隧道施工风险人-机-环境系统综合评估
安永林1，黄戡2, 3，彭立敏3，雷明锋3
(1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201；
2. 湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙，410008；
3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：借鉴人机工程学原理，对隧道施工风险的多指标人机环境系统综合评估进行探讨。在分析人子系统、机子系统和环境子系统各自内涵的基础上，结合相关规范、专家法和隧道实际施工技术，构建开放式的评价指标体系，即指标数目可根据具体隧道增加或减少，确立评估流程—首先考虑学术背景、职称和从事专业时间等因素量化专家自身的权重，根据专家法确定指标层的值，在熵度法计算指标层权重、层次分析法和专家法计算准则层权重的基础上，评估指标层风险、各子系统风险和人机环境系统的综合风险。将该模型应用到某隧道施工风险评价中，根据评估值提出了具体的改善措施，结果表明该模型是合理可行的。
关键词：隧道工程；人机环境系统； 熵度法；指标权重
中图分类号：U458.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)01-0301-07
Risk assessment on man-machine-environment system of tunnel construction
AN Yong-lin1, HUANG Kan2, 3, PENG Li-min3, LEI Ming-feng3
(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;
2. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute, Changsha 410008, China；
3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Man-machine engineering theory was applied to comprehensively evaluate tunnel construction risk. Definition of man sub-system, machine sub-system and environment sub-system was discussed separately, and an open assessment factor system was established based on related norms, expert method and tunnel construction technology. The assessment flow chart is as follows. Experts weight was first qualified considering factors such as academic background, professional title and working time. Index layer risk was then determined by expert method, and its factor weight was calculated by entropy measurement. Rule layer weight was determined using expert method and AHP, then risk assessment in different layer was made. From the man-machine-environment view, the model was used to evaluate a tunnel risk. The results show the model is reasonable, and some prevention measures are also proposed according to assessment results.
Key words: tunnel engineering; man-machine-environment system; entropy measurement; factor weight
隧道施工风险施工不仅与地质有关，还与支护结构、施工人员及施工机械等相关，涉及到人、机、环境系统[1-2]。人-机-环境系统[3]是钱学森在1985年提出的，其是应用系统科学思想和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系。近年来，人机环境系统在采矿、航天等领域得到了广泛应用[4-10]，但是，在隧道工程领域却鲜见报道。本文主要从人-机-环境这个大系统对隧道施工风险进行研究，建立相应的评价指标体系，通过采用熵权技术确定各评价指标权重，并结合专家法和层次分析法，从而实现对隧道施工风险的客观评价。
1 隧道施工风险人机环境系统评价流程
在隧道施工的人-机-环境系统中[11-12]，人即是指施工队伍，是系统的主体，是机的操作者；而人本身是一个有意识活动极其复杂、开放的巨系统，随时随地要与外界进行物质交换、能量交换和信息交换；机是指爆破开挖设备、支护衬砌设备、出碴运输设备等凡和隧道施工活动有关的机械和物质；环境是人机所处的周围条件，包括作业空间、地质环境等硬环境和管理背景等软环境。
