基于ISM 模型的地铁盾构施工风险分析.pdf
书书书 2 0 1 4 年1 0 月 第1 6 卷第4 期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 (社 会 科 学 版 ) J o u r n a l o f S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y (S o c i a l S c i e n c e ) O c t . 2 0 1 4 V o l . 1 6 , N o . 4 收稿日期 2 0 1 4 - 0 4 - 2 0 基金项目 山东省自然科学基金项目( Z R 2 0 1 2 G Q 0 0 5 ) 作者简介 苟敏( 1 9 8 9 ) , 女, 山东东营人, 硕士研究生。 文章编号 1 6 7 3- 1 3 8 7 ( 2 0 1 4 ) 0 4- 0 3 9 0- 0 4d o i 1 0 . 1 1 7 1 7 / j . i s s n . 1 6 7 3- 1 3 8 7 . 2 0 1 4 . 0 4 . 1 4 基于 I S M 模型的地铁盾构施工风险分析 苟 敏, 赵金先 ( 青岛理工大学管理学院, 山东 青岛 2 6 6 5 2 0 ) 摘 要 针对盾构施工安全风险因素的复杂性、 相关性等特点, 选取了 1 8个影响盾构施工 的风险因素, 构建了地铁盾构施工风险的解释结构模型( I S M) , 绘制了 1个 9级递阶有向 图, 并分别从施工工艺、 管理、 环境三个方面进行分析。研究表明 I S M能有效地建立起风 险因素的解释结构, 可以直观地反映出各因素间的层次关系, 为地铁盾构施工安全管理提 供指导与借鉴。 关键词 地铁施工; 盾构法; 风险; I S M 中图分类号 T P 3 9 3 文献标志码 A 盾构法地铁施工已经成为城市地铁建设软 土地层采用较多的施工方法, 并先后在上海、 北 京等城市的地铁建设中被广泛应用[ 1 ]。地铁盾 构隧道工程施工工序复杂, 涉及风险因素众多且 影响大, 在复杂的外界环境下, 如果安全管理不 到位, 施工建设中可能存在安全隐患[ 2 ]。对此, 众多学者对地铁建设项目施工风险进行研究。 刘戈等[ 3 ]通过分析天津市地铁施工, 在层次分析 的基础上, 运用三角模糊数的方法对其风险进行 分析与评价; 许景昭[ 4 ]以北京地质特点为研究对 象, 从机械、 施工工艺及对周边环境影响三方面 对地铁盾构施工风险进行了论述; 曹振[ 5 ]在分析 西安地铁 2号线的基础上, 对地铁盾构施工的安 全风险评估理论与施工灾害防控技术进行研究; 国外学者 G r a s s i A , G a m b e r i n i Ra n dMo r a C [ 6 ]分 析了施工现场的风险因素, 并建立了模糊多属性 模型。学者们对地铁盾构施工风险的影响因素 进行论述, 并结合模糊数学、 层次分析等方法进 行分析与评价, 将定性分析与定量分析相结合。 解释结构模型( I S M) 可以把模糊不清的思想转 化为直观的关系模型, 尤其适用于变量众多、 关 系复杂且结构不清晰的系统分析[ 7 ]。在地铁施 工过程中, 由于存在较多相互影响的危险源, 利 用该方法研究是比较恰当的。笔者利用 I S M 解 释结构模型, 探求各个风险因素之间的影响关 系, 绘制出盾构施工风险的多级递阶有向图, 从 错综复杂的关系中找出因素间的本质联系, 抓住 主要风险, 旨在指导施工企业进行风险控制与安 全管理工作。 一、 构建影响因素体系 影响盾构地铁施工安全的风险因素是复杂、 多样的。笔者通过案例分析、 文献梳理, 得到众 多影响盾构施工安全的因素; 然后利用调查问卷 的方式, 筛选出对盾构施工安全影响重大的 1 8 项关键因素( 见表 1 ) 。 表 1 盾构施工安全风险因素 风险影响因素代号 Si 盾构机选型S1 施工用电S2 管片拼装S3 盾构机压气作业S4 盾构刀具更换S5 注浆作业S6 地质勘探S7 施工方案S8 组织机构和制度S9 风险影响因素代号 Si 地下不明障碍物S1 0 盾构始发与试掘进S1 1 盾构主轴承故障S1 2 盾构推进S1 3 不良作业环境S1 4 施工现场管理S1 5 盾构吊装及拆卸S1 6 专业队伍配置与考核S1 7 隧道内临时轨道运输S1 8 第 4期苟 敏等 基于 I S M模型的地铁盾构施工风险分析3 9 1 二、 建立地铁盾构施工风险的 I S M模型 1 . I S M模型简介与实施步骤 解释结构模型( I S M) 是指应用矩阵和简单 的逻辑运算, 对复杂系统的各个组成元素间的结 构关系加以描述[ 8 ]。I S M技术利用有向图、 矩阵 等工具对问题要素之间的相互关系进行处理, 并 用文字加以解释说明, 更好地明确问题的层次和 整体结构, 提高对问题的认识和理解程度[ 9 ]。 ( 1 ) 建立邻接矩阵与可达矩阵。邻接矩阵 ( A ) 是表示系统要素间基本二元关系或直接联 系情况的方阵。如果有向图上存在着由节点 i 至 j 的有向通路, 或者两个要素间存在着某种传 递性二元关系, 则称 S i是可以到达 Sj的。这样 的方阵就称为可达矩阵 M。 ( 2 ) 进行区域划分。在可达矩阵或者有向 图中, 由 S i可到达的要素所构成的集合, 称为可 达集 R ( S i) ; 可到达 Si的诸要素所构成的集合, 称为先行集 A ( S i) ; 可达集和先行集的共同部 分, 称为共同集 C ( S i) ; 只影响其他要素而不被 其他要素影响的要素构成的集合, 称为起始集 B ( S ) ; 只到达其他要素而不被其他要素到达的 要素构成的集合终止集 E ( S ) 。 ( 3 ) 进行级位划分。设 P是由区域划分得 到的某区域要素集合, 若用 L 1, L2, , L1表示从 高到低的各级要素集合, 则级位划分 Π( P )= L 1, L2, , L1。 ( 4 ) 提取骨架矩阵、 绘制解释结构模型图。 对可达矩阵进行缩减, 将系统构成要素从上到下 逐级排列; 然后加入与被删除要素有强连接关系 的要素, 最后用有向弧将骨架矩阵中的邻接二元 关系连接成有向图。 2 . 地铁盾构施工风险的 I S M建模过程 ( 1 ) 根据调查问卷结果建立邻接矩阵 A ; 利 用 M a t l a b 对邻接矩阵 A进行运算, 经过9次幂运 算后, 得到风险因素的可达矩阵 M。 ( 2 ) 进行区域划分。区域划分是将系统要 素集合划分为互相独立的几个区域的过程[ 1 0 ], 可达矩阵的区域划分如表 2所示。 由于 R ( S 7) ∩R ( S9) ∩R ( S1 0) ∩R ( S1 2) ≠ , 因此, 该 1 8项风险因素是不可以进行区域划 分的, 即它们都属于同一个区域, 是相互联系的 一个整体。 ( 3 ) 进行级位划分。