史小麗 姚玉玲 付浩然 潘軍利

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院1) 西安 710064) (內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司2) 錫林郭勒 026000) (陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司3) 西安 710075)

0 引 言

隧道工程在施工中面臨著斷層破碎帶、滲水、偏壓等各種不良地質(zhì)條件，使隧道施工中發(fā)生安全事故的概率大大增加.為了加強(qiáng)隧道工程在施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)管理，中國(guó)交通運(yùn)輸部頒發(fā)了《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)[1].此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作，通過梳理該領(lǐng)域的已有研究?jī)?nèi)容，其研究焦點(diǎn)集中在：①針對(duì)某一特定隧道的全過程風(fēng)險(xiǎn)管理研究[2-5]；②針對(duì)某一特定施工方法中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)項(xiàng)目合同、費(fèi)用、工期、質(zhì)量和安全等方面的影響研究[6-8]；③研究過程中都采用了相應(yīng)的模型、方法，建立了決策平臺(tái)[9-10].由此可見，針對(duì)特定地質(zhì)條件或特定施工方法的隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外相當(dāng)普遍.

盡管隧道工程施工中面臨的地質(zhì)環(huán)境具有多樣性，采用的施工方法具有不同的針對(duì)性，但隧道施工中的致險(xiǎn)因素最終導(dǎo)致的結(jié)果是確定的，即可能產(chǎn)生施工生產(chǎn)安全事故，造成人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失.本文突破以往風(fēng)險(xiǎn)管理研究中以某一特定隧道或某一施工方法為出發(fā)點(diǎn)的常規(guī)思路，立足于現(xiàn)行《指南》中對(duì)坍塌、涌水突泥和瓦斯爆炸這三種施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行研究，修正現(xiàn)有評(píng)方法的評(píng)估結(jié)果，提高公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)判的準(zhǔn)確性.

1 現(xiàn)行公路隧道工程施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法評(píng)價(jià)

現(xiàn)行《指南》中根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)可能性和后果嚴(yán)重程度這兩個(gè)因素，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中前者是采用指標(biāo)體系法對(duì)坍塌、涌水突泥和瓦斯爆炸事故進(jìn)行評(píng)估確定風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)，后者根據(jù)專家調(diào)查的主觀方法確定后果嚴(yán)重程度等級(jí).該評(píng)估方法中風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)確定是核心內(nèi)容，其特點(diǎn)如下。

1) 評(píng)估指標(biāo)綜合、全面 《指南》從人、機(jī)、料、法、環(huán)境等方面對(duì)可能導(dǎo)致事故的致險(xiǎn)因子形成評(píng)估指標(biāo)，并且確定了各評(píng)估指標(biāo)可能存在的狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的打分值.如坍塌事故這一風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)判定需要從隧道施工區(qū)段坍塌事故可能性評(píng)估指標(biāo)和安全管理評(píng)估指標(biāo)兩個(gè)角度綜合確定，前者評(píng)估指標(biāo)包括圍巖級(jí)別(A)、斷層破碎情況(B)、滲水狀態(tài)(C)、地質(zhì)符合性(D)、施工方法(E)、施工步距(F)，這幾個(gè)指標(biāo)分別存在4，4，4，3，3，4種狀態(tài)；后者評(píng)估指標(biāo)包括總包企業(yè)資質(zhì)(a)、專業(yè)及勞務(wù)分包企業(yè)資質(zhì)(b)、歷史事故情況(c)、作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)(d)、安全管理人員配備(e)、安全投入(f)、機(jī)械設(shè)備配置及管理(g)、專項(xiàng)施工方案(h)，這幾個(gè)指標(biāo)分別存在4,2,4,3,3,3,3,3種狀態(tài).

2) 評(píng)估方法簡(jiǎn)便、快捷 仍以坍塌事故為例，首先根據(jù)實(shí)體隧道工程的情況和《指南》設(shè)計(jì)的指標(biāo)狀態(tài)分值，打分得出事故可能性的各評(píng)估指標(biāo)得分值A(chǔ),B,C,D,E,F和反映安全管理的評(píng)估指標(biāo)得分值a,b,c,d,e,f；其次根據(jù)安全管理評(píng)估指標(biāo)的狀態(tài)分累計(jì)值M(M=a+b+c+d+e+f+g+h)，得出折減系數(shù)γ；再計(jì)算得出事故可能性的計(jì)算分值P(P=γ(C×A+B+D+E+F))；最后根據(jù)《指南》確定的計(jì)算分值P與事故可能性等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí).

