基于變權公路路基工程施工風險模糊綜合評價

王 超

(福建船政交通職業(yè)學院,福建 福州 350001)

0 引言

公路施工過程中面臨著許多風險,若風險沒有得到有效控制,將可能導致事故發(fā)生,輕則造成工期延誤、財產損失,重則可能引起人員傷亡。因此對公路工程施工風險進行評價,合理確定風險,進而采取針對性的防控措施降低施工風險,才能防范事故發(fā)生。

路基工程是公路工程的一個重要分項工程,其施工過程中主要包括場地清理、土石方工程、壓實與加固、路基防護等。這些施工過程中大量使用機械,在山區(qū)施工還將涉及爆破工程,其風險性在公路工程施工中占有很大的比例[1]。因此,對路基工程施工風險評價是公路工程施工風險評價一個重要部分。在路基工程施工風險評價中常用的是常權綜合評價法[2],該方法雖然保留了每一個單個因素的全部信息,但本質是一種線性的加權平均法[3-5],權重在整個評價過程中不隨指標的實際情況而改變。然而,在現(xiàn)實情況中,當評價的某項指標出現(xiàn)極端情況時,若采用常權的方法,則由于評價因素多可能出現(xiàn)極差因素被“淹沒”現(xiàn)象[6,7],不能夠合理反映評價對象的真實狀況。為了消除常權綜合評價中這一弊端,本文將變權原理引入到模糊綜合評價法之中,確定路基工程施工風險評價指標,并對某公路項目路基工程中的施工總體風險進行評價,真實可靠地反映其風險的狀態(tài)。

1 路基工程施工風險評價體系

1.1 路基工程特點與施工風險來源

路基工程相對于其它工程來說,具有由巖石材料構成、處于露天環(huán)境、為一種由人工在現(xiàn)場建造的工程構筑物等特點[8]。這些特點決定了路基工程建設中必然存在著各種潛在的影響路基工程施工安全和質量等不確定因素,即路基工程中存在著施工風險。風險來源主要有土石方工程、自然環(huán)境、建設規(guī)模、施工工藝的成熟程度等。

1.2 路基工程施工風險的評價指標確定

現(xiàn)行公路工程施工風險評價是在可行性研究報告及地質災害報告通過審查后,工程詳細設計尚未進行之前進行。該階段工程詳細參數(shù)尚未確定出來,因此路基工程施工風險評價指標劃分不宜涉及過多的工程參數(shù),應具有可操作性。此外,路基工程中的風險來源決定了路基工程的風險高低。因此路基工程施工風險指標主要包括:

(1) 路基建設規(guī)模

根據(jù)路基工程施工過程特點,石方爆破將直接影響工程的風險程度,一般來說石方爆破工程量在路基土石方中的占比越大風險也就越大。

(2) 地質條件

在路基工程施工中,由于不良地質災害導致的事故時有發(fā)生(特別是山區(qū)地帶),例如滑坡、泥石流、采空區(qū)、強震區(qū)、雪崩區(qū)、水庫坍岸區(qū)等對路基工程施工安全帶來了較大風險。

(3) 氣候環(huán)境條件

氣候環(huán)境直接影響著路基工程施工,如果正在施工地區(qū)氣候適宜,對于施工則影響較小,反之則可能產生直接的影響,南方地區(qū)夏季炎熱、北方冬季冰凍寒冷直接影響施工人員的工作效率,炎熱氣候下人員長時間勞動可能引起人員中暑,甚至引發(fā)安全事故,寒冷氣候下施工靈活性受到影響。

(4) 地形地貌條件

平原區(qū)的路基工程施工顯然較山嶺區(qū)的施工相對容易,工程機械一般較少受到場地的影響,故施工過程中的風險也不同。

(5) 施工工藝成熟度

對于施工工藝成熟,國內外尤其是國內有過普遍應用,有前期相近類似的施工案例作為基礎,后期施工工藝和施工過程能夠較好地辨識和控制施工過程中的不安全因素,其施工的風險相對于新出現(xiàn)、首次使用的新工藝的施工風險顯然會降低很多。

