第37卷第6期2020年12月
土木工程与管理学报
J o u rn a l o f Civil E ngin eerin g an d M a n agem en t
Vol.37No.6
Dec. 2020
荀晓霖，袁永博
(大连理工大学建设管理系，辽宁大连116024)
摘要：海底隧道项目由于建设持续时间长、地质条件复杂、施工方法特殊等原因导致施工风险因素众多。为加强海底隧道施工风险因素管理，本文提出直觉模糊集和质量功能展开（IFQFD)相结合，考虑交互影响的海底 隧道施工风险因素排序方法。在对施工阶段进行分解的基础上，采用直觉模糊层次分析法确定施工各阶段事 故风险权重。运用建立的IFQFD模型将施工各阶段事故风险权重、施工各阶段
和风险因素关系矩阵以及风险 因素间关联矩阵进行集成，获得海底隧道施工风险因素直觉模糊权重。利用直觉模糊得分函数将直觉模糊权 重转化为确定数，对风险因素进行排序。将提出的方法应用于大连地铁5号线海底隧道施工风险因素排序，证明了该方法的可行性。
关键词：海底隧道；施工阶段；风险因素排序；QFD;IF S
中图分类号：U455.1 文献标识码：A文章编号：2095-0985(2020)06-0101-07
Risk Factors Ranking of Subsea Tunnel Construction Based on IFQFD
XU N Xiao-lin，YUANYong-bo
(D epartm ent of C o nstructio n m anagem ent,D a lia n U n ive rs ity of T e ch n o lo g y,D a lia n 116024, C h in a)
A b s t r a c t:Subsea tu n n e l projects have always faced problem s such as lo ng co n stru ctio n p e rio d s，complex geological con ditions and special co n stru ction m e th o d s，le a d in g to m any ris k factors d u rin g the co n stru ction stage.In o rd er to strengthen the ris k factors m anagem ent of subsea tu n n e l c o n s tru c tio n，th is paper proposes a m ethod of ra n k in g ris k factors of subsea tu n n e l c o n s tru c tio n，w h ic h com bines in-tu itio n is tic fuzzy set and q u a lity fu n
c tio n deploym ent (IF Q F D)and considers the in te ra c tio n.Based on the decom position of the co n stru ction stag e，the in tu itio n is tic fuzzy a n a lytic h ie ra rch y process is used to determ ine the accide nt ris k w eight of each co n stru ction stage.T he IF Q F D m odel is used to integrate the a ccide nt ris k w e igh t of each co n stru ction stage，the re la tio n sh ip m a trix of each con stru ction stage and ris k factors and the co rre la tio n m a trix between ris k factors to ob ta in in tu itio n is tic fuzzy w eight of ris k factors in subsea tu n n e l c o n stru ctio n.The in tu itio n is tic fuzzy score fu n c tio n is used to transform the in tu itio n is tic fuzzy w eight in to a ce rta in n u m b e r，and the ris k factors are ra n k e d.The proposed m ethod is a p p lie d to the ra n k in g of ris k factors in the co n stru ction of the D a lia n M etro L ine 5 subsea tu n n e l，the results prove the fe a s ib ility of th is m ethod.
