明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法

摘要

本发明公开了一种明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法，包括：步骤一，已有数据风险事件特征挖掘学习、同步开挖施工步序相互影响分析、系统风险事件物理力学机理分析以及SD模型，挖掘风险耦合规则；步骤二，基于风险耦合规则，搭建风险耦合指标的时空监测感知体系，构建风险耦合模型；步骤三，构建考虑风险耦合作用的多灾种风险评估方法；步骤四，按照单项安全性状分析、单灾种整体风险评估、多灾种整体风险评估的流程进行风险演化与综合评估分析。本发明能够及时、定量、准确刻画明挖公路隧道邻接地铁工程全域复杂环境下协同施工风险耦合演变过程及系统风险，并可以拓展应用到其他邻接工程同期协同施工过程的风险耦合分析。

说明书

技术领域

本发明涉及公路隧道协同施工安全技术领域。更具体地说，本发明涉及一种明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合综合分析评估方法。

背景技术

随着基础设施建设的不断深入，以及相应城市规划的完善，城市施工中出现越来越多的邻接工程同期、协同施工现象。相比单项工程，同期施工系统更为复杂，邻接工程相互影响作用显著，施工安全风险更为突出。根据系统动力学理论，协同施工过程是一个复杂的系统工程，风险因子是事故发生的最小因素和单元，实践中，协同施工过程安全风险大多是由多个风险因子耦合作用造成的，耦合作用使得风险因素效力进一步扩大，从而引发施工安全事故。风险耦合分析能更准确的揭示风险事件的形成机理，明确风险因素的作用路径，开展风险因子耦合作用的探究是近接协同施工系统风险管理的基础工作，对保证施工中安全尤其重要。

关于近接协同施工过程的风险耦合理论及应用尚处在初步探索阶段，尤其对于涉及相邻深基坑开挖等复杂工序的下穿公路隧道工程近接协同施工项目，风险耦合作用是风险事件的根本诱因，但针对其的风险耦合研究及应用尚没有开展。

同时受限于所依托数学模型的局限，当前的风险耦合模型大都仅侧重于某一方面，如耦合度模型从考虑耦合发生时指标的影响程度构建，N-K模型从耦合发生概率的角度构建，SD模型长于耦合机理的分析，但缺乏定量的计算。在理论尚不完善的情况下，为尽可能准确的解决实际问题，本发明借鉴常规风险描述中从影响程度、发生概率两方面来描述风险的方法，将SD模型、耦合度模型、N-K模型有机的结合起来，构建了新的风险耦合模型，融合整体发挥已有模型各自的优势，来更好的解决复杂的协同施工问题。同时，在模型构建中，通过已有同类工程风险事件数据库的构建、风险耦合指标时空监测感知体系的搭建，解决了耦合度模型难以确定序参量数值及上下限值以及N-K模型缺乏历史数据的问题，提升了已有模型的准确度。

最后，当前工程中风险评估及预警大都仅开展单项的安全性状分析，即仅通过监测某些单项指标开展风险防控工作。随着风险防控理念的推广，一些风险较高的工程开展了单灾种整体风险评估。风险评估工作的推进，增加了工程的安全性，但也存在一些不足。单项安全性状分析，往往存在监测项均在安全范围，但工程整体出现安全事故的情形。而对于单灾种整体风险评估，没有考虑风险因子间相互依托、影响和推进的过程，尤其是涉及近接工程相互作用时，对于工程中耦合导致风险加大或产生新风险，最终导致安全事故的发生此种情形难以捕捉和预警。

发明内容

本发明提供一种明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法，其能够及时、定量、准确刻画明挖公路隧道邻接地铁工程全域复杂环境下协同施工风险耦合演变过程及系统风险，并可以拓展应用到其他邻接工程同期协同施工过程的风险耦合评估。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法，包括：

步骤一，已有数据风险事件特征挖掘学习、同步开挖施工步序相互影响分析、系统风险事件物理力学机理分析以及SD模型风险因子动态关系分析，挖掘明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合规则；

步骤二，基于风险耦合规则，搭建风险耦合指标的时空监测感知体系，构建明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合模型；

步骤三，融合单灾种风险评估指标体系法模型与风险耦合度值，构建考虑风险耦合作用的多灾种风险评估方法；

步骤四，按照单项安全性状分析、单灾种整体风险评估、多灾种整体风险评估的风险演化流程开展协同施工系统风险综合评估分析。

优选的是，步骤一包括：

S1：收集不同近接协同类施工安全风险事件案例并统计分析，得到已有广域同类工程出现的风险事件，对应的风险因子以及风险因子的耦合形式、次数和概率；

S2：根据明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的工程特点，通过同步开挖施工步序相互影响及风险事件物理力学机理分析，识别风险耦合指标以及指标表征因子；

