基于FAHP-云模型的鋼殼混凝土沉管隧道施工風險分析

謝夢羅，康韓輝，楊福林

(1.深中通道管理中心,廣東 中山 528449;2.中山翠亨新區(qū)工程項目建設(shè)事務(wù)中心,廣東 中山 528451)

0 引言

運用沉管法施工的水下隧道因具有斷面形狀靈活[1]、埋深小、工期短以及結(jié)構(gòu)防水性強等優(yōu)點,在工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。沉管隧道通常分為鋼筋、鋼殼等混凝土結(jié)構(gòu)形式,但目前我國已完工的沉管隧道基本為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[3]。鋼殼混凝土沉管隧道組合結(jié)構(gòu)屬于新技術(shù),其建造工藝復(fù)雜、水上水下高風險作業(yè)多、施工風險管控具有挑戰(zhàn)性。目前我國對鋼殼混凝土沉管隧道施工風險評估體系研究成果不多,相關(guān)的風險研究與管理的文獻較少,制約著鋼殼混凝土沉管隧道施工技術(shù)的發(fā)展[4]。

在已有的水下沉管隧道風險研究成果中,不少專家學者進行了多方面的探索。如:洪選華[5]建立海底隧道施工風險評價的指標體系;Stephen Slot Odgaard[6]等從設(shè)計安全的角度對近海條件下公路鋼筋混凝土沉管隧道建設(shè)進行了研究;宋浩然、張頂立[7]等以大連灣海底隧道為背景,從施工技術(shù)、經(jīng)濟、作業(yè)安全和環(huán)境影響等方面對施工方法進行風險評價;張姣、廖斌[8]對沉管隧道施工風險采用模糊綜合評價法進行了評估,并通過案例形式對港珠澳大橋沉管隧道的施工進行了分析;謝震靈、何曉波[9]對長距離復(fù)雜水域環(huán)境下的鋼筋混凝土沉管管節(jié)浮運風險進行了分析,提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。綜上可知,國內(nèi)外專家、學者都對鋼筋混凝土沉管隧道施工風險管理進行了深入全面的研究,而對于鋼殼混凝土沉管隧道的研究尚不多。

對于我國的鋼殼混凝土沉管隧道施工風險評估工作來說,綜合來說仍存在兩大主要難點。一是參考資料少。鋼殼混凝土沉管隧道屬于新技術(shù)[10],可供借鑒的經(jīng)驗較少。二是行業(yè)、專業(yè)跨度大,造成風險評估與分析工作開展難度較大[11]。鋼殼混凝土沉管隧道施工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及大量的海上、水下施工,運用傳統(tǒng)的公路、鐵路或市政道路風險管理模式存在制約,需要大量融合水運、港口、海事、航道、制造業(yè)等相關(guān)的專業(yè)技術(shù)知識和風險管理知識,對風險評估工作帶來了挑戰(zhàn)。

本文全面考慮了鋼殼混凝土沉管隧道施工的特點和難點,基于優(yōu)化LEC法將FAHP-云模型運用于風險評估中,實現(xiàn)了風險辨識的系統(tǒng)性和可靠性。并將評估模型運用于深中通道鋼殼沉管隧道項目,以工程案例的形式驗證該方法的有效性。

1 施工風險評估流程及方法

在充分研究多種定量、定性的風險評估方法的基礎(chǔ)上,針對鋼殼混凝土沉管隧道這種施工技術(shù)復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)施工風險,決定采用基于LEC法的FAHP-云模型風險評估法,將LEC法進行適度優(yōu)化,通過模糊層次分析法建立權(quán)重值模型和評判矩陣,運用MATLAB云模型進行數(shù)值模擬和分析,得出風險源等級。

1.1 建立風險評估模型

本文介紹的鋼殼混凝土沉管隧道是指在雙面鋼板間充填混凝土,鋼板內(nèi)側(cè)分布栓釘、槽鋼等連接件,通過連接件將鋼板與混凝體連接成整體,從而形成組合結(jié)構(gòu)。開展施工安全風險評估需對施工作業(yè)活動進行分解,如圖1所示,選取合適的分解指標作為評估單元,進行風險源風險等級的評估。本文考慮施工風險管控的實際需求,以鋼殼混凝土沉管隧道總體風險和7個指標層作為風險評估的對象,如圖2所示。

