基于CRITIC-TOPSIS的隧道施工風險因素排序研究

摘要：隧道施工過程中存在眾多致險因素，為提高風險控制效率和減少隧道施工事故，研究隧道施工風險因素十分重要。首先，通過分析65份隧道施工事故案例，篩選出32個隧道施工風險因素，并采用共現分析思想識別風險因素之間的相互關系；其次，基于復雜網絡理論構建隧道施工風險關系網絡模型，通過網絡拓撲結構分析風險因素的特征；最后，使用CRITIC-TOPSIS方法對網絡中的風險因素進行綜合排序。結果表明，現場防護措施不當、技術交底不完善、安全教育培訓不足、違規承分包、信息傳遞或決策錯誤是隧道施工風險控制的關鍵風險因素。

關鍵詞：施工安全管理；風險排序；復雜網絡；CRITIC-TOPSIS法

0 引言

隨著市場經濟的發展，我國交通設施建設顯著增加，隧道作為交通網絡中的重要一環，其建設規模也隨之發展。據統計，截至2022年，我國公路隧道達到21316座，鐵路隧道達到6876座，位居世界第一。然而，隧道施工安全管理的發展未能跟上隧道大規模建設的速度，導致隧道施工安全事故時有發生^[1-2]，這不僅對人身安全產生威脅，也會導致財產損失，嚴重影響隧道建設的發展。因此，分析各項風險因素在隧道施工中的關鍵程度，對于提升風險管理效率和施工安全管理水平具有重要意義。

國內外眾多學者運用多種方法對隧道施工風險因素排序進行了研究，如層次分析法、模糊綜合評判法、貝葉斯網絡法、故障樹分析法、復雜網絡理論等^[3]。Ghazali等^[4]使用層次分析法對隧道施工風險的重要性進行排序，確定了三大重大風險因素；劉光鳳等^[5]、林大涌等^[6]、王頠等^[7]通過模糊綜合評價法對隧道風險因素進行綜合分析，并引用實際案例進行討論；陳舞等^[8]通過故障樹分析法聯合貝葉斯網絡理論對鉆爆法中隧道坍塌的概率進行評估；郭發蔚等^[9]、盧鑫月等^[10]使用貝葉斯網絡方法對隧道施工風險概率進行計算，并進一步結合模糊綜合評價法計算出隧道施工風險等級或施工動態風險值；Chen等^[11]和陳赟等^[12]使用復雜網絡理論，分別建立了橋梁和隧道施工風險網絡與隧道施工塌方風險網絡，從網絡的特征屬性確定其中的關鍵風險因素，為隧道施工風險的研究開創新思路。上述方法雖能較好地對隧道施工風險進行評價，但仍存在諸多問題，如層次分析法在風險評估中容易受到評判者主觀偏好的負面影響；模糊綜合評價法在處理指標間的復雜關系方面表現出良好的能力，然而在確定指標權重時存在一定的主觀性，可能導致評價結果出現超模糊現象和分辨率差的情況；貝葉斯網絡理論更側重于評估風險事故發生的概率，需要與其他評估方法結合使用；而單一的復雜網絡拓撲特征分析法僅考慮了指標的差異性，忽略了指標之間的關聯性。

鑒于此，綜合考慮風險評價指標的主觀性和客觀性，對其進行量化并確定相應的權重，是對風險因素的重要性進行評估的關鍵步驟。本文結合CRITIC法與TOPSIS理論，通過復雜網絡建立隧道施工風險網絡模型，綜合考慮隧道施工中各風險因素的主、客觀性，并將其量化與模型化。CRITIC法與TOPSIS理論相結合，能夠綜合考慮各因素之間的比較強度和沖突性，從而客觀地對各風險因素進行權重賦值。相較于傳統的定性分析或經驗模糊數學理論，首先，CRITIC方法克服了主觀性大、可靠性不高的問題；其次，它彌補了僅依靠數據分析所帶來的客觀性過強的缺點，從而使評估結果更加接近工程實際情況；最后，結合復雜網絡理論，更有利于網絡可視化及分析風險因素之間復雜的交互關系，能夠更充分地反映風險因素之間的關系，為降低風險的措施提供了有效的理論依據。

1 隧道施工風險因素識別

隧道施工事故具有突發性，且各風險因素之間相互影響和依賴，因此某個風險因素狀態改變可能會影響整個施工系統的狀態，進而導致隧道施工事故的發生。本研究通過互聯網搜集2005—2022年公路隧道和鐵路隧道施工事故案例，剔除其中信息不全的案例后，共獲得65份案例，最終篩選出32個風險因素。

