基于DEMATEL-ISM的隧道施工塌方事故影響因素分析

劉桂權(quán)　彭福淋

摘 要：隧道施工塌方事故由于水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多變、施工技術(shù)難度大等問題，導(dǎo)致隧道施工塌方事故發(fā)生的影響因素之間的層級(jí)作用關(guān)系不清。在文獻(xiàn)研究和專家調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照建模步驟構(gòu)建DEMATEL-ISM模型，通過DEMATEL可以估計(jì)隧道施工塌方事故各影響因素的影響程度，并且ISM可以將隧道施工塌方影響因素之間的層級(jí)關(guān)系清晰展示，從而找出造成隧道施工塌方事故的直接因素、間接因素和根本因素，以及各影響因素之間的作用關(guān)系。

關(guān)鍵詞：隧道工程;塌方事故;影響因素;DEMATEL-ISM模型

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.070

0 引言

截至2019年末，全國(guó)建成運(yùn)營(yíng)鐵路隧道16084座，總長(zhǎng)約18041km，全國(guó)建成運(yùn)營(yíng)公路隧道19067座，總長(zhǎng)度為18966.6km。在隧道施工大規(guī)模建設(shè)的同時(shí)，礦山 [2017 ]41號(hào)文指出，2013年—2017年我國(guó)發(fā)生隧道施工事故39起，導(dǎo)致107人死亡，204人受傷，隧道施工安全生產(chǎn)問題突出。而隧道施工塌方事故是隧道施工事故類型中最為常見，張軍偉對(duì)89起隧道施工事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)塌方事故占隧道事故總數(shù)的55.06%。目前雖然對(duì)于隧道施工塌方事故研究也越來越多，但對(duì)于隧道施工塌方事故影響因素的層級(jí)劃分和作用關(guān)系界定還很少。本文綜合運(yùn)用決策試驗(yàn)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)法（DEMATEL）與解釋結(jié)構(gòu)方程模型（ISM）兩種方法，探討隧道施工塌方事故的影響因素以及因素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1 隧道施工塌方事故影響因素提取

造成隧道施工塌方事故的影響因素有很多，許多學(xué)者對(duì)隧道施工塌方事故展開了研究。翟友成（2016）認(rèn)為隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)來源于工程地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特性、隧道結(jié)構(gòu)特性、開挖、支護(hù)等方面，運(yùn)用非線性模糊評(píng)價(jià)理論評(píng)判了隧道施工整體的塌方風(fēng)險(xiǎn);王迎超（2016）在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，篩選出隧道施工塌方主要影響因素，發(fā)現(xiàn)地下水以及隧道圍巖情況對(duì)塌方的影響最大;孟超（2018）綜合運(yùn)用ISM和信息熵的方法對(duì)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，研究表明開挖方式的選擇、地下水的發(fā)育程度、不良地質(zhì)是隧道施工塌方的關(guān)鍵致因;劉燦（2020）將隧道施工塌方影響因素細(xì)分為12個(gè)，研究發(fā)現(xiàn)降雨量、隧道跨度、圍巖級(jí)別、隧道埋深是隧道施工塌方的關(guān)鍵因素。

結(jié)合已有的隧道施工塌方研究成果，將統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)中頻數(shù)大于2次的因素作為備選因素，按照風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的根源將隧道施工塌方影響因素分為四類，分別是人員及施工安全管理、施工質(zhì)量、施工影響、水文地質(zhì)因素，建立如下隧道施工塌方事故影響因素體系，如圖1。

2 隧道施工塌方事故影響因素DEMATEL-ISM模型構(gòu)建

綜合運(yùn)用DEMATEL和ISM兩種研究方法可以得到系統(tǒng)因素之間影響程度以及系統(tǒng)內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)。

按照以下步驟構(gòu)建模型：

（1）確定隧道施工塌方事故的影響因素，對(duì)隧道施工塌方事故影響因素進(jìn)行編號(hào)，表示為xii=1，2，3…。

（2）根據(jù)專家意見，建立直接影響矩陣X=aijn×n，在直接影響矩陣X中，aij表示的是隧道施工塌方影響因素之間影響的強(qiáng)弱程度，其取值分為0、1、2、3，aij=3xixj對(duì)xjxi有高影響2xixj對(duì)xjxi有中影響1xixj對(duì)xjxi有低影響0xixj對(duì)xjxi無(wú)影響。

（3）規(guī)范化矩陣W是由矩陣X按照如下計(jì)算式計(jì)算得到：

W=1max1SymbolcB@iSymbolcB@n∑nj=1xijX。

（4）對(duì)矩陣W進(jìn)行如下運(yùn)算：B=liml→SymboleB@（W+W2+…+Wl）=W（I-W）-1，得到矩陣B即綜合影響矩陣B=bijn×n，綜合影響矩陣B可以反映隧道施工塌方影響之前的作用關(guān)系，以及影響程度的大小。

（5）得到綜合影響矩陣B之后，就可以進(jìn)一步對(duì)隧道施工塌方影響因素之前的關(guān)系進(jìn)行分析。對(duì)于影響度D可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

Di=∑nj=1cij（i=1，2，…，n）

對(duì)于被影響度F可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

Fi=∑nj=1cji（i=1，2，…，n）

（6）由綜合影響矩陣與單位矩陣之間的關(guān)系，可以計(jì)算得到可達(dá)矩陣M=mijnxn。

（7）在可達(dá)矩陣的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道施工塌方事故影響因素進(jìn)行層級(jí)劃分。

3 塌方事故影響因素結(jié)構(gòu)分析

3.1 DEMATEL-ISM模型應(yīng)用

按照上述建模步驟，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道施工塌方事故影響因素進(jìn)行量化，得到隧道施工塌方事故影響的直接影響矩陣X。在此基礎(chǔ)上由步驟4～5得到隧道施工塌方事故各因素影響程度，如表1。

由步驟（6）～（7）進(jìn)行層級(jí)劃分，可將隧道施工塌方事故影響因素劃分為5個(gè)層級(jí)，如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

應(yīng)用DEMATEL-ISM模型得到主要結(jié)論如下：

（1）隧道施工塌方事故影響因素間呈分層作用關(guān)系。由圖2可知隧道施工塌方事故影響因素分為五個(gè)層級(jí)。①第一級(jí)包括屬于施工影響維度即隧道施工過程中這些因素使得施工擾動(dòng)過大，稱為直接影響因素;②第二級(jí)和第三級(jí)因素反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工質(zhì)量差，是間接影響因素;③第四級(jí)和第五級(jí)反映了可能造成隧道施工塌方事故的施工準(zhǔn)備不足，是影響隧道施工進(jìn)度的根本因素。

（2）層次結(jié)構(gòu)表明，隧道施工塌方事故影響因素之間遵循著以下因果路徑關(guān)系：隧道施工準(zhǔn)備不充分→隧道施工質(zhì)量差→隧道施工影響大→隧道施工塌方事故，而管理因素伴隨整個(gè)施工過程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用DEMATEL-ISM對(duì)隧道施工塌方事故影響因素進(jìn)行分析，明確了隧道施工塌方事故影響因素之間的影響關(guān)系，包括影響程度以及致因路徑，為隧道施工塌方研究提供參考。在隧道實(shí)際施工過程中還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）做好隧道施工監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)隧道施工過程中地質(zhì)變化，加強(qiáng)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理和安全檢查;（2）從塌方事故的致因路徑進(jìn)行防控。

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