基于熵度量法的蘭州地鐵盾構(gòu)施工風險評價

孫艷云

（重慶市鐵路（集團）有限公司，重慶 401120）

城市軌道交通工程作為一項特大型系統(tǒng)工程，不確定因素多，導致近年來我國多市地鐵項目施工過程中事故頻發(fā)[1]，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且嚴重威脅人們的生命安全，造成惡劣的社會影響。應用科學的方法對城市地鐵施工安全風險進行管理日益受到社會的廣泛關(guān)注。國外較早研究隧道工程的代表人物是Duddeck 教授，其通過隧道工程師面臨的挑戰(zhàn)分析了隧道工程施工技術(shù)的難點和應遵循的理念[2]；國外學者Reilly、Molag 對地下隧道及穿越海峽盾構(gòu)施工安全的特點管理過程進行深入研究[3-4]。國內(nèi)最早接觸隧道風險理論的學者是毛儒，他介紹了風險管理在發(fā)達國家隧道工程運用狀況和已取得的經(jīng)驗[5]。我國學者應用各種方法對地下工程建設項目進行較為細致地研究[6-7]。蘭州地鐵1 號線所處地質(zhì)情況復雜，施工難度大，下穿黃河，盾構(gòu)機主要行走于砂卵石地層中，被評為“世界級難題”，因此需要進行針對性地風險評估以保證工程順利進行。該文從盾構(gòu)施工技術(shù)、周邊環(huán)境、水文及地質(zhì)條件、組織管理等方面進行風險分析與評價，以便于對風險跟蹤與控制，從而達到降低工程風險的目的。

1 工程概況及水文地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 工程概況

蘭州市地鐵1 號線座落在市區(qū)黃河兩岸沖積的漫灘及一、二級階地區(qū)，西起西固區(qū)陳官營、途經(jīng)18 個區(qū)間站到東崗，全線長26692.363m，都為地下線路，共設車站20 座。最大站間距2334.608m，最小站間距833.825m，平均站間距1334.618m，設車輛段、停車場各一座，主變電站2 座，分別位于西客站和五里鋪附近。

1.2 工程地質(zhì)情況

蘭州市位于我國西北地區(qū)黃土高原腹部的黃河河谷盆地內(nèi)，軌道交通1 號線沿線分布地層主要有第四系全新統(tǒng)、下更新統(tǒng)及第三系地層。第四系全新統(tǒng)沖積卵石層分布穩(wěn)定屬低壓縮性土，密實狀態(tài)。第四系下更新統(tǒng)卵石（3-11），泥鈣質(zhì)弱膠結(jié)，分布較為穩(wěn)定，厚度很大。這種卵石屬于低壓縮性土壤，密實度高，在工程建設中的地質(zhì)特性良好。而隧道洞室主要位于第三系砂巖（4-2-1）中，這種巖石成巖作用差，屬于極軟巖，當未進行支護時，洞室的側(cè)壁和頂板很容易變形坍塌，此外，容易遇水崩解成散狀。

1.3 水文條件及沿線環(huán)境

盆地潛水是蘭州市主要的供水水源，其中“三灘”水源為天然動態(tài)類型為水文-開采動態(tài)類型。地下水位受季節(jié)影響變化較大，水位年變化幅度約1.0m～2.0m。地下水含水層厚，滲透系數(shù)大，對線路和工程施工的影響較大。

沿線經(jīng)過多座加油站、企業(yè)單位的辦公樓、住宅、學校、西站貨場、在建深安大橋等；地下電纜、城市給排水等管線密布，部分區(qū)間還要下穿越黃河。

2 熵度量法風險評估模型的基本原理及接受準則

2.1 熵度量法風險評估方法

熵的概念源于熱力學，是反映自然界熱變化過程方向的1個物理量，表示物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的1 個函數(shù)。隨著研究的發(fā)展，熵的概念逐漸擴張到信息領(lǐng)域，誕生了信息熵的概念。熵的概念如下：評價中所包括的信息量和信息質(zhì)量直接影響評價的準確性和可靠性，是一種量化信息不確定性的方式，當掌握信息不足時，需要對分布進行預測。此時，應該選擇符合約束條件的概率分布，但這個分布的熵值應該是最大的。這是因為在信息不確定性的情況下，熵值最大的分布能夠提供最多的信息量[8]，因此熵可用來度量風險。

