基于模糊綜合法的鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)用研究

劉建亮

中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在工程施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法方面已進(jìn)行了大量的研究，也提出了一些研究成果。例如：Einstein[1]率先提出了地下工程風(fēng)險(xiǎn)分析工作的基本特征與理念，Eskesen等設(shè)計(jì)了一套針對(duì)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)與方法，應(yīng)國(guó)柱等[2]針對(duì)合肥地鐵1號(hào)線(xiàn)施工所設(shè)計(jì)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型具有重要的參考價(jià)值。然而，就鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估方面卻鮮有研究。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以南京至安慶區(qū)間內(nèi)某鐵路隧道施工為例，通過(guò)應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建了鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并對(duì)鐵路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了分析，為類(lèi)似工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理提供了參考。

1 工程實(shí)例分析

本文所研究的隧道位于南京—安慶區(qū)間，為單洞雙線(xiàn)隧道。全長(zhǎng)525 m，設(shè)計(jì)速度300 km/h。隧道所處地段的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，并且受地質(zhì)構(gòu)造的長(zhǎng)期影響，隧道洞身巖體的完整性相對(duì)較差，隧道應(yīng)用復(fù)合式襯砌方法，因?yàn)楦采w層埋深相對(duì)較淺，在進(jìn)行隧道開(kāi)挖的過(guò)程中缺乏良好的穩(wěn)定性，所以有必要對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，進(jìn)而采取合理的對(duì)策。

2 構(gòu)建施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

結(jié)合工程實(shí)際情況，采用層次分析法思想，構(gòu)建了鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）。在該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，處于最頂層的為最終的評(píng)價(jià)目標(biāo)U，其可以分為5個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)，即U1，U2，……，U5；依照施工工序可以將各一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)細(xì)分為12個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)，即u1，u2，……，u12。根據(jù)同樣的原則，又可以將各二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)劃分為多個(gè)三級(jí)指標(biāo)ri-j。

3 確定風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

為確定在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)各因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度，引入權(quán)重的概念。評(píng)價(jià)結(jié)果是否準(zhǔn)確，在很大程度上直接取決于是否科學(xué)地確定權(quán)重。在應(yīng)用層次分析法的時(shí)候，一般使用傳統(tǒng)的標(biāo)度表來(lái)完成判斷矩陣的構(gòu)造，當(dāng)確定矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)之后，權(quán)重向量取其最大的特征向量。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，以往利用經(jīng)驗(yàn)而確定的一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)缺少相關(guān)理論作為支撐，所獲得的的權(quán)重排序向量精度較低。鑒于此，本文對(duì)判斷矩陣予以?xún)?yōu)化。

圖1 鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 建立判斷矩陣

依照所構(gòu)建的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中上層因素與下層因素間的關(guān)系，借助于專(zhuān)家調(diào)查法來(lái)比較下層制約因素對(duì)上層準(zhǔn)則因素的重要程度大小，并且與Saaty的1～9標(biāo)度（表1）相結(jié)合來(lái)構(gòu)建各層次因素的判斷矩陣。

表1 1～9標(biāo)度

以本工程的二級(jí)指標(biāo)鉆爆開(kāi)挖為例，其判斷矩陣如表2所示。

表2 鉆爆開(kāi)挖施工判斷矩陣

3.2 一致性檢驗(yàn)

實(shí)踐表明，判斷矩陣往往缺乏良好的可靠性，為此要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式如式（1）所示：

式中：Rc——一致性指標(biāo)；

n——判斷矩陣的階數(shù)；

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

IR——平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，通過(guò)多次重復(fù)計(jì)算隨機(jī)

判斷矩陣特征值后，取算數(shù)平均值得到。

不超過(guò)2階的判斷矩陣都是一致的；對(duì)于超過(guò)2階的判斷矩陣，當(dāng)一致性指標(biāo)Rc≤0.10時(shí)，便可以斷定此判斷矩陣的一致性是可接受的，當(dāng)一致性指標(biāo)Rc＞0.10時(shí)，則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修改，直到其達(dá)到要求為止。以本工程為例，通過(guò)計(jì)算得到λmax=5.16，將其值帶入公式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得Rc為0.036＜0.10。所以，此判斷矩陣的一致性是可以接受的。