2 基于變權的路基工程施工風險模糊綜合評價

2.1 變權綜合評價模型

常權綜合評價模型為:

(1)

在變權模式下,綜合評價模型修正為:

(2)

變權評價模型需滿足變權[9]、狀態(tài)變權向量[10]和均衡函數(shù)[11]三個公理化定義。

均衡函數(shù)的公理化定義為:

函數(shù)B:(0,1)m→R稱為均衡函數(shù),是指它具有非負連續(xù)的偏導數(shù):

(3)

且滿足:

B1)Sj(σij(x1,…,xm))=Sj(x1,…,xm);

B2)xi≥xj?Si(x1,…,xm)≤Sj(x1,…,xm);

B3)

(4)

其中式(4)稱為均衡函數(shù)B(x1,…,xm)的變權模式。

均衡函數(shù)有兩種基本類型,即∑型和∏型:

(5)

(6)

式(5)代入式(4),得變權公式:

(7)

式(6)代入式(4),得變權公式:

(8)

可以看出,式(8)為式(7)在α=0的特殊形式,即可認為均衡函數(shù)∏型可轉化為∑型。

討論式(7)中α值:

當0≤α<1時,wj(x1,…,xm),(j=1,2,…,m)關于每個變元xj滿足懲罰性,即隨xj減小,wj(x1,…,xm)變大;

當α>1時,wj(x1,…,xm),(j=1,2,…,m)關于每個變元xj滿足獎勵性,即隨xj增大,wj(x1,…,xm)變大;

當α=1時,為常權。

在應用上述變權模式時,確定α的大小是個難題,它與所研究的實際問題、人的心理期望等無法定量的因素以及評價方法有關。

2.2 路基工程施工風險的評價等級

參照《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評價指南(試行)》對于施工風險等級劃分的基礎上[12],將路基工程施工風險分為I(低度風險)、II(中度風險)、III(高度風險)、IV(極高風險)四個風險等級。對于處于III級及以上風險等級的工程施工,應納入專項風險評價范圍,建議該項目在施工開工前,對路基工程施工開展專項風險評價,并制定和完善落實各項安全技術措施、安全管理措施及安全應急措施。對于IV風險等級應停止工程詳細設計,對工程可行性研究報告進行修改調整。

2.3 路基工程施工風險評價指標隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)是用精確語言對事物模糊性進行描述的方法。隸屬函數(shù)可根據(jù)模糊統(tǒng)計試驗、概率統(tǒng)計的處理結果、二元對比排序、推理的方式、專家經(jīng)驗等進行確定,也可由待定系數(shù)法確定[13]。針對路基工程施工風險評價主要根據(jù)評價指標數(shù)據(jù)來源的現(xiàn)狀使用待定系數(shù)法確定,采用梯形分布類型。各指標具體隸屬函數(shù)如下:

(1) 路基建設規(guī)模

(9-1)

(9-2)

III級

(9-3)

IV級

(9-4)

式中,d為石方爆破占路基土石方工程的百分比。

(2) 地質條件

(10-1)

(10-2)

(10-3)

(10-4)

式中,d為地質條件系數(shù)。

地質條件的描述很難能夠使用具體的數(shù)值進行量化,地質條件的刻畫往往是使用具體的、細致的語言進行描述,但是地質條件好壞卻與幾個要素密不可分,比如滑坡的可能、是否會產生泥石流、是否位于采空區(qū)、強震區(qū)等,因此本文采用賦值的方式對地質條件進行量化,地質條件系數(shù)d具體見表1。

表1 地質條件系數(shù)d

(3) 氣候環(huán)境條件

(11-1)

(11-2)

(11-3)

(11-4)

式中,d為氣候的適宜指數(shù),取值見表2。

表2 氣候環(huán)境條件系數(shù)d

(4) 地形地貌條件

(12-1)

