湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工风险评估

张勇 刘琛 牟艳祥

摘要：為了提高针对湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全评估的可靠性，从人员管理、机械材料、施工技术、施工环境4个方面构建较为完善的施工安全风险评估指标体系；利用灰色-DEMATEL方法对中心度进行处理得到风险指标权重；以风险发生概率和风险损失程度两个维度为基础构建二维云评估模型，其中发生概率由主、客观方法相结合来确定，损失程度通过改进雷达图法从人员伤亡、经济损失、工期延误、功能缺陷和环境影响5个方面来综合确定。将该评估模型运用到引汉济渭工程X输水隧洞盾构法施工项目的安全评估中。结果表明：该项目施工风险评估等级为Ⅱ级，施工安全风险程度较小，评价结果符合工程实际，验证了该评估模型的可行性和有效性。研究成果可为湿陷性黄土区类似输水隧洞盾构法施工安全风险评估提供借鉴和参考。

关键词：输水隧洞； 盾构施工； 风险评估； 湿陷性黄土区； 灰色-DEMATEL； 二维云模型

中图法分类号： TV672

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.024

0引 言

近年来，随着社会经济的迅速发展，水资源短缺问题逐渐显露出来。长距离跨流域引调水工程的实施，可缓解部分由于水资源分布不均而造成的供需矛盾［1］。隧洞作为水工建筑物中建造数量最多、修建难度最大、建设周期最长的一部分，其工程建设的重要性不言而喻。与普通隧洞相比，输水隧洞通常要穿越大的山体或者山脉群，洞线长、埋深大、前期勘察很难准确预测各种不良地质风险。与其他地区相比，湿陷性黄土区土体具有特殊的性质，黄土湿陷会对隧洞的稳定性产生很大的影响。而与其他施工方法相比，盾构法施工的高危险性使得施工难度相对也更高。因此有必要针对湿陷性黄土区输水隧洞采用盾构法施工时的安全进行风险评价，避免发生严重的施工安全问题，给整个输配水工程造成不良影响。

国内外学者针对隧洞工程风险评估方面曾进行了较为丰富的研究。如洪坤等［2］通过改进PERT方法，从风险事件出发分析了施工工序逻辑关系发生变化对施工进度的影响，实现了对输水隧洞施工进度风险的全面管理。祁英弟等［3］分析了输水隧洞在运行期影响其安全运行的各种病害问题，运用GSA-PP评价模型客观评价了输水隧洞在运行期结构的健康状态。刘英杰等［4］分析并量化了水工隧洞成本影响因素，构建了基于PSO-SVM的水工隧洞施工成本预测模型，使得预测结果更加准确。Li等［5］从施工风险和水文风险等方面建立风险指标体系，采用未确知测度模型和多因素综合评估方法对铁路隧道风险进行评估，其评估方法为类似工程提供了更好的途径。蒋英礼等［6］将未确知测度理论和集对分析法相结合用于岩溶公路隧道水害危险性评价中，克服了多指标性和不确定性等问题，为岩溶隧道水害风险评价提供了一条新的研究思路。Huang等［7］提出了一种基于二维云模型的新方法，将风险评估标准与风险发生概率和危害均量化为二维云的评估维度，准确预测了地铁隧道盾构区间的施工风险水平。

综合来看，一是学者们多聚焦于施工成本和工期风险的管理或者运行期的健康监测研究，且单一针对湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工阶段安全风险的研究更是匮乏；二是现有研究成果多集中于地铁和交通隧道，对于水利工程长距离输水隧洞施工管理的差异性没有考虑在内。输水隧洞属于地下隐蔽工程，施工中的风险具有“多米诺骨牌效应”，相互影响且具有不确定性和模糊性，传统的DEMATEL方法无法解决这些不确定性，且受到主观因素影响较大［8］。因此需引入灰色理论来削弱主观因素的影响，从而构建出更加柔性的模型，使得决策结果更贴合实际［9］。另外，为保证风险评估能够更加全面，将风险发生概率和损失程度作为二维云的两组变量来确定湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工安全风险等级。

1指标体系构建

在湿陷性黄土区进行输水隧洞盾构施工具有很高的难度与风险。首先，施工环境风险是一个很大的挑战。湿陷性黄土易造成盾构机卡陷，特别是头部一旦卡陷，由于输水隧洞纵轴线具有一定坡降，往往难以脱困，这是最主要的风险。其次，在湿陷性黄土区进行盾构施工不仅与施工环境有关，而且与人员管理、机械材料以及施工技术密切相关。对于人员管理方面，高风险的施工环境势必会对人员的整体素质与现场管理能力要求更高。对于机械材料方面，黄土湿陷会导致地面不均匀沉降，若再加上涌水涌沙产生空洞，会诱发管片发生错动破坏，因此对管片质量要求较高。输水隧洞掘进长度一般较长，连续长距离掘进对刀盘等部件的耐磨性能要求更高。对于施工技术方面，若湿陷性黄土层较厚，需要通过注浆加固土层稳定性，若注浆不合理、不及时，将会造成地面产生塌陷。

