基于G1-CRITIC的輸水管線工程盾構施工風險模糊評價*

張勇 牟艷祥 劉琛

(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

0 引言

為解決水資源匱乏區域的用水問題，跨區域調水、輸水工程規模不斷擴大。在大型輸水工程中，管線工程較為常見，其施工安全問題被廣泛關注。由于大型輸水管線工程施工時常跨越隧道、山川等，該工程采用盾構法施工比較合適。近年來，隨著盾構施工技術的逐步完善，其在工程建設中的應用也隨之提高[1-2]。大型管線工程的盾構施工是一個復雜的系統過程[3]，往往會受到多種風險因素的影響，嚴重時會導致工期延誤，甚至造成人員生命與財產損失[4]。因此，對輸水管線工程盾構施工風險進行評價十分重要。

近年來，越來越多的學者從風險因素和風險評估方法兩個方面對盾構施工風險進行研究。在風險因素方面，黃萍等[5]運用AHP法構建了管廊盾構施工的動態事故樹，定性得出管廊盾構施工的較大影響因素；Zhao等[6]運用WSR方法對地鐵盾構風險指標進行分析和選取，構建了地鐵盾構施工風險評估指標體系；LI等[7]對盾構施工風險因素進行因果層次關系分析，并通過貝葉斯網絡確定了導致盾構施工風險事件的主要因素為環境與機械設備。在風險評估方法方面，黃震等[8-9]先后提出了基于云理論和模糊-證據理論的盾構隧道施工風險綜合評估方法；周前國等[10]通過構建基于AHP的模糊綜合評判對地鐵盾構施工進行風險評估，解決了以往評估方法數理知識難、不便于掌握等難題；Wang等[11]構建了基于非線性FAHP的土壓平衡盾構施工風險評估模型，并通過杭州某隧道工程驗證了模型的有效性。

綜上所述，目前學者多針對地鐵隧道盾構施工風險進行研究，少有對輸水管線工程盾構施工風險進行研究，且當前盾構施工風險評價中指標權重的計算多采用主觀賦權法，導致結果帶有較大的主觀性和片面性。考慮到盾構施工屬于暗挖施工，施工過程風險較大，為了更合理、有效地解決風險評估中指標權重求取的模糊性問題，本文構建了基于G1-CRITIC組合賦權的輸水管線工程盾構施工風險模糊評價模型。利用模糊評價模型對輸水管線工程盾構施工風險進行綜合評價，并針對主要風險提出應對措施，以降低工程風險事故發生率，同時為輸水管線工程盾構施工風險評估提供一種新方法。

1 輸水管線工程盾構施工風險評價指標體系構建

輸水管線工程盾構施工工序較為復雜，涉及人、事、物多個方面，施工各階段均存在潛藏風險，進行風險評估前需建立一套完整的風險評價指標體系。為了更全面地篩選出施工風險因素，依據國家現行的盾構施工安全評價標準，結合輸水管線工程盾構施工特點，通過對現有研究的歸納總結[12-20]、專家咨詢、理論分析等步驟，按照4M1E的分類方式，將風險指標分為施工人員、機械設備、安全管理、施工技術與施工環境風險5類，共25個指標。輸水管線工程盾構施工風險評價指標體系建立流程圖如圖1所示，輸水管線工程盾構施工風險評價指標體系如圖2所示。

2 基于G1-CRITIC組合賦權的風險評估模型建立

2.1 確定指標權重

2.1.1 G1法確定指標主觀權重

G1賦權法是基于AHP法改良的一種主觀賦權方法。該方法無須進行一致性檢驗，避免了大量煩瑣的計算，操作步驟如下：

(1)專家確定評價指標的重要性并進行排序，重要性由高到低依次記為：X1，X2，…，Xn。

(2)專家對各風險評價指標間的相對重要程度進行判斷。假設在某個評價準則下，評價指標Xk-1與Xk的重要程度之比見式(1)

(1)

式(1)中Rk的取值參考見表1。

表1 Rk的取值參考

(3)計算權重系數。依據Rk的取值，由式(2)計算各指標的權重系數，公式如下

(2)

