基于ANP的鐵路隧道塌方風險評價研究

童 祥

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

鐵路隧道工程具有施工技術復雜、施工項目多、不可預見風險因素多和所處介質復雜多變等特點,是一項高風險建設工程[1]。到2020年,預計鐵路里程可達12萬km[2],其中在建隧道約6 600 km。由于近年隧道工程發展極為迅速,隨之而來的是工程事故屢屢發生,其中塌方更是屢見不鮮,如2010年1月南廣高鐵廣東云安隧道塌方,2010年3月集包線新旗下營鐵路隧道塌方,2010年10月錦赤鐵路燒鍋地隧道出口塌方。塌方不僅給隧道施工帶來巨大的困難,而且嚴重威脅人員和工程設備安全,給工程帶來巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。

鑒于塌方對隧道影響的重要性,國內外許多學者對其展開了研究,并取得了一些重要成果,如Einstein H H[3]指出了隧道工程風險分析的特點和理念,用可靠度方法對巖石隧道進行風險分析。喻軍等分析了蛟嶺隧道塌方的力學特性,給出了半硬半軟巖隧道塌方處理方法[4],吳強等利用施工監測數據和數值計算分析了馬埡口隧道的塌方機理,給出了隧道塌方的原因和施工措施[5]。國內外也相繼出臺了一系列法律法規,如國際隧道協會頒布的Guidelines for Tunneling Risk Management[6],為隧道工程風險管理提供了參考標準,鐵道部和建設部相繼出版了《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》[7]、《地鐵及地下工程建設風險管理指南》[8]。雖然風險評估技術在隧道工程中的研究與應用日趨深入,但是關于隧道塌方的研究基本上都是個案分析,重點集中在隧道塌方的處理措施上,缺乏對影響隧道塌方的各種因素及相互關系進行全面的分析。

隧道塌方后果嚴重,在鐵路隧道工程中展開全面系統的風險分析研究刻不容緩。目前,用于風險分析與評價的方法較多,如層次分析法(AHP)、模糊評價法、專家評價法、灰色評價法、神經網絡評價法等。其中,AHP應用較多且被廣泛接受。網絡分析法(ANP)[9-10]則是建立在AHP的基礎上,考慮了各風險因素或相鄰層次之間的相互影響,構造超矩陣對各相互影響的因素進行綜合分析并計算出權重。與AHP相比,ANP能更為準確地描述事物之間的聯系,是一種高效實用的決策方法,但由于該方法也是建立在專家評價的基礎上,在一定程度上會受專家主觀因素的影響,難以做到完全客觀公正,故在組織專家評價時應選擇對所評工程非常熟悉并有豐富相關經驗的人作為專家評審團。由于塌方風險的致險因素相互影響,同時風險因素與風險事件之間也存在復雜的關系,本文提出基于ANP的鐵路隧道塌方風險評價方法。旨在通過深入地挖掘隧道塌方的各種因素及相互關系,建立有效的網絡層次結構體系,期望能為進一步提高我國隧道塌方風險評估技術水平,形成一套完整的風險分析與應用系統做出貢獻。

1 鐵路隧道塌方風險評價指標體系

鐵路隧道工程項目具有多目標性,其目標包括工期目標、經濟目標、質量目標、安全目標、環境目標等。在整個項目推進過程中,這些目標的實現都可能與預期存在一定偏差,即存在工期、造價、質量、安全和環保等風險。鐵路隧道塌方風險因素較多,按照來源可以將其分為外部風險因素、設計風險因素和施工風險因素。外部風險主要表現在國家政策影響、業主資金劃撥和隧址區地質情況等方面；設計風險主要包括勘察深細度和設計翔實性兩方面；施工風險主要包括施工質量控制、施工安全管理和監理監督力度等方面。這些風險因素或者影響項目建設質量,或者影響項目收益,但最終均會對塌方風險控制的總目標產生影響。以上風險因素有的相互獨立,有的則互相影響,而且風險因素與風險事件之間也相互聯系,由此形成了復雜的網絡層次關系。

由于鐵路隧道工程塌方風險涉及致險因素較多,情況復雜,因此能否準確識別工程項目的主要風險因素,決定了塌方風險評價結果的科學性和有效性。本文在對已總結[11]的和筆者收集整理的塌方事故統計分析基礎上,結合問卷調查方式對塌方風險因素進行了識別。調查問卷采用李克特(Likert) 5級分量表的形式進行設計(表1)。

