小凈距公路隧道施工安全模糊層次綜合評價方法研究及應用

李永永，黃志義，王景春

(浙江大學建筑工程學院，杭州 310027;2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043)

小凈距公路隧道施工安全模糊層次綜合評價方法研究及應用

李永永1，黃志義1，王景春2

(浙江大學建筑工程學院，杭州 310027;2.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043)

根據小凈距公路隧道的施工特點，科學、合理地建立了小凈距公路隧道施工系統安全評價綜合指標體系，運用模糊層次綜合評價方法對體系進行綜合評價，最后對黃衢南高速公路焦塢小凈距隧道施工系統綜合評價，評價結果與實際施工情況較吻合。

小凈距隧道 模糊層次綜合評價法 安全評價

隨著高等級公路建設的迅猛發展，山區高速公路選線時上、下行隧道往往受地形限制，使得兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足設計規范的要求。在此情況下，工程實踐中衍生出一種新型的隧道結構形式——小凈距隧道。如何確保小凈距隧道施工安全，預防重特大事故發生，保障施工人員的人身和財產安全是隧道工程領域的一個全新課題。早在1942年就有間距為0.425D的超小凈距的工程項目［1］。目前小凈距隧道的研究主要集中在用數值模擬的方法評價合理凈距、圍巖穩定性、中間巖柱的受力形狀、爆破振動影響、開挖方法及支護的影響［2］。

影響小凈距隧道施工系統安全的因素繁多、關系模糊復雜、數據干擾性大，是一個復雜的非線性系統。針對具體工程(系統)進行系統性安全評價是預防事故發生的重要方法［3］，國外歐盟在公路隧道工程風險分析和安全評估方面走在前列［4-6］，國內在隧道施工過程的安全評價方面，王飛躍等采用費歇判別分析( FDA)模型對隧道施工現場進行了安全評價［7］。劉輝等采用專家評議法確定了安全評價指標的權重，并運用模糊數學方法分別對公路隧道施工安全評價指標體系中的因素和整體進行評價，對評價結果確定了安全等級標準［8-9］。王景春等針對海底隧道施工，采用借鑒風險分析的方法對隧道施工中的危險源進行了辨識，并建立針對海底隧道施工安全的分級體系［10］。張鴻等采用層次分析方法(AHP)建立了隧道施工現場的安全評價體系［11］。王妍薇采用改進的AHP對隧道施工現場進行了系統安全評價［12］。

本文在綜合已有文獻的基礎上，運用安全系統工程的原理和方法，提出了模糊層次綜合評價方法(FAHP)。針對影響小凈距公路隧道施工安全的諸多因素，建立了小凈距公路隧道施工風險動態評估模型體系，并將其應用到施工現場。實踐表明，運用模糊層次綜合評價法對(動態)施工系統的風險分析結果與現場的施工安全狀況比較吻合，對同類小凈距公路隧道施工的安全管理工作具有指導意義。

1 模糊層次綜合評價原理［13］

在對項目(系統)進行工作分解和風險辨識的基礎上，采用德爾菲法(Delphi)、層次分析法(AHP)和模糊理論相結合的方法構建工程項目風險(或安全)綜合評價模型，通過此模型可進行項目(系統)綜合風險(或安全)評價、評估。

1.1 層次分析法(AHP)確定指標體系的權重

1.1.1 德爾菲法(Delphi)建立判斷矩陣

邀請相關專家、工程師共同采用德爾菲法(Delphi)建立判斷矩陣，以矩陣上層的某元素(Hs)作為判斷準則，對下—層元素進行兩兩比較來確定矩陣的元素值。采用表1的1—9比例尺度對2個元素AI和Aj各自的重要性予以賦值，形成的矩陣形式如圖1所示。

1.1.2 評價指標重要度排序

用方根法或和積法計算判斷矩陣A的最大特征根λmax及其對應的特征向量W=(W1，W2，Wi，…，Wn)。此特征向量就是各評價因素的重要度排序，也即權重。

表11 —9標度及含義對照

圖1 矩陣形式

1.1.3 一致性檢驗

由于客觀事故的復雜性和人們認知上的多樣性，以及可能產生的片面性，要求每一個判斷都有完全的一致性顯然是不可能的，特別是因素多、規模大的問題更是如此。因此，為了保證應用層次分析法得到的結論基本合理，還需要對德爾菲法(Delphi)構造的判斷矩陣進行一致性檢驗。其步驟如下:

1)計算一致性指標C.I.(Consistency index)

2)查找相應的平均隨機一致性指標R.I. (Random index)，表2給出了1～10階正互反矩陣計算1 000次得到的平均隨機一致性指標。

表2 平均隨機一致性指標

3)計算一致性比例C.R.(Consistency ratio)

當C.R.<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。當C.R.≥0.1時應該對判斷矩陣做適當修改。對于1階、2階矩陣總是一致的，此時C.R.=0。

1.2 模糊綜合評價法的數學模型

模糊綜合評價法所建立的數學模型如下

式中，F為系統總得分;C為系統評價矩陣;S為各因素安全等級加權值。

式中，A為各因素權重分配集，由各因素的影響大小決定;B為總評價矩陣。

式中，Ai為各因素對應子因素的權重分配集，由層次分析法(AHP)確定各子因素的影響大小;Ri為各因素對應的評價矩陣，由若干專家或小組對各子因素狀況按評價集投票得出。

