张 姣
(上海城建职业学院 土木工程学院， 上海 200432)
[摘 要] 以往的隧道盾构风险评价方法偏重于静态的、定性的、主观的，且缺少对人为风险因素的评价。而在施工过程中存在众多随机因素，常常使评价结果和实际相差较大，为了弥补动态风险对评价结果的影响，针对越江隧道盾构法施工的特点，引入熵理论进行风险评价，提高了风险评价结果的精确度，为工程管理人员提供评价工程风险的方法，提出风险预防措施。然后，将该风险分析方法应用于某越江隧道盾构施工实例中，研究结果表明该方法的优越性，为相似隧道盾构施工的风险评价和工程管理提供经验和技术上的参考，降低了施工风险度。
[关键词] 越江隧道盾构工程; 熵理论; 风险评价; 预防措施; 风险度
随着我国地下工程的发展，以及中、西部地区的发展，隧道盾构工程的应用也越来越广泛，是建造穿越江河、海侠水下隧道的主要功法之一。但隧道盾构工程具有隐蔽性、荷载以及荷载与结构的相互作用的复杂性、施工环境较差和人为不确定性等特点，工程的施工风险很大。尤其是越江隧道，在水下施工，其发生隧道作业的风险性更高，如2003年7月上海地铁4号线隧道塌陷事故，造成了巨大的经济损失和负面社会影响
由于隧道盾构工程要考虑工程投资、水文地质条件、施工技术、机械装备、环境等诸多不确定性因素，而我国的工程实践时间较短，对隧道盾构工程的风险评价和风险预防与控制的研究还处于发展阶段，精确的风险评价方法是目前隧道盾构工程建设研究的热点之一。
熵是一种对未来不确定因素度量的方法，风险与缺乏充分资料的不确定因素相互联系，因此，熵可以用于越江隧道盾构工程风险的评价。本文尝试将熵理论引入到越江隧道盾构工程风险评价中，针对越江隧道盾构工程施工的每一种工况对应一个系统区间熵，系统中的不同状态相当于各个风险因素(包括机械、环境、技术、人为[1-4]、自然因素等)，即不同状态概率值就是各个风险因素发生的可能性，熵理论[5，6]是进行隧道盾构工程施工期风险评价的一种较好的方法。本文将熵理论引入到越江隧道盾构工程风险评价中，并将该方法应用到上海虹梅南路隧道工程实例中，说明该方法具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
熵理论是熵增原理和熵概念的延伸、拓展，是一系列系统设计和系统运行的规则和原理。依据熵理论进行评价时，系统信息的数量和价值，是评价的精度和可靠性大小的重要因素之一。熵可以用来度量信息量的多少，并可以度量获取数据所提供的有用信息量，目前已经涉及很多领域。熵是系统不确定性的度量，当进行项目评价时，每个风险因素的相对重要度(各个指标的权重系数)是必须考虑的，然后根据权重系数的大小，提出具体控制措施。因此，将熵理论应用于越江隧道盾构施工工程评价是一个有益的尝试。
本文在越江隧道盾构施工工程风险评价时，先通过历年的相似工程事故统计资料收集和隧道专家调查，确定各个风险因素的风险概率r，并给出评价矩阵R，然后求出各风险因素的相对重要性的熵值e和熵权ω。基于这个思想，建立如下风险评价体系。
2.1 风险评价系统风险因素集合及相关参数的设定
该评价体系对可能影响越江隧道盾构工程的工程风险进行识别，包括自然因素、环境因素、人为因素、技术因素等方面，把风险因素按照各工况分成集合
风险因素集合U对应的熵权向量为：
式中， 0≤ωi≤1；
如果不考虑各位专家的主观评价，可由ωi作为各因素权重，当考虑各位专家是通过自身工程经验对每个ui进行主观评价，假定权值为Wi，由主观评价和客观评价结合得到综合权值为：
(1)
2.2 建立评价矩阵R
风险因素的发生概率r在历年事故统计资料或专业规范齐全时，可以直接由事故统计资料或专业规范设立的评价指标得到；在缺失历年事故统计资料或专业规范时，可通过专家调查打分法获得。
风险因素ui的映射f表示风险因素ui对评判集合各评价结果。
(2)
本文中Rp为风险因素针对概率的评价矩阵；Rc为风险因素针对影响的评价矩阵。
2.3 熵值e和熵权ω的确定
因为风险因素决定风险值，因此对隧道盾构工程风险评价关键的问题就是求出ui的权重系数，
根据熵的概念，每个风险因素定量和定性计算决定它的权重，如果第i个风险因素的第j个评价值和其它评价值相同时，熵值为1，熵权为0，反之，如果当各个风险因素的第j个评价值差别很大，熵值较小，熵权较大，证明该风险因素对评价结果有价值，应注重关注。
风险因素ui的相对重要性可由下列熵来度量：
(3)
式中，rij是第j个专家在对i个风险因素的评价值，且0≤rij≤1。
对由专家评判的各因素评价矩阵，rij(j=1,2,…,m)越接近相等，熵值越大，风险因素Ui对系统风险评价的不确定性越大，反之熵值越小，当rij(j=1,2,…,m)取值相等时，熵最大，为Hmax=lnm，用Hmax对式(3)进行归一化处理，得出衡量ui的相对重要性的熵值为：
(4)
式中： 0≤ei≤1。
熵最大时，此风险因素对工程风险评价价值越小。所以风险因素ui的熵权ωi由1-ei来度量。进行风险评价分析，进行归一化处理得权值ωi为：
(5)
式中，
2.4 风险度R的确定及风险决策
