基于Bayesian隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評估方法

郭發(fā)蔚,王宏輝

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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基于Bayesian隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評估方法

郭發(fā)蔚,王宏輝

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

摘要:提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評估方法，以龍家?guī)r隧道實(shí)際收集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先對隧道工程進(jìn)行總體風(fēng)險(xiǎn)評估，然后進(jìn)行專項(xiàng)評估，此項(xiàng)中運(yùn)用了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評估方法對事件風(fēng)險(xiǎn)的自然概率進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合模糊綜合評估方法對隧道工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，得到隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級。研究結(jié)果表明，龍家?guī)r隧道洞口開挖的風(fēng)險(xiǎn)等級為2級，鉆爆作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)等級2級，初期支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級為5級。這與現(xiàn)場施工的風(fēng)險(xiǎn)水平較為接近，從而可以看出本評估方法的合理性及實(shí)際施工過程中的適用性。本方法最終評估結(jié)果為隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及預(yù)防提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道工程；風(fēng)險(xiǎn)評估；風(fēng)險(xiǎn)等級；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；模糊綜合評價(jià)

近年來，隨著我國公路鐵路的大量建設(shè)，隧道建設(shè)也越來越平常，隧道施工工程由于其隱蔽性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、施工組織的綜合性以及隧道作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性，使得其具有造價(jià)高、周期長、施工技術(shù)復(fù)雜以及施工過程中不可控的風(fēng)險(xiǎn)因素較多的特點(diǎn)，導(dǎo)致隧道工程事故較為頻繁的發(fā)生，給建設(shè)單位造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，顯現(xiàn)了隧道施工工程是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工程體系。運(yùn)用合理地評估方法對隧道工程進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)，是防范隧道事故頻發(fā)，有效控制隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，降低損失，順利完成工程的有力保障。在隧道風(fēng)險(xiǎn)評估中常常用到層次分析法，故障樹分析法，蒙特卡洛分析法等方法進(jìn)行評估[1]-[3]，然而，這些方法只能定性或半定量的進(jìn)行分析，很難準(zhǔn)確的反應(yīng)出風(fēng)險(xiǎn)水平的高低。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率模型由Pearl于1988年提出，它對于解決事件不確定性以及關(guān)聯(lián)性引起的故障有很大的優(yōu)勢，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network)能夠?qū)⒁恍┳兞康男畔?、不完備信息進(jìn)行處理而提高建模效率，提高其分析結(jié)果的可靠性[4]-[6]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在國內(nèi)外有了較為廣泛的應(yīng)用。本文將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評價(jià)相結(jié)合，以實(shí)際工程數(shù)據(jù)位基礎(chǔ)，對隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，為隧道工程的施工中風(fēng)險(xiǎn)的控制提供參考。

1總體風(fēng)險(xiǎn)的評估

總體風(fēng)險(xiǎn)的評估指的是在橋梁隧道開工前，首先通過隧道工程所處的地質(zhì)環(huán)境，建設(shè)條件，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等孕險(xiǎn)環(huán)境與致險(xiǎn)因子通過專家打分法評估橋梁或隧道的整體風(fēng)險(xiǎn)，由公式(1)估測出其所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(如表1)。經(jīng)總體風(fēng)險(xiǎn)評估后，對于Ⅲ級(高度風(fēng)險(xiǎn))及以上等級的隧道工程，應(yīng)組織開展專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估。

由《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南(試行)》中規(guī)定隧道施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：

R=G(A+L+S+C)

(1)

其中，G表示隧道路線周圍的地質(zhì)所賦分值的大?。籄表示開挖斷面所賦分值的大?。籐表示隧道長度所賦分值的大??；S表示洞口形式所賦分值的大小；C指隧道洞口特征所賦分值的大小。

表1隧道工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Overall risk of tunnel engineering construction safety classification standard

風(fēng)險(xiǎn)等級R的區(qū)間描述4≥22極高風(fēng)險(xiǎn)314～21高度風(fēng)險(xiǎn)27～13中度風(fēng)險(xiǎn)10～6較低風(fēng)險(xiǎn)

2專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估

定義風(fēng)險(xiǎn)為R=KC

(2)

式中：K表示隧道事故發(fā)生的概率；C表示后果嚴(yán)重程度。

2.1貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

2.1.1貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基本概念

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是指基于概率分析和圖論的一種不確定性知識的表示和推理模型[7]-[8]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無環(huán)圖，由節(jié)點(diǎn)變量與有向邊組合構(gòu)成，有向邊表示變量間的直接依賴或因果關(guān)系，是由父節(jié)點(diǎn)指向后代節(jié)點(diǎn)。它適用于將不確定性概率事件進(jìn)行分析和表達(dá)，可應(yīng)用于有條件地依賴多種控制因素的決策，可在不精確、不完全或者不確定的信息或知識中作出推理，可以利用全概率公式和乘法定理得到貝葉斯公式，即：