3.3 計(jì)算各指標(biāo)因素所有排序權(quán)向量

首先，要計(jì)算單一準(zhǔn)則下元素相對(duì)權(quán)重，本文采用特征根法，按式（2）進(jìn)行：

式中：ωi——相對(duì)權(quán)重；

aij——判斷矩陣元素。

其次，計(jì)算各指標(biāo)因素所有排序權(quán)向量ω，其表示相應(yīng)的n個(gè)制約因素的相對(duì)權(quán)重，計(jì)算公式為ω=[ω1ω2… ωn]T。以本工程為例，各個(gè)因素的排序權(quán)向量為ω=[0.046 0.126 0.107 0.259 0.462]。采用相同的方法即可獲得各個(gè)二級(jí)指標(biāo)排序權(quán)向量。

4 模糊綜合評(píng)價(jià)

4.1 風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)主要涵蓋2個(gè)方面的因素：一是要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性大小予以估計(jì)；二是要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生以后所造成的后果損失予以估算。本文參考已有規(guī)范，對(duì)鐵路隧道施工事故發(fā)生概率的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義，分別如表3、表4所示。

表3 鐵路隧道施工事故發(fā)生概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

依照鐵路隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率與損失等級(jí)，把工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃為5個(gè)等級(jí)，并建立了如表5所示的風(fēng)險(xiǎn)矩陣。依照所建立的風(fēng)險(xiǎn)矩陣來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)估值與接受準(zhǔn)則予以確定，如表6所示。

在本工程中，根據(jù)表3、表4與表5可獲得各級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再根據(jù)表6來(lái)完成對(duì)各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估值。

表4 鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表6 風(fēng)險(xiǎn)估值與接受準(zhǔn)則

4.2 模糊評(píng)價(jià)

4.2.1 構(gòu)建權(quán)重集與風(fēng)險(xiǎn)估值

定義一級(jí)評(píng)價(jià)因素集U 的權(quán)重向量A=[a1a2a3a4a5]，定義二級(jí)評(píng)價(jià)因素集Ui的權(quán)重向量Ai=[…]。其中，i的取值為1～5，m為第i個(gè)一級(jí)因素所對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)因素的數(shù)量。定義三級(jí)評(píng)價(jià)因素集uj的權(quán)重向量aj=[aj-1aj-2… aj-n]，其中，j的取值為1～17，n表示各二級(jí)因素所對(duì)應(yīng)三級(jí)指標(biāo)因素的數(shù)量。

4.2.2 一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)綜合評(píng)價(jià)

在進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，依照每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重集與風(fēng)險(xiǎn)估值，完成各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)。在進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，依照每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重集與一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判值，完成對(duì)每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)。最后，在進(jìn)行三級(jí)綜合評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)綜合一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重集與二級(jí)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)值。鐵路隧道工程施工的總風(fēng)險(xiǎn)值如公式（3）所示。

通過(guò)整理歸納一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值，可以獲得各個(gè)因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，進(jìn)而依照風(fēng)險(xiǎn)估值與接受準(zhǔn)則制定科學(xué)的對(duì)策。表7為隧道鉆爆開(kāi)挖工程三級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估值與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。經(jīng)計(jì)算，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)評(píng)價(jià)值為76.226。

表7 隧道鉆爆開(kāi)挖工程三級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估值與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

圖2為采用如上方法所獲得的其他二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值。由圖2可知，本鐵路隧道施工的二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)基本都是“中度”與“高度”。其中，作業(yè)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、鉆爆開(kāi)挖及洞口支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“高度”，所以，在進(jìn)行本鐵路隧道工程施工過(guò)程中，需對(duì)此四類(lèi)工序予以格外的重視，及時(shí)制訂對(duì)策，同時(shí)要做好監(jiān)測(cè)工作。

圖2 二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某鐵路隧道施工案例，分析了模糊綜合法在鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理中的應(yīng)用情況。通過(guò)在鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型，能夠獲得較為客觀(guān)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，從而為鐵路隧道施工項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理奠定基礎(chǔ)。此外，本文研究為工程領(lǐng)域構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型提供了一種合理的思路，對(duì)其他工程的風(fēng)險(xiǎn)管理工作具有一定的借鑒價(jià)值。