對連續(xù)性隨機變量如公式（1）所示。

對離散型隨機變量如公式（2）所示。

式中：R為風險值；x為隨機變量；F和P分別為連續(xù)型和離散型隨機變量的概率；f為連續(xù)型隨機變量的概率密度函數(shù)。

熵度量評估模型的主要步驟如下：

設有m個評價指標，n個評價對象，各方案的指標評價值構(gòu)成原始數(shù)據(jù)矩陣R′=（r′ij）m×n，通過公式（3）對其進行標準化處理，得到標準化矩陣R=（r′ij）m×n，并進行歸一化處理，得到p（xij）。

式中：r′ij為第j個評價人員在第i個指標下的評價值。評價人員j在評價指標i下的熵如公式（4）所示。

在評價問題中，第i個指標的權(quán)重如公式（5）所示。

評價問題的風險值定義如公式（6）所示。

2.2 風險接受準則

地鐵及地下工程建設期間的工程風險是不可避免的，但是需要評估這些風險是否可接受以及接受程度。這將決定需要采取哪些風險控制對策和處置措施。在風險評估過程中，需要預先確定風險等級和接受準則，以便于更好地評估和管理工程風險。基于風險引發(fā)的概率和損失的嚴重程度，通過調(diào)查研究對國際通用的ALARP 風險等級評定準則進行改進，按風險指數(shù)的大小在0～1 劃分為4 個級別。該文基于這種改進的風險等級判定方法，對蘭州地鐵1 號線區(qū)間盾構(gòu)施工風險等級進行定義，見表1。

表1 風險熵度量法接受準則

3 地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工風險評價的指標體系及問卷調(diào)查

3.1 盾構(gòu)施工風險評價指標體系

根據(jù)蘭州地區(qū)的工程地質(zhì)、水文條件、沿線環(huán)境，結(jié)合蘭州地鐵1 號線區(qū)間盾構(gòu)施工過程的具體情況，從很多地鐵盾構(gòu)施工風險因素清單表中選取較重要的風險因素作為蘭州地鐵1 號線盾構(gòu)施工風險評價指標，經(jīng)過分析選取了4 個一級指標，18 個二級指標作為主要風險指標，見表2。

表2 蘭州地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工風險評價指標體系

3.2 調(diào)查問卷

二級指標的風險值是根據(jù)風險事件發(fā)生的概率等級和損失等級標準相結(jié)合確定的，它反映了風險事件發(fā)生的可能性和后果對風險值的影響關(guān)系。也就是說，風險值與風險概率和后果之間存在緊密的相互關(guān)系。見表3。熵度量法則根據(jù)表3，通過專家對各風險發(fā)生的概率以及產(chǎn)生的后果損失進行問卷調(diào)查得到底層風險評價矩陣，然后計算各評價對象信息熵和權(quán)重；再計算總體風險。盾構(gòu)施工風險和組織管理風險的主要調(diào)查對象為現(xiàn)場施工技術(shù)人員，環(huán)境風險和自然地質(zhì)風險調(diào)查對象為行業(yè)專家共發(fā)出問卷20 份，收回18 份。

表3 底層風險因素的風險值與發(fā)生概率、后果關(guān)系表

4 實例分析

該文選取蘭州軌道交通1 號線奧體中心—世紀大道區(qū)間盾構(gòu)施工過程進行實例分析。該區(qū)間隧道的建造將使用泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)進行施工。盾構(gòu)進出洞地基加固采用地面0.6m 素地連墻+地面PVC 注漿+地面降水的方法，具體概況如下：區(qū)間設計里程為YCK9+908.088～YCK12+028..097，全長2120.009m，均為雙線隧道組成，下穿黃河段里程為YCK10+477.000～YCK10+794.000，長度為317m。

