基于集對分析的地鐵隧道塌方風險評價

夏超　李潔??

摘要：為了預防和控制地鐵施工塌方事故的發生，對塌方原因進行研究，基于集對分析的綜合評價方法，對相應的集對聯系度進行定義，并確定聯系數，最終確定了導致地鐵隧道塌方的6類主要因素，建立地鐵工程塌方風險初步評價指標，并經過工程實例得到權重指標和聯系數確定各因素風險大小。結果表明：基于集對分析的綜合評價方法能夠從人為、勘察設計、施工技術、施工環境、施工管理5方面識別出可能造成塌方的14個風險因素，并確定出施工項目中的最大的風險因素，方便管理者提出相應的應對方案，使塌方風險降到最低。

關鍵詞：隧道塌方； 聯系數； 集對分析； 控制措施

中圖分類號：U458.3 文獻標志碼：B

Abstract： In order to prevent and control the collapse accidents that happen in subway tunnel construction， the causes of the collapses were studied； based on set pair analysis， corresponding set pair connection was defined， and six principal factors that cause the collapses were determined. Indicators for preliminary evaluation of collapse risk were established， and weight index and connection number were found in practical projects to be the indicators of risk. Results show that 14 factors will be indentified by the comprehensive evaluation measure based on set pair analysis， including the one that causes the biggest risk.

Key words： tunnel collapse； connection number； set pair analysis； control measure

0 引 言

隨著社會經濟與科學技術的飛速發展，世界上許多大城市對于地下交通系統產生了很大的需求。目前，中國有28個城市地鐵正在運營，38個城市地鐵正在建設，規劃的總路程超過6 880 km，總投資額超過2.5萬億[1]。到2020年，將有超過50個城市達到建設地鐵的條件。然而，復雜的工程環境中潛藏的一些危險因素，會導致地鐵施工時出現一些安全事故。據國家安全生產安全監督管理總局網站對近十五年地鐵事故進行的統計，可以判別事故類型的有140起，其中有73起是坍塌事故，在這73起坍塌事故中有42起是地鐵隧道塌方事故，為了預防和控制塌方事故的發生，需要對塌方風險進行研究[2]。

1 塌方原因及研究方法

地鐵隧道工程的施工具有環境復雜、施工難度大、技術要求高、工期長、對環境影響控制要求高等特點，是一項相當復雜的高風險性系統工程。隧道塌方事故發生有隧道工程發展過于迅速，技術支撐和管理制度不能相應跟上的客觀原因，也有施工方安全意識不強，應對方法不夠全面的主觀原因。隧道發生塌方，不僅會造成慘重的人員傷亡和經濟損失，還會在社會上形成惡劣的影響，嚴重干擾工程的順利實施。因此對隧道塌方的風險進行分析，制定預防應對措施是很有必要的。

目前，國內對于隧道塌方的風險評價研究并不少，周峰運用模糊層次評估模型對青山崗隧道出口淺埋偏壓段的塌方風險進行評估[3]；王燕采用事故樹方法對塌方風險的可能性進行估計[4]；童祥則提出基于ANP的鐵路隧道塌方風險評價方法[5]；陳潔金等建立了山嶺隧道塌方風險的模糊層次分析方法[6]。由于不同隧道工程的塌方風險因素不一樣，隧道塌方的風險因素往往具有隨機性、復雜性，而且在實際工程中，塌方風險影響因素同時具備確定性與不確定性信息。因此，模糊綜合評價方法對信息的描述并不完整，難以全面地反映風險影響因素信息的確定與不確定性特征，而集對分析方法可以有效解決這一問題，并能有效地刻畫出確定與不確定性的對立統一關系，為地鐵隧道的塌方風險評估提供新途徑。

本文針對具體的地鐵工程項目實際情況的分析以及對工作人員的訪談得到該具體工程項目的塌方風險評價指標，然后將基于集對分析的綜合評價模型應用到隧道塌方的風險評價中，得到最終評價結果，以此為據制定決策、控制風險，希望能為今后隧道施工中對塌方的事前評價與決策提供相關的依據[7-10]。

2 基于集對分析的綜合評價方法

2.1 集對分析理論概述

集對分析理論是中國學者趙克勤研究員于1989年提出一種新穎的確定和不確定系統分析理論，該理論基于哲學中的對立統一、認識層次的相對性和普遍聯系的原理。通過同異反完整有效刻畫確定不確定系統的對立統一關系，并以聯系數描述系統中確定和不確定性的相互聯系、相互影響與相互制約的關系，實現整體和局部全面的辯證分析和數學處理，為統一處理確定和不確定性關系提供了新思路。

3 地鐵隧道塌方風險評價指標

為準確評估地鐵隧道塌方的風險程度，需要建立一個系統、全面的風險指標體系。

本文在參考其他塌方風險辨識框架的基礎上，采用5M1E的分析方法將塌方風險因素分為5類：人的因素、材料與設備因素、技術因素、環境因素和管理因素[11]。通過對案例的整合分析和對隧道工作人員進行訪談發現勘察設計因素作為對塌方影響重大的因素也不可或缺，因此最終確立了導致地鐵隧道塌方的6類主要影響因素：人的因素、材料與設備因素、勘察設計因素、技術因素、環境因素和管理因素，建立了關于地鐵工程塌方風險的初步評價指標，如表1所示。

