综合管廊全寿命风险识别与评估

聂长强，付伟庆,2，黄剑，王建

(1.青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 266033；2.青岛理工大学 蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 山东 青岛 266033；3.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092)

中国处于城市综合管廊建设大发展阶段，因综合管廊存在技术综合性强及管线高度集中等特点，导致管理经验滞后、维护困难等问题，在策划、设计、施工与运营等多方面存在风险。目前国内外对管廊风险做了大量研究。强万明等[1]在风险识别中运用层次全息模型法构建了综合管廊安全风险辨识体系。黄萍等[2]运用事故树法分析了综合管廊施工阶段影响安全的因素。李芊、陈雍君等[3-4]运用在运营阶段进行风险识别，并建立了城市地下综合管廊运维风险评价指标体系。Jang等[5]识别出综合管廊燃气泄漏及瓦斯爆炸的风险因素，并推进了安全措施进行改进。Niira等[6]识别出日本综合管廊发生水灾的风险因素，对设计防水设施提供参考。

综合来看，现有管廊安全评估研究主要针对某一特定事故或项目某一阶段过程，缺乏对管廊建设在全过程和全覆盖面上的风险识别与评估。本文分策划、设计、施工与运营四个阶段进对管廊风险因素进行识别和筛选，采用模糊综合评判法构建管廊全寿命风险评估流程，并引入工程案例进行评估过程应用说明。

1 综合管廊风险识别

在综合管廊全寿命周期内存在大量的潜在风险，有些风险相互联系影响，为了全面系统地辨别全寿命周期内的风险因素，参考相关文献及规范使用风险分解结构法[7]分解风险。

1.1 策划阶段风险识别

策划阶段主要考虑项目是否能够顺利展开，文献[8]中描述了影响综合管廊项目策划价的主要因素包括资金、法律、公司、环境等。通过咨询从事相关工程项目专家，将风险因素进一步进行分解，具体风险因素描述见表1。

表1 策划阶段风险分解表

1.2 设计阶段风险识别

综合管廊设计方案优劣直接影响后期施工的顺利开展，以及后期运营阶段的经济和社会效益。通过咨询相关设计人员，将设计阶段风险分为三类[9-10]，归纳设计阶段风险因素见表2。

表2 设计阶段风险分解表

1.3 施工阶段风险识别

施工阶段内发生事故较多，通过调研工地现场的施工技术及管理人员，收集环境、技术、经济、工期、安全问题、组织管理、材料设备等多方面风险因素[11-12]，将各方面风险使用风险分解结构法，分解得到施工阶段风险因素见表3。

表3 施工阶段风险分解表

1.4 运营阶段风险识别

运营阶段是综合管廊实际使用阶段，通过与专家进行讨论，确定该阶段主要风险包括人为、设备、管线、管理、环境、结构风险[13-14]，将运营阶段的主要风险进行分解后的结果见表4。

表4 运营阶段风险分解表

1.5 综合管廊风险筛选

通过风险分解结构法识别出综合管廊全寿命周期中可能发生的风险分类和风险子分类，邀请150名综合管廊方面的人员对识别出的风险因素采用Likert-type五点量表形式进行重要程度打分，调包括研究学者、施工经验丰富的人员、从事过地下工程及综合管廊工程的专家，使用SPSS数据统计分析软件对调研数据进行可信性分析，信度系数alpha值为0.92，在0.90以上，证明整体数据的可靠性和问卷的内部一致性好。五点量表分值设计及打分标准见表5，调研人员信息统计如图1所示。

表5 分值对照表

(a)工作单位组成 (b)学历水平

将得分权重大于3分的风险因素保留，并根据重要性、相关性、独立鉴别性原则将部分风险因素进行合并或修改名称(合并后的风险因素得分取平均)，得到最终的风险清单见表6。

表6 全寿命周期下的风险清单

2 综合管廊全寿命风险评估方法

2.1 全寿命评估方法流程

模糊综合评判法可以总体评估受到多种因素制约的事物或对象，层次分析法通过构造比较矩阵来计算被相对权重，能对非性的事情做出定量分析。在筛选识别风险因素清单基础上，使用层次分析法与模糊综合评判法，对综合管廊构建全寿命风险评估方法，评估流程如图2所示。