圖2 鋼殼混凝土沉管隧道施工風險源層次分析模型

1.2 風險源識別

AHP層次分析法是一種系統(tǒng)分析與決策的綜合評價方法,通過層次體系的建立將風險評估定性問題定量化[12]。

1.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)圖1所示的層次模型,邀請專家對各風險源進行打分。將指標層的7個因素利用 1～9標度法進行兩兩比較[13],建立判斷矩陣。如建立目標層K以及指標層K1,K2,K3……Kn,對其指標層進行兩兩比較以體現(xiàn)其重要性關(guān)系,可得判斷矩陣K=(kij)n×n。

判斷矩陣K:

(1)

(2)

1.2.2 確定指標權(quán)重

計算判斷矩陣K值,求得其特征向量,對應(yīng)的值為各指標因素的權(quán)重值。

首先計算特征向量W的分量Wi:

(3)

進行歸一化處理:

(4)

計算最大特征值:

(5)

特征向量為:

W=(W1,W2,…Wn)

(6)

1.2.3 進行一致性檢驗

為對專家打分的分值可信度進行驗證,需對其進行一致性檢驗。

(7)

(8)

當CR<0.1時,認為計算結(jié)果通過一致性檢驗。RI的取值見表1。

表1 RI取值表

1.3 MATLAB云模型數(shù)值模擬

在云模型理論中,U為定量論域[14],C為該域上的定性因素[15],x為C在論域U上的隨機變量。x對C的確定度可以表示為μ(x),且μ(x)∈[0,1][16]:

μ(x)=exp[-(x-Ex)2/2(En')2]

(9)

多個x的集合組成為云,其中的每一個云滴代表一次變量x[17]。云滴在論域的期望為Ex,En代表其不確定性。在此過程中,通過云滴能很好地反映出風險分析數(shù)據(jù)定量轉(zhuǎn)化過程中的模糊性[19]。通過對正向云發(fā)生器中的云滴離散程度[20]進行判斷,可以對指標值W的有效性進行科學性檢測。通過逆向云發(fā)生器,可以計算出指標期望值W'。

1.4 風險等級評定

在傳統(tǒng)LEC法的基礎(chǔ)上將指標因素優(yōu)化為權(quán)重指標、風險損失、風險概率的集合,結(jié)合MATLAB云模型進行計算,確定鋼殼混凝土沉管隧道施工指標層風險源等級。運用FAHP模糊層次分析法,評判鋼殼混凝土沉管隧道的總體風險等級。

1.4.1 構(gòu)造指標層風險源評判模型

LEC評價法將風險分解為事故發(fā)生的可能性、人員暴露危險性環(huán)境的頻率、事故的后果[21]等三個指標,通過賦值來評價系統(tǒng)整體風險的大小。公式為:

D=L×E×C

(10)

本文結(jié)合實際工程的需要,將LEC法指標優(yōu)化為風險源權(quán)重值L、人員傷亡損失B、財產(chǎn)損失G、風險發(fā)生概率C(取值介于0～1之間),并應(yīng)用于此次研究中,形成優(yōu)化的LEC法。公式為:

D=L×(B+G)×C

(11)

運用優(yōu)化的LEC法邀請專家對每一項風險源進行打分。為了確保數(shù)值的可靠性,運用MATLAB對C值、D值進行模擬。運用逆向云發(fā)生器得出期望值C'替換公式中的C,按照同樣的方法得出期望值D'。最后通過對比表2,判斷各風險源的等級。

表2 優(yōu)化的LEC法參數(shù)取值

1.4.2 構(gòu)造總體風險評判模型

FAHP法是在層次分析法的基礎(chǔ)上,利用模糊數(shù)學原理和最大隸屬度原則,加權(quán)計算得出評價整體的評估結(jié)果。步驟如下:

(1)建立評價指標因素集U。

U={u1,u2,…,un},(i=1,2,…,n)

(12)

式中:ui為風險因素,i為因素的個數(shù)。

(2)建立評價集V。

V={v1,v2,…,vj}

(13)

評價集是對風險因素評估結(jié)果的集合。評價集一般用模糊性語言作為評價指標對評價結(jié)果進行闡述,如“低度、中度、高度、極高”,見表3。

表3 總體風險評價集

(3)建立等級評判矩陣。

邀請專家對每一項風險源的風險等級結(jié)合表3進行取值,計算取值占比,得到模糊矩陣:

(14)

(4)確定風險等級隸屬度。

根據(jù)上文得出的期望值W',與模糊矩陣B相乘,可確定總體風險等級隸屬度U:

U=W'·B

(15)

2 工程應(yīng)用及分析

通過目前國內(nèi)首次應(yīng)用鋼殼混凝土沉管隧道施工技術(shù)的深中通道項目,將上述風險評估模型應(yīng)用于此沉管隧道進行風險評估,驗證模型的可操作性。