级位划分是确定该区 M= 111111010010111111 011111000010100101 001000000000000000 001111000010100001 001011000010100001 000001000000000000 111111110010111111 011111010010111111 011111001010111111 011111010110111111 000000000010000000 001001000011100001 000000000000100000 011111000010110101 011111000010111111 001001000010100101 001111000010100111 000000000000000001 域内各个要素所处层级地位的过程。划分过程 见表 3 、 表 4 。 对该区域进行级位划分的结果如下 L 1={ S3, S6, S1 1, S1 3, S1 8} ; L2={ S5, S1 2, S 1 6} ; L3={ S4} ; L4={ S1 7, S2} ; L5={ S1} ; L6= { S 1 5} ; L7= { S8, S9} ; L8= { S1 4, S1 0} ; L9= { S7} 管片拼装风险、 注浆作业风险、 盾构始发与 试掘进风险、 盾构推进风险、 轨道运输风险同属 于 L 1级位, 此类风险只受其他风险因素影响, 一 旦发生危险, 将直接影响盾构施工安全; 处于 L 1- L8级位的风险因素如果发生危险, 会逐层影 响到 L 1级位的风险; 地质勘探风险是处于最底 层的风险, 此类风险只影响其他风险而不受其他 风险影响。 ( 4 ) 提取骨架矩阵。经过三层缩减后的骨架 矩阵 A ′ 为 A ′ = 000000000000000000 000000000000000000 000000000000000000 000000000000000000 000000000000000000 111110000000000000 111110000000000000 111110000000000000 000001000000000000 000000011000000000 000000011000000000 000000000010000000 000000000101000000 000000000000100000 000000000000010000 000000000000010000 000000000000000100 3 9 2 沈阳建筑大学学报 ( 社会科学版)第 1 6卷 表 2 可达矩阵的区域划分 S i 可达集 R ( S i) 先行集 A ( S i) C ( S i) B ( S ) 11 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 71 22 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 81 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 52 331 , 2 , 3 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 73 43 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 81 , 2 , 4 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 74 53 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 81 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 75 661 , 2 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 76 71 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8777 82 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 1 08 92 , 3 , 4 , 5 , 6 , 9 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8999 1 02 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 0 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 01 01 0 1 11 11 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 1 1 23 , 6 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 81 21 21 2 1 31 31 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 3 1 42 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 6 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 51 4 1 52 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 51 5 1 63 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 81 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 6 1 73 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 5 , 1 71 7 1 81 81 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 8 表 3 可达矩阵的级位划分( 一级级位划分) S i 可达集 R ( S i) 先行集 A ( S i) C ( S i) C ( S i)= R ( Si) 11 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 71 22 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 81 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 52 331 , 2 , 3 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 733 43 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 81 , 2 , 4 