表1 Likert5級分量表

調查對象包括我國隧道行業的專家、高校學者、設計工程師和施工技術人員,調查單位包括中鐵第四勘察設計院、中鐵第二勘察設計院、中鐵隧道局、中鐵二局和西南交通大學等。根據調查結果,計算每項指標的風險度量的平均值。根據該值,刪除掉平均值小于3的風險指標,共得到6個一級指標,26個二級指標(表2)。

表2 鐵路隧道塌方風險評價指標體系

表2中,前2個一級指標屬于外部風險因素,政策和業主風險屬于不可控風險因素,即是一旦選擇了目標項目就只能被動地接受和適應這些因素。中間2個一級指標屬于設計風險因素,對施工單位來說,這些風險屬于半可控風險因素,因為在勘察、設計方面,施工單位仍具有一定的話語權和影響力。后2個指標屬于施工風險因素,這些風險屬于可控風險,即施工單位對這類風險具有完全的主動權。

2 ANP原理與算法

ANP是由美國T.L.Saaty教授在層次分析法基礎上發展起來的,早在20世紀80年代中,Saaty就提出了反饋型AHP,1996年Saaty比較系統地提出了ANP[9]的理論與方法。

2.1 ANP結構

ANP將系統元素劃分為兩大部分：第一部分為控制層,包括問題目標及決策準則。所有的決策準則均被認為是彼此獨立的,且只受目標支配。控制層中可以沒有決策準則,但至少有1個目標,控制層中每個準則的權重均可用傳統AHP方法獲得。第二部分為網絡層,它由所有受控制層支配的元素組成,元素之間互相依存、互相支配,元素和層次間內部不獨立。遞階層次結構中的每個準則支配的不是1個簡單的內部獨立的元素,而是1個互相依存、反饋的網絡結構。控制層和網絡層構成了典型的ANP層次結構。

2.2 ANP算法

根據文獻[9，10],可得到ANP方法的工作步驟：

2.2.1 確定控制層中各因素的權重

在ANP中,考慮到被比較的元素之間可能不是獨立的,因此比較將視情況以2種方式進行：①直接優勢度,即給定1個準則,比較2個元素相對于這個準則誰更重要；②間接優勢度,即給定1個準則,比較2個元素中誰對第二個元素的影響更大。前一種方式適用于元素相互獨立的情形,而后一種則適用于元素是相互依存的情形。

2.2.2 構造判斷矩陣

為了確定網絡層中各因素的相對重要程度,必須在總目標下對網絡層中的各元素集進行比較,列出兩兩判斷矩陣,矩陣中的數據通過對決策者進行問卷調查得到,并采用Saaty提出的1-9標度法來量化。設ANP中控制層的元素為P1,…,Pn,網絡層中元素組為B1,…,Bn。其中,Bi有元素Ci1,…,Cin,以控制層元素Ps為準則,以Bj中元素Cjl為次準則,按元素組Bi中元素對Cjl的影響力大小進行間接優勢度比較,構造歸一化特征向量為

(1)

2.2.3 建立超矩陣并歸一化處理

(2)

其中,wij列向量是Bi中元素對Bj中元素Cj1,…,Cjnj的影響程度排序向量。若Bj中元素不受Bi中元素影響,則wij=0。可得準則下的超矩陣為

(3)

其中，w2N是以網絡層一級指標BN中各因素為次準則的B2中各元素的相對權重子矩陣。

(2)計算加權超矩陣。超矩陣中每一子塊wij都是歸一化的,但是該矩陣并不是歸一化的。因此,以Ps為準則,按各組元素對準則Bj(j=1,…,N) 的重要性進行比較,得到一個歸一化的排序向量為

(4)

(5)

2.2.4 計算相對排序向量

對得到的加權超矩陣進行排序,計算各二級指標的權重得分,對風險指標得分進行歸一化處理并進行整體排序(表3)。

3 案例分析

本文以長株潭城際鐵路苦竹坳隧道塌方風險為例,利用ANP對其風險進行識別與評價。

3.1 ANP模型的構建

鐵路隧道塌方風險因素較多,并存在相互之間的影響。依據風險因素之間的關系,構造主指標間的網絡層次結構如圖1所示。

表3 各指標整體權重及排名

圖1 苦竹坳隧道塌方風險主指標網絡結構

3.2 風險評價

從表3可以看出,可能造成鐵路隧道塌方風險的主要因素是施工、地質、設計、業主等因素。施工風險因素中施工質量是最突出的因素,在所有二級風險因素中排位第1,另外,材料質量保證和施工組織分別排名第3、第4位。根據調查表和統計資料表明,施工質量一直是存在于施工單位中的大問題,一些施工單位在工程施作時,不能完全落實設計指標,導致施工中存在較大的安全隱患,使施工期塌方風險過高。同時,由于施工工藝、材料質量將直接影響工程施作質量,對施工期的安全、后期運營安全和耐久性起到決定性作用。

