公路隧道施工風險模糊綜合評判模型初探

淡壽全　牛衍亮

提要公路隧道施工風險因素復雜,后果影響嚴重。本文概述了國內(nèi)外隧道施工風險研究現(xiàn)狀,從模糊數(shù)學角度對隧道施工風險進行論述,并初步建立了模糊綜合評判模型。

關鍵詞:公路隧道施工;模糊數(shù)學;模糊綜合評判

中圖分類號:U455.1文獻標識碼:A

一、概述

(一)風險概述。風險一詞源于法文,后再引入英文和中文。風險管理的思想也是由法國人引入企業(yè)經(jīng)營領域。風險管理作為一門獨立科學是從20世紀五十年代開始的,用于建設項目中則是始于20世紀八十年代。美國項目管理協(xié)會編寫的項目管理知識體系指南中指出:風險管理是項目管理九大知識體系之一。通常人們認為風險管理分為風險識別、風險估計、風險評價、風險控制等四個環(huán)節(jié)。

(二)我國公路隧道施工概述。公路建設是我國重要的基礎設施建設,而我國國土面積約三分之二的土地是山地、崎嶇的高原或丘陵,尤其是如今的西部大開發(fā)中,交通基礎設施建設是西部優(yōu)先發(fā)展的重點,而要在崇山峻嶺中修建公路,隧道便成了重要的組成形式。

公路山嶺隧道在提高行駛車速、縮短里程、節(jié)約燃料、節(jié)省時間、保護生態(tài)環(huán)境方面有著明顯的優(yōu)勢,又由于其隱蔽性,在營運中也較少受到惡劣氣候的影響。然而,隧道工程作為典型的地下工程項目,在施工過程,卻存在著大量的不確定因素。公路隧道是一項投資大、建設工期長、技術復雜、極具風險性的地下設施項目。

在工程實踐中,由于隧道工程施工風險所誘發(fā)的安全風險事故時有發(fā)生,輕則造成工程成本上升、工程工期延誤,重則造成嚴重人員傷亡。如,2004年底友誼隧道發(fā)生大塌方,出露煤層自燃引發(fā)瓦斯爆炸,造成60多人傷亡,沖擊波將施工設備全部摧毀。隧道施工安全風險發(fā)生的后果嚴重性,已引起各級部門高度重視,在交通部2010～2020年《公路、水運交通主要技術政策》中,已將交通基礎設施建設項目安全風險評價列為重點研究問題。

(三)工程模糊綜合評判概述。綜合評判,即是對多因素影響的事物或現(xiàn)象進行總體的評價。這種評價如果涉及模糊因素,就叫做模糊綜合評判。由于工程建設常常是在各種復雜多變的不確定性因素的影響下,因此模糊綜合評判在工程領域的應用非常廣泛。如上所述,公路隧道施工作為典型的地下工程具有諸多的不確定性,很難用解析方法做定量分析,因此模糊綜合評判則更為適合施工中的風險分析。

二、國際國內(nèi)公路隧道施工風險研究現(xiàn)狀

(一)國外隧道施工風險研究。鑒于上述隧道施工的安全情況,國際隧道協(xié)會(縮寫為ITA)成立了專門的工作小組,開展了隧道工程風險管理的相關研究,并在2004年發(fā)表了隧道工程風險管理指南。與此同時,國際隧道保險組織與ITA合作,制定了隧道工程作業(yè)的風險管理實施規(guī)范。

2006年4月22至27日在韓國首爾會展中心(COEX)召開了2006年世界隧道大會及第32屆國際隧道協(xié)會理事會議。本次會議的主題是“Safety in the Underground Space”(地下空間安全)。會議由國際隧協(xié)主辦,韓國隧協(xié)具體組織承辦。參加會議的有來自51個國家的約800名代表。提出風險管理、合同慣例和健康安全的指南文件。

隧道風險管理指南起草工作始于1999年,由ITA負責,并于2003年完成。在傳統(tǒng)概念上,貫穿于項目建設過程中的工程決策,已經(jīng)間接實施了風險管理。但風險管理的研究認為,用系統(tǒng)的風險管理技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模糊風險管理技術,可大大提高風險管理水平,從而可以清楚地識別出工程中潛在的風險,并及早采取風險減輕措施。

(二)國內(nèi)隧道施工風險研究現(xiàn)狀。在隧道工程監(jiān)測和信息化設計方面,我國在發(fā)展以位移測試為主體的隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)以及監(jiān)測信息反饋理論方面都有很大的進展,斷層參數(shù)預測法、超前預報隧道斷層技術等一系列成果已達國際先進水平。近年來,在處理隧道不確定風險性方面,在設計中引進了概率論、模糊數(shù)學和最優(yōu)控制理論的卡爾曼濾波器理論,豐富了隧道設計理論,也提高了工程技術人員對隧道設計施工的不確定風險的認識。

但是,在公路山嶺隧道施工中,處理不確定性風險因素引起的隧道施工風險,目前還是較單一地采用施工量測技術來控制;缺乏基于風險分析理論,更缺乏全面系統(tǒng)研究隧道設計和施工動態(tài)安全風險評價與管理的有效方法。