由此可得Wm-1=RkWm，依次計算得到所有指標的權重。

2.1.2 CRITIC法確定指標客觀權重

CRITIC賦權法是通過評價指標的對比強度與沖突性來綜合衡量指標客觀權重的賦權方法。該方法能使計算結果更加準確合理，操作步驟如下：

(1)指標無量綱化處理。對于負向與正向風險指標，分別按照式(3)和式(4)進行無量綱化處理，公式如下

(3)

(4)

(2)計算標準差。公式如下

(5)

(3)計算對比強度。公式如下

(6)

(4)計算沖突性。計算第j個指標和第i個指標之間的相關性系數，公式如下

(7)

式中，Xbj和Xbi是第b個評價對象的第j個和第i個指標值。第i個評價指標與其他評價指標的沖突性量化值為式(8)。公式如下

(8)

(5)計算信息量。公式如下

(9)

(6)計算客觀權重。公式如下

(10)

2.1.3 確定指標的綜合權重

主觀賦權法考慮了專家的工程經驗，能合理地調整評價指標的主觀權重；客觀賦權法能有效利用指標數據的信息量，具備客觀性。為避免評價的主觀或客觀性過強或脫離工程實際情況，采用乘法歸一化法計算組合權重，使評價更為合理。公式如下

(11)

除了乘法歸一法，常見的組合賦權方法還有博弈論組合賦權法、離差平方和最大賦權法、線性組合賦權法、AHP-EWM組合賦權法等。

2.2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法(FCE)是表達事物不確定性的方法，通過隸屬度將定性的模糊信息定量化，從而進行定量評價。輸水管線工程盾構施工風險評估是一個系統問題，在評估過程中會出現一些模糊、難以定量化處理的問題，模糊綜合評價法依據隸屬度最大原則能將定性問題定量化處理，因此該方法能很好地解決此問題。

2.2.1 建立評價模型指標集

假設U={U1，U2，…，Un}，其中，U1，U2，…，Un稱為待評價的n個指標，集合U為一級評價指標集。設某個一級評價指標下的二級指標集合為Ui={Ui1，Ui2，…，Uit}，Uit代表指標Ui下的第t個二級指標，t為相應二級指標的個數。

2.2.2 建立評價模型評語集

結合專家意見與輸水管線工程盾構施工的綜合安全風險情況，將風險劃分為5個等級，依次為低風險、較低風險、一般風險、較高風險、高風險。建立評語集Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5}={低風險、較低風險、一般風險、較高風險、高風險}。

2.2.3 確定指標隸屬程度，建立模糊關系矩陣

隸屬程度指某個評價指標對某個評語等級的從屬程度。相關領域的專家對各評價指標進行打分，統計每個風險評價指標隸屬于各個風險評價等級的專家數量，再除以專家的總數量，得到各個評價指標對不同風險評價等級的隸屬度，而后通過式(12)進行歸一化處理，公式如下

(12)

整理計算所得的數據，得到模糊關系矩陣，如下

(13)

式中，m代表指標數；n代表評價等級；rij代表因素Xi對模糊子集Yj的隸屬度。

構建評價指標的權重集，一級評價指標的權重集為WU，如下

WU=(WU1，WU2，WU3，WU4，WU5)

同理，二級評價指標的權重集為WUij，其中Uij為一級指標Ui下的第j個二級指標權重

WUij=(WUi1，WUi2，…，WUij，…，WUin)

2.2.4 模糊綜合評價

將模糊權向量W與模糊關系矩陣R進行模糊運算，得到評價的結果向量B，公式如下

=(b1，b2，…，bn)=Bi

(14)

式中，“°”為模糊合成算子。本研究選擇加權平均型合成算子[21]進行模糊運算，即M(·，?)。

根據最大隸屬度原則，得到輸水管線工程盾構施工風險評價結果B，如下

B=max{Bi}=max{b1，b2，b3，b4，b5}

(15)