上述對(duì)評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法的分析可見，目前的評(píng)估方法存在兩方面問題：①對(duì)評(píng)估指標(biāo)間的相關(guān)性欠缺考慮，只是簡(jiǎn)單的將不同指標(biāo)的得分值進(jìn)行疊加；但各評(píng)估指標(biāo)間是具有一定的相關(guān)性的，如上述斷層破碎帶和滲水狀態(tài)都會(huì)影響圍巖等級(jí)、企業(yè)資質(zhì)會(huì)影響歷史事故情況和作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)等；②評(píng)估結(jié)果過于絕對(duì)化，而評(píng)估結(jié)果應(yīng)是一個(gè)概率事件，并且此概率性的評(píng)估結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)下一步的施工項(xiàng)目管理.

2 基于Bayes網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)的評(píng)估方法

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用于隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的可行性分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖形可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估中各評(píng)估指標(biāo)間的不確定性內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)，其中的節(jié)點(diǎn)即為現(xiàn)行《指南》中確定的各評(píng)估指標(biāo)；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)推理能力可對(duì)各評(píng)估指標(biāo)之間復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)，并以有向弧線和概率分布的形式進(jìn)行表達(dá).這種由節(jié)點(diǎn)和箭線組成的圖示化模型，可清晰的表達(dá)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各評(píng)估指標(biāo)之間的因果關(guān)系，風(fēng)險(xiǎn)判斷結(jié)果以概率形式給出，更加可靠，對(duì)實(shí)際工程中的風(fēng)險(xiǎn)控制、預(yù)防措施制定具有指導(dǎo)意義.

2.2 貝葉斯定理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中最基本的信息傳遞基礎(chǔ)即為貝葉斯定理，貝葉斯定理可以描述兩個(gè)條件概率之間的關(guān)系[11-12].

公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果有四種可能，即I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)和IV級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，這四個(gè)事件用Ri表示(i=1～4),構(gòu)成了一個(gè)樣本空間；貝葉斯定理中需要事先對(duì)這四個(gè)事件出現(xiàn)的可能性大小進(jìn)行估計(jì)，即確定P(Ri)稱為先驗(yàn)概率；當(dāng)對(duì)某個(gè)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的打分得到了一個(gè)結(jié)果S，那么貝葉斯公式提供了根據(jù)S的出現(xiàn)而對(duì)先驗(yàn)概率做出新評(píng)價(jià)的方法，即確定出P(Ri/S)，稱為后驗(yàn)概率

(1)

先驗(yàn)概率可根據(jù)以往的數(shù)據(jù)分析得到，本文根據(jù)《指南》確定的評(píng)估指標(biāo)體系和相應(yīng)的狀態(tài)分值建立數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括了所有與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的判定風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)和后果嚴(yán)重程度的評(píng)估指標(biāo)狀態(tài)值，據(jù)此數(shù)據(jù)庫通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和參數(shù)學(xué)習(xí)可以得出先驗(yàn)概率；再將實(shí)體隧道的評(píng)估指標(biāo)參數(shù)值代入，即可得出考慮了可能性的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果，即后驗(yàn)概率.

2.3 改進(jìn)的公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法

圖1為隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立流程圖，圖中左側(cè)部分為模型的建立過程，右側(cè)為對(duì)相應(yīng)步驟的解釋及具體實(shí)施內(nèi)容.

圖1 改進(jìn)的公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法流程圖

3 數(shù)據(jù)庫的建立

評(píng)估方法中數(shù)據(jù)庫的建立完全依賴于現(xiàn)行《指南》中全面綜合的評(píng)估指標(biāo)，涉及物的不安全狀態(tài)指標(biāo)、人的因素及施工管理指標(biāo)、人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)三個(gè)方面，圖2以坍塌事故為例表示數(shù)據(jù)庫生成的過程，圖中字母所代表的含義同1中的描述，因隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源事故受多重因素的影響，評(píng)估指標(biāo)較多，圖中未一一列出，僅以省略號(hào)表示數(shù)據(jù)庫的建立思路；圖中字母的下標(biāo)表示評(píng)估指標(biāo)的狀態(tài)；人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失共四種狀態(tài)，未在圖中顯示.據(jù)此可以得出僅坍塌事故的數(shù)據(jù)庫就有17 832 960組數(shù)據(jù).