图2 综合管廊全寿命风险评估流程图

2.2 风险评估流程说明

2.2.1 权重集建立流程

将全寿命周期下的风险因素划分为3个层次，总风险层：全寿命周期风险C；风险阶段层：策划阶段C1、设计阶段C2、施工阶段C3、运营阶段C4；风险因素层：各风险阶段的具体风险因素Cij见表6。

风险层次建立后，可以确定各因素上下层隶属度关系，对风险阶段层与风险因素层使用层次分析法建立权重集。首先使用专家打分法确定每一层指标相互重要性程度，并运用1～9标度法[15]打分，建立两两指标比较的判断矩阵。

以风险阶段层：策划阶段风险C为例，根据策划阶段5个风险因素的相互重要程度，可构建判断矩阵A1：

(1)

式中：矩阵元素aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，其中i=1,2,3,4；j=1,2,3,4。

由权向量公式A1ω1=λmaxω1可以得到ω1={ω11,ω12,ω13,ω14}T，对权向量中的元素进行归一化，权重集计算公式与最大特征值如下：

(2)

(3)

CR=CI/RI，

(4)

当CR>0.1，计算的权重不正确，需对两两比较矩阵重新计算权向量，直至通过一致性检验。

2.2.2 风险评估结果确定

结合风险的概率及损失，将风险等级分为9级：1—可以忽略；3—较轻；5—一般；7—严重；9—灾难性；2、4、6、8为两相邻程度的中值，风险评语集如下：

V={1,2,3,4,5,6,7,8,9}。

(5)

使用专家打分法对150名综合管廊方面的人员进行二次调研，通过对风险因素的评分，每个因素在不同风险等级得分总和所占每一因素总得分百分比可得模糊矩阵，以策划阶段风险C1为例，可得C1与评语集V之间模糊关系的模糊矩阵R1：

(6)

式中：矩阵元素rij为在C1={C11,C12,C13,C14,C15}中C1i对评语级V中各等级的隶属度评价。

进行模糊运算，得到模糊综合评价结果:

B1=

ω1×R1=(b11,b12,b13,b14,b15,b16,b17,b18,b19)，

(7)

同理可得B2、B3、B4，由B1、B2、B3、B4各行组成综合模糊矩阵R：

(8)

对综合管廊全寿命周期风险C中对应的权重ω={ω1,ω2,ω3,ω4}与综合模糊矩阵R模糊运算，得最终评估结果：

B=ω×R=

(b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9)，

(9)

(10)

同理，利用加权分布法也可得到综合管廊策划、设计、施工与运营阶段风险等级大小。

3 综合管廊全寿命风险评估案例

3.1 项目概况

综合考虑新建各类管线情况及地下环路的位置，确定某地下综合管廊采用“三横两纵”形式，如图3所示。1～5号道路的地下综合管廊于2016年5月开建，至2021年4月主体工程完工。

图3 某综合管廊项目布置图

各管廊具体构造如下：1号路综合管廊采用单舱三室断面形式、2号路采用独立双舱室截面，3号路采用两舱断面形式，4号路为单舱三室，5号路在3号路以北部分采用单舱三室截面，5号路在3号路以南部分采用单舱室截面，管廊施工图如图4所示。

图4 某管廊施工阶段图

3.2 问卷收集及权重值计算

运用风险评语级1～9安全等级对识别筛选出来的某综合管廊关键风险因素打分，针对二次调研发放问卷150份，回收143份，有效137份，有效率95.8%，表明专家对此次咨询内容的积极性较高，经过SPSS可信度分析，信度检验结果为0.906，大于0.8，属于高信度，说明数据真实可靠，无需二轮发放，可以对数据进行下一步分析。

