复合地层盾构施工安全影响因素及安全事故致因机理

刘天雄，陈辉华，李瑚均

复合地层盾构施工安全影响因素及安全事故致因机理

刘天雄，陈辉华，李瑚均

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

为更好地开展复合地层盾构施工安全管理，研究该情境下盾构施工安全影响因素和安全事故致因机理。遵循文本挖掘范式，提炼基于“特征值字典”的文本挖掘方法，构建集成“频次-卡方优化”的文本挖掘算法，并基于此识别复合地层盾构施工安全的关键影响因素；选用ISM方法剖析关键影响因素的作用关系和多级结构，在此基础上研究复合地层情境下盾构施工安全事故致因机理；针对X项目开展实证分析。研究结果表明：本文构建的文本挖掘方法识别出环境类、人员类和机械设备类等关键影响因素；设计完备程度、人员安全影响因素和机械设备安全影响因素是开展复合地层盾构施工安全管理的关键，而完善安全组织有利于保障上述因素处于安全状态。

盾构施工；安全事故；复合地层；安全影响因素；事故致因机理

城市地铁交通系统具有速度快、运量大、能耗低、环保等优点，可有效利用地下空间缓解地表交通，是城市居民主要通行方式，全国大中地市正在积极推进该交通系统建设。当下地铁隧道施工多采用盾构掘进技术，因隧道深埋在城市密集建筑区地下，施工过程受多种复杂因素影响，安全事故时有发生，给国家、建设企业和个人带来较大经济损失。复合地层是指盾构机切削截面通过两种以上不同特征的土体构成的地层，由于切削截面土体瞬变，盾构施工具有更大的安全风险，因此有必要探究该施工情境下的安全影响因素及其致因机理，为复合地层地铁盾构施工安全管理提供有效思路。学术界多是从风险管理视角识别盾构施工安全影响因素，分析维度主要有勘察设计[1-2]、施工技术[1, 3]、施工管理[4]、自然环境[1, 5]、地质条件[2, 6]、邻近既有线[1]、邻近站场[5]、邻近建筑物[2, 6]、邻近河道[7]等。然而综合分析发现：针对盾构施工安全管理过程，既往学者多关注环境、技术和机械设备等维度安全影响因素的识别，而人员安全影响因素并未被广泛讨论，且关键影响因素的识别方法效率较低、科学性与完备性不高；同时，针对盾构施工安全事故的致因机理研究较少。现有的建筑施工安全事故致因模型，比如“约束和响应”模型[8]、拉夫堡模型[9-10]、因果连锁模型[11]、复杂系统模型[12-13]、“2-4”事故链[14]等，可有效解释地表建筑施工安全事故的致因机理，但在复合地层施工情境下的实际应用性较差。因此有必要进一步剖析复合地层盾构施工安全事故致因过程。基于上述原因，本文运用文本挖掘方法识别复合地层盾构施工安全的关键影响因素，选用ISM系统方法剖析关键影响因素的作用关系及多层结构，并基于此分析该情境下施工安全关键影响因素的事故致因机理，最后选用X项目开展实证分析。研究成果将有助于施工安全管理人员认知复合地层施工情境下的安全事故致因过程，提前设定安全干预措施，规避或降低盾构安全事故。

1 盾构施工安全影响因素分析

文本挖掘(Text Mining)是综合运用统计学、机器学习和自然语言处理等挖掘技术从文本数据中抽取有价值信息和知识的计算机技术[15]。该项技术也逐渐被引入安全管理领域解决实际问题，并取得较好效果[16]。鉴于其可充分、科学和高效地利用现存的大量安全或事故文本数据挖掘施工安全影响因素相关重要信息，本文采用文本挖掘技术识别施工安全关键影响因素(关键特征值)，文本挖掘流程如如图1所示。