结合上述湿陷性黄土区盾构法施工的难点与风险，并对相关文献中已有隧洞工程盾构法施工风险进行整理分析［10-15］，初步识别出湿陷性黄土区输水隧洞采用盾构法施工的安全风险因素，并依据SL378-2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》［16］和GB 50446-2017《盾构法隧道施工及验收规范》［17］等规范，最终从人员管理、机械材料、施工技术、施工环境4个方面总结提炼出湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工安全风险评估指标体系，如图1所示。

2指标权重的确定

2.1建立灰色直接关联矩阵

（1） 邀请6位输水隧洞领域专家，依据风险指标体系对不同因素之间的影响程度进行两两打分，得到6个初始矩阵。采用的打分规则为：没有影响得0分，影响非常弱得1分，影响较弱得2分，影响较高得3分，影响非常高得4分。专家评价语义量表如表1所列，依据灰数理论将初始矩阵转化成灰数矩阵A1，A2，…，A6。

（2） 考虑到每位专家受教育程度、工作年限、参与类似项目数量以及对该领域研究深度的不同，以此为标准赋予专家不同的权重，且该权重具有模糊性。专家权重语义量表如表2所列。

2.2计算直接影响矩阵

2.3计算综合影响矩阵

2.4计算影响因素的中心度和原因度

2.5绘制因果图

根据中心度和原因度的计算结果，在笛卡尔坐标系中绘制出各个影响因素的相对位置。

2.6确定风险指标权重

3安全风险评估模型

3.1二维云模型

李德毅教授对模糊数学和随机函数研究后提出了云模型，它综合考虑了事物之间的随机性和模糊性，并能够将定性和定量概念相互转化［19］。云模型的数字特征包括云的期望Ex、熵En和超熵He［20］。

运用和一维云模型相似的思路，引出两组定性概念的数字特征共同描述两种因素影响下的不确定性问题，称其为二维云模型。湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全风险由发生概率和损失程度共同影响。相比于常用的模糊综合评价等方法，二维云模型更能展示出两种因素协同作用的影响，故本文引入二维云模型，其数学模型如下

3.2二维标准风险云

结合相关地下隧洞工程施工文献和规范，将风险的发生概率和损失程度均分为5个等级，并量化其风险等级区间，如表3所列。此外，由式（13）可得5个标准云的数字特征，作为风险云的对照标准。

3.3二维评估风险云

在确定二维评估风险云时，需先确定风险发生概率和损失程度。风险发生概率的确定采用主客观相结合的方法。对相关资料和文献进行统计和估算，难以定量时邀请专家主观确定。同时，利用改进雷达图法从人员伤亡、经济损失、工期延误、功能缺陷和环境影响5个方面综合确定损失程度。雷达图法可以通过数形结合的形式将多变量数据的关系直观展示出来［21］。本文依据风险损失程度判断的不同维度将单位圆均分为五等份，将扇形的角平分线视作坐标轴，并标出其评估值点，将各点顺序连接形成一个闭合的图形，即为雷达图，如图2所示。利用式（14）～（15）分别计算出雷达图的面积和相对面积，以此确定出风险损失程度，其中评估值由湿陷性黄土区输水隧洞领域的专家依据相关标准进行确定。

3.4综合风险云

基于灰色-DAMATEL方法得到的二级指标权重和二级指标评估风险云矩阵，处理得到一级评估风险云的数字特征，相同的方法计算得到评估对象综合风险云，计算公式如下：

3.5相近度

从二维云图直观地判断风险等级存在一定的视觉和空间误差，因此为了提高评估的准确性，引入相近度来表示实际风险云和标准风险云的相近程度，相近度越大则越接近该相近度对应的标准等级。相近度最大所对应的标准风险云即为最终的安全风险评估等级，计算公式如下［22］：

4工程实例

4.1工程概况

引汉济渭工程X输水隧洞位于西安市境内，隧洞全长8.18 km，穿越黄土台塬区，施工范围内分布的黄土具有Ⅱ级自重湿陷性。该输水隧洞所处地区水文地质条件差，地下水位高于隧洞顶，施工难度较大。围岩自稳性较差，施工周边饮水井、农灌井密布，对输水隧洞施工有一定影响。

4.2确定风险评估指标权重

本文邀请了6位曾参与过湿陷性黄土区相关项目，且平均工作年限在10 a以上的隧洞方面专家，根据自身经验对各风险进行打分，得到6个初始矩阵，根据前文所提到的对专家赋权的标准，分别赋予6位专家不同的权重，详见表4。