地質方面,不良地質和工程地質分別排在第2和第5位。由于鐵路隧道塌方風險與隧址區地質情況緊密相關,如圍巖級別、巖性、節理裂隙、巖體破碎程度,并且受到不良地質影響也非常大,如巖堆、斷層、向斜、軟弱破碎帶等。所以,如果隧址區地質情況復雜、不良地質情況嚴重,并且勘探工作也不夠詳細準確,不能提供準確的地勘資料,將直接增大隧道的塌方風險。

設計風險中的常規設計、特殊設計合理性分別位列第6位、第11位。由于中國鐵路建設處于蓬勃發展時期,積累了一定的隧道施工經驗,故在常規設計情況下,設計方案的安全性較高。但對于具有特殊地質情況或特殊斷面要求的隧道設計方案,其導致塌方風險的可能性就會較大。

監理方面的日常工作和職業道德分別排名第7位和第9位。監理在施工質量監督中應起到舉足輕重的作用,監理人員的廉潔自愛和對工作的盡職盡責,能在很大程度上影響施工質量,稍有疏忽就可能造成施工工藝、材料質量、工程管理的監督工作未能完全到位,從而影響工程的質量,加大塌方風險。

政策風險中的政策體制改革排在第8位。主要由經濟尤其是土建政策的穩定性和連續性所決定,目前在國內主要表現在銀行貸款利率波動、工程建設項目持續穩定、相關政策部門支持力度和地區各相關產業配合等等。

另外,業主方面的資金保證和各參建方協調分別排在第10位、第13位。由于土建項目特別是隧道工程資金需求較大,投資方資金的到位程度、及時性都直接決定著施工、監測的運作情況,并且建設參與各方的積極協作、相互配合也對施工的順利進行有極大影響。故業主的資金保證和協調工作在很大程度上影響了工程建設質量和塌方風險度。

4 結論

通過對鐵路隧道的廣泛調研和對塌方風險的系統分析,總結出應對苦竹坳隧道塌方風險的措施,包括：

(1)施工單位應加強施工隊伍建設,合理調配機具,嚴格落實設計,保證施工工藝,及時反饋信息,加強與設計、勘查單位的溝通；

(2)地質勘查單位提供詳細可靠的地勘資料,特別是不良地質段應加強勘查力度；

(3)設計單位應借鑒已建隧道的成功經驗和失敗教訓,對特殊設計應嚴格按照設計流程層層把關,提供合理的、有針對性的設計方案；

(4)監理單位應安排有類似工程經驗的人員作為監理,監理人員應恪盡職守、遵循職業道德監督施工各項工作；

(5)爭取在國家及地區的經濟、土建政策有利且穩定期建設,同時業主方應保證建設資金的及時、合理。

[1] 錢七虎,戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現狀、問題及相關建議[J].巖石力學與工程學報，2008，4(4):649-655.

[2] 中華人民共和國鐵道部.中長期鐵路網調整規劃方案[R].2008-11-27.

[3] EINSTEIN H H. Risk and risk analysis in rock engineering[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1996,2(11):141-155.

[4] 喻 軍,劉松玉,童立元.半硬半軟巖隧道塌方的力學特性及處理方法分析[J].工程地質學報,2009,17(2):263-267.

[5] 吳 強,劉新榮,杜小平,等.馬埡口隧道塌方事故發生機理的研究[J].地下空間與工程學報,2009,5(6):241-1247.

[6] ESKESEN S D, TENGBORG P, KAMPMANN J, et al. Guidelines for Tunnelling Risk Management: International Tunnelling Association, Working Group No.2[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004,19(3):217-237.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007]200號鐵路隧道風險評估與管理暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[8] 中華人民共和國建設部.建質[2007]254號地鐵與地下工程建設風險管理指南[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[9] Saaty T L. Decision Making with Dependence and Feedback[M]. RWS Publication, Pittsburgh, PA, 1996:28-30.

[10] 王蓮芬.網絡分析法(ANP)的理論與算法[J].系統工程理論與實踐,2001(3):44-50.

[11] 馮衛星,況 勇,陳建軍.隧道坍方案例分析[M].成都:西南交通大學出版社,2002.