2.1 工程概況

深中通道位于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域[22],是國家“十三五”重點工程,路線全長約24km。沉管隧道位于礬石水道海域,東側(cè)與東人工島堰筑段、西側(cè)與西人工島相接,全長5 035m。采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)形式[23],如圖3所示。由32節(jié)管節(jié)組成,其中標準管節(jié)26節(jié)(編號E2～E27),長165m、寬46m、高10.6m;非標管節(jié)6節(jié)(編號E1、E28～E32),長123.8m、寬46m～55.46m、高10.6m。最終接頭設(shè)置在E23與E24之間,長2.2m[24]。

圖3 沉管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)形式

2.2 基于MATLAB的風險源權(quán)重計算

2.2.1 計算權(quán)重值

邀請7位沉管隧道領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員對圖1層次分析模型風險源相對大小進行打分,得到判斷矩陣K。以專家1為例得出矩陣:

(16)

運用MATLAB計算得到權(quán)重向量W=[0.8840.7780.2350.2460.4613.1061.290]T,權(quán)重值為:0.126,0.111,0.034,0.035,0.066,0.444,0.184。一致性檢驗結(jié)果CR=0.094<0.1。

同理可知,對7位專家取值計算后的結(jié)果匯總,見表4。

表4 權(quán)重值匯總

2.2.2 MATLAB云模型計算有效權(quán)重值

對7位專家的分值通過MATLAB云模型模擬,如圖4所示,風險源權(quán)重值云滴離散程度較低,說明結(jié)果有效。通過逆向云模型得到的期望權(quán)重值為W'=[0.0750.1180.0580.0540.0770.5110.145]。

2.3 基于優(yōu)化LEC法的風險源等級評定

2.3.1 計算概率值

邀請7位專家對發(fā)生概率C進行取值打分,見表5。

表5 專家所取C值匯總

利用MALTLAB對概率C進行云模型計算,得到期望值C'=0.216。

2.3.2 風險源等級評定

合并急性顱內(nèi)出血的硬腦膜動靜脈瘺10例誤診分析 … …………………… 歐陽燁彤，萬志剛，汪涵，等 225

再次邀請7位專家對風險損失進行打分,并通過式(11)計算各風險源D值。專家1風險等級計算結(jié)果見表6。

表6 1號專家風險等級打分計算表

同理可得,其他6位專家對風險源等級指標值的匯總見表7。

表7 專家風險源等級指標分值匯總

2.3.3 風險源等級指標期望值

風險源等級指標值根據(jù)圖5所示云滴離散程度較小,因此指標值有效。將匯總表輸入MATLAB逆向云發(fā)生器,可得到指標期望值D'=[0.1470.2110.0370.0430.0791.403 0.342]。

圖5 風險源等級指標值云圖

由上述計算結(jié)果并結(jié)合表2可知,沉管浮運安裝屬于極高風險,沉管管內(nèi)施工屬于高度風險,鋼殼管節(jié)運輸屬于中度風險,鋼殼管節(jié)生產(chǎn)、沉管預(yù)制屬于低度風險,疏浚工程施工、沉管地基及基礎(chǔ)施工屬于輕微風險。

2.4 基于模糊層次分析法的總體風險等級評估

根據(jù)上述FAHP模糊層次分析法的理論,再次邀請7位專家結(jié)合表3對各風險源等級進行打分,見表8。

表8 評價不同風險等級的專家數(shù)量

通過計算式(15),代入期望權(quán)重值W',由表8建立矩陣B,則總體風險等級隸屬度:

3 結(jié)論

本文以鋼殼混凝土沉管隧道施工安全風險評估作為研究對象,綜合運用優(yōu)化LEC法的FAHP-云模型理論,對鋼殼混凝土沉管隧道施工的安全風險進行了分析。

(1)基于鋼殼混凝土沉管隧道的施工內(nèi)容,建立了7個風險源指標層的層次模型,計算各風險源權(quán)重值。通過MATLAB云模型中云滴離散程度對權(quán)重值的有效性進行檢驗,增強取值的科學性和可靠性。

(2)通過對LEC法進行優(yōu)化,結(jié)合MATLAB云模型理論,構(gòu)建指標層風險等級評判計算模型。通過模糊層次分析法,建立鋼殼混凝土沉管隧道總體風險評估模型。

(3)將評估模型應(yīng)用于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道項目。計算出7個指標層風險源風險等級和總體施工風險等級,驗證了模型的可操作性及有效性。