綜合管廊全壽命風險識別與評估

聶長強，付偉慶,2，黃劍，王建

(1.青島理工大學 土木工程學院, 山東 青島 266033；2.青島理工大學 藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心, 山東 青島 266033；3.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092)

中國處于城市綜合管廊建設大發展階段，因綜合管廊存在技術綜合性強及管線高度集中等特點，導致管理經驗滯后、維護困難等問題，在策劃、設計、施工與運營等多方面存在風險。目前國內外對管廊風險做了大量研究。強萬明等[1]在風險識別中運用層次全息模型法構建了綜合管廊安全風險辨識體系。黃萍等[2]運用事故樹法分析了綜合管廊施工階段影響安全的因素。李芊、陳雍君等[3-4]運用在運營階段進行風險識別，并建立了城市地下綜合管廊運維風險評價指標體系。Jang等[5]識別出綜合管廊燃氣泄漏及瓦斯爆炸的風險因素，并推進了安全措施進行改進。Niira等[6]識別出日本綜合管廊發生水災的風險因素，對設計防水設施提供參考。

綜合來看，現有管廊安全評估研究主要針對某一特定事故或項目某一階段過程，缺乏對管廊建設在全過程和全覆蓋面上的風險識別與評估。本文分策劃、設計、施工與運營四個階段進對管廊風險因素進行識別和篩選，采用模糊綜合評判法構建管廊全壽命風險評估流程，并引入工程案例進行評估過程應用說明。

1 綜合管廊風險識別

在綜合管廊全壽命周期內存在大量的潛在風險，有些風險相互聯系影響，為了全面系統地辨別全壽命周期內的風險因素，參考相關文獻及規范使用風險分解結構法[7]分解風險。

1.1 策劃階段風險識別

策劃階段主要考慮項目是否能夠順利展開，文獻[8]中描述了影響綜合管廊項目策劃價的主要因素包括資金、法律、公司、環境等。通過咨詢從事相關工程項目專家，將風險因素進一步進行分解，具體風險因素描述見表1。

表1 策劃階段風險分解表

1.2 設計階段風險識別

綜合管廊設計方案優劣直接影響后期施工的順利開展，以及后期運營階段的經濟和社會效益。通過咨詢相關設計人員，將設計階段風險分為三類[9-10]，歸納設計階段風險因素見表2。

表2 設計階段風險分解表

1.3 施工階段風險識別

施工階段內發生事故較多，通過調研工地現場的施工技術及管理人員，收集環境、技術、經濟、工期、安全問題、組織管理、材料設備等多方面風險因素[11-12]，將各方面風險使用風險分解結構法，分解得到施工階段風險因素見表3。

表3 施工階段風險分解表

1.4 運營階段風險識別

運營階段是綜合管廊實際使用階段，通過與專家進行討論，確定該階段主要風險包括人為、設備、管線、管理、環境、結構風險[13-14]，將運營階段的主要風險進行分解后的結果見表4。

表4 運營階段風險分解表

1.5 綜合管廊風險篩選

通過風險分解結構法識別出綜合管廊全壽命周期中可能發生的風險分類和風險子分類，邀請150名綜合管廊方面的人員對識別出的風險因素采用Likert-type五點量表形式進行重要程度打分，調包括研究學者、施工經驗豐富的人員、從事過地下工程及綜合管廊工程的專家，使用SPSS數據統計分析軟件對調研數據進行可信性分析，信度系數alpha值為0.92，在0.90以上，證明整體數據的可靠性和問卷的內部一致性好。五點量表分值設計及打分標準見表5，調研人員信息統計如圖1所示。

表5 分值對照表

(a)工作單位組成 (b)學歷水平

將得分權重大于3分的風險因素保留，并根據重要性、相關性、獨立鑒別性原則將部分風險因素進行合并或修改名稱(合并后的風險因素得分取平均)，得到最終的風險清單見表6。

表6 全壽命周期下的風險清單

2 綜合管廊全壽命風險評估方法

2.1 全壽命評估方法流程

模糊綜合評判法可以總體評估受到多種因素制約的事物或對象，層次分析法通過構造比較矩陣來計算被相對權重，能對非性的事情做出定量分析。在篩選識別風險因素清單基礎上，使用層次分析法與模糊綜合評判法，對綜合管廊構建全壽命風險評估方法，評估流程如圖2所示。