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 74 53 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 81 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 75 661 , 2 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 766 71 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 877 82 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 1 08 92 , 3 , 4 , 5 , 6 , 9 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 899 1 02 , 3 , 4 , 5 , 6 , 8 , 1 0 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 01 0 1 11 11 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 11 1 1 23 , 6 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 81 21 2 1 31 31 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 31 3 1 42 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 6 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 51 4 1 52 , 3 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 51 5 1 63 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 81 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 6 1 73 , 4 , 5 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 6 , 1 7 , 1 81 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 5 , 1 71 7 1 81 81 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 81 81 8 表 4 可达矩阵的级位划分( 二级级位划分) S i 可达集 R ( S i) 先行集 A ( S i) C ( S i) C ( S i)= R ( Si) 11 , 2 , 4 , 5 , 8 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 , 71 22 , 4 , 5 , 1 61 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 52 44 , 51 , 2 , 4 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 74 551 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 755 71 , 2 , 4 , 5 , 7 , 8 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 777 82 , 4 , 5 , 8 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 , 7 , 8 , 1 08 92 , 4 , 5 , 9 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 799 1 02 , 4 , 5 , 8 , 1 0 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 01 0 1 21 21 21 21 2 1 42 , 4 , 5 , 1 4 , 1 61 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 51 4 1 52 , 4 , 5 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 51 5 1 61 61 , 2 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 71 61 6 1 74 , 5 , 1 6 , 1 71 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 5 , 1 71 7 第 4期苟 敏等 基于 I S M模型的地铁盾构施工风险分析3 9 3 ( 5 ) 绘制地铁盾构施工风险的 9级递阶有向 图( 见图 1 ) 。 ①从图 1可以全面系统地了解地铁盾构法 施工安全所面临的主要风险, 自下而上的箭头表 明低一层次的因素影响高一层次的因素。 ②将图 1的 9级风险因素划分为三个层面, 分别为施工工艺方面、 管理方面与环境方面。其 中, 前三级风险因素如管片拼装风险、 注浆作业 风险、 盾构机始发与试掘进风险等, 这些风险都 表现在施工工艺方面; 第四级至第七级风险因素 属于管理层面; 第八级、 第九级风险因素是处于 底层的风险, 这些风险都表现在环境方面。 ③地质勘探风险是唯一处于最底层的风险。 地质勘探的失误会沿着箭头指向影响到其他大 部分风险, 会导致施工无法顺利进行, 因此, 重视 施工前期地质勘探的准备与调研是极其重要的。 ④地质勘探风险、 地下不明障碍物风险、 组 织机构与制度风险、 盾构机主轴承故障风险是影 响全局的源头风险, 源头风险的发生会增加其他 风险的发生概率, 故也应特别重视。 图 1 地铁盾构施工风险解释结构模型图 三、 结 语 笔者在地铁盾构法施工风险识别的基础上, 提出将 I S M 模型引入到风险分析, 通过绘制施 工风险结构图, 得到不同风险间的相互影响, 从 施工工艺、 管理、 环境三个方面直观地反映出各 因素间的层次关系, 为项目后续的风险定量分析 提供理论支持。 参考文献 [ 1 ] 张博. 地铁盾构法施工风险管理与应用研究[ D ] . 长沙 中南大学, 2 0 0 9 . 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