9條。我們以基坑底流土(砂)風險識別為例，從工程圖紙中獲得的部分技術參數如表3所示。

表3 部分工程技術參數

取表2中規則R1-1、R1-2計算規則前提組合可信度，均不滿足大于規則閾值的要求，取規則R1-3，按公式)計算規則前提組合可信度:CF(e)=0．0 ×0．075+0．56 ×0．15+0．2 ×0．3+0．8 ×0．15+0．2 ×0．075+0．2×0．25=0．329，CF(e)大于規則閾值(λ =0．2)，因此R1-3規則可用。將規則可信度與規則前提組合可信度相乘得到結論可信度:CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0．8 ×0．329=0．263。典型的基坑底流土(砂)風險識別結果界面如圖3所示。

圖3 風險識別結果界面

4 結語

基于本文提出的風險識別規則的前提條件(風險致險因素組合)、結論(風險事件)分析獲取、結構化表示和存儲方法，可系統地整理、轉化地鐵工程設計施工規范、科技文獻中的風險識別知識為計算機系統能管理的風險識別規則庫，為構建地鐵工程施工安全風險自動識別專家系統奠定技術基礎。進一步的研究工作包括:完善地鐵工程施工安全風險識別規則庫，設計多種算法精化致險因素權重及規則可信度，增加基于語義的規則自學習功能等。

［1］ 宋 毅，全良波．深圳地鐵工地十個月因安全事故死亡13 人［N］．羊城晚報，2009-10-28．http://news．ycwb．com/2009-10/28/content_2309047_2．htm ．

［2］ 石 華．深圳地鐵又現塌方［N］．羊城晚報，2010-02-10．http://www．ycwb．com/ePaper/ycwb/html/2010-02/09/content_742109．htm ．

［3］ 錢七虎，戎曉力．中國地下工程安全風險管理的現狀、問題及相關建議［J］．巖石力學與工程學報，2008，27(4):649-655．

［4］ Sφren Degn Eskesen，PerTengborg，Jφrgen Kampmann，et al．Guidelines for Tunneling Risk Management:International Tunneling Association，Working Group No．2 ［J］．Tunneling and Underground Space Technology，2004，(19):217-237．

［5］ The International Tunneling Insurance Group．A Code of Practice for Risk Management of Tunnel Works［S］．2006．

［6］ Molag M，Trijssenaar-Buhre I J M．Risk Assessment Guidelines for Tunnels［C］∥Safe ＆ Reliable Tunnels Second International Symposium．Lausanne，2006:1-10．

［7］ 王振飛．地鐵淺埋暗挖工程施工中的風險管理［J］．隧道建設，2006，26(5):97-100．

［8］ 周紅波，高文杰，蔡來炳，等．基于WBS-RBS的地鐵基坑故障樹風險識別與分析［J］．巖土力學，2009，30(9):2703-2707．

［9］ 黃宏偉，曾 明，陳 亮，等．基于風險數據庫的盾構隧道施工風險管理軟件(TRMl．0)開發［J］．地下空間與工程學報，2006，2(1):36-41．

［10］ 陳 亮，黃宏偉，胡群芳．盾構隧道施工風險管理數據庫系統開發［J］．地下空間與工程學報，2005，1(6):964-967．

［11］ 中國土木工程學會．地鐵及地下工程建設風險管理指南［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．

［12］ 高 謙，吳順川．土木工程可靠性理論及其應用［M］．北京:中國建材工業出版社，2007．