山區(qū)公路工程高路塹施工風(fēng)險評價模型

許 軍 ，盧嘉寧 ，栗 飛 ，陳建國 ，楊 瑞

（1.山西省公路局，山西 太原 030006；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.山西省公路局 晉城分局，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展的時期，公路施工過程中發(fā)生的安全風(fēng)險事故也越來越受到人們的關(guān)注。交通運輸部安委會發(fā)布的《交通運輸安全生產(chǎn)事故報告（2018年）》顯示，2018年，對我國西南多個省份的統(tǒng)計資料顯示，山區(qū)公路工程建設(shè)事故起數(shù)和死亡人數(shù)占公路建設(shè)總事故總量和死亡人數(shù)的56.1%和55.6%[1]。由此可見，山區(qū)已成為我國公路工程建設(shè)事故的多發(fā)區(qū)域，而在山區(qū)公路施工中，高路塹石方開挖施工難度大、工程量多，有的涉及到爆破施工，已被列為公路施工三大高風(fēng)險環(huán)節(jié)之一[2]。

目前，國內(nèi)山區(qū)公路路塹高邊坡挖方工程的風(fēng)險評價研究尚處在發(fā)展階段，王小群[3]研究了模糊聚類層次分析法在建筑施工風(fēng)險評價中的應(yīng)用。張雷[4]針對具體工程類型（邊坡工程），從微觀角度提出風(fēng)險評估程序，建立一種風(fēng)險分析模式及風(fēng)險評估程序。陳科榮[5]用灰色關(guān)聯(lián)度分析法較好地確定了施工過程中風(fēng)險事故的概率。馬楠副[6]將影響施工的關(guān)鍵危險因素綜合考慮，做成一張網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險預(yù)測評估圖，進(jìn)行風(fēng)險評價。周直[7]認(rèn)為公路施工是一個多維度非線性的過程，并且提出了混沌-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價模型。楊俊輝[8]提出目前的工程評價方法中，指標(biāo)的確定大多是采取專家打分的主觀方式，為了減少主觀因素的影響，把BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于道路施工風(fēng)險評價。張宇[9]研究了山區(qū)公路施工中的風(fēng)險評價方法和預(yù)警技術(shù)。這些研究方法中，定性和定量相結(jié)合的評價模型比較多，風(fēng)險率和事故后果的確定中，人為因素影響較大，完全進(jìn)行定量分析的研究較少見。同時由于施工過程的復(fù)雜性和不可監(jiān)測的特點，客觀的數(shù)據(jù)來源很少，大多采用專家打分的方式等主觀方式獲取數(shù)據(jù)。

筆者通過比較現(xiàn)有的山區(qū)公路施工風(fēng)險評價方法，對評價指標(biāo)劃分出不同的分值等級，克服傳統(tǒng)施工評價完全依靠專家主觀打分獲取數(shù)據(jù)的缺點，最終建立了山區(qū)公路高路塹施工的指標(biāo)體系模型和AHP-模糊綜合評價模型，并以山西國道207山區(qū)公路某段的高路塹施工風(fēng)險評價為案例，驗證了該模型的有效性。

1 構(gòu)建綜合評價模型

1.1 建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系

山區(qū)公路高路塹施工風(fēng)險評價指標(biāo)選取應(yīng)遵循六大原則：科學(xué)性原則、可比性原則、系統(tǒng)綜合性原則、代表性原則、可量化性原則、可操作性原則。基于以上原則，運用AHP方法構(gòu)建評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3層，準(zhǔn)則層包含建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、環(huán)境條件、邊坡加固施工、項目安全管理及路基開挖施工等六類風(fēng)險因素，指標(biāo)層包含邊坡高度、邊坡角度、地層巖性、邊坡巖體結(jié)構(gòu)、地下水深度、施工季節(jié)、自然災(zāi)害、周邊環(huán)境、防護(hù)加固類型、腳手架高度、施工隊伍素質(zhì)、施工企業(yè)業(yè)績、開挖方法、開挖與加固之間的工序銜接等14個評價指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 山區(qū)高路塹工程風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.2 確定權(quán)重向量

采用AHP法確定評價指標(biāo)權(quán)重向量W，計算各評價指標(biāo)對應(yīng)于目標(biāo)層的權(quán)重集合W=｛W1，W2，…,Wn｝，其中 W1，W2，…,Wn∈[0,1]分別為對應(yīng)評價指標(biāo)U1，U2，…,Un的權(quán)重。

1.3 綜合評價模型的建立

風(fēng)險評價應(yīng)綜合考慮風(fēng)險可能性和后果嚴(yán)重性兩個方面，因此山區(qū)高路塹施工風(fēng)險評價模型的形式如式（1）：