三、公路隧道施工風險模糊綜合評判模型

風險評價是現(xiàn)代風險管理的重要組成部分,由于公路隧道施工中存在大量不可確定因素,因此其風險評價不宜用常規(guī)的解析方法進行定量分析,模糊數(shù)學則較為適用于本類工程問題。模糊數(shù)學誕生于1956年,美國加利福尼亞大學查德教授發(fā)表了著名的論文“模糊集合”,第一次引人注目地提出了模糊性問題,給出了模糊概念的定量表示法。1970年別爾曼和查德又提出了模糊優(yōu)化的概念。我國于20世紀七十年代開始了這方面的研究工作。模糊綜合評判正是模糊數(shù)學中的一部分實踐應用。

模糊綜合評判模型的建立包括如下幾個部分:

(一)建立因素集U。因素集是以影響對象的各種因素為元素所組成的一個普通集合。對公路隧道施工風險而言,應考慮到其特殊的循環(huán)作業(yè)性,隧道施工循環(huán)大體分五個步驟:隧道開挖、出渣、初期支護、監(jiān)控測量、防水隔離與二次襯砌。即:

U={U1,U2,U3,U4,U5｝={隧道開挖,出渣,初期支護,監(jiān)控測量,防水隔離與二次襯砌｝

而各個過程中的風險又可以細分為如下二級風險因素:

U1={U11,U12,U13,U14｝={開挖方法選擇不當導致圍巖失穩(wěn),鉆孔爆破掘進過程中的風險,施工人員操作失誤導致人員傷亡,不良地質導致的風險｝

U2={U21,U22,U23,U24｝={出渣運輸方式選擇不當,出渣處照明不足,運輸設備損壞,運輸人員操作不當｝

U3={U31,U32,U33,U34｝={支護類型不適應實際地質情況,支護時機不當,噴射混凝土質量厚度不符合要求,錨桿布設施工質量不符合要求｝

U4={U41,U42,U43,U44｝={量測數(shù)據(jù)的失誤,量測結果評定有誤,量測信息反饋不及時,應變措施不力｝

U5={U51,U52,U53,U54｝={防水層質量不滿足防水抗?jié)B要求,襯砌形式、尺寸設計不合理,二次襯砌施工時間不合理,二次襯砌混凝土質量不滿足要求｝

(二)建立權重集A。各因素的重要程度一般各不相同,即擁有不同的權重。權重集A{A1,A2,A3,A4,A5}即表示各風險因素{U1,U2,U3,U4,U5}對隧道施工的影響程度。這一權重的確定一般采用主觀確定的方法,可用專家法或德爾菲法確定權重集A(A具有歸一性和非負性的特點)。

由于因素集U為兩級,所以還應確定第二級權重集,即{A11,A12,A13,A14｝表示風險因素{U11,U12,U13,U14｝對U1的相應權重。U2、U3、U4、U5依此類推。

(三)建立備擇集V。備擇集是對評判對象可能做出的各種評判集合的總體。在隧道施工風險評價中可根據(jù)風險的大小分為四個等級:

令V={V1,V2,V3,V4｝={及其嚴重,很嚴重,一般嚴重,較不嚴重｝

(四)單因素模糊評判。單因素模糊評判是單獨對一個影響因素進行評判,以確定評判對象對備擇集元素的隸屬程度。單因素評判集R表達的是由隧道施工各二級風險因素U對備擇集V的模糊關系。將此評判集排列成行即得單因素評判矩陣R。

(五)模糊綜合評判。模糊綜合評判是把各單因素評判的結果通過各自的權重綜合起來的過程?？梢员磉_為:B=A*R(此處的*為模糊運算,即代數(shù)運算中的乘法現(xiàn)為取小運算,代數(shù)運算中的加法現(xiàn)為取大運算)。得出的模糊綜合評判集B表示的是綜合考慮上述所有因素時,隧道施工循環(huán)各階段風險因素對各備擇集指標的隸屬程度。由此就可以得出,在一般情況下,一次隧道施工作業(yè)循環(huán)中各不同環(huán)節(jié)(隧道開挖,出渣,初期支護,監(jiān)控測量,防水隔離與二次襯砌)的風險大小,提早進行不同等級的預備防范,盡量有效地減小風險事故的發(fā)生概率。

四、結論

系統(tǒng)研究公路隧道施工安全風險問題,對隧道施工中的風險進行識別、分析評判,進而進行科學的預警是現(xiàn)代化隧道施工安全管理的客觀需要,也是確保隧道工程建設目標實現(xiàn)的基本保證。由于隧道工程巖層性質多異、工程水文地質條件復雜多變,施工工藝復雜、施工過程中涉及的不確定因素多等特點,以及勘察設計資料有限,設計計算理論也還在完善中,多重復雜因素導致了隧道施工具有很強的風險性與模糊性。因而,應用模糊數(shù)學中的模糊綜合評判方法分析公路隧道工程項目建設中的風險問題具有一定的現(xiàn)實意義。風險評判是風險管理的重要環(huán)節(jié),也關系到風險管理的效果甚至項目的成敗,所以需要引起廣泛、深入的重視。

(作者單位:重慶大學建設管理與房地產(chǎn)學院)

主要參考文獻:

[1]丁士昭.工程項目管理[M].中國建筑工業(yè)出版社,2006.5.

[2]王卓甫.工程項目風險管理[M].中國水利水電出版社,2003.1.

[3]肖盛燮.模糊數(shù)學在土木與水利工程中的應用[M].人民交通出版社,2004.10.