图1 文本挖掘流程

1.1 文本挖掘特征值字典构建

运用文本挖掘技术获取施工安全关键影响因素，首先需要构建特征值字典(初始地铁盾构施工安全影响因素清单)，以已有研究成果作为特征值字典的文本来源。为了保证特征值字典的充分性和完备性，先不限定“复合地层”情境，作者以“盾构施工安全”、“盾构施工风险”、“盾构施工安全风险”、“盾构施工安全因素”为关键词检索知网平台科技论文，论文来源为EI，CSSCI和CSCD等收录期刊和博硕士论文。通过初步筛选确定47篇期刊论文和13篇博硕士论文作为提炼特征值字典的文本数据源。现行研究多采用分词算法提取特征值，但上述算法的准确性和语义分析能力稍差，因此研究人员选用人工抽取初始特征值并结合小组讨论适当增添人员相关安全影响因素，汇总初始特征形成特征值字典。

1.2 文本挖掘数据库构建

选用实际工程案例资料构建文本挖掘数据库。工程案例资料主要包括工程安全事故报告和工程安全风险报告。工程事故报告通过查询国家及各地市住建部门和安全监管部门相关网站和运用“百度”综合搜索获得，工程安全风险报告主要通过团队合作网络从合作施工单位获得。将获得的相关案例材料以“.txt”进行文本格式统一，然后抽取相关的文档片段，对文档片段进行结构化编码，最后归集已编码的文档片段构建文本挖掘数据库。

1.3 施工安全关键影响因素挖掘

运用文本挖掘识别关键影响因素是指通过文本挖掘算法确定特征值字典中初始特征值的重要程度，然后基于初始特征值的重要程度降维，最终获得关键特征值(施工安全关键影响因素)。首先限定“复合地层”对数据库进行初步筛选，然后综合运用Python和R语言编写文本挖掘算法计算各初始特征值的权重，文本挖掘算法采用集成词频()和卡方优化算法()具体原理如下。

1) 编码经过初步筛选的数据库，单个文本片段记为P；特征值字典库所含初始特征值记为s，运用Python语言编写正则算法，识别特征值s的在单个P内出现的频次记为A，则有

3) 初始特征值的权重记W，则有

经过上述挖掘算法获得复合地层情境下的关键特征值，即施工安全关键影响因素清单，见表1。

表1 复合地层地铁盾构施工关键安全影响因素清单

2 基于ISM的盾构施工安全事故致因机理分析

2.1 施工安全关键影响因素的邻接矩阵构建

(5)

2.2 施工安全关键影响因素的多级结构分析

以邻接矩阵为基础计算关键影响因素的可达性集合((s))(见表2)，按照由上至下的原则依次抽取没有可达性集合的关键影响因素，逐层分析影响因素，调整后获得施工关键影响因素的多层结构关系，如图3所示。施工作业环境类安全影响因素处于顶层，机械设备类、人员类和勘察设计环境类安全影响因素处于中间层，而地质环境类和管理环境类安全影响因素处于底层。外部环境类安全影响因素因未统计到与其他安全影响因素相关而未处于关键安全影响因素的多级结构中。

施工作业环境安全影响因素不断积累会导致安全事故，搭建施工作业环境安全影响因素与安全事故的相关关系，进一步分析复合地层施工情境下安全事故致因机理：现场施工作业环境安全状态是导致安全事故的直接原因；勘察设计完备情况、机械设备的安全状态和人员的安全素质直接影响施工作业环境的安全状态，其中人员安全素质对机械设备的安全状态有调控作用；复合地层和管理环境是导致勘察设计不完备、机械设备不安全状态和人员安全素质低的基层原因；复合地层可通过机械设备的安全状态和勘察设计完备程度影响施工作业安全环境，管理环境通过安全组织影响人员安全素质和设计完备程度而综合导致不安全施工作业安全环境；外部环境并未直接影响安全事故的发生，而多是已经形成安全事件(比如坍塌)，安全事件作用于外部环境形成了继发性安全事件(隧道坍塌导致地表建筑物倾斜甚至倒塌)。因此控制盾构施工作业的内部安全才是关键所在。综合分析可知，虽然“复合地层”特殊作业环境增大了安全事故的发生概率，但是设计完备程度、安全人员素质和机械设备安全状态是保证安全施工的重要影响因素，重视安全管理环境有利于安全预案的编制和人员安全素质的提升。