最后由系統總得分對照安全等級可評價出系統的的安全狀況。

2 小凈距公路隧道施工安全評價體系(模型)的建立

2.1 小凈距公路隧道施工安全評價指標體系

根據《中華人民共和國安全生產法》、《公路隧道設計規范》、《公路隧道施工技術規范》、《公路工程施工安全技術規程》、《爆破安全規程》以及浙江省內相關法律、法規、規范，在黃衢南高速公路浙江段小凈距公路隧道群施工安全現狀調查、分析研究的基礎上，同時總結借鑒現有資料和前人研究成果，本著科學、客觀、實用以及可操作性的原則，針對小凈距隧道特殊的結構形式抓住影響施工安全的主要因素構建一個合理的隧道施工安全評價指標體系［8，12］，見圖2。

2.2 小凈距公路隧道施工安全評價集(隸屬度)

評價集是在某種評價指標體系下評價主體對評價客體進行評判的所有可能結果組成的集合，記為V ={v1，v2，…，vn}，其中元素vi(1，2，…，n)是第i種可能評判的評判結果。模糊綜合評判的目的就在于通過綜合考慮評判對象的所有影響因素，從評價集V中獲得一個最佳評判結果。

評價指標隸屬度的確定直接關系到評價的結果，隸屬度一旦確定，評價結果也基本確定。為了科學地表征小凈距公路隧道施工安全狀況，通過對隧道安全等級模糊評語的量化處理，建立小凈距公路隧道施工系統五個級別的安全等級，即:V={v1，v2，…，vn}= {Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}，見表3［14］。

表3 小凈距公路隧道施工安全技術等級狀況評價標準

圖2 小凈距公路隧道施工安全性評價指標體系

3 小凈距公路隧道施工安全評價實例

以黃衢南高速公路浙江段焦塢小凈距隧道現場施工過程(系統)為例，運用模糊層次綜合評價模型指標體系加以安全評價。

3.1 隧道工程概況

焦塢小凈距隧道為雙向四車道，設計時速為80 km/h，位于黃衢南高速公路B8標段，左洞全長558 m，右洞全長596 m左線進洞口樁號為ZK58+855，右線進洞口樁號為YK56+828，左右洞最小凈距處為5.2 m，最大凈距處為5.5 m，其中進洞口段為淺埋偏壓隧道，隧道按新奧法施工，采用光面爆破技術，施工技術復雜，難度較大，施工過程存在安全隱患。

3.2 求各因素綜合評價矩陣B′i

通過邀請省內外工程設計、施工、監理、質監安監等部門的多學科領域的專家組成評議組，采用德爾菲法(Delphi)對2.1建立的小凈距隧道施工安全評價指標體系中施工安全管理U1、環境條件U2、爆破作業及爆破器材U3、出渣與洞內運輸U4、施工通風U5、個人防護U6、施工設備及設施U7、施工用電用水U8、圍巖穩定及支護狀況U99個一級評估指標中的43個二級指標對焦塢小凈距隧道打分，并進行歸一化處理后得到相應的模糊關系矩陣Ri，即單因素評估。根據1.1采用層次法對各層評價因素權重值Ai求解，并通過Bi=Ai×Ri求解Bi。U1項具體數值參見表4。

3.3 總體評價矩陣B

將Bi組合建立總評價矩陣B，即

3.4 求系統安全性評價矩陣

3.5 求系統安全性總得分

根據表3分別取各等級分值范圍的中間值即92.5、77.5、62.5、47.5、20。由公式F=C×ST可以求出系統總得分F=0.271 4×92.5+0.330 5×77.5+ 0.269 4×62.5+0.111 1×47.5+0.149×20=75.813參照小凈距公路隧道施工安全技術等級狀況評價標準表3，可評定為二級即較安全，與隧道施工現場實際情況基本一致。

3.6 各因素對系統安全的影響程度Cij

根據Cij=Di×Dij求影響度，結果見表4。根據Cij的大小確定重要性，從而指出高風險施工因子。從表4看出中間巖柱受力狀況及穩定性U95對施工系統安全的影響程度最大，設計參數與實際圍巖吻合度U91和施工支護質量控制U93次之，可以幫助小凈距隧道現場施工安全管理人員辨識潛在的施工風險因子，指出安全管理工作的重點防范對象，同時對于交通行業深入開展“安全生產年”活動，全面推進“三項行動”和“三項建設”，進一步促進交通運輸行業安全發展有重要意義。

表4 模型層次綜合評價

4 結語

1)模糊層次綜合評價方法具有可操作性強使用簡便的特點，對公路隧道施工安全的各因素進行模糊層次綜合評價，能夠得到定性和定量的評價結果，定量結果對應相應的定性結果，得到的結果直觀、科學、合理、可靠。

2)評價指標體系不但要遵循科學性、可行性和可比性原則，還要具有動態性原則。公路隧道施工安全評價是一個動態過程，在施工不同階段、不同的情況下，影響施工安全的因素(評價指標體系中的指標)會隨之變化。因此，在建立評價指標體系時要注意該體系的開放性、動態性。

3)對隧道施工過程進行定期安全檢查和評估，并將結果及時進行反饋，可以為現場施工管理人員發現隧道施工過程中存在的安全問題提供參考，能及時、有效地排除施工過程中的安全隱患，從施工管理的角度減少或遏制重大事故的發生具有十分重要的意義，使現場施工過程控制和管理由被動的管理模式向主動式、預防式的管理模式轉變。

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X92;U455

B

1003-1995(2011)02-0060-04

2010-08-20;

2010-11-10

李永永(1984—)，男，山西呂梁人，碩士研究生。

(責任審編 王天威)