一般用风险度R来评价隧道盾构工程风险。R是风险因素发生的概率P和风险因素所导致后果影响C(包括社会影响、间接和直接的经济损失等)的函数。传统的风险评价法多采用事故树法、概率统计分布等方法进行风险评价，唯一性和全面性较差，主观调整性比较强，可进行粗略估算。熵度量法则根据各个工况风险因素概率、后果影响，隧道专家对机械设备、环境影响、施工技术、人为因素、自然因素等评价对象分别进行事件概率和后果的评价。
在计算越江隧道盾构工程风险因素发生的概率时，各风险因素相应的权向量为ω=(ω1,ω2,…,ωn)，对评判集合V，各指标赋予相应的权重，得到指标向量
Ps=ωRpFT
(6)
则风险因素后果的影响为：
(7)
风险因素发生和其产生后果的似然估计是风险度，用R表示：。
R=
(8)
式中：Pf为风险因素尚未发生的概率；Cf为风险因素未发生的后果影响。
根据计算出的风险度R，进行风险决策。一般认为R>0.48为高风险系统，不可接受，方案被拒绝，0.32<><><>
3.1 工程概况
上海虹梅南路隧道是重大基础设施工程项目，隧道全长5 260 m，隧道最大埋深59 m，是黄浦江底最长最深的公路隧道，也是中国最深的城市越江道路隧道，设计为双洞单层双向6车道公路隧道，设计时速60 km/h。隧道长距离、多工况穿越运营高压、有毒、易爆石化管线，风险极高；
上海地处富水软土地质，隧道长距离、全断面穿越7-2层粉细砂，状态松散，且黄浦江底下的泥土异常柔软，土质不匀，部分区域的砂性土地段严重液化，承载能力极低，对注浆法和冻结法施工都造成极大困难。
目前，本工程采用世界上特大的泥水盾构，直径为14.93 m，有5层楼高、3 400 t重，大直径泥水盾构施工难度史无前例，此泥水盾构在地下顺着几千米的设计轴线精确到达目的地难度极大，且场区内工程地质条件差，水头压力高；这些都是较易导致事故的风险因素。因此对该越江隧道盾构工程进行风险评价和同步掌控是必要的。
3.2 风险因素的熵权值及各工况风险度的确定
识别越江隧道盾构工程进出洞工况中的风险因素，构成风险因素集合
首先对高校6名隧道专业教授及上海申元岩土工程有限公司、上海城投建设集团、上海城建隧道股份有限公司的12名具有高级职称的设计、施工人员进行调研，专家参照预先制定风险评估和接收准则【7，8】，每个专家对各个风险因素确定其风险概率为v1,v2,…,v5中的一种，再结合国内、外已建和在建的越江隧道盾构的施工质量安全事故调查，对风险因素集合U进行概率估算，计算每个风险因素属于各指标的概率，得到评价矩阵Rp，见表1。
表1 评价矩阵RpTable1 EvaluationmatrixRp概率v1v2v3v4v5u10．10．30．30．20u20．30．30．200u30．10．30．10．10u40．10．20．40．10
各风险因素的熵权的确定。由式(4)可得:风险因素ui的相对重要性的熵值向量为：ei=(0.791，0.648，0.653，0.713)，由式(5)可得各风险因素的权向量ω为：
ω=
(9)
评判集合各指标向量F的确定。确定评判集合中各标准v1,v2,…,v5的权重依次为1/25、3/25、5/25、7/25、9/25，即指标向量：F=(1/25,3/25,5/25,7/25,9/25)。由式(6)可得风险因素发生的概率为：
Ps=(0.175，0.295，0.29，0.24)×
(10)
由风险影响等级表【9-12】得到风险因素集合U的评价等级集合
表2 评价矩阵RcTable2 EvaluationmatrixRc影响v1v2v3v4v5u100．20．40．20．1u200．30．30．20．1u30．20．30．20．20u400．40．40．20．1
各风险因素的熵权的确定。由式(4)可得:风险因素ui的相对重要性的熵值向量为：ei=(0.769,0.791,0.823,0.798)，由式(5)可得:各风险因素后果影响的权向量ω为：
(11)
评判集合各指标向量F的确定。确定评判集合中各标准v1,v2,v3,v4,v5的权重依次为1/25、3/25、5/25、7/25、9/25，即指标向量F为：
由式(7)可得风险因素后果的影响为：
Cs=(0.282,0.255,0.216,0.247)×
(12)
由式(8)得：
R=Ps+Cs-PsCs=0.279
(13)
识别隧道盾构推进工况中的风险因素，构成风险因素集合
(14)
同理可得风险因素发生的概率为：
Ps=0.163
(15)
确定评价矩阵Rc，由式(5)可得各风险因素后果影响的权向量ω为：
(16)
由式(7)得风险因素后果的影响为：
Cs=0.237
(17)
由式(8)得：
R=Ps+Cs-PsCs=0.361
(18)
4.1 盾构进出洞施工风险预防措施
首先，由式(13)得隧道盾构进出洞的风险度为0.279，为低风险系统，可接受，进行一定的风险管理，适当采取风险预防措施。针对盾构进出洞产生的漏水、漏浆的权重最大，预防措施为： ①应按地下工程防水施工验收规范标准施工； ②对洞口及进洞一定范围的土体加固改良，可以采用注浆和冻结相结合的方法，保证冻结质量； ③加强工作井的降水、排水措施。
其次,盾构进出洞机械设备事故、盾构进出洞轴线偏离过大风险因素的权重值较大，预防措施为： ①严禁盾构机械的吊装和拼装事故发生； ②注意盾构姿态，及时纠偏，确保管片与盾构姿态的适应性； ③注意每环衬砌测量与设计轴线的偏差，发现偏差及时缓慢纠偏。