K e y w o r d s：subsea tu n n e l;co n stru ction stage;ra n k in g of ris k fa c to rs；Q F D；IFS
随着人们对交通便捷性要求越来越高，各国 日益重视海底隧道的建设。世界已建成的著名海 底隧道有日本青函隧道、英吉利海峡隧道、连接欧 亚大陆的马尔马拉海底隧道、挪威海底隧道等[|]。我国虽然在海底隧道建设起步较晚，但发展迅速，从2010年建成内陆第一条海底隧道—
—
厦门翔安海底隧道后，青岛胶州湾海底隧道、港珠 澳大桥海底隧道等陆续建成通车，汕头海湾隧道、大连湾海底隧道等多条海底隧道正在施工中，琼 州海底隧道、渤海隧道等正在规划。建设经验表
收稿日期：2019-11-28修回日期：2020-04-22
作者简介：荀晓霖（1995-)，女，河北安平人，博士研究生，研究方向为工程项目风险评估与管理（Email:qdxmixl@163)通讯作者：袁永博（1957-)，男，辽宁大连人，博士，教授，研究方向为工程项目风险评估与管理（Email:ymigbo@dlut.edu.cii)基金项目：国家自然科学基金（51709037)
•102 •土木工程与管理学报2020 年
明，海底隧道建设项目复杂的地质条件、特有的施 工方法等，导致施工阶段风险尤为突出[2]。这需 要对风险因素进行排序，以提高海底隧道风险管 理水平。
传统的风险排序多采用专家打分法、层次分 析法、熵权法、模糊数学法、灰理论等[3~5]。柳 皎等[6]基于安全系统工程理论对大跨度浅埋深 隧道施工风险进行了分析；张永刚等[7]运用信心 指数法和层次分析法，对渤海湾海底隧道施工期 间的风险进行了估计与评价，给出了该海底隧道 施工期的风险等级；赵金先等[s]运用A H P-S P A (A n a ly tic H ie ra rch y P roce ss,Set P a ir A n a ly s is)法对地铁建设项目风险进行了评价。由于这些方法 没有考虑风险因素之间的交互影响，易导致排序 结果出现偏
差。近年来，越来越多的学者将风险 间的交互影响纳人风险排序过程中[9]，杜修力 等[10]考虑风险因素之间的影响提出基于网络分 析法的地下工程风险识别和排序方法，汪涛等[11]采用贝叶斯网络建立风险因素之间的交互影响模 型，评估了建筑施工安全风险概率水平。
综上所述，相关专家学者在对大型工程项目 施工风险管理研究时考虑了风险因素信息的模糊 性，也开始考虑风险因素之间存在的交互影响。但是，没有同时考虑风险的模糊性、风险因素交互 影响度。因此，本研究将改进的Q F D(Q u a lity F u n ctio n D e p lo y m e n t)方法应用在海底隧道施工风 险因素排序中，建立海底隧道施工风险质量屋，提 出基于直觉模糊质量功能展开（In tu itio n s tic Fuzzy Q u a lity F u n ctio n D e p lo y m e n t,IF Q F D)的风险排序 模型。该模型运用符合客观情况的直觉模糊集理 论，集成海底隧道施工各阶段事故风险权重、施工 各阶段风险因素重要度以及风险因素之间关联 度，使海底隧道施工风险因素排序更加合理。
1直觉模糊集
A tanassov[l2]于1986年提出的直觉模糊集理 论，是对Z a d e h(1965)模糊集合的拓展，直觉模糊 集将模糊子集由隶属函数刻画拓展为由隶属函 数、非隶属函数和犹豫度函数表示，提供了对客观 事物不确定信息更贴合的描述方法。环境工程就业方向
定义1：设£是一个固定集，有4 =丨〈*, 〜(*)，以*) >I * e £丨，那么称4为一个直觉模 糊集（In tu itio
n is tic Fuzzy S e t,IF S)，其中任意* 的隶属度函数为/a4(*)，非隶属度函数*v4(*)，且 满足0矣/a4(*) + v4(*)矣1。犹豫度函数定义为：％(*) = 1 -仏(*)-匕⑷。若4已确定，贝I J
对于每个* e£，其对应的直觉模糊数都可简记为
(队，\)。
定义2：设〜(，' =1,2,…，）为直觉模糊数，
直觉模糊幕平均（In tu itiv e Fuzzy P ow er A v e ra g in g,
I F P A)算子计算如公式为：
"1 + T(at)
I F P A(a1,«2,…，a…) = Z…a
[=111 +T(at)
t=1
(1)
n
式中：T(a,)= Z S u p C A A),!.,. = 1,2,…，r t;
S u p(a t4.)为a t和a^.的支撑度，两个直觉模糊数
a，和a.越相似，则相互支撑度越大。支撑度按式
(2)计算。
Su p(a,，^-) = 1 - ^^(11+1- ^1 )
(2)
定义3：设a和6是确定直觉模糊集4中的
两个直觉模糊数，其中a = (n),6 = (H)，
两直觉模糊数运算法则为：
唯一没有天敌的动物(1)a㊉6 =(弘a +弘6 -弘#6，〜〜）；
(2) a®6 =(从6,1 + % - V6);
(3) A a = (1 - (1 -队广，0，A> 〇。
定义4 ：对于任一直觉模糊数a =(队，〜），
可通过得分函数S对其进行评估[13]。得分函数