基于G1-CRITIC組合賦權法的輸水管線工程盾構施工安全風險模糊綜合評價流程圖如圖3所示。

圖3 輸水管線工程盾構施工安全風險模糊綜合評價流程圖

3 案例分析

3.1 工程概況

西北某長距離輸水管線工程年計供水量4862萬m3，輸水線路全長約101.25km，管徑為2400mm，工作壓力為0.7～1.6MPa。該長距離輸水管線工程所處地理環境為堆積和淺侵蝕地形。輸水管線干管總長89.72km，其中盾構法施工段長20.85km；壓力管道兩段長34.05km。工程區海拔300～600m，年均降水量500～700mm，最高氣溫42.0℃，最低氣溫-19.4℃。該工程施工位置部分位于Ⅲ級自重濕陷性黃土地區，其他位于不濕陷地區。

本文以西北某長距離輸水管線工程的盾構施工為例，采用基于G1-CRITIC組合賦權的模糊評價模型計算隸屬度進行風險評估。

3.2 輸水管線工程盾構施工風險評價

邀請有關盾構施工風險研究領域的專家、學者及具有豐富項目施工經驗的專業人員共10名，組成決策小組，根據工程資料對25個風險指標進行賦值，并運用G1-CRITIC法計算風險指標的主、客觀權重與隸屬度，最后進行模糊綜合評價。評價過程如下：

(1)構建評價模型指標集，如下

U=(U1，U2，U3，U4，U5)

U1=(U11，U12，U13，U14，U15)

U2=(U21，U22，U23，U24，U25)

U3=(U31，U32，U33，U34，U35)

U4=(U41，U42，U43，U44，U45)

U5=(U51，U52，U53，U54，U55)

(2)構建評價模型評語集。Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5}={低風險、較低風險、一般風險、較高風險、高風險}。

(3)運用G1、CRITIC、乘法歸一法分別計算指標的主、客觀權重與綜合權重，結果見表2。

表2 風險評價指標權重結果

(4)確定指標隸屬程度。根據專家打分結果，統計各指標隸屬于各風險評價等級的專家數量，結果見表3。

表3 專家打分統計表

(5)建立模糊關系矩陣。結果如下

(6)根據式(14)，計算各一級評價指標的評價結果，如下

BU1=WU1×RU1=(0.000 0，0.057 9，0.305 8，0.285 5，0.350 8)

BU2=WU2×RU2=(0.000 0，0.107 7，0.333 6，0.448 6，0.110 1)

BU3=WU3×RU3=(0.000 0，0.131 0，0.407 1，0.305 6，0.156 3)

BU4=WU4×RU4=(0.036 7，0.126 4，0.293 2，0.384 5，0.159 2)

BU5=WU5×RU5=(0.027 5，0.179 9，0.421 7，0.248 8，0.122 1)

同理，該輸水管線工程風險模糊綜合評價結果計算如下

B=WU×BU=(0.012 8，0.103 9，0.339 1，0.339 3，0.197 0)

依據最大隸屬度原則可知，該工程的風險評價結果為0.339 3，風險等級為“較高風險”。其中，施工人員風險的最大值是0.350 8，風險等級為“高風險”；機械設備風險的最大值是0.448 6，風險等級為“較高風險”；安全管理風險的最大值是0.407 1，風險等級為“一般風險”；施工技術風險的最大值是0.384 5，風險等級為“較高風險”；施工環境風險的最大值是0.421 7，風險等級為“較高風險”。從各風險因素角度分析該輸水管線工程盾構施工的風險情況，進行風險排序，由高到低為：施工人員風險>機械設備風險>施工技術風險>施工環境風險>安全管理風險。