為了評估篩選出的隧道施工風險因素的有效性，采用李克特5級量表設計調查問卷，邀請隧道相關行業就業人員及研究人員根據重要程度對風險因素從1～5進行打分，共收集156份問卷，剔除信息不完整及所有選項評分高度一致的問卷，有效問卷為149份。應用克隆巴赫Alpha系數和KMO、巴特利特球形度指標分析問卷的信度和效度。風險因素可靠性統計見表1，風險因素的KMO 和巴特利特檢驗見表2。

計算結果顯示，

本次問卷調查結果可靠，且滿足調查目的。經刪除項后的克隆巴赫Alpha系數都不大于標準克隆巴赫Alpha系數，因此不存在需要刪除的風險因素?；?M理論^[13]與隧道施工事故的特點，從人為因素、設備與技術因素、環境因素和管理因素4個角度確立隧道施工風險因素，見表3。

2 隧道施工風險關系網絡構建

2.1 風險關系網絡邊的確定

共現分析是一種應用于文本知識挖掘的統計方法，通過統計文獻集中詞匯或名詞短語的共現情況，反映關鍵詞之間的關聯強度?；诠铂F分析認為出現在同一隧道施工事故中的風險因素之間具有關聯關系，將同一隧道施工事故中的風險因素進行兩兩連接，構成風險關系網絡。在此網絡中，風險因素以節點表示，風險因素之間的關系由連邊表示?？紤]到隧道施工風險因素間相互作用的復雜性及事故形成機制的不同，很難從事故案例中抽象出節點與連邊的定量關系或因果關系，因此，所構建的隧道施工風險關系網絡為無向無權網絡。

2.2 隧道施工風險關系網絡的構建

通過識別出的風險因素和風險因素之間的關系，運用Gephi軟件對隧道施工風險關系網絡進行可視化呈現。隧道施工風險關系網絡如圖1所示。由圖1可知，隧道施工風險關系網絡由32個節點和254條邊組成。大多數因素會受到其他因素影響，證明施工事故的發生并非是單一因素的結果。繼續對構建的隧道施工風險關系網絡進行計算，Gephi軟件得出該網絡的平均聚類系數為0.747，平均路徑長度為1.494，滿足聚類系數大于0.1、平均路徑距離小于10的要求^[14]，網絡整體符合小世界特征，這意味著隧道施工風險關系網絡的連通性是隨機的，如果出現一個風險因素，其他風險因素也可能伴隨產生。

使用Gephi軟件對隧道施工風險關系網絡進行初步分析，隧道施工風險關系網絡的度分布數值為1～30，其中度數大于20的節點共有8個，占節點總數的25%，約占所有節點總度數的54%，少量的節點控制了較大的網絡效率，符合復雜網絡中的無標度特性^[15]。因此，隧道施工風險關系網絡具有無標度和小世界特性，可以使用復雜網絡常用的特征指標對關系網絡進一步進行分析。

3 隧道施工風險關系網絡分析

復雜網絡中節點的重要性及影響力與其在網絡中的位置聯系密切，節點的重要性可以用中心性指標來度量。目前，已經有許多經典的中心性指標用于節點重要性計算，如度中心性、接近中心性、中介中心性、特征向量中心性、PageRank中心性等。度中心性是典型的基于節點近鄰的節點重要性排序方法；接近中心性和中介中心性則是從網絡中的路徑入手來刻畫節點在網絡信息傳遞中的重要性；特征向量中心性考慮了節點之間連接的強度，且在遇到一些度特別大的節點時會出現分數局域化現象，使得大多數分值都集中在度值高的節點上，具有一定的局限性；PageRank中心性衡量了節點的傳遞影響及連通性^[16-17]。相比而言，PageRank中心性更適合衡量隧道施工風險因素之間的傳遞性與關聯性。綜上所述，本研究選擇度中心性、接近中心性、中介中心性和PageRank中心性作為度量隧道施工風險關系網絡中節點重要性的指標。4種網絡指標下節點重要度排序見表4。