根据权重集建立流程，运用层次分析法可求得权向量。以策划阶段为例，根据专家反馈可知策划阶段风险因素的相互重要性程度，运用1-9标度法建立判断矩阵，矩阵内元素见表7。

表7 策划阶段判断矩阵元素

一致性检验：λmax=5.068，CI=0.017，RI= 1.12，CR=CI/RI=0.015<0.1，一致性通过。因此风险权向量ω1=(0.417,0.097,0.160,0.062,0.263)；

同理可以得出设计、施工与运营阶段风险因素与全寿命周期各阶段权向量，分别如下：

ω2=(0.101,0.204,0.093,0.499,0.062,0.04)；

ω3=(0.027,0.047,0.04,0.106,0.159,0.068,0.294, 0.164,0.068,0.027)；

ω4=(0.136,0.039,0.066,0.174,0.049,0.096,0.282, 0.159)；

ω=(0.075,0.345,0.404,0.176)。

3.3 确定模糊矩阵值

根据统计调查问卷，确定每个因素在不同风险等级得分总和所占每一因素总得分百分比，可得各阶段风险模糊矩阵Ri，以策划风险概率统计表为例，见表8。

表8 策划阶段风险因素概率统计表 单位：%

由上表8可得策划阶段风险模糊矩阵R1：

R1=

因此根据风险概率统计，也可得出设计、施工、运营阶段风险模糊矩阵R2、R3、R4：

R2=

R3=

R4=

3.4 模糊综合评估

由各阶段风险的权向量ωi，统计调查问卷得到模糊矩阵Ri，通过用M(*，+)算子运算进行模糊评估。

策划阶段评估结果：B1=ω1×R1=(0.116,0.043,0.055,0.073,0.109,0.152,0.179,0.137,0.135)；

规划阶段评估结果：B2=ω2×R2=(0.034,0.021,0.022,0.118,0.148,0.165,0.204,0.145,0.142)；

施工阶段评估结果：B3=ω3×R3=(0.079,0.043, 0.036,0.082,0.135,0.150,0.184,0.153,0.138)；

运营阶段评估结果：B4=ω4×R4=(0.028,0.081, 0.067,0.049,0.150,0.178,0.181,0.146,0.122)；

因此R=(B1,B2,B3,B4)T，可得综合评估结果如下：B=ω×R=(0.057,0.042,0.038,0.088,0.143, 0.167,0.191,0.140,0.134)。

3.5 评估结果分析

经过计算得到评估结果B，为了保证结果准确性及客观性，分别采用3种方法对结果B分析。

最大隶属度法：由求得向量B中可看出最大值为0.191，属于7级风险，因此该项目风险等级偏向于中高风险。

表9 各风险阶段加权评价结果

依计算结果可看出，策划阶段和运营阶段风险值较低在[5,6]之间，属于中等风险；设计阶段、施工阶段的风险值在[6,7]之间，属于中高等风险；综合评价结果也属于区间[6,7]，该综管廊项目全寿命周期域内风险属于中等偏高风险，各阶段风险按大小依次为：设计阶段、施工阶段、运营阶段、策划阶段。

综合三种计算，其分析结论一致，三种方法客观、科学的反映了分析结果，可以提前对各个阶段风险因素采取措施以保证项目顺利实施。

4 结论

1)将综合管廊全寿命周期分为四个阶段；策划、设计、施工和运营阶段，运用查阅文献和风险分解法，全面识别出各阶段可能出现的117种风险因素，并筛选出危害较大的58个影响因素，通过对其整理修订后得到29个主要风险因素。

2)以层次分析法确定风险权重集，以模糊综合评判法确定风险概率，采用定性与定量相结合的方式建立综合管廊风险评估方法，对风险评判做出了全面、客观的认识和描述。

3)以某综合管廊为工程背景，采用所提出的风险评估方法，确定出各阶段权重及模糊矩阵，得到综合评估结果并主要运用加权分布法进行分析，验证了所提出评估方法流程可行性。