P(B|A)=P(AB)/P(A)=P(B)P(A|B)/P(A)

(3)

式(3)表示事件B在事件A條件下發(fā)生的概率為AB事件同時(shí)發(fā)生的概率與事件A發(fā)生概率的比值或事件B發(fā)生的概率與在事件B下事件A發(fā)生概率的乘積與事件A發(fā)生概率的比值。

以此類推,設(shè)A1,A2,…,An是一完備事件組,則對任一事件B,P(B)>0,貝葉斯公式可以轉(zhuǎn)化為：P(Ai|B)=P(AiB)/P(B)=P(Ai)P(B|Ai)/∑iP(Ai)P(B|Ai),i=1,2,3…。

2.1.2建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1)梳理并確定各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容。對于隧道工程來說，就要選擇與之相關(guān)重要因素，比如：地質(zhì)、開挖斷面、洞口形式、危石清除等因素。

2)利用有向五環(huán)圖來確定各節(jié)點(diǎn)關(guān)系。以隧道施工其中一個(gè)環(huán)節(jié)威力，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的有向變表示了因果關(guān)系，其子節(jié)點(diǎn)的重要度可以由父節(jié)點(diǎn)的重要度來推出，如人工鉆孔→鉆爆作業(yè)→洞身開挖，就表示了人工開挖、鉆爆作業(yè)及洞身開挖這三者之間的因果關(guān)系，由人工鉆孔發(fā)生事故的大小就可以依次推算出鉆爆作業(yè)及洞身開挖發(fā)生事故的大小。

3)概率確定。對于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的先驗(yàn)概率和條件概率，由5名領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行打分，最后取其均值作為該節(jié)點(diǎn)變量的先驗(yàn)概率和條件概率。最終確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖1。其中E3，E4，E5和E6為基本事件，E2和E3為中間事件，E1為頂事件。

圖1　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Bayesian networks

2.2事故發(fā)生的概率

采用隧道發(fā)生事故率k的概念，通過事故發(fā)生的可能性l與人員暴露于危險(xiǎn)的概率e的的運(yùn)算便可以得到[9]。采用國際隧道協(xié)會發(fā)布的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示[10]。通過確定每個(gè)基本事件發(fā)生的概率，然后運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的線性推理，便可以得到風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的自然概率k，進(jìn)而將其進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算，得到的對數(shù)概率如表3所示。

K=5+lgk=5+lg(l*e)　(4)

表3　事故可能性等級

注：對數(shù)區(qū)間由概率范圍取對數(shù)再加5得到

2.3后果損失

通過查閱大量文獻(xiàn)，為對同類工程項(xiàng)目的同種風(fēng)險(xiǎn)事件做定量分析，本文提出模糊對數(shù)損失率的概念，即 C=qRT。

其中q可由同一層的風(fēng)險(xiǎn)事件的對數(shù)損失率概率矩陣與所對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)事件的重要度向量計(jì)算得到：

2.4風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

由于風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性及模糊性的特點(diǎn)，因此很難用一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值來確定風(fēng)險(xiǎn)水平，參考以前的研究結(jié)果，本文采用隸屬度函數(shù)來確定風(fēng)險(xiǎn)水平，這樣評定出來的風(fēng)險(xiǎn)等級更合理且有效(如表4)[11-14]。

將求得的風(fēng)險(xiǎn)事件的R代入上述函數(shù)，便可以得到該風(fēng)險(xiǎn)事件在該5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級的隸屬度，并根據(jù)最大隸屬度原則，可以得到該風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級。

表4　風(fēng)險(xiǎn)等級及隸屬度函數(shù)

3實(shí)例

龍家?guī)r隧道位于云南省宣威市，全長567.8 m，由葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司承建，本隧道采用小凈距結(jié)構(gòu)，并且采用分離式，分為左右兩洞，隧道洞身開挖時(shí)較易發(fā)生坍塌，特別是洞口段，圍巖條件較差，主要巖性為崩坡積塊石土，裂隙呈現(xiàn)碎裂狀，結(jié)構(gòu)松散，容易坍塌，隧道主要出水形式有潮濕及滴水。出口處位于一段斜坡下部，在連續(xù)降雨是容易發(fā)生滑塌。

