第３３卷第８期 Ｖ０１Ｉ３３ Ｎｏ．８ 建筑施工 ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴ１０Ｎ 智能风险管理系统在盾构法 隧道工程中的应用 ＊ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｍａｒｔ Ｒｉｓｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 口 滕丽 （上海城建（集团）公司２００１２２） 【摘要】近年来，盾构法隧道施工的事故时有发生。但以往的风险识别和风险管理的方法不能满足安全要求。新的逻辑风 险评估法（ＬＡＲＥ）和改进的克隆选择算法（ＩＣＳＡ）可提高风险鉴别的效率和准确性，并基于地下工程的实际情况。采用迭代 的动态风险管理法，通过充分利用现有通信和信息技术，实现了整个建设过程的全面风险管理。经具体工程实际应用，该智能 风险管理系统能够识别潜在的风险，并能提出有效的风险预控技术措施，确保了工程的施工安全。 【关键词】隧道工程【中圈分类号ＪＵ４５ 盾构法施工 动态 智能风险管理系统 ，文献标识码 Ｂ 【文章编号】１００４—１００１《２０１１）０８—０７４２—０４ ０引言 盾构法隧道施工具有相当复杂的过程，包括地基加固、 ｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＩＳ）和人工智能的（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ＡＩ）隧道风险管理信息系统［”，它可以评估施工 时的风险，特别是周围的环境风险评估、第三者损伤，并在汉 城地铁工程中成功应用。意大利ＧｅｏＤａｔａ公司于２００６年公 布了土木工程项目的风险控制系统（ＧＤＭＳ）圆，该系统是采用 基础安装、盾构始发、掘进、盾构到达等诸多步骤。同时，同一 工序也有着多种不同的施工工艺，仅地基加固，就有盐水冷 冻法、液氮冷冻法、搅拌桩法、高压旋喷桩法和降水法等不同 方法。由于风险的形成原因和不同的流程、工艺的监测方法 有很大的不同，信息的来源、类型和采样间隔也不尽相同，使 得建立盾构掘进全过程风险管理体系具有相当大的困难。 盾构隧道的风险管理和风险信息系统的发展是分不开 的。Ｃｈｕｎｇｓｉｋ Ｙｏｏ于２００６年研发了基于地理信息系统（Ｇｅ－ ’国家自然科学基金编号：（ＮＦＳＣ）５０７７８１０９和２００８年建设 ＧＩＳ和ＷＥＢ技术来监控建筑物的风险，已被应用到许多地铁 项目，如圣彼得堡、罗马和圣地亚哥等工程中。上海隧道工程 股份有限公司于２００４年研制的盾构隧道施工信息智能远程 管理系统［３］，可通过数据分析提供有效的施工管理和技术支 持。黄宏伟等于２００６年的开发了采用专家系统的盾构掘进 风险管理软件（ＴＲＭ１．０）［４］，该软件应用于上海长江隧道工程。 鉴于信息系统的特点，有一些信息系统的重点放在了项目早 期的风险的评估阶段，而另外一些信息系统强调的是施工阶 段的实时风险分析，但此类信息系统都依赖于复杂的和昂贵 的监测设备。 部专题项目“盾构进出洞关键技术研究” 【作者俺介】滕丽（１９７７一）。女，硕士，工程师，首席科研主管。 联系地址：上海市福山路５００号２８０７室（２００１２２）。 【收稿日期】２０１１－０６～２６ 墙，为确保抹面平整度，可分两次进行：先刷１层砂浆打底， 此层厚度为１０ ｍｍ左右，并用直尺刮平、木板抹面，表面宜粗 不宜光；第２层表面粉刷、抹光应在第一次砂浆终凝后及时 口应按道路设计要求正确放样定位，并用垂球引至进水口的 基础上，再在基础上放出墙基线后砌筑，以与道路方向顺直 吻合：连管必须顺直，坡度一般为３鬈～５％，在与各种管线交 进行，表面用铁板抹光，外粉刷时，接搓位置不宜在同一个截 面上，应错开。