工作井塌方风险因素的权重值较小，但盾构进出工作井时也应采用地基加固等可靠的辅助措施。
4.2 越江隧道盾构工程推进过程的风险预防措施
首先，由式(18)得隧道盾构进出洞的风险度为0.361，为一般风险系统，要严格控制风险发生。针对管头渗漏风险因素的权重值最大，预防措施为： ①确保管片拼装质量，保证防水良好； ②管片拼装人员必须经过资质培训，持证上岗； ③保证同步注浆质量，确定合理的注浆压力注浆量； ④管片拼装前，避免止水带破损，拼装时，避免止水带发生移位。
其次,中轴线偏离、盾构推进受阻风险因素的权重较大，预防措施为： ①针对地层的复杂性，加强地质勘探，了解障碍物的确切位置； ②及时纠偏； ③针对不同土质条件，设定相对合适的泥水压力，加强泥水质量管理； ④加强泥水仓压力的监测，确保开挖面稳定； ⑤防止管片在运输和拼装时发生变形，注意养护； ⑥加强盾尾冻结法施工，保证注浆及二次注浆质量，防止隧道内涌水。
① 本文基于熵理论，将熵函数引入越江隧道盾构工程施工中的风险评价中，进行了理论的和实例的阐述和分析，能够更好的把握各种风险因素的性质。该方法可以用来评价越江隧道盾构工程的风险、进行风险决策和事故的预防，具有直观，思路清晰，逻辑性强、定量分析等优点。
② 本文所提出的风险评价是一种新的定量计算方法尝试，较接近工程实际，对以后类似工程的风险分析及控制有着重要的借鉴意义。但由于无法收集到足够多的工程实际数据，相关隧道专家的经验也有一定的主观性，而隧道盾构工程施工中具有高度复杂性、不确定性，要完全准确的定量分析还比较困难，作者仍将继续收集相关工程的实际数据进行研究。
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Evaluation and Application of Underwater Tunnel Shield
ZHANG Jiao
(School of Civil Engineering, Shanghai Urban Construction Vocation College, Shanghai 200432, China)
Abstract：providing preventive methods of engineering risk for management workers. Previous risk assessment methods of tunnel shield tend to be static, qualitative and subjective, lacking the evaluation on human risk factors. Besides, during the construction process, many random factors lead to larger difference between evaluation results and actual situation. Therefore, The paper aims to carry out risk evaluation with respect to the tunnel shield construction. The paper introduces the entropy theory in order to compensate for the impact of dynamic risks on the evaluation results, thus improving the accuracy of risk assessment, putting forward risk analysis methods and applying the risk analysis methods to an example of river crossing shield tunnel construction. The research demonstrates the superiority of the method, providing experience and technical reference for the risk assessment and project management of similar tunnel constructions so as to lower the risk degree of construction.
[Key words] river crossing tunnel engineering; entropy theory; risk evaluation; risk prevention measures; risk degree
[收稿日期] 2015 — 06 — 11
[基金项目] 国家自然科学基金面上课题(40972214)
[作者简介] 张 姣(1981 — )，女，副教授,工学博士，主要从事土动力学、软土地基处理及细观土力学方面的研究。
[中图分类号] U 455.43
[文献标识码]A
[文章编号]1674 — 0610(2017)01 — 0174 — 04
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