按式(3)计算。
■s(a)=队-1(3)在对多个直觉模糊数进行排序时，得分越高，
排序越靠前。
2 IFQFD方法的优势与不足
IF Q F D风险排序方法优势与不足主要有以下
几个方面：
(1)Q F D方法能够实现产品和功能分解的有
机结合，已经在产品设计，供应商选择，风险管理等
多个领域得到了广泛应用。海底隧道地质条件复
杂，施工难度大，导致施工过程中风险因素多且风险
间存在关系和关联，将Q F D方法引人解决了施工各
阶段事故风险、风险间关联和关系的合成问题。
(2) 专家在对权重及关联程度进行评价时，难 免会因为主观意识的差异影响到风险因素的排序
结果。直觉模糊集是模糊集的拓展，它既能刻画海
底隧道施工风险因素的模糊性，又能通过隶属度和
非隶属度对专家评价的自然语言进行定量化处理，
第6期荀晓霖等：基于IFQFD的海底燧道施工风险因素排序•103 •
可以有效解决评价中风险信息的模糊性问题。
(3) Q F D方法和直觉模糊集结合而成的IF-
Q F D模型，综合了两种方法的优点。在对多名专
家评价信息进行集结时，利用I F P A算子可以降
低多名专家之间由于知识背景不同带来的个体之
间的主观差异。
(4) IF Q F D风险排序方法和A H P、模糊数等
常用排序方法比较,IF Q F D方法同时考虑了风险
因素的模糊性、风险因素间交互影响，更加符合实
际情况。不足之处是计算较复杂，可操作性稍逊。
3基于IFQFD的风险因素排序模型
基于I F Q F D的海底隧道施工风险因素排序
过程可以分为以下几个主要步骤：
(1) 明确研究范围，对海底隧道施工阶段进
行划分，识别风险因素，建立施工风险质量屋；
(2) 邀请专家分别对施工各阶段事故风险权
重进行自然语言评价，使用I F A H P法计算权重；
(3) 确定施工各阶段和风险因素的关系矩
阵，量化风险因素关联矩阵；
(4) 求出各风险因素的权重，对风险因素进
行排序。
3.1建立施工风险质量屋
海底隧道施工过程中风险因素的产生和施工
各阶段的作业活动有着密不可分的联系[14]，进行
海底隧道风险分析时需要考虑两者之间的关系，
符合运用质量屋和Q F D方法解决问题的思路。
将海底隧道施工各阶段作为左墙，施工各阶段
事故风险权重作为右墙，风险因素作为天花板，施
工各阶段和风险因素关系矩阵作为房间，风险因素
之间的关联作为屋顶，风险因素权重作为地板。建
立的海底隧道施工风险质量屋如图1所示。
3.2计算施工各阶段事故风险权重
海底隧道施工各阶段不同的作业活动引发风
风险因素
施
工
各阶段
施工各阶段和风险因素关系矩阵
施
工
各
阶
段
事
故
风
险
权
重
风险因素权重
图1海底隧道施工风险质量屋
险的概率和损失不同，专家在评价时根据类似工
程风险管理经验，对施工各阶段事故风险进行重
要度衡量，运用直觉模糊层次分析法（I F A H P)计
算权重。
3.2.1构造直觉模糊判断矩阵
令^名业内专家对施工各阶段事故风险运用
自然语言进行两两比较，获得自然语言相对重要
度评价结果。通过表1对自然语言进行量化处
理，转换为直觉模糊数。假设将海底隧道施工分
为m个阶段，专家A对施工^，阶段事故风险的
两两比较的评价矩阵为五⑷=(ef)mxm，其中，
^= 1/e f。每个^都是直觉模糊数的形式,
4幻=(/4'4幻）。
表i自然语言和直觉模糊数转换
自然语言缩写直觉模糊数
^相较y极不重要E L(0.10,0.90)
^相较y很不重要V L(0.10,0.85)
^相较y较不重要L(0.30,0.65)
z与y同样重要M(0.50,0.50)
^相较y较重要H(0.75,0.20)
z相较y很重要V H(0.90,0.05)
z相较y极重要E H(0.90,0.10)
3.2.2 —致性检验和修正
专家对多个因素两两比较给出的评价结果，
往往存在偏差，不能得到一致的结论。根据徐泽
水[15]提出的方法，以专家A为例，一致性检验和
修正步骤为：
(1) 由评价矩阵£u)构建积型一致性直觉判
断矩阵，：^))^。
(2) 计算£⑷和之间的距离以五⑷，
五⑴），判断是否符合一致性检验。若以五⑷，
£u))< t(t为阈值，通常取t=0.1)，则通过一致
性检验，否则，需要进行直觉模糊评价矩阵的修
正。
(3) 设置^表示矩阵五⑷和五⑷之间的相似
度控制参数，^e[0,1]，通过调整^的值对评
价矩阵£u)进行修正。
(4) 对于修正后评价矩阵^= (^)^^和
所构建积型一致性直觉判断矩阵£(t)=
(e f)_…，再次进行一致性检验，判断是否满足
d(!P^，E W)<T。
若仍不满足要求，则继续调整^，直到调整
后矩阵满足一致性检验为止。
•104 •土木工程与管理学报2020 年
3.2.3施工各阶段事故风险权重计算
对于满足一致检验的《个评价矩阵，可分别 求得各指标针对上一层指标的权重，如式（4)，得 到专家A的直觉模糊权重矩阵⑷=(以幻，以幻，
•••，0〇
"I#1(1-栌)_
祕⑷=—匕--------,1 - ^----------
L i I(i d I I/4叫英吉利海峡海底隧道
i=1j=1i=1j=1
(4)
运用式（1)(2)中I F P A算子对n名专家的评 价结果进行集结，得到m个施工各阶段事故风险 直觉模糊权重矩阵= (%,w2，…,％，…,w m)。