圖2 綜合管廊全壽命風險評估流程圖

2.2 風險評估流程說明

2.2.1 權重集建立流程

將全壽命周期下的風險因素劃分為3個層次，總風險層：全壽命周期風險C；風險階段層：策劃階段C1、設計階段C2、施工階段C3、運營階段C4；風險因素層：各風險階段的具體風險因素Cij見表6。

風險層次建立后，可以確定各因素上下層隸屬度關系，對風險階段層與風險因素層使用層次分析法建立權重集。首先使用專家打分法確定每一層指標相互重要性程度，并運用1～9標度法[15]打分，建立兩兩指標比較的判斷矩陣。

以風險階段層：策劃階段風險C為例，根據策劃階段5個風險因素的相互重要程度，可構建判斷矩陣A1：

(1)

式中：矩陣元素aij表示第i個因素相對于第j個因素的比較結果，其中i=1,2,3,4；j=1,2,3,4。

由權向量公式A1ω1=λmaxω1可以得到ω1={ω11,ω12,ω13,ω14}T，對權向量中的元素進行歸一化，權重集計算公式與最大特征值如下：

(2)

(3)

CR=CI/RI，

(4)

當CR>0.1，計算的權重不正確，需對兩兩比較矩陣重新計算權向量，直至通過一致性檢驗。

2.2.2 風險評估結果確定

結合風險的概率及損失，將風險等級分為9級：1—可以忽略；3—較輕；5—一般；7—嚴重；9—災難性；2、4、6、8為兩相鄰程度的中值，風險評語集如下：

V={1,2,3,4,5,6,7,8,9}。

(5)

使用專家打分法對150名綜合管廊方面的人員進行二次調研，通過對風險因素的評分，每個因素在不同風險等級得分總和所占每一因素總得分百分比可得模糊矩陣，以策劃階段風險C1為例，可得C1與評語集V之間模糊關系的模糊矩陣R1：

(6)

式中：矩陣元素rij為在C1={C11,C12,C13,C14,C15}中C1i對評語級V中各等級的隸屬度評價。

進行模糊運算，得到模糊綜合評價結果:

B1=

ω1×R1=(b11,b12,b13,b14,b15,b16,b17,b18,b19)，

(7)

同理可得B2、B3、B4，由B1、B2、B3、B4各行組成綜合模糊矩陣R：

(8)

對綜合管廊全壽命周期風險C中對應的權重ω={ω1,ω2,ω3,ω4}與綜合模糊矩陣R模糊運算，得最終評估結果：

B=ω×R=

(b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9)，

(9)

(10)

同理，利用加權分布法也可得到綜合管廊策劃、設計、施工與運營階段風險等級大小。

3 綜合管廊全壽命風險評估案例

3.1 項目概況

綜合考慮新建各類管線情況及地下環路的位置，確定某地下綜合管廊采用“三橫兩縱”形式，如圖3所示。1～5號道路的地下綜合管廊于2016年5月開建，至2021年4月主體工程完工。

圖3 某綜合管廊項目布置圖

各管廊具體構造如下：1號路綜合管廊采用單艙三室斷面形式、2號路采用獨立雙艙室截面，3號路采用兩艙斷面形式，4號路為單艙三室，5號路在3號路以北部分采用單艙三室截面，5號路在3號路以南部分采用單艙室截面，管廊施工圖如圖4所示。

圖4 某管廊施工階段圖

3.2 問卷收集及權重值計算

運用風險評語級1～9安全等級對識別篩選出來的某綜合管廊關鍵風險因素打分，針對二次調研發放問卷150份，回收143份，有效137份，有效率95.8%，表明專家對此次咨詢內容的積極性較高，經過SPSS可信度分析，信度檢驗結果為0.906，大于0.8，屬于高信度，說明數據真實可靠，無需二輪發放，可以對數據進行下一步分析。