S3：基于风险事件的特征挖掘学习，采用系统动力学正因果链分析风险因子间的动态关系，解析明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合规则。

优选的是，所述风险耦合指标包括中隔土信息、支护结构信息、支撑系统信息、水位信息、环境状态信息。

优选的是，步骤二包括：

S4：搭建风险耦合指标的时空监测感知体系，获取风险因子实时动态的时空监测值，结合体系力学失稳机理分析，识别单项风险因子的原状安全状态值和临界失稳风险状态值，划分因子区间，计算各个风险耦合指标的风险值；

S5：将单项风险因子的原状安全状态值和临界失稳风险状态值作为上、下限值，利用功效函数模型量化各个风险耦合指标的各项风险因子的功效系数，加权计算各个风险耦合指标的功效值；

结合耦合度模型风险耦合指标功效量化函数，基于各个风险耦合指标的功效值，计算协同施工系统风险耦合的指标功效耦合度值

S6：结合N-K模型风险因素交互信息函数，基于风险耦合指标的耦合概率，计算协同施工系统风险耦合的发生概率耦合度值

S7：结合指标功效耦合度值

优选的是，步骤三包括：

S8：利用单灾种风险评估指标体系法，构建评估指标体系，实现对不考虑多种风险因子耦合的协同施工系统整体安全状态的综合判断

S9：基于风险耦合度值

优选的是，步骤四包括：

S10：参照S2、S4，获得单项风险指标前兆特征，进行单项风险耦合指标安全性状分析；

S11：参照S10、S8、S9对应的风险评估方法，按照单项安全性状分析、单灾种整体风险评估、考虑风险耦合的多灾种整体风险评估，进行明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险综合分析评估。

电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述的方法。

存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现所述的方法。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明综合利用已有邻接深基坑开挖事故案例特征挖掘学习、同步开挖施工步序相互影响分析、风险事件物理力学机理分析以及系统动力学SD模型的风险耦合机理分析，挖掘明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合规则。

第二、本发明搭建协同施工风险耦合指标时空监测感知体系，实时动态时空监测量化信息，根据实时监测数据，结合体系力学失稳机理分析，识别得到单项风险因子的原状安全状态值和临界失稳风险状态值，计算各个风险耦合指标的风险值，为模型构建提供实时、准确的数据信息，并作为上、下限值量化因素耦合效应。结合耦合度模型风险耦合指标功效量化函数与N-K模型风险因素交互信息函数，从参与程度量化分析和发生概率推理两方面构建明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合模型，量化风险耦合效应。

第三、本发明构建单项/单灾种/多灾种综合递进评估方法，从单项、单灾种、多灾种三类风险耦合演化过程，准确、及时地综合评估明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工过程所带来的风险，通过以上风险耦合规则挖掘、风险耦合模型构建、风险耦合演化过程中系统风险综合评估，能够及时、准确的挖掘明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工场景中出现的各种危险情景，在当前理论不能完全揭示本质关系的背景下，综合现有的工程技术手段及方法，尽可能准确的解决实际问题，并可以拓展应用到其他邻接工程同期协同施工过程的风险耦合评估。

第四、本发明将单项安全性状分析、单灾种整体风险评估与新构建的多灾种整体风险评估方法按照风险演化流程统筹起来，按照一定的规则在近接协同施工等风险较高的工程中统筹开展，同时依托于工程现场风险因子实时时空监测感知数据信息，提出了新的风险评估工作流程和方法，既能全面、准确的评估管控风险，防治漏报，又能统筹已有的相对直接、成熟的方法，提升风险评估工作的效率，科学合理，优势明显。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法的流程图；

图2为本发明的融合风险耦合演化过程的明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险评估流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-2所示，本发明提供一种明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合分析方法，包括：

步骤一，挖掘明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险耦合规则：已有数据风险事件特征挖掘学习、同步开挖施工步序相互影响分析、系统风险事件物理力学机理分析以及SD模型风险因子动态关系分析，挖掘明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合规则；

步骤一包括：

S1：已有广域同类工程风险事件特征学习：收集全域复杂环境下邻接深基坑开挖等不同近接协同类施工安全风险事件案例并统计分析，从事故发生年份、区域、损失程度、事故风险类型、风险源指向等方面对安全风险事件案例进行整理，其中结合事故树法、因果分析图法进行风险源识别，典型风险事件包括支护体系破坏风险、施工变形超限风险、土体渗透破坏风险等，得到已有广域同类工程出现的风险事件，对应的风险因子以及风险因子的耦合形式、次数和概率；