表2 关键安全影响因素可达集合

图3 复合地层盾构施工安全事故致因机理

注：图中“刀盘功能缺陷”指代“刀片磨损”、“刀盘偏载”和“刀盘结泥饼”。

3 案例分析

3.1 案例概况

X项目施工情境为填海区复合地层，原始地貌为滨海滩涂，现状为人工造陆场地，地形平坦，局部有起伏，地面标高一般3.0～7.0 m之间。自上至下地层依次为填土(局部填石)、软土、中粗砂、黏性土、残积土和风化岩。总体上沿线基岩埋深较大，仅机场北站以北区间局部基岩凸起侵入隧道。

3.2 区间施工安全关键影响因素识别

基于上文识别的地铁盾构施工关键安全影响清单，结合施工区间的具体情况和专家分析，最终汇总本区间施工安全关键影响因素清单，见表3。

3.3 编制安全防护措施及应用结果

该项目安全管理人员依据前文安全事故致因机理，分析了施工安全关键影响因素的事故致因过程，并基于致因过程分析，采取了主要安全防护措施(如表4所示)。

表3 X项目关键安全影响因素清单

表4 X项目安全管理人员采取的主要安全防护措施

通过采取对应的安全防护措施，该段盾构施工地表沉降控制在标准范围内，未发生安全事故，复合地层段平稳通过，并获得该市安全质量标准化示范工地。

4 结论

1) 提炼基于“特征值字典”的文本挖掘方法，构建了集成“词频-卡方优化”的文本挖掘算法，并应用该算法识别了复合地层盾构施工安全的关键影响因素，关键影响因素可划分为：环境安全影响因素、人员安全影响因素和机械设备安全影响因素。

2) 运用ISM方法探究了关键影响因素的作用关系及其多层结构，并基于此分析了复合地层盾构施工安全事故致因机理，其中设计完备程度、人员安全影响因素、机械设备安全影响因素是开展安全管理工作的关键因素。

3) 选择X项目应用本文研究的施工安全关键影响因素和事故致因模型进行实证分析，通过采取针对性的安全措施，达到较好的施工安全管理 效果。

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Research on safety impact factors and safety accident causation mechanism of subway shield construction in mix-ground

LIU Tianxiong, CHEN Huihua, LI Hujun

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to better carry out the safety management of shield construction in mix-ground, the safety impact factors (SIFs) and safety accident causation mechanism (SACM) were studied in this paper. Following the text mining paradigm, a text mining method based on “eigenvalue dictionary” and a text mining algorithm integrating “frequency-chi-square optimization” were constructed, which then were used to identify the key SIFs during shield construction in mix-ground. Applying the ISM method, the relationships and multi-tiered structure of key SIFs were constructed, which then were used to analyze the SACM of shield construction in mix-ground. Finally, the X project was used for empirical analysis. The research shows that the text-mining method constructed in this paper identifies environmental, personnel and mechanical equipment key SIFs. Personnel SIFs and mechanical equipment SIFs are key factors to carry out safety management of shield construction in mix-ground. and could be maintained safe through perfecting safety organization.

shield construction; safety accident; mix-ground; safety impact factors; accident causation mechanism

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190784

TU714

A

1672 - 7029(2020)01 - 0266 - 07

2019-09-05

国家自然科学基金资助项目(71273283)；湖南省自然科学基金资助项目(2019JJ40407)

李瑚均(1991-)，男，河南濮阳人，博士，从事工程建造安全管理研究；E-mail：lihujunsr@outlook.com

(编辑 蒋学东)