筑砖砌体时，砂浆配合比要准确，井壁砂浆抹 面平整、灰缝饱满、表面顺直、抹面光实、无色差、无裂缝。井 框、井盖必须平稳，井口周围不得积水，井应做到墙面平直、 边角整齐、宽度一致、井体不走样；砖缝中应用砂浆均匀饱 叉的困难地段，不得小于１茗。 ５结语 为了减少施工期间对周边环境交通的影响，我们采取 了一系列必要的环境保护和交通疏导措施，确保了工程顺利 灌，不得有通缝，缝宽一般为１０ ｍｍ，误差不大于２ ｍｍ；槽为 地进行。该大型雨水泵站成功建立也为苏州河整治提供重要 保障。 管径的一半，两边向中间落水，用１：２水泥砂浆抹面；进水 ・７４２・ 滕丽：智能风险管理系统在盾构法隧道工程中的应用 第８期 由于机构、业主、设计施工单位以及保险公司都已 意识到了实行风险管理的好处，因此各国都在加强风险管理 的研究和运用，并且为风险管理制定了指导性的法规，这些 指导性文件将推动地下工程风险管理的开展，并为风险管理 提供了工作依据，如：２００３年９月，英国隧道协会和英国保 险业协会联合发布了英国隧道工程风险评估同，２００４年，国 际隧道协会发表了隧道风险管理指南嘲；２００６年１月，国际 隧道保险集团（ＩＴＩＧ）发表了隧道风险管理指导原ｌＪ ｃ７３：而中 国也于２００７年发布了隧道工程风险管理守则［８］。 但是，地下工程风险管理系统通常面临３个问题：（１）目 前进行风险评估使用的方法主要用于金融（保险）的风险管 理，并不完全适用于隧道施工的风险分析；（２）整个隧道建设 有许多工序，将环境监测数据作为风险判别的依据，不能涵 盖整个盾构掘进过程的风险；（３）风险的发展是一个动态的 过程，这就需要“迭代”风险管理，但目前基于数据信息分析 的风险评估和预控还显不足。因此，强调预警和采取预控措 施去避免事故的发生，是风险管理的最终目标。本文旨在结 合工程实际情况和专家的经验，在整个施工过程中，通过迭 代动态风险管理的理论去识别风险信息，进行全面的风险管 理，并建立全过程盾构隧道工程风险管理动态智能系统。 １ 新智能风险识别方法 １．１逻辑风险评估方法（ＬＡＲＥ） 层次分析法（ＡＨＰ）和故障树分析法（ＦＴＡ）是地下工程风 险识别最常用的方法。在这里，本文提出了一种新的风险评 估方法——逻辑风险评估法（ＬＡＲＥ），该方法兼有层次分析 法在表示索引结构的清晰和故障树分析法在逻辑上的优点。 ＬＡＲＥ方法使用树结构来表示模型的层次结构，它类似 于层次分析法，然而，在ＬＡＲＥ的节点分为强节点（◇）、普通 节点（△）和薄弱节点（Ｏ），这又不同于层次分析法（ＡＨＰ）。强 节点可以直接影响到最终的风险状况，这意味着这些节点出 现风险时，将是不可避免的风险；普通节点与本身的风险水 平有关，如果普通节点处于高风险水平，这将不可避免地导 致最终的风险，但如果普通节点处在低风险水平，它只涉及 到上级节点的风险状况；薄弱节点只影响风险状况。这种设 计使得性能指标能很好地影响风险识别。例如，如果冻结土 的平均温度大大偏离警戒值，表示该工程处于高风险状况， 这就不必要对其它风险因素进行分析。 因此，可用逻辑术语来表达节点之间的关系：术语“Ｍａｘ” 链接到强节点和输出的最大值；术语“Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ”链接到普 通节点，它是一个ＳＩＭＯ类型（单输入多输出），输出将是满足 定条件的风险级别的值；术语“Ａｖｅ”链接到薄弱节点，输出 将是所有输入的加权平均值。图１显示了液氮冷冻法对风险 的识别逻辑的安排，其中， 是含水量， 是含盐量，Ｇ是地 下水流速，已是最后一个冻结孔的距离偏差， 是冻结管末 端温度偏差， 是液氮量的偏差， 是冻土平均温度偏差， 是积极冻结期液氮冻结时间计算公式， 是冻土与连续墙交 界面温度公式， 是测量孔的最高温度。 