式中：D表示風(fēng)險大??；P表示風(fēng)險發(fā)生的可能性；C表示風(fēng)險后果的嚴(yán)重程度；f（P，C）表示風(fēng)險發(fā)生的可能性和風(fēng)險后果嚴(yán)重性的組合。

因此，路塹施工風(fēng)險評價模型可以分解為兩個模型，即風(fēng)險可能性模型P和風(fēng)險后果嚴(yán)重性模型C。本文中，采用指標(biāo)體系法建立風(fēng)險可能性模型P，采用AHP-模糊綜合評價法建立風(fēng)險后果嚴(yán)重性模型C。

1.3.1 風(fēng)險可能性模型的建立

a）步驟1 建立專家打分表。

為了克服傳統(tǒng)施工評價數(shù)據(jù)來源的純主觀性，筆者在借鑒相關(guān)規(guī)范指南和研究成果之上，對設(shè)計的專家打分表進(jìn)行了半定量化處理，對每個指標(biāo)劃定分值區(qū)間。專家打分時根據(jù)項目具體實際情況，對最合適的分值區(qū)間進(jìn)行打分。

對于建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件等可量化的客觀指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行量化分級。對于某些不可量化的指標(biāo)，如項目安全管理、施工組織計劃等，運用專家咨詢的方式進(jìn)行指標(biāo)評定。最終將事故可能性分成4個等級作為專家打分的參考，見表1。

表1 風(fēng)險可能性評估參考標(biāo)準(zhǔn)

b）步驟2建立指標(biāo)體系法模型。

式中：Xij表示第i類風(fēng)險因素的第j個評價指標(biāo)的分值。

得出F值后，對照表1確定山區(qū)公路高路塹開挖施工事故風(fēng)險可能性等級。

1.3.2 風(fēng)險后果模型（AHP-模糊綜合評價模型）的建立

根據(jù)山區(qū)公路施工風(fēng)險模糊性的特點，筆者結(jié)合AHP方法和綜合模糊評價法的優(yōu)點，建立了AHP-模糊綜合評價模型[10]，用來對施工風(fēng)險后果進(jìn)行評價確定風(fēng)險后果等級。

a）步驟1 設(shè)計專家打分表。

設(shè)山區(qū)公路高路塹施工風(fēng)險各評價指標(biāo)Un的分?jǐn)?shù)為x，(x∈[0，100])，其中分?jǐn)?shù)越大說明該指標(biāo)造成的風(fēng)險后果越嚴(yán)重，主要考慮事故后果的人員傷亡嚴(yán)重程度和財產(chǎn)損失，請專家對圖1中的每個指標(biāo)進(jìn)行打分。

其中，事故后果的人員傷亡嚴(yán)重程度和財產(chǎn)損失參考標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 人員傷亡和財產(chǎn)損失評估參考標(biāo)準(zhǔn)

b）步驟2 建立評價因素集合U。

因素U集包含風(fēng)險評價指標(biāo)體系里的所有指標(biāo)，如式（4）所示

c）步驟3 建立評語集V。

在評價山區(qū)道路施工后果風(fēng)險等級時，依據(jù)人的認(rèn)知習(xí)慣，將評價等級設(shè)為“輕微”，“一般”，“較大”，“重大”，“特大”。

d）步驟4 建立模糊關(guān)系矩陣：

采用專家打分法對公路施工安全的各個評價指標(biāo)分別給出評分值，構(gòu)造隸屬度函數(shù) fV1，fV2，fV3，fV4，fV5，表示因素集U中每個指標(biāo)對于后果評語集vj的隸屬程度[11]，最終構(gòu)建的隸屬度函數(shù)如式（7）～式（13）所示。

若用rij表示第i個因素對于第j個評語等級的隸屬度，則因素集U與后果評語集V之間的模糊關(guān)系可用模糊關(guān)系矩陣RV來表示。

矩陣中 0≤rij≤1，i=1，2…n，j=1，2，3，4，5。

e）步驟5 計算評價結(jié)果。

采用適合的模糊算子對模糊矩陣R和指標(biāo)權(quán)向量W進(jìn)行模糊運算，從而得到評價結(jié)果。

式中：＠為某一模糊算子符號。

f）步驟6 確定風(fēng)險等級。

2 案例分析

本文以國道207新房洼至省界瓶頸路段施工工程第一合同段項目為依托，選取K1327+410—K1327+720樁號處的路塹石方工程施工為案例，運用上述提出的風(fēng)險管理理論對該案例處的挖方工程進(jìn)行風(fēng)險評價。