S2：识别风险耦合指标及风险因子：根据明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的工程特点，考虑明挖公路隧道与邻接地铁工程走向平行设置，其协同施工包括相互间隔一定的施工区块、流水施工相互间影响等，开展同步开挖施工步序相互影响分析，识别同步开挖施工步序相互影响表征指标，考虑相邻深基坑开挖围护结构变形、坑底隆起等基坑变形形式及机理，开展系统风险事件物理力学机理分析，从风险事件物理力学机理角度识别表征指标，通过风险事件物理力学机理分析，筛选风险耦合指标以及指标表征因子，风险耦合指标包括中隔土信息、支护结构信息、支撑系统信息、水位信息、环境状态信息，利用其来构建协同施工系统事故风险综合评价指标体系；

S3：解析风险耦合与演化的路径与方式：基于获取的风险案例数据，采用系统动力学正因果链分析风险因子间的互动、反馈等动态关系，其中通过正因果链表示了风险因子间的诱发、扩大作用，构建协同施工系统风险耦合与演化路径与方式，解析明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合规则；

步骤二，基于风险耦合规则，构建风险耦合模型，量化风险耦合效应：基于风险耦合规则，搭建风险耦合指标的时空监测感知体系，构建明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工的风险耦合模型；

步骤二包括：

S4：统筹施工过程现场监测体系，搭建风险耦合指标表征因子监测项目，得到协同施工风险耦合指标时空监测感知体系，获取风险因子实时动态时空量化信息，获取风险因子实时动态的时空监测值，基于监测值计算各项风险因子的表征值

风险耦合指标包括中隔土信息、支护结构信息、支撑系统信息、水位信息、环境状态信息，风险因子具体包括：中隔土信息：包括明挖公路隧道与邻接地铁工程间中夹层土体深层水平位移、中夹层土体地表沉降、中夹层土体深度空间分布土压力等；支护结构信息：包括明挖公路隧道线路各区段基坑开挖围护结构桩体及围护桩外土体深层水平位移、明挖公路隧道线路各区段基坑围护桩桩顶水平位移及竖向位移、明挖公路隧道线路各区段基坑围护桩体内力等；支撑系统信息：包括公路隧道各区段明挖基坑钢支撑轴力、公路隧道各区段明挖基坑砼支撑内力、公路隧道各区段明挖基坑支撑立柱沉降等；水位信息：包括公路隧道线路各区段明挖基坑外地下水位等；环境信息：包括明挖公路隧道线路各区段基坑周围地表沉降、明挖公路隧道基坑周围建筑物沉降与偏斜、明挖公路隧道周边管线及地表裂缝等。

S5：量化因素耦合效应：将单项风险因子的原状安全状态值

结合耦合度模型风险耦合指标功效量化函数

S6：结合N-K模型风险因素交互信息函数

利用已有数据耦合方式发生次数的统计分析，得到不同耦合方式发生的频率，采用相应事件发生频率相加得到耦合方式发生的概率

S7：结合指标功效耦合度值

前述步骤构建了风险耦合模型，解决了风险评估中无法考虑风险耦合作用的问题，至此，如图2所示，可以按照单项的安全性状分析（单指标控制）-单灾种整体-考虑风险耦合的多灾种整体的风险演化与综合评估过程，依据就高原则，实现明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险综合分析评估。

步骤三，融合风险耦合演化与综合评估过程：融合单灾种风险评估指标体系法模型与风险耦合度值，构建考虑风险耦合作用的多灾种风险评估方法。

步骤三包括：

S8：利用单灾种风险评估指标体系法，结合已较为成熟的层次分析法、模糊评估法、灰色关联评估法等构建评估指标体系，构建评估指标体系，实现对不考虑多种风险因子耦合的协同施工系统整体安全状态的综合判断

S9：考虑模型的成熟度及实际工程应用的便捷性，基于单灾种风险评估指标体系法模型，基于风险耦合度值

步骤四，按照单项安全性状分析、单灾种整体风险评估、多灾种整体风险评估的风险演化流程开展协同施工系统风险综合评估分析。

步骤四包括：

S10：参照S2、S4，结合前述同步开挖施工步序相互影响分析及因子区间判识，获得单项风险指标前兆特征，进行单项风险耦合指标安全性状分析；

S11：参照S10、S8、S9对应的风险评估方法，按照单项安全性状分析、单灾种整体风险评估、考虑风险耦合的多灾种整体风险评估，进行明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险综合分析评估。

按照单项的安全性状分析（单指标控制）-单灾种整体-考虑风险耦合的多灾种整体的风险演化与综合评估过程，依据就高原则，实现明挖公路隧道邻接地铁工程协同施工风险综合分析评估。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。