评价流程(如图1所示)具体是先根据专家的职称、学术背景等方面，在一定程度上定量化专家自身的权重，然后，对评价系统的底层单因素指标进行专家打分法风险评估，根据专家的权重则可确定单个底层指标的风险值；其次，基于熵度原理确定底层指标的权重，进一步可以得到相应上一层指标的风险的综合评估值，而在其余各层中利用AHP即层次分析法确定指标权重，从而可由底层到顶层一步一步推求隧道人-机-环境系统的综合风险值。
2 风险评估方法及标准
风险评估采用专家打分法，并结合《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》中的风险等级标准和接受准则，即1为低度风险，2为中度风险，3为高度风险，4为极高风险，采用ALARP风险接受准则，即低度风险可忽略，中度风险可接受，高度风险不期望，极高不可接受。
3 隧道施工风险人-机-环境评价指标体系
评价指标体系的选择和确定是评价研究内容的基础和关键，不但要遵循科学性、可行性和可比性原则, 而且要具有动态性原则。隧道施工风险评价是一个动态过程, 在不同情况下, 影响施工安全的因素会随之变化。因此, 在建立评价指标体系时要注意该体系的开放性、动态性[2-4]。
根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》、相关文献和对隧道施工的安全风险状况调查、分析的基础上[2-4]，建立隧道施工风险的评价指标体系(见表1所示)。若在实际施工时发现情况发生变化或应用到别的具体隧道工程中，可以对该指标体系的底层评价指标进行增加或减少，从而可实现开放式指标评价体系的建立，方便其推广应用。
图1 隧道风险的人机环境系统评价流程
Fig.1 Flow chart of tunnel risk using man-machine-environment system
表1 评价指标体系
Table 1 Evaluating index system
4 隧道施工风险人-机-环境系统评价实例
4.1 依托工程概况
隧道施工风险实例以浏阳河隧道邻近牛角冲互通地段为例。浏阳河隧道在DIIK1563+290里程处下穿长永高速公路，且此位置为牛角冲互通式立体交叉，如图2和图3所示。采用机械开挖和弱爆破法开挖，双侧壁导坑施工，洞身段拱部采用
长管棚套打
小导管支护。长管棚环向间距为0.4 m；小导管长为3.5 m，环向间距为0.4 m；同时，侧壁导坑外侧采用超前小导管预支护，其布置方式同拱部。
图2 隧道与立交桥立体关系
Fig.2 Spatial relationship between tunnel and overpass
图3 隧道与立交桥平面关系
Fig.3 Plane position relationship between tunnel and overpass
4.2 专家权重的确定
通常有关专家作出评价时，大多是假定专家的权重一样，然而，由于学术背景、职称和从事专业时间的长短等不同，专家的权重和经验也不尽一样。专家自身的权重宜按照其职称、从事隧道工程时间、对隧道风险相关理论的掌握及本隧道的了解程度而综合确定[13]，如表2所示。
对于职称栏，考虑了评职称的难易及一般需要的时间(如硕士研究生毕业2~3 a评讲师，讲师3~4 a后评副教授，副教授5 a后评教授)，用数字1，3，6，8和10表示，然后，可归一化处理，则得相应的权重；对于其他项也是根据同样道理推出。由于职称、从事隧道工程时间等几个指标的重要程度相近，可认为各指标权重一样，把各位专家对应的相应分指标权重相加，最后再进行归一化处理，则可得各专家的权重。
邀请5位隧道方面专家,专家权重是根据每位专家实际情况求和，然后再归一化处理，结果见表3。
表2 专家权重体系
Table 2 Expert weight system
表3 每位专家实际权重
Table 3 Each expert weight
4.3 底层指标风险评估
对于人子系统指标层中各评价指标的风险评估值由5位专家进行打分确定，其中V1i,j表示第j个专家对第i个指标所确定的风险值。
考虑专家权重(评价值乘以专家自身权重)，则
所以，人子系统中各指标层的评价指标风险值：
同理，机子系统中各指标层的评价指标风险值由专家打分法可得：
环境子系统中各指标层的评价指标风险值如下。
对于作业子环境：
；
对于地质环境，
；
对于隧道及施工子环境：
；
对于周边子环境：
；
对于管理子环境：
。
4.4 熵度法确定底层指标的权重
权重系数是非常关键的参数,目前确定权重系数的方法有很多种[6-7]：主要可分为主观定权法、半客观定权法、客观定权法3类。主观定权法有专家调查法、德尔菲法；半客观定权法有二元比较法、层次分析法等；客观定权法有方差倒数为权、变异系数为权、负相关系数的倒数为权、熵权及可拓法定权等。在应用过程中，主观定权法不可避免地会掺杂主观因素的影响，客观定权法往往会忽略指标的重要程度，两者都有一定的不足。因此，本研究采用熵权来反映各底层指标的权重。
熵(Entropy)代表着关于“不确定性”的一种度量，是由Shannon最早提出的，随后Jaynes提出了描述这种不确定性的数学方法即极大熵原理。在此之后，熵和极大熵原理日趋广泛地被应用于信息处理问题之 中[13-15]。
对于人子系统，其熵权的计算如下[13-15]：
采用下式对
进行归一化处理：
(1)
式中：
为人子系统底层指标c1i的最小风险值；
为人子系统底层指标c1i的最大风险值。得
用H表示熵，底层指标c1i的熵H1i定义为：
(2)
式中：
；
；n为专家的个数，即矩阵的列数。
计算各底层指标熵得：
用w表示熵权，底层指标c1i的熵w1i定义为：
(3)
式中：m为人子系统底层评价指标的个数，即矩阵的行数。计算各底层指标熵权得：
由计算结果可以看出：指标熵越大，则指标的熵权越小，意味着专家对该指标的把握性越小，不确定性越大。由此，可以确定熵权并不是评价指标实际意义上的重要系数，而是专家对各评价指标提供信息多寡竞争意识上的相对激烈程度，其与专家对指标的掌握程度有很大的关系[13-15]。