图１ 液氮冻结法的逻辑风险评估示意 １．２改进克隆选择算法（ＩＯＳＡ） 通常的风险分析方法是基于已知的危险因素，但对地下 工程风险的标志通常是未知的。由于在地下工程发生事故的 案例较少，而像神经网络算法那些需要大量的历史资料是不 太合适的，而生物免疫系统不仅能快速响应入侵者的出现， 还可以通过怀疑选择机制，检测出新的入侵者，因此，本文结 合“负选择”和“克隆选择”免疫系统的机制，并根据生物免疫 学的动态克隆选择理论模型，设计、改进了克隆选择算法 （ＩＣＳＡ），它可以降低误报率和漏报率。 ＩＣＳＡ通过自我设定定义安全工程的无风险数据作为安 全（非风险）数据集，并通过负选择产生初始抗体。初始抗体 被放入到成熟探测器中，如果当前的工程数据与探测器的抗 体匹配，这意味着该工程存在的风险，若不匹配则数据将进 入投票环节，如果安全数大于阈值７－，这意味着该项目是安 全的，此时无风险的数据将被添加到安全数集中，否则当前 项目是有风险的。 在迭代过程中，ＩＣＳＡ利用克隆选择动力学模型，对抗体 群进行克隆规模的计算并增殖、变异，通过抗体群压缩过程 使得新生群体保留克隆增殖变异下来的优秀抗体，而摒弃较 劣的抗体。ＩＣＳＡ算法流程如图２所示。 图２ ＩＣＳＡ算法流程 ・７４３・ 第８期 滕丽：智能风险管理系统在盾构法隧道工程中的应用★８／２０１１ ２ 信息流量设计 隧道工程通常具有不同的工序，而在不同的工序中又有 不同的工艺。为了适应不同施工工艺过程的风险管理，信息 系统将各类工作流程和不同的技术抽象成一个公共的处理 程序，通过公用处理系统，可以在不同的情况下，显示和单独 运行各种功能的信息输入、输出。该系统还会根据相关的风 险识别进行搜索索引，自动根据不同的施工过程和施工工艺 提取信息。其数据库包括进程表、技术表、观察术语表、配方 表和数据表，这些表是彼此相关的。 例如，根据盾构法隧道施工过程和特点，我们可将其分 为１２道工序，每一个工序都是相关的，但逻辑上又是 的，以此形成一套完整的操作流程。表１列出了盾构法进出 洞的施工工序和工艺。 公用处理系统链接到当前工序，并根据不同的需要，生 成不同的输入信息和输出工序。当添加新的功能时，系统将 组合相关的数据类别并形成一个新的进程。该组合将被记 录，并以代码名称转移到公共处理系统中，作为一个参数，然 后获得的信息将被存储或显示（图３）。 图３信息流关系 表１盾构法施工工序工艺情况 工序 工艺 １出洞地基加固 盐水冰冻法、液氮冻结法、搅拌桩法 旋喷桩法、降水法、ＳＭＷ法 ２基座安装 基座安装 ３后靠支撑 后靠支撑 ４出洞洞门破除 出洞洞门破除 ５负环管片拼装 开口环、闭口环 ６出洞推进 泥水加压平衡式、土压平衡式 ７出洞封堵 出洞封堵 ８正常推进 同出洞推进 ９进洞地基加固 同出洞地基加固 １Ｏ进洞洞门破除 进洞洞门破除 １１进洞推进 同出洞推进 １２进洞封堵 进洞封堵 ３信息系统的设计 地下工程风险管理涉及到风险定义、风险监测、风险识 别、风险评估、风险分析、风险评估、风险预警、风险预控和风 险处置这８个过程。为了达到整体风险管理的目标，该系统 的设计主要着重于每个进程之间的关系。 ・７４４・ 图４是该系统的流程。由图中可见，视频信息、报表和自 动采集数据反映了项目的全貌，防止信息失真。考虑到在不 同工序和工艺中获得原始数据的困难，该系统为不同的风险 辨识建立了各种不同的模型，包括逻辑风险评估法（ＬＡＲＥ）和 改进克隆选择算法（ＩＣＳＡ）等。然后系统将分析风险的类型、 预测风险后果，并根据由各类风险组成的风险矩阵来评估风 险水平。风险管理制度的目的是预防意外事故的发生，因此 该系统可进行相关风险分析，通过向后推理的方法，找出相 关危险因素。