4 結果分析

根據上述計算結果可知，該輸水管線工程的綜合風險評估值為0.339 3，風險評價等級為“較高風險”。雖然工程的風險等級較高，但評估值0.339 3對應的“較高風險”與0.339 1對應的“一般風險”等級十分接近，且施工人員風險因素中U14=(0，0.4，0.4，0.2，0)、機械設備風險因素中U24=(0，0.3，0.5，0.2，0)、安全管理風險因素中U33=(0，0.2，0.6，0.2，0)、U35=(0，0.3，0.5，0.2，0)，以及施工環境風險因素中U51=(0.1，0.3，0.6，0，0)、U53=(0，0.3，0.7，0，0)，風險等級均為“一般風險”，說明從整體來看該工程存在一定的安全隱患，需要根據實際情況從以下5個方面進一步完善相關安全管理措施。

(1)施工人員風險。根據權重計算結果，施工人員作業疲憊度高U12是最大的風險因素。開始作業后，施工人員需長時間進行體力勞動、高度集中注意力、長時間駕駛起重機等，長久且高度緊張的工作狀態會增大施工人員的心理壓力，導致施工人員身心疲憊，進而引發風險。因此，施工管理者應為施工人員制定合理的作業時間，適當調整工作強度，實施崗位輪換制度，提供充足的休息時間和飲食保障，加大施工人員心理健康教育，避免安全事故的發生。

(2)機械設備風險。根據權重計算結果，施工現場未按要求操作設備U22是最大的風險因素。設備維護不當、領導責任心不強等都會導致該現象發生。施工現場的設備是反復使用的，需要定期保養，否則會造成設備操作功能受損，降低安全性，從而造成安全隱患。同時，領導的不負責行為會導致施工人員進行危險或錯誤的設備操作，進而引發安全事故。因此，施工管理者應定期檢查和維護設備，及時更新損壞設備，加強施工人員的設備操作技能培訓，確保施工安全有序地進行。

(3)安全管理風險。根據權重計算結果，安全管理制度實施力度不強U32是最大的風險因素。安全管理制度的實施是保障施工安全的重要環節，施工管理者需明確責任劃分，并通過標識化管理、規范作業流程、加強施工巡查等措施，確保施工現場的安全。施工人員作業時必須正確佩戴安全防護工具，提高自身的安全意識。只有加強安全管理，才能保證施工現場的安全，預防責任事故的發生。

(4)施工技術風險。根據權重計算結果，地質勘測力度不夠U42是最大的風險因素。輸水管線工程盾構施工技術是一種在地下隧道中鋪設水管的技術，地質勘測是防范隧道施工風險的基礎，缺乏對地質情況的充分了解或忽視勘測的重要性都會引發安全風險。為避免安全事故的發生，施工單位需加強對地質勘測的重視，在項目實施前進行全面、細致、規范化的地質勘測工作，建立完善的數據收集和分析機制。同時，注重施工人員的培訓和技術創新，確保工程質量與安全。

(5)施工環境風險。根據權重計算結果，復合地層影響U52是最大的風險因素。復合地層的情況較為復雜，需事先進行勘察與分析，并采用適當的工程方法加以防護。可通過壓實、固化、灰漿注漿等方式進行土壤處理，以提高地基的穩定性與承載能力，也可減少局部沉降帶來的影響。同時，做好環境監測和管理工作，掌握施工現場的情況，及時處理出現的問題并合理調整施工計劃。

5 結語

(1)基于文獻、理論分析與專家咨詢，確定輸水管線工程盾構施工風險指標體系，共包括施工人員、機械設備、安全管理、施工技術及施工環境5個方面25項風險因素。

(2)運用G1-CRITIC法、乘法歸一法確定風險指標的主客觀權重及綜合權重，相較單一賦權法得到的權重更加客觀科學。采用模糊綜合評價法將一些模糊、不確定的信息進行定量化處理，使評價結果更加準確。

(3)通過對具體輸水管線工程案例盾構施工風險的模糊評價，結果表明：該工程處于較高風險等級，比較符合實際情況，說明該項目存在一定的安全隱患。針對各風險指標中高風險權重的指標，提出相關管控措施，有助于施工單位針對施工過程中可能出現的風險情況進行預防與規避，為同類型項目的風險管控提供借鑒。

(4)本文所構建的指標體系不夠全面，無法客觀涵蓋輸水管線工程盾構施工整個過程風險因素，未來還需進一步修正和完善。