首先将6位专家的原始打分表转化为区间灰数，通过式（1）～（5）得到直接影响矩阵Zk，然后利用相同的方法对每位专家的灰数权重进行清晰化处理，并利用式（6）得到直接影响矩阵Z，如表5所列（部分展示）。其次，利用式（7）对直接影响矩阵Z进行规范化处理得到直接影响矩阵N，根据式（8）对直接影响矩阵N进行处理得到综合影响矩阵T，如表6所列（部分展示）。最后，利用公式（9）～（10）对综合影响矩阵T进行处理，得到各风险因素的中心度mi和原因度ni，如表7所列。利用式（11）对中心度与原因度进行处理得到各级指标权重，如表8所列。最终，绘制出各风险因素之间的中心度和原因度效果图，如图3所示。

通过数据处理的结果可以看出，湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工风险因素相互影响程度存在一定差异，其影响程度可由原因度进行量化。从图3可以看出，原因度较高的有X41，X34，X42，X11，其中X41（黄土湿陷性程度）原因度最高，说明在湿陷性黄土区进行输水隧洞的盾构法施工，黄土湿陷性程度较高会给输水隧洞的施工带来很大的风险，因此需要对其采取最大程度的措施来降低施工风险的发生。从结果因素来看，从小到大的顺序为：X45，X23，X15，X22，X32，X33，X44，X35，X14，X24，X13，X25，其中X13（管理人员现场组织协调能力）和X25（管片质量）最容易被其他因素所影响，导致风险的发生。中心度数值能够反映出导致风险发生的重要因素，从该角度可分析出各种风险因素在湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工过程中的重要位置和决策制约。从图3中看出，X12（施工人员技术水平）、X41（黄土湿陷性程度）、X42（地下水影响）、X31（盾构机参数设置）这4种因素的中心度最高，所以是导致湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工风险最重要的4种因素。

4.3确定二维评估风险云

根据邀请的6位输水隧洞工程领域专家的意见，结合X输水隧洞工程勘察報告，依据3.3节所述方法分别确定X输水隧洞盾构施工安全风险发生概率和损失程度（部分结果如图4～5所示），并根据式（16）～（17）分别得到二级、一级指标和综合二维评估风险云的数字特征，如表8所列。

4.4确定安全风险评估等级

根据表8中综合风险云数字特征和表3中标准风险云数字特征，运用MATLAB输出综合风险云图6。由图6可知，X输水隧洞盾构法施工综合风险云更靠近Ⅱ级标准风险云。结合二维综合云俯视图7可以更加清晰地看出，X输水隧洞盾构法施工综合风险云与Ⅱ级标准风险云部分重合，因此盾构法施工安全风险等级可初步判定为Ⅱ级。为定量确定安全风险等级，根据式（18）分别计算相近度，其结果为PⅠ=0.253 2，PⅡ=0.885 4，PⅢ=0.581 8，PⅣ=0.220 2，PⅤ=0.135 7，可知相近度大小为PⅡ>PⅢ>PⅠ>PⅣ>PⅤ，故最终确定X输水隧洞盾构法施工安全风险等级为Ⅱ级，施工安全风险程度较低，经整改后可接受。

根据表8中一级风险云数字特征，绘制出其一级风险云俯视图，见图8。可以看出，人员管理、施工环境及机械材料所属风险等级较高，其中，机械材料风险接近Ⅲ级，经相近度计算，TⅡ=0.604 5，TⅢ=0.840 3，因此机械材料风险等级为Ⅲ级，风险等级较高。结合该工程的实际情况，X输水隧洞项目施工范围内黄土湿陷性等级较高，水文地质条件差，围岩自稳性也较差，且周边建筑和上穿铁路对其均有影响。另外，X输水隧洞设计直径较小，工作面有限。在这样复杂的环境下施工，对盾构机选型的合理性、隧洞通风设备和施工材料的质量、人员整体素质和现场管理协调能力提出较高的要求较为合理。

为便于项目针对性地降低机械材料风险，绘制出机械材料风险下的二级风险云俯视图，如图9所示，并计算相近度。结果表明，盾构机选型合理性、盾构机刀盘刀具磨损情况以及管片质量风险接近Ⅲ级，其相近度分别为2.137 4，1.130 5，0.880 8。施工过程中，需做好风险管理工作，如根据项目自身地质条件选择适宜的盾构机类型，实时关注刀盘刀具磨损情况，有效控制和优化盾构机掘进参数以及严格把控管片拼装质量等。

5结 论

（1） 在综合考虑湿陷性黄土区的特殊构造、地质条件和盾构法施工特点的基础上，本文构建了较为完善的湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全风险评估指标体系，并利用灰色-DEMATEL方法确定指标权重，削弱了主观因素的影响，确保权重确定的科学合理。

（2） 本次研究综合考虑了风险发生概率和风险损失程度对风险等级的影响，弥补了部分学者只考虑风险损失程度，忽视了部分中低危害风险发生概率反而更大的缺陷。针对这一问题，构建了湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全风险评估二维云模型，实现了评价结果的可视化，提高了评估结果的准确性。

（3） 以引汉济渭工程X输水隧洞为研究对象，利用灰色-DEMATEL方法进行赋权，二维云模型对其施工风险进行评估，结果与工程实际风险等级一致，验证了该评估模型的可行性和有效性。

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（编辑：胡旭东）