当着罗晋的面草唐嫣3.3确定风险关联矩阵和关系矩阵
宋钟基图片令n个业内专家对两两风险因素之间的关联 程度进行评价，自然语言分为关联度极低、很低、低、中等、高、很高、极高7个等级，自然语言和直 觉模糊数之间的转化见表2。专家A对风险因素 进行关联性评价得到的结果为<)=(/^^ , r f)。运用I F P A算子进行n个专家评价结果的 集结，可以得到t个风险因素关联矩阵％= (r p q、tx t。
表2自然语言和直觉模糊数转换
自然语言缩写直觉模糊数
极低EL(0.10,0.90)
很低VL(0.25,0.70)
低L(0.30,0.60)
中等M(0.50,0.50)
高n(0.60,0.30)
很高vn(0.70,0.25)
极高En(0.90,0.10)
同理，可以得到施工各阶段和风险因素之间 的关系矩阵％ = (Cip)mx,。
3.4风险因素排序
确定施工各阶段和风险因素关系矩阵以及风 险因素关联矩阵后，可以通过公式（5)计算得到 风险因素的权重矩阵 ■, ')，其中 ％ = (6,\)。
W R = W c W c W R(5)利用式（3)将直觉模糊数转化为确定数，进 行风险因素的排序。
4实例分析
以大连地铁5号线海底隧道工程为例展开实 证研究。该隧道火车站一梭鱼湾南站区间下穿大 连钻石湾海域，采用盾构法进行施工，具有长距离 掘进、高水压带压进仓作业等施工特点。隧道穿越的海域水深4~9m，地质条件复杂。在勘察阶 段分初勘、详勘和专勘对该海底隧道进行了详细 的工程地质和水文地质勘察，地勘资料显示隧道 主要穿过中风化白云质灰岩、溶蚀地层、中风化钙 质板岩、中风化板岩等，且穿越岩溶中等一强烈发 育区。由于溶洞的存在会对隧道施工造成严重威 胁，因此对溶洞位置、规模及填充性质进行了专 勘，并根据专勘结果对溶洞进行注浆加固等针对 性预处理，以降低施工中工程和水文地质引起的 风险。
邀请4名具有丰富海底隧道盾构施工经验的 专家对权重及关联度进行自然语言评价，运用IF-
Q F D模型进行施工过程中风险因素排序。
4.1构建直觉模糊质量屋
通过查阅相关规范、文献[16〜18]，将该盾构法 海底隧道施工阶段划分为6个，分别为施工前准 备阶段，盾构始发掘进阶段，盾构掘进阶段，管片
拼装阶段，注浆阶段和盾构到达接受阶段。
运用 W B S-R B S(W o rk B reakdow n S tructures
and R isk B reakdow n S tru c tu re)法[19]进行风险识 别，得到6个施工阶段，共33个风险因素，如表3 所示。
表3施工阶段及风险因素
施工阶段风险因素
施工前地质勘察不详细应急抢险物资准备不充足准备阶段■4,2；施工组织设计不合理4,3；工人技术不熟练、培训不合格、4
盾构始发
掘进阶段
后盾系统不稳固42i；盾构始发与接受基座位移
变形422；反力架安装精度不高423；洞门建筑空
隙密封失效424；洞口土体加固及降水不当425;
工作井支护不稳定426
盾构掘进
阶段'
盾构穿越破碎带堵舱滞排43|；盾构机前方出现
不明障碍物432；螺旋输送器喷涌433；盾尾密封
失效434；主轴承断裂435；盾构施工参数设计不
合理436；盾构机械设备维修不当437；千斤顶系
统故障；刀具更换中的事故439
管片拼装
阶段、
注浆阶段
管片拼接不当441；管片自身质量检查不仔细
442；管片嵌缝或堵漏失效443；拼装前盾尾砂浆
未清理444；螺栓连接不当445
浆液质量缺陷451；盾尾刷磨损452；注浆管堵塞
453；注浆不及时454；注浆参数不当；管片脱
出盾尾上浮456；添加剂使用不当457
盾构到达接到达洞门临时挡土墙拆除不当461；盾构出洞轴受阶段七线偏离462
由表3中的施工阶段和风险因素指标，构建 成的海底隧道施工风险质量屋如图2所示。
第6期荀晓霖等：基于IFQFD 的海底燧道施工风险因素排序• 105 •
4.2运用I F A H P 法确定施工各阶段事故风险权重
由4名专家分别给出施工6个阶段的事故相 对风险重要性，结合表1中自然语言和直觉模糊 数的转换关系，可以得到评价矩阵〜£(4)。 由于篇幅关系，仅给出专家1评价矩阵£(1)和一 致性检验及修正过程。
以评价矩阵£(1)为例，首先构造积型矩阵£(1)，一致性检验<£(1),£(1)) = 0.1646 >0.1，需要进行修正。
取^ = 0.8进行修正，修正后评价矩阵为
l ^
,d (E ⑴，逆
)
验。同理对£(2) ~= 0.0274 < 0.1，满足一致性检
E (4)进行一致性检验并修正。
E
(1)
E
(1)
E
(1)