3.1 度中心性

度中心性是典型的基于節點近鄰的排序方法，刻畫了節點的直接影響力?？煽疾旃濣c的直接鄰居數目，能直接影響的鄰居節點越多，其越重要。

由表4可得，隧道施工風險關系網絡中，度中心性較大的節點如下：監管不力、安全教育培訓不足、未糾正已知錯誤、不恰當的施工工序管理、現場防護措施不當。這些因素在網絡中的影響力較大，能夠直接影響鄰近風險因素的能力最高。特別是監管不力，是關系網絡中度中心性最大的點，表明這個因素容易與其他因素相互作用，從而影響隧道施工的安全管理。

3.2 接近中心性

接近中心性是一種用于確定網絡中節點重要性的方法，其綜合考慮節點與其他節點之間的距離的平均值，進而消除網絡中特殊值的干擾，并提供一個較為客觀的評估指標。它基于信息在網絡中的評價傳播時長來評估節點的重要性水平。高接近中心性的風險因素在空間上體現為在中心位置上，更接近隧道施工風險網絡中的其他節點，更不容易受到其他風險因素的影響，通過對其他風險因素的控制并不能有效控制這些風險因素的發生。根據隧道施工風險關系網絡的接近中心性指標，在隧道施工安全管理上，應當重視監督管理和日常安全教育培訓，并及時糾正違規行為和日常監管中發現的問題，防止高接近中心性風險因素的產生，進而影響其他接近中心性低的風險因素。

3.3 中介中心性

中介中心性認為網絡中所有節點對的最短路徑中，經過一個節點的最短路徑數越多的節點越重要。它描述了節點對網絡中沿最短路徑傳輸的網絡流的控制力^[8]。中介中心性越大，該節點與其他節點之間的聯系多，其在網絡中充當中介的作用大，該風險因素越重要，對其進行控制，更容易提高安全管理的效率。

綜合所有節點，應急處理能力、人員身體狀態、材料質量不達標的中介中心性為0，說明這些風險因素不存在于其他風險因素的最短路徑中，沒有起到中介的作用。相反，監管不力、未糾正已知錯誤、安全教育培訓不足在整個關系網絡中的中介中心性數值高、中介調節和控制能力強，有多條最短路徑經過這幾個風險因素的一個或多個，故控制中介中心性高的風險因素可以使風險相互作用的路徑增長，降低隧道施工事故的發生率。

3.4 PageRank中心性

基于特征向量的排序方法認為一個節點的重要性既取決于其鄰居節點的數量，也取決于其每個鄰居節點的質量，是一種基于全局信息計算節點重要性的指標。PageRank中心性的思想類似互聯網網頁，如果互聯網中某個網頁被其他高質量網頁所鏈接，則這個網頁也是一個高質量頁面。引申到風險關系網絡中，若一個風險因素的PageRank中心性越高，則說明該風險因素在網絡中對其他因素的影響力越強。

在整個網絡中，監管不力、安全教育培訓不足、未糾正已知錯誤、不恰當的施工工序管理這些風險因素的PageRank中心性較高，說明它們對事故的發生影響較大，切斷這些風險因素可以有效阻止事故的發生。

4 關鍵風險的確定與分析

4.1 基于CRITIC-TOPSIS的確定算法

傳統節點重要度排序方法大多是利用單一指標來計算復雜網絡中節點的重要度。根據表4可以發現，4種不同指標對節點重要度計算時的結果會出現偏差，且這些拓撲特征都僅從單一角度對風險因素進行排序。因此，選擇CRITIC-TOPSIS法研究隧道施工風險關系網絡的節點重要度。使用CRITIC法，利用對比強度和沖突性指標，對比強度體現了數據波動性，波動越大，權重會越高；沖突性用相關系數表示，相關系數值越大，沖突性越小，權重越低。CRITIC法通過綜合考慮數據波動性與數據間的相關關系，得到最終的權重。TOPSIS法是一種逼近理想解的多屬性決策方法，可以結合多種節點重要度指標，使節點重要度計算結果更加科學、合理。具體步驟如下：

（1）使用CRITIC法確定度中心性、中介中心性、接近中心性和PageRank中心性4個指標的權重。

（2）使用TOPSIS法計算出各個風險因素的相對接近度，并對結果進行排序，確定隧道施工關系網絡中的關鍵風險因素。

4.2 隧道施工風險關鍵風險因素的識別與管控建議

4.2.1 隧道施工風險關鍵風險因素的識別

CRITIC法計算的特征指標權重見表5，TOPSIS方法下的風險因素排序見表6。綜合考慮風險因素的不同網絡特征，風險因素的排名與單網絡特征下的排名相比有一定的變化。根據表6中每個風險因素的相對接近度和排序結果可知，現場防護措施不當、技術交底不完善、安全教育培訓不足、違規承分包、信息傳遞或決策錯誤為隧道施工風險關系網絡中的關鍵風險因素，因此管理因素在關鍵風險因素中占比較大，也驗證了管理因素在隧道施工風險安全管理的重要性。在隧道施工安全管理中，應當堅守“安全第一、預防為主”的方針，防護措施在其中起到了重要的作用。保證隧道施工具備有效的安全防護措施，不僅可以起到預防功能，還可以及時發現施工中存在的問題與偏差，彌補組織管理和技術方案的不足。