3.1總體風(fēng)險(xiǎn)評估

遵循《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南(試行)》的要求，建立評估體系，選擇相應(yīng)的分值，如表5，所對應(yīng)的總體風(fēng)險(xiǎn)總體貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖如圖2，并參照隧道工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，確定本項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級[1，15]。

可以得到該隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)R=G(A+L+S+C)=28，對照隧道施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)可知該隧道的總體風(fēng)險(xiǎn)等級為4級，屬于極高風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估。

表5　隧道總體風(fēng)險(xiǎn)清單

圖2　總體風(fēng)險(xiǎn)總體貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Overall risk overall Bayesian network diagram

3.2隧道專項(xiàng)評估

3.2.1風(fēng)險(xiǎn)的識別

通過《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南(試行)》與現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)的對比識別及由5名領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行打分，最后取其均值作得到該隧道的風(fēng)險(xiǎn)清單，如表6。

3.2.2建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型及風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率

通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)線性推理計(jì)算出表6中的任一風(fēng)險(xiǎn)事件的自然概率，并計(jì)算出其對數(shù)概率，其結(jié)果見表7。

3.2.3風(fēng)險(xiǎn)事件的影響后果

通過對該隧道的風(fēng)險(xiǎn)事件的分析，并通過專家評價(jià)及數(shù)據(jù)調(diào)查可得到每個(gè)基本事件在每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間的概率qij，并結(jié)合事件的重要度求得非根節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)事件的qij及后果嚴(yán)重程度C，見表8。

表6　龍家?guī)r隧道風(fēng)險(xiǎn)清單

表7　風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生對數(shù)概率

3.2.4風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

通過(1)式計(jì)算出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)值如表9所示，將其代入隸屬度函數(shù)中，求的其各個(gè)隸屬度，并由最大隸屬度的原則確定各個(gè)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級，見表10。

表8　風(fēng)險(xiǎn)事件嚴(yán)重程度

表9　風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)值表

表10　風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)等級

由表10可知洞口開挖的風(fēng)險(xiǎn)等級為2級，鉆爆作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)等級2級，初期支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級為5級。這與現(xiàn)場隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀基本相似，對于不同的風(fēng)險(xiǎn)事件，要制定相應(yīng)的對策來預(yù)防可控制其風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生，減少損失。

4結(jié)論

1)針對隧道施工過程中施工風(fēng)險(xiǎn)的模糊性及隨機(jī)性的特點(diǎn)，提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)及模糊綜合評價(jià)模型對隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。其中運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)及專家打分法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重值，并運(yùn)用模糊變換理論及隸屬度函數(shù)對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)相關(guān)因素進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。

2)在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)方法可以解決非精確的性的問題，對于主觀評價(jià)進(jìn)行量化，將具有模糊性及隨機(jī)性特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)事件用較為準(zhǔn)確的量化數(shù)據(jù)加以表達(dá)，運(yùn)用數(shù)學(xué)處理，減小了因主觀判斷帶來的差異，使得結(jié)果更為準(zhǔn)確，評估結(jié)果更趨實(shí)際。

3)運(yùn)用模糊綜合評估模型對龍家?guī)r隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，得出洞口開挖的風(fēng)險(xiǎn)等級為2級，鉆爆作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)等級為3級初期支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級為5級，與施工現(xiàn)場實(shí)際情況基本符合，驗(yàn)證了此方法對隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估的可靠性和實(shí)用性。

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(編輯陽麗霞)

Risk assessment of tunnel constructionby using fuzzy comprehensive evaluation method based on bayesian networks

GUO Fawei,WANG Honghui

(School of Civil Engineering , Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou730070, China)

Abstract:A fuzzy comprehensive evaluation method based on Bayesian networks was proposed. Based on the actual data collected from LONG rock tunnel, the overall risk assessment of the tunnel project was conducted first. Then a special evaluation was conducted, which the Bayeux Adams network evaluation method was utilized to calculate the natural probability of event risk. Finally, the risk level of risk events of the tunnel project was obtained by the fuzzy comprehensive evaluation method. The results show that the risk rating of the rock tunnel entrance excavation is 2, the risk level of drilling and blasting operations is 2, the risk level of initial support is 5. This site construction is closer to the level of risk, which can be seen in the reasonableness and the actual construction process of the assessment of the applicability of the method. The final results of the assessment method for the risk prediction and prevention of tunnel construction provides a reference.

Key words:tunnel project ;risk assessment; risk level；Bayesian networks; fuzzy comprehensive evaluation

中圖分類號：TU18

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0401-06

通訊作者：王宏輝(1973-),男,浙江金華人，副教授，從事風(fēng)險(xiǎn)管理研究；E-mail: wanghui97@126.com

收稿日期：2015-07-08