2.1 建立評價指標(biāo)體系

按照工程項目實際情況，運用AHP方法建立如圖1所示3層評價指標(biāo)體系。

2.2 確定權(quán)重

采用AHP法確定評價指標(biāo)權(quán)重向量，最終計算出指標(biāo)層各個指標(biāo)對目標(biāo)層的權(quán)重值：W=[0.130，0.120，0.111，0.100，0.093，0.084，0.076，0.067，0.060，0.049，0.041，0.032，0.023，0.014]，對應(yīng)的評價指標(biāo)排序為：[邊坡高度，開挖方法，邊坡巖石結(jié)構(gòu)，防護(hù)加固類型，腳手架高度，周邊環(huán)境，邊坡角度，地層巖性，開挖與加固之間的銜接工序，地下水深度，施工隊伍素質(zhì)，施工企業(yè)資質(zhì)，施工季節(jié)，自然災(zāi)害]。

2.3 風(fēng)險可能性評價

邀請專家對風(fēng)險指標(biāo)導(dǎo)致事故的可能性進(jìn)行打分，再對全體專家的打分值取平均值，得出最終結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)險可能性評價專家打分結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)體系法模型計算風(fēng)險概率等級：

同樣可以計算出其他9位專家的評價結(jié)果，分別為：48.3，50.1，49.6，51.2，41.8，40.7，42.6，58.5，57.9，59.4，求得平均值為 55.58。

得出F值后，對照表2，確定路基石方開挖施工事故概率風(fēng)險等級?？梢缘贸觯撀坊介_挖施工項目的總體風(fēng)險概率等級為3級，即很“可能”發(fā)生風(fēng)險事故。

2.4 風(fēng)險后果評價

根據(jù)AHP-模糊綜合評價模型的建立方法，首先得出風(fēng)險后果評價專家打分結(jié)果，如表4所示。

表4 風(fēng)險后果評價專家打分結(jié)果

根據(jù)式（6）～式（13）建立的隸屬度函數(shù)，計算得出各個指標(biāo)對評語集中每個評價等級的隸屬度，最終得到綜合評價模糊關(guān)系矩陣R。

基于AHP得到的權(quán)重向量W，計算模糊評語集B。

B=WR=[0.207,0.242,0.172,0.673,0.629].

根據(jù)最大隸屬度原則，可以得出：

B(V4)=0.673=max[0.207，0.242，0.172，0.673，0.629]，即所研究案例處施工風(fēng)險后果等級為“較大”。

3 評價結(jié)果分析

根據(jù)評價指標(biāo)權(quán)重值、風(fēng)險可能性評價結(jié)果、風(fēng)險后果評價結(jié)果可知，在本案例中，風(fēng)險可能性等級處于3級，即很“可能”發(fā)生風(fēng)險事故。風(fēng)險后果等級處于“較大”等級，總體來說此樁號處的施工風(fēng)險等級較高?！斑吰赂叨取笔菍κ┕わL(fēng)險影響最大的一個因素，根據(jù)工程經(jīng)驗，高于20 m的土質(zhì)邊坡和高于30 m的巖質(zhì)邊坡，開挖后大約會有40%處于不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，雖然采取了預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁等措施進(jìn)行加固和支擋，但在施工過程中仍然可能會有部分邊坡失穩(wěn)的發(fā)生。由于“邊坡開挖”要涉及爆破施工，因此危險等級也較大。山區(qū)高路塹邊坡經(jīng)常會發(fā)生邊坡失穩(wěn)、巖崩落石等災(zāi)害，開挖后邊坡是否穩(wěn)定和邊坡巖體結(jié)構(gòu)、邊坡防護(hù)加固類型有關(guān)，因此這兩個指標(biāo)的權(quán)重也比較大。在山區(qū)道路施工中“高處墜落”是常見的風(fēng)險，所以“腳手架高度”也是一個重要指標(biāo)。其他影響因素在山區(qū)高路塹施工風(fēng)險中不占主導(dǎo)地位，但也不能忽視。

4 結(jié)論

根據(jù)山區(qū)公路工程高路塹施工特點建立評價指標(biāo)體系，對評價指標(biāo)進(jìn)行量化分級處理來獲取所需數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)施工評價完全依靠專家主觀打分的缺點。本文建立的山區(qū)公路高路塹工程施工風(fēng)險評價模型，運用AHP方法建立評價指標(biāo)體系，包含六類14個指標(biāo)，將構(gòu)建的指標(biāo)體系模型和AHP-模糊綜合評價模型應(yīng)用到山區(qū)公路施工項目中，并與施工實際情況進(jìn)行比較，驗證了方法的有效性。