根據權重集建立流程，運用層次分析法可求得權向量。以策劃階段為例，根據專家反饋可知策劃階段風險因素的相互重要性程度，運用1-9標度法建立判斷矩陣，矩陣內元素見表7。

表7 策劃階段判斷矩陣元素

一致性檢驗：λmax=5.068，CI=0.017，RI= 1.12，CR=CI/RI=0.015<0.1，一致性通過。因此風險權向量ω1=(0.417,0.097,0.160,0.062,0.263)；

同理可以得出設計、施工與運營階段風險因素與全壽命周期各階段權向量，分別如下：

ω2=(0.101,0.204,0.093,0.499,0.062,0.04)；

ω3=(0.027,0.047,0.04,0.106,0.159,0.068,0.294, 0.164,0.068,0.027)；

ω4=(0.136,0.039,0.066,0.174,0.049,0.096,0.282, 0.159)；

ω=(0.075,0.345,0.404,0.176)。

3.3 確定模糊矩陣值

根據統計調查問卷，確定每個因素在不同風險等級得分總和所占每一因素總得分百分比，可得各階段風險模糊矩陣Ri，以策劃風險概率統計表為例，見表8。

表8 策劃階段風險因素概率統計表 單位：%

由上表8可得策劃階段風險模糊矩陣R1：

R1=

因此根據風險概率統計，也可得出設計、施工、運營階段風險模糊矩陣R2、R3、R4：

R2=

R3=

R4=

3.4 模糊綜合評估

由各階段風險的權向量ωi，統計調查問卷得到模糊矩陣Ri，通過用M(*，+)算子運算進行模糊評估。

策劃階段評估結果：B1=ω1×R1=(0.116,0.043,0.055,0.073,0.109,0.152,0.179,0.137,0.135)；

規劃階段評估結果：B2=ω2×R2=(0.034,0.021,0.022,0.118,0.148,0.165,0.204,0.145,0.142)；

施工階段評估結果：B3=ω3×R3=(0.079,0.043, 0.036,0.082,0.135,0.150,0.184,0.153,0.138)；

運營階段評估結果：B4=ω4×R4=(0.028,0.081, 0.067,0.049,0.150,0.178,0.181,0.146,0.122)；

因此R=(B1,B2,B3,B4)T，可得綜合評估結果如下：B=ω×R=(0.057,0.042,0.038,0.088,0.143, 0.167,0.191,0.140,0.134)。

3.5 評估結果分析

經過計算得到評估結果B，為了保證結果準確性及客觀性，分別采用3種方法對結果B分析。

最大隸屬度法：由求得向量B中可看出最大值為0.191，屬于7級風險，因此該項目風險等級偏向于中高風險。

表9 各風險階段加權評價結果

依計算結果可看出，策劃階段和運營階段風險值較低在[5,6]之間，屬于中等風險；設計階段、施工階段的風險值在[6,7]之間，屬于中高等風險；綜合評價結果也屬于區間[6,7]，該綜管廊項目全壽命周期域內風險屬于中等偏高風險，各階段風險按大小依次為：設計階段、施工階段、運營階段、策劃階段。

綜合三種計算，其分析結論一致，三種方法客觀、科學的反映了分析結果，可以提前對各個階段風險因素采取措施以保證項目順利實施。

4 結論

1)將綜合管廊全壽命周期分為四個階段；策劃、設計、施工和運營階段，運用查閱文獻和風險分解法，全面識別出各階段可能出現的117種風險因素，并篩選出危害較大的58個影響因素，通過對其整理修訂后得到29個主要風險因素。

2)以層次分析法確定風險權重集，以模糊綜合評判法確定風險概率，采用定性與定量相結合的方式建立綜合管廊風險評估方法，對風險評判做出了全面、客觀的認識和描述。

3)以某綜合管廊為工程背景，采用所提出的風險評估方法，確定出各階段權重及模糊矩陣，得到綜合評估結果并主要運用加權分布法進行分析，驗證了所提出評估方法流程可行性。