在該案例中，選擇運用熵度量法對問卷結(jié)果進行綜合分析，使調(diào)查結(jié)果能夠更好地反映實際風險情況。首先對18份一級指標盾構(gòu)施工設備風險進行評價。根據(jù)表2，一級指標施工風險共包括盾構(gòu)進出洞加固、盾構(gòu)區(qū)間進出洞、盾構(gòu)推進、聯(lián)絡通道兼泵房施工、豎井圍護開挖及結(jié)構(gòu)施工5 個二級指標。根據(jù)現(xiàn)場施工技術(shù)人員的調(diào)查結(jié)果，可得到5×18原始矩陣，如公式（5）所示。一級指標施工技術(shù)風險中盾構(gòu)進出洞加固、盾構(gòu)區(qū)間進出洞、盾構(gòu)推進、聯(lián)絡通道兼泵房施工、豎井圍護開挖及結(jié)構(gòu)施工的信息熵如公式（6）所示。

由此計算可得到施工技術(shù)風險下的5 個二級指標的權(quán)重，如公式（7）所示。

根據(jù)熵度量法的盾構(gòu)施工風險評估模型，可以得到施工技術(shù)風險的風險值，如公式（8）所示。

同理，可得到周邊環(huán)境風險值、水文及地質(zhì)風險值以及組織管理風險值。4 個一級指標風險值如下：

通過計算可知蘭州地鐵1 號線奧體中心～世紀大道區(qū)間盾構(gòu)施工總體風險值，如公式（10）所示。

式中：Eij為第i個一級指標下第j個二級指標的風險；λij為第i個一級指標下第j個二級指標的熵權(quán)；λi為第i個一級指標風險的熵權(quán)；n為一級指標的個數(shù)；m為某一級指標下二級指標的個數(shù)。

通過以上計算，根據(jù)表1 可得蘭州地鐵1 號線奧體中心～世紀大道區(qū)間盾構(gòu)施工風險評估結(jié)果，見表4。

表4 風險評估結(jié)果表

風險管控措施：奧體中心站～世紀大道站區(qū)間，總體風險值為0.3360，風險等級為2 級。針對該文的分析，在施工過程中應關(guān)注以下4 個方面：1）對深安大橋匝道樁基采用注漿加固，盾構(gòu)通過期間準備好樁基托換、在隧道與樁基間施作隔離樁等應急處理措施。2）在下穿建構(gòu)筑物、管線和黃河期間嚴格控制隧道的中心線，使其盡可能平穩(wěn)地前進，并采取有效的方法對其進行校正，以提高灌漿的質(zhì)量，同時最大限度地減少盾構(gòu)掘進對周邊地質(zhì)環(huán)境造成的干擾。3）穿越黃河段盾構(gòu)推進須做好高水壓下盾尾密封失效的預防和處理，漂石、砂卵石地段的掘進處理。4）針對具體的重要建構(gòu)筑物、管線制定針對性的應急方案。5）運用信息化技術(shù)對工程施工進行全面管理，注重安全風險的監(jiān)控預警。并根據(jù)監(jiān)測中獲取的信息，動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，采取必要的措施來保障工程施工的安全。

5 結(jié)論

該文采用熵度量法與專家打分法相結(jié)合的綜合集成法對蘭州軌道交通1 號線區(qū)間盾構(gòu)施工工程進行施工風險評價，且提出相應的風險管控措施，不僅充分利用專家打分法便于操作的優(yōu)點，還引入信息熵概念對風險重要性權(quán)重的排序進行一致性的科學檢驗，彌補了專家打分法主觀性較強的缺陷，使風險評價的結(jié)果更具說服力。存在的不足之處在于該文在進行蘭州地鐵風險因素的識別時對人的行為因素考慮較少，因此在以后的研究中會對風險因素的識別方面進一步加強，使評價結(jié)果更精確、科學合理。