该系统也能在紧急决策模型的基础上，选择适 当的预控或处置措施以减少风险。 图４风险管理体系流程 例如，针对隧道工程通常是在不同地区的情况，系统会 利用互联网和ＧＳＭ通信技术的便利优势，并根据不同角色 的人员特点（工程师、项目经理、专家），将软件和硬件都安排 成分布式拓扑结构（图５），以此收集和分析当地的工程数据 库的数据，然后通过互联网将数据同步到远程服务器上。由 于风险的定义和模型的建立需要专业知识，因此这些功能模 块被设置在服务器上，专家们通过操作，将结果及时返回到 该站点。考虑到数据安全，系统建立了一个虚拟专用网络 （ＶＰＮ），并通过特殊的加密通讯协议保证所有各方保持联系， 确保信息安全和可访问性。因为风险管理需由技术人员和工 程管理人员共同完成，所以风险分析、风险预控和风险处置 这三个模块可由这两个角色共同使用。同时，因为时间是风 险管理的关键因素，所以互联网和ＧＳＭ都可用于风险报警。 图５系统的拓扑图 ４工程应用 ４．１上海地铁隧道工程 ８／２０１１ 滕丽：智能风险管理系统在盾构法隧道工程中的应用★ 第８期 该系统已用于上海轨交ｌ１号线江苏路至华山路的区 域，土压平衡盾构从华山路中间风井出发，在江苏路南端头 构机的速度和出土量以避免“超挖”，同时减少了对加固土体 扰动和破坏的措施后，盾构机成功进洞。 井进洞，下行线江苏路进洞段，盾构将穿越复杂管线，其中包 括２ ｍ长的超高压电缆方管和６２ ４００ ｍｍ的雨水管（靠近 地连墙），且盾构接收井与正在运营的轨交２号线的距离仅 为１２．５ ｍ。限于环境条件，下行线选择了封闭式进洞，如图６ 所示。 图８上海长江隧道工程ＩＣＳＡ风险评价结果 ；；质舯重质黼 一¨时 牡耻 拈 ５结语 盾构法隧道工程动态智能风险管理系统，可从风险定 义、风险监测、风险识别、风险评估，风险分析、风险处置，到 图６江苏路华山路进洞土质及周边构筑物和管线情况剖面 完成整个施工过程进行全面管理。根据地下工程的特点，逻 辑安排风险评估法（ＬＡＲＥ）和改进的克隆选择算法（ＩＣＳＡ），在 盾构于２００９年８月２４日准备进入江苏路站井。图７给 出了２００９年８月２６日使用ＬＡＲＥ方法的风险评估结果，当 时的风险等级为Ｍ级警报。经风险分析报告获悉，施工掘进 速度过快，刀盘扭矩低，加固强度不够。因此，风险预控模块 被激活，并通过人机交互，选择了双液浆加固洞圈的预控措 提高风险识别的效率和准确性方面，通过工程应用已被证明 有效。今后，随着信息技术和人工智能的发展，更先进的技术 也一定会被引入到项目风险管理中。 参 考 文 献 施。Ｍ级报警于是下降到安全水平之内的Ｎ级，盾构顺利地 【ｌ】Ｃｈｕｎｇｓｉｋ Ｙｏｏ，Ｙｏｕｎｇ—Ｗｏｏ Ｊｅｏｎ，Ｂｙｏｕｎｇ－Ｓｕｋ Ｃｈｏｉ．ＩＴ－ｂａｓｅｄ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｒｉｓｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ（ＩＴ－ＴＵＲＩＳＫ）Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ 成功进入了华山路接收井。该系统不仅确定了危险区，也为 技术人员的快速反应提出了风险控制措施，保证了盾构成功 进洞。 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（２１）：１９０—２０２． 【２】ＧＤＭＳ（Ｇｅｏｄａｔａ Ｍａｓｔｅｒ Ｓｙ￣ｅｍ）：Ａｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍａｎａｇｉｎｇ Ｇｅｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｊｅｅｔｓ［ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｏｄａｔａ．ｉｔ． ［３】周文波，胡珉．盾构隧道信息化施工智能管理系统设计及应用Ⅲ． 中国岩石力学与工程学报，２００４，２３． ［４】黄宏伟，曾明，陈亮，胡群芳．基于风险数据库的盾构隧道施工风险 管理软件（ＴＲＭ１．ｏ）开发［Ｊ】＿地下空间与工程学报，２００６，２（１）： 图７上海轨交１１号线江苏路至华山路ＬＡＫＥ风险评估结果 ３６—４１． 【５５］ Ｔｈｅ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｔｈｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｉｎｓｕｒｅｒｓ： ４．２上海长江隧道工程 Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｄｅ ｏｆ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ 上海长江隧道工程从浦东新区五号沟穿越南港水域，在 ＵＫ ０９［Ｍ］．２００３． 西南方的长兴岛登陆，总长８．９５ ｋｍ。隧道外径为 １ ５００ ｃｍ，内径１ ３７０ ｃｍ，选择了泥水气平衡盾构挖掘法。 【６】Ｅｓｋｅｓｎ Ｓ Ｄ．Ｔｅｎｇｂｏｒｇ Ｐ．Ｋａｍｐｍａｎｎ Ｊ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｒｉｓｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ：ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｉｎｇ 长兴岛和浦东的工作井均为长方形暗埋段，尺寸为２２ ｍ ｘ ４８ ｍｘ ２５ ｍ。长兴岛加固区主要采用搅拌桩的方法，范围从 盾构轴线方向向外１６ ｍ，盾构平面部分向外延伸３ ｍ，即２５ ｍ的深度。地下连续墙到搅拌桩加固的５００ ｍｍ范围采用旋 喷桩加固方法，盾构机进入该加强地区后，按一定角度向上。 Ｇｒｏｕｐ Ｎｏ．２［Ｊ】．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２ＯＯ４．１９（３）：２１７－２３７． 【７】Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｎａｔｒｉｏｎａｌ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ Ｇｒｏｕｐ．Ａ Ｃｏｄｅ ｏｆ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｒ Ｒｉｆｓｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｗｏｒｋｓ［Ｓ］．２００６． 【８】中国人民共和国建设部．地铁及地下工程建设风险管理指南［ｓ】． ２０ｏ７． 为了及时发现潜在的风险，加强区域附近设立了６个观测 点，以监测土压力、孔隙水压力、测斜和分层沉降情况。 如图８所示，盾构机于２００８年５月１３日开始进入进洞 阶段，在５月１５日１４：００，ＩＣＳＡ实时系统频繁预警。后经过 调查和分析，技术人员发现加固区存在问题，经采用控制盾 【９１周大为，吴耿锋，胡珉．改进的克隆选择算法ＩＣＳＡ【Ｊ］．计算机工程 与设计．２００９（１１）． 【１ ｏ］汤漩，吴惠明，胡珉．盾构隧道施工风险知识管理系统的设计开 发［Ｍ】．地下工程与隧道，２００６（４）：２０—２４． ・７４５・