"(0.50,0.50) (0.20,0.75) (0.65,0.30) (0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.65,0.30) (0.30,0.65) (0.30,0.65) (0.50,0.50) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.75,0.20) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.30,0.65) _(0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.75,0.20) "(0.50,0.50) (0.20,0.75) (0.32,0.56) (0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.65,0.30) (0.65,0.30) (0.30,0.65) (0.50,0.50) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.75,0.20) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.30,0.65) _(0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.75,0.20) "(0.50,0.50) (0.20,0.75) (0.38,0.51) (0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.65,0.30) (0.58,0.36) (0.30,0.65) (0.50,0.50) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.75,0.20) (0.10,0.85) (0.10,0.85) (0.30,0.65) _(0.75,0.20) (0.50,0.50) (0.75,0.20) 根据式(4)分别计算4名专家评价得出的事 故风险权重矩阵
〜<4)，然后运用I F P A 算
子对4个权重矩阵进行集结，可以确定施工各阶 段事故风险权重矩阵如下：
= [ (0.202,0.786), (0.287,0.713)，(0.124,0.874)， (0.066,0.933)，(0.060,0.937)，(0.261，0.737)]
(0.85,0.10) (0.85,0.10) (0.20,0.75)' (0.85,0.10) (0.85,0.10) (0.50,0.50)
(0.20,0.75) (0.65,0.30) (0.20,0.75) (0.50,0.50) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.50,0.50) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.90,0.05) (0.90,0.05) (0.50,0.50) _ (0.10,0.79) (0.96,0.01) (0.42,0.79) (0.32,0.56) (0.95,0.02) (0.04,0.56)
(0.20,0.75) (0.20,0.75) (0.00,0.99) (0.30,0.65) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.50,0.50) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.90,0.05) (0.90,0.05) (0.50,0.50) _ (0.20,0.65) (0.95,0.01) (0.37,0.79) (0.43,0.44) (0.94,0.03) (0.07,0.55)
(0.20,0.75) (0.27,0.67) (0.00,0.98) (0.34,0.62) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.50,0.50) (0.50,0.50) (0.05,0.90) (0.90,0.05) (0.90,0.05) (0.50,0.50) _
4.3确定关系矩阵和关联矩阵
由4名专家分别进行施工6个阶段事故风险 和33个风险因素之间的关系，以及33个风险因 素间的关联性评价。由于篇幅原因，仅给出专家 1对施工各阶段事故风险和风险因素之间关系的 自然语言评价结果，如表4所示。
表4施工各阶段事故风险和风险因素关系自然语言评价（专家1)
因素
秦国历代国君^12
^13
^,4
^21
^22
^23
^24
^26
^31
^32
^33
^34
^36
^37
vn
vn vn vn E L E L E L E L E L E L E L E L E L E L E L E L E L a
2
M M M n vn vn vn vn vn vn E L E L E L E L E L E L E L n
M M n n n n n n n E L E L E L E L E L E L E L ^4V L M M n L L L L L L E L E L vn vn vn vn vn V L M M n vL vL vL vL vL vL E L E L E L E L E L E L E L 4
M
M
M
n
vL
vn
vL
vL
vL
vL
vn
vn
E L
E L
E L
E L
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