(12-2)

(12-3)

(12-4)

式中,d為地形地貌條件系數(shù),取值見表3。

表3 地形地貌條件系數(shù)d

(5) 施工工藝成熟度條件

(13-1)

(13-2)

(13-3)

(13-4)

式中,d為施工工藝成熟度系數(shù),取值見表4。

表4 施工工藝成熟度系數(shù)d

2.4 路基工程施工風險變權模糊綜合評價步驟

在路基工程調查的基礎上,按照如下步驟進行施工風險評價:

(1) 建立評語集

根據(jù)施工風險等級劃分,建立評語集,如式(14)所示,子集分別代表Ⅰ(低度風險)、Ⅱ(中度風險)、Ⅲ(高度風險)、Ⅳ(極高風險)四個風險評價等級。

V={V1,V2,V3,V4}

(14)

(2) 建立評價指標集

具體評價指標的集合,如式(15)所示,子集分別代表上述路基工程施工風險的五個評價指標。路基工程評價指標值需要根據(jù)工程實際合理確定。評價指標集:

U={U1,U2,U3,U4,U5}

(15)

(3) 建立指標矩陣R

R={rji}5×4(j=1,2,…,5;i=1,2,…,4)

(16)

式中,rji為指標的隸屬度,表示指標集中某一指標uj隸屬于評語集中Vi的程度,取值范圍在[0,1]區(qū)間,由上述的隸屬函數(shù)確定。

(4) 確定各指標的權重W(0)

(17)

式中,W(0)一般采用層次分析法確定,反映評價指標的相對重要性程度。

(5) 將指標矩陣R代入式(7),逐一確定每個評價等級的變權權重Wj,最后形成變權權重矩陣W:

W={wij}5×4T

(18)

(6) 進行變權模糊綜合評價:評價結果為B(0)=W·R={bii}4×4(i=1,2,…,4),取其對角線上的值,即取b*=max{b11,b22,b33,b44},歸一化后,得相應的評價結果。

3 工程實例

福建省境內普通國省干線某段公路工程項目,全長14.23km,路基寬度為10m,采用二級公路標準建設,設計速度為40km/h,全線水泥砼路面,挖填方工程較多。結合路基工程實際狀況,確定評價指標集:U={0.3,0.55,0.4,0.45,0.2},分別使用變權模糊評價和常權模糊評價(分別采用加權平均型和主因素突出型[6,14])兩種方法進行評價。在變權模糊評價中,由于路基工程是一個重要的分項工程,路基工程施工風險對整個公路施工安全起到重要影響,因此評價指標的權值宜采用懲罰性的變權方式,變權系數(shù)α取0.5。最終評價結果見表5。

表5 某路基工程施工風險評價結果

通過比較分析,三種方法計算出評價等級隸屬度排序上略有不同,其中以變權模糊評價和加權平均型評價得到的最大隸屬度等級相同,主因素突出型得到的III、IV等級隸屬度相同。三種方法中以變權模糊評價計算出的各等級隸屬度差異性更大,主要是由于變權充分考慮到了各指標狀態(tài)的均衡性,通過變權更好地反映指標等級狀態(tài)的不均衡性,使評價結果更具離散性,從而更容易地區(qū)分評價等級。加權平均和主因素突出型中個別極差因素由于常權不變而被“淹沒”,無法“顯現(xiàn)”出來,從而導致評價結果缺少客觀性。

4 結論

(1) 構建路基工程施工風險變權模糊綜合評價模型,通過變權能較好反映個別極差指標,評價結果更具離散性,從而得到更具客觀性結果。

(2) 基于施工風險評價的時間節(jié)點、施工特點和風險來源,確定了路基工程施工風險評價指標,指標參數(shù)的獲取具有可操作性。

(3) 建立了路基工程施工風險各指標的隸屬函數(shù),并給出了參數(shù)選取依據(jù)。