同理，根据熵权法可以确定机子系统中的各评价指标层的权重为：
环境子系统中指标层的指标权重为如下。
对于作业环境：
；
对于地质环境：
；
对于隧道及施工环境：
；
对于管理环境：
。
4.5 AHP确定其余层指标的权重
4.5.1 构造判断矩阵
层次分析法(AHP)要求计算出同一层相互联系的评价指标的相对重要性，并予以量化。当上一个层评价指标与下层多个评价指标有联系时，一般难以判断其间的相对重要程度，但若每次取2个评价指标来比较，就较容易定出哪个重要哪个次要[3]。
层次分析法确定权重的关键是进行评价指标的两两比较评分。比较评分可用Satty提出的1~9标度法，其认为人们在估计成对事物的差别时，可用5种判断等级进行描述，见表4。判断矩阵中的数值可以根据资料、专家评价及其对本问题的了解状况等加以综合平衡后给出。
表4 指标比较的分值
Table 4 Relative score by comprising index
4.5.2 根据判断矩阵求解指标权重
经比较可得若干两两判断矩阵，然后求解该判断矩阵的最大特征值，把其对应的特征向量进行归一化处理，即各因素的权重。一般有直接求解法(可利用诸如Matlab等数值计算软件直接求解矩阵的特征值)和近似求解的方法如乘幂法、方根法、和积法等[3]，本研究采用直接求解指标权重。
4.5.3 判断矩阵的一致性检验
因为隧道人机环境体系的复杂性及人们认知的片面性，在各影响因素重要性的判断上及相应所构造的判断矩阵不一定适当。而判断适当的标准就是要进行一致性检验，如下式所示[1]：
RC=IC/IR (4)
式中：RC为判断矩阵的随机一致性比率；IC为判断矩阵偏离完全一致性的指标，可由下式计算：
IC=(λmax-n )/(n-1) (5)
其中：λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数，即同一层评价指标的个数；IR为判断矩阵的平均随机一致性指标，如表5所示。
当RC＜0.1时，则判断矩阵达到了一致性的要求，否则，必须重新调整判断矩阵，直至具有满意的一致性为止。
表5 平均随机一致性比率指标IR
Table 5 Value of mean random consistency index IR
4.5.4 AHP计算权重实例
第2层次的人-机-环境的判断矩阵如表6所示。
表6 人机环境的判断矩阵
Table 6 Justice matrix of man-machine-environment
计算出
，λmax=3.069，IC=0.035，IR=0.58，RC=IC/IR=0.059＜0.1，满足一致性要求。
同理可得第3层次的环境系统的权重为：
，λmax= 5.387，IC=0.097，IR=1.12，RC=IC/IR=0.086＜0.1，满足一致性要求。
4.6 人-机-环境系统的综合评估
对于人子系统：
。
同理，机子系统：
；
对于作业环境：
；
对于地质环境：
；
对于隧道及施工环境：
；
对于管理环境：
；
对于环境子系统：
；
对人机环境系统：
。
4.7 评估结果分析
从以上评估结果可以看出：
(1) 人机环境系统的综合评估结果是1.722度，即介于低度和中度风险之间，所以要对整个系统进行监测；
(2) 人、机、环境各子系统的风险也是位于低度和中度风险之间，风险由大至小顺序为人子系统风险、环境子系统和机子系统，表明隧道施工中人的影响因素很大；
(3) 在环境子系统中，周边环境的综合风险最大，为2.794，介于中度风险和高度风险之间，要采取必要的措施保证周边邻近建筑物的安全；其次较大的是隧道本身的环境及地质环境，均低于中度风险。在施工中，一方面要注重施工地质的判释，另一方面要保证隧道支护措施的质量，研究合理的开挖及支护方案。
(4) 指标层各评价指标的风险评估如下：人子系统中人员的敬业精神风险度最大，为2.423，介于中度风险和高度风险之间，其次风险度较高的是人员的心理素质，为2.402，而技术素质和个人防护的风险为低度风险。这表明人员爱岗敬业和心理素质有待加强提高，特别是应对突发事件的心理应变素质要加强；技术素质过硬而思想跟不上，仍是风险之源；机的底层评价指标中安全防护设备的风险最大，表明要完善和维修防护设备；作业环境中的粉尘浓度风险最大，为中度风险，要采取适当措施进行改善，在工艺要求许可的条件下，尽可能采用湿喷作业；通风洒水；使用个人防尘用品，做好个人防护；在地质环境中，岩性及风化程度的风险为中度风险，但位于中度和高度风险之间，因为此处多为强风化和全风化的Ⅴ级围岩，应关注施工围岩条件的动态变化；隧道及施工环境中的底层评价指标中的埋深和跨度风险较大，为中度风险和高度风险之间。这是因为该隧道进口段为浅埋大跨，隧道的稳定性较低；管理环境中的技术交底风险最大，为低度和中度风险之间，表明应着重增强不同工班间交接制度的意识。
5 结论
(1) 融合专家法、熵度法和层次分析法，提出了隧道风险的人-机-环境系统评价模型，并构建了开放式评价指标体系。
(2) 将模型应用到浏阳河隧道中，得到人机环境系统的综合评估结果是介于低度和中度风险之间，应对整个系统进行监测。
(3) 人、机、环境各子系统的风险也是位于低度和中度风险之间，由大到小顺序为人子系统风险，环境子系统和机子系统，表明隧道施工中人的影响因素很大。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2010-11-11；修回日期：2011-01-13
基金项目：湖南省教育厅资助项目(11C0548)；湖南科技大学博士启动基金资助项目(E51095)；湖南省交通科技项目(200822)；湖南省研究生创新基金资助项目(CX20108094)
通信作者：安永林(1981-)，男，安徽寿县人，博士，讲师，从事隧道与地下工程结构与防灾的研究；电话：13203116711；E-mail: anyongling@yahoo.com.cn