綜合各種因素，應急處理能力是人為因素中最重要的風險因素。因此，在施工建設過程中，應加強應急管理能力，提高預防和處置突發事件的水平，最大限度地預防和減少突發事件及其造成的損害，保障施工中的財產和人身安全。

環境因素受客觀影響較大，水文地質情況復雜是影響隧道施工安全的重要因素。在技術與設備因素中，安全標識或防護設施缺失是關鍵因素。綜上所述，優先控制網絡中的關鍵風險因素可以達到事故預防的目的。

4.2.2 隧道施工風險關鍵風險因素的管控建議

隧道施工風險的管控需要施工系統中所有參與者的共同努力，要求利益相關方提高施工安全的意識，重視隧道施工安全工作。基于分析得出的隧道施工風險關鍵風險因素，可以從以下三個方面進行風險管控。

（1）人為方面。

應急處理能力和安全意識淡薄是人為因素中的關鍵風險因素。隧道施工環境具有復雜性，存在各種可以預見及難以預見的風險因素，應提升應急處理能力，確保面對突發事件可以快速反應、有效處置，進而控制風險產生的不良后果。而安全防范意識則是防范隧道施工事故的第一道防線，在隧道施工事故出現前，若施工人員提前具備安全防范意識，就可以避免不必要的風險因素的產生。

（2）管理方面。

在隧道建設過程中，應當重視施工中的現場防護措施，有針對性地對施工過程中容易發生事故的突出工序和薄弱環節采取切實有效的防范措施，有保護地開展隧道施工掘進、清理和支護活動，按時檢查施工中需要用到的機械或操作設備，按規定佩戴相應的勞動防護用品。技術交底則可以使施工人員對隧道施工方法和措施及現場安全情況等有一個較為詳細的了解，可提高施工的科學性及工序安排的合理性，可以有效避免發生技術錯誤及操作失誤，因此，做好技術交底記錄也是必不可少的。

（3）技術與設備方面。

伴隨著大量隧道工程的建設，地質超前預報作為隧道施工中的一個重要環節，發揮著越來越重要的作用。施工地質勘察的準確性可以讓施工單位提前了解隧道圍巖地質情況，對后續施工提供可靠的指導，降低施工風險。由于施工是一個動態的過程，需要根據現場的地質和氣候情況及時調整施工方案，采取有效應對處置措施，因此應當重視施工過程中的現場勘察和監測工作。此外，在有較大危險因素的場所應當設置明顯的安全警示標志，以提高現場工作人員的安全意識；同時，對施工現場的設備要定期檢查，減少因防護設施缺失而造成的事故。

從整個風險關系網絡來看，應當重視施工現場安全管理，減少施工管理層面發生的風險因素可以有效減少其他風險因素的產生，最終達到高效隧道施工安全管理的目的。

5 結語

（1）隧道施工風險網絡是由多種風險因素組成的，使用復雜網絡拓撲特征對網絡中風險因素進行分析，以揭示風險因素的相互作用關系。

（2）利用CRITIC-TOPSIS法對隧道施工風險網絡節點進行排序，不僅識別了隧道施工風險網絡中起重要作用的風險因素，同時考慮了基于節點近鄰、路徑和特征向量的三種網絡節點重要性排序研究方法的屬性，從而更加全面地確定各因素的重要程度。

（3）管理方面的風險因素對隧道施工風險網絡影響巨大。要重點關注施工現場的安全管理，最大限度地控制事故。為了減少施工事故的發生，需要執行有效的安全教育培訓并及時糾正施工中的已知錯誤，嚴格要求監管組織或成員將責任落實到位。

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收稿日期：2023-09-15

作者簡介：

王丹（1978—），女，博士，教授，研究方向：項目安全與風險管理。

吳瑜凡（通信作者）（1997—），女，研究方向：施工安全管理。

楊瑞鵬（1997—），男，助理工程師，研究方向：隧道工程。