4 案例分析

4.1 工程概況

4.1.1 工程背景

位于松江區內的上海地鐵某盾構區間，左線盾構全長為2 527.48 m，右線盾構全長為2 526.54 m，單線全長為5 054.02 m。區間隧道的縱坡呈“V”字型，它的最大坡度達到30‰。根據地質勘查報告，在45 m深度范圍內車站地基下的土均為松散沉積物，主要由淤泥質土、飽和黏性土、砂土組成。

4.1.2 工程項目特點

在施工環境中下，淤泥質土和飽和黏性土在動力作用下容易破壞土壤結構，降低土體強度。

車站標準段基坑開挖深度為18.5 m，南北端頭井基坑深度約為21 m，地下連續墻端頭井鋼筋籠吊裝難度大，開挖難度大，施工風險高。

4.2 項目評價指標確立

上文中已經得到關于地鐵隧道塌方風險因素的初步指標體系，針對實例隧道，需要進一步對評價指標進行分析。通過對該項目的高級技術和管理人員就分類體系和評價指標進行意見訪談，對該工程項目的特征和技術難點進行分析，除去可能導致塌方發生的微小概率或者難以控制的風險因素。在進行2輪德爾菲式調查之后，建立了最終的地鐵隧道塌方風險評價指標，如表2所示。

4.3 問卷調查與權重分析

在本工程實例中，因素權重的確定通過發放調查問卷、采用AHP法評估得到。調查問卷由3個部分組成：一是對被調查者的背景進行簡單的了解，詳見表3，通過分析，被調查者的項目經驗豐富，受教育程度高，符合這次調研的要求；二是對分類體系和評價指標進行一定的說明，方便被調查者在填寫問卷前對各個風險因素有一定的認識和理解；三是對AHP方法的簡單介紹以及作答的一些要求。在比較層級設置方面，本問卷采用了1～9 級評分制，最后根據一致性指標C.R.<0.1與否作為判斷依據。本文請該工程項目的高級技術和管理人員對各級指標權值進行打分，構造出比較矩陣，經過計算，通過了一致性檢驗分析，最后得到的各級指標權重見表4。

4.5 應對控制措施

考慮到風險發生的突然性，在進行風險評價時不僅要考慮到塌方總體風險等級，而且還要考慮單個因素的風險等級，針對高風險的風險因素采取措施，降低塌方事故發生的概率。從表5中可以看出總的系統風險等級為三級，根據風險接受準則，需要制定詳細的管理計劃來避免風險，也可以通過提高各一級指標中的主要的影響因素來實現。當風險因素細分到二級指標中，排名前6的因素分別是地質條件、地下水、施工方法、支護、降排水和施工組織。因此，可以采取以下措施來降低和避免風險：在環境因素方面，針對復雜的地質條件和地下水，對洞口地基進行加固，嚴格控制洞口土體加固質量，加強洞口土體穩定性，采用止水帷幕阻止基坑底地下水流入基坑；在技術因素方面，針對施工方法，需要專家和技術人員通過勘察數據合理制定，并在開挖過程中隨著反饋回來的數據做好隨時變更的準備；針對支護和降排水，采用真空深井進行基坑降水加固，根據承壓水水頭情況，設計基坑降承壓水，并編制針對性強的降水施工方案，提高排水設備的效率；在管理因素方面，針對施工組織，應加強作業人員的安全意識培訓，遵守規章制度和作業規程，這樣可以逐步提高整個系統的安全度。

5 結 語

本文針對地鐵隧道施工中塌方事故的高發性，嘗試構建出基于集對分析的綜合評價模型來對隧道塌方風險進行評價，通過上海地鐵的施工實例來驗證模型，主要成果如下。

（1）針對上海地鐵某盾構區間隧道從人的因素、勘察設計因素、技術因素、環境因素、管理因素5個方面識別其可能造成塌方的14個風險因素。

（2）運用集對分析的方法分析14個風險因素，得出該工程塌方的總風險等級為三級，其中地質條件、地下水、施工方法、支護降排水和施工組織這幾個風險因素需要重點關注，并提出了相應的管理應對方案，使管理者充分做好應對控制措施，將隧道塌方風險降到最低。

參考文獻：

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[2] 王夢恕，張成平.城市地下工程建設的事故分析及控制對策[J].建筑科學與工程學報，2008，25（2）：1-6.

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[4] 王 燕，黃宏偉，薛亞東.鉆爆法施工隧道塌方風險分析[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2009，25（1）：23-27.

[5] 童 祥.基于ANP的鐵路隧道塌方風險評價研究[J].鐵道標準設計，2011（7）：74-77.

[6] 陳潔金，周 峰，陽軍生，等.山嶺隧道塌方風險模糊層次分析[J].巖土力學，2009，30（8）：2365-2370.

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[10] 馮玉國，王渭明.基于集對分析同一度的基坑支護方案綜合評價[J].巖土工程學報，2008，30（9）：1389-1392.

[11] 游鵬飛.地鐵隧道施工風險機理研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[責任編輯：高 甜]