圖2 坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

4 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷模型的建立

4.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的過程，是尋找一個(gè)最能準(zhǔn)確描述先驗(yàn)知識(shí)及節(jié)點(diǎn)相關(guān)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程，本文選用機(jī)器學(xué)習(xí)法和專家經(jīng)驗(yàn)法建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).由于本文中的數(shù)據(jù)為完整的數(shù)據(jù)集，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法選擇貪婪搜索算法(greedy thick thinning)中的K2算法，再將所得學(xué)習(xí)結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這一過程充分考慮了各評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)性.圖3為根據(jù)坍塌事故數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)后得到的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖.

圖3 坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

4.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)過程是通過樣本數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)估，得出先驗(yàn)概率.本文采用極大似然估計(jì)(MLE)方法進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)學(xué)習(xí).

首先需對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行定義，并與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)進(jìn)行匹配；本網(wǎng)絡(luò)模型中的匹配是將節(jié)點(diǎn)的各狀態(tài)與各評(píng)估指標(biāo)的得分值相對(duì)應(yīng)，見圖4.

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建和參數(shù)學(xué)習(xí)后，一個(gè)完整的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率判斷模型便建立完成，圖5為坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率判斷模型.

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖

圖5 坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率判斷模型

在實(shí)際應(yīng)用過程中，將所評(píng)估隧道的各評(píng)估指標(biāo)的狀態(tài)值代入網(wǎng)絡(luò)模型中，即可實(shí)現(xiàn)事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判斷.

5 結(jié)果驗(yàn)證與應(yīng)用

為驗(yàn)證本文提出的評(píng)估方法的準(zhǔn)確性，選擇西鐘嶺隧道專項(xiàng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該隧道無瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)源，故僅對(duì)坍塌和涌水兩個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析.表1為坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果對(duì)照表，表2為涌水事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果對(duì)照表.

由表1～2可知：

1) 現(xiàn)有方法的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果，實(shí)質(zhì)是改進(jìn)方法判斷結(jié)果中概率值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從這一點(diǎn)看，兩種方法所得結(jié)果是一致的.

表1 西鐘嶺隧道坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷表

表2 西鐘嶺隧道涌水事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷表

2) 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷結(jié)果中II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)和III級(jí)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率分別是45%和55%，與判斷結(jié)果分別是28%和72%，11%和89%，21%和79%時(shí)，需引起的重視程度是大大不同的.

3) 兩種方法相對(duì)比，改進(jìn)的概率判斷模型所得結(jié)果不僅可以準(zhǔn)確判斷事故風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)，而且得出了事故各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)生的概率，結(jié)果更加詳細(xì)、可靠，對(duì)下一步的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)與防范指導(dǎo)意義更大.

4)可根據(jù)概率性的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果，從施工技術(shù)方案角度制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，計(jì)算期望工期和費(fèi)用，為項(xiàng)目管理決策提供依據(jù).

6 結(jié) 論

1) 對(duì)現(xiàn)行《指南》公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明評(píng)估指標(biāo)全面，但評(píng)估方法僅是對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行疊加、未考慮各評(píng)估指標(biāo)間的相關(guān)性，評(píng)估結(jié)果未體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率大小.

2) 論證了貝葉斯理論用于公路隧道施工安全重大風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性和適用性，通過建立風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所需的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率判斷模型的構(gòu)建.

3) 依托實(shí)體隧道工程，采用改進(jìn)的方法進(jìn)行評(píng)估，將所得結(jié)果與現(xiàn)行方法進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果更加詳細(xì)、可靠，對(duì)下一步的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)與防范指導(dǎo)意義更大.

4)同一隧道工程的同一評(píng)估區(qū)段，可能同時(shí)存在兩種以上風(fēng)險(xiǎn)源，下一步可考慮對(duì)受多種風(fēng)險(xiǎn)源影響的區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理開展研究.