基于集對可拓粗糙集方法的高邊坡爆破施工安全風險評價

何忠明，劉可，付宏淵，吳從師

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基于集對可拓粗糙集方法的高邊坡爆破施工安全風險評價

何忠明1, 2, 3，劉可2，付宏淵3，吳從師4

(1. 長沙理工大學特殊環境道路工程湖南省重點實驗室，湖南長沙，410114；2. 廣西交通投資集團有限公司，廣西南寧，530022；3. 長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410114；4. 長沙理工大學土木建筑學院，湖南長沙，410114)

針對高速公路巖質路塹高邊坡采用爆破施工開挖方式容易引起邊坡穩定性下降而出現邊坡坡體垮塌以及因爆破產生的振動作用造成鄰近構筑物損壞、人員傷亡等安全風險問題，綜合考慮邊坡高度、坡形坡率、地質條件、爆破設計方案、爆區環境以及安全監督與管理共6個影響因素，通過確定擬評價樣本指標的經典域與節域，構建基于同異反分析的聯系度隸屬函數，建立基于集對可拓分析方法的安全風險評價模型，采用粗糙集理論計算安全風險評價指標權重，對高邊坡爆破施工安全風險進行評價。研究結果表明：工程實例高邊坡爆破施工安全風險評價等級為中度風險，與現場調研結果一致；評價方法能真實反映高邊坡爆破施工安全風險評價過程中的不確定性，提高高邊坡爆破施工安全風險評價的精度；評價模型計算簡單，能夠為高邊坡爆破施工提供風險預判，有效降低安全事故的發生概率，節約工程施工安全防護成本。

集對可拓分析；巖質高邊坡；爆破施工；安全風險評價

邊坡工程是山區高速公路建設項目中的主要分項工程，對高速公路建設項目的安全生產和運營維護具有十分重要的影響。在巖質路塹高邊坡施工過程中，爆破作為主要的開挖方式，產生的爆破振動對巖質路塹高邊坡的坡體穩定性以及臨近重要構筑物安全性影響的風險評價已成為山區高速公路建設過程中亟需解決的主要問題之一。自21世紀以來，隨著我國經濟高速發展，基礎設施建設越來越多，風險管控技術在國內一些大型土木工程項目中逐漸得到推廣和應用。目前，國內現階段針對山區高速公路工程建設中的巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險分析尚沒有形成一套成熟、系統的評價體系[1?5]。此外，國內學者采用數值分析方法對邊坡爆破穩定性或安全性進行分析時，其建立的數值分析模型難以考慮巖石內部的節理、裂隙實際情況，且假設的荷載作用形式也不同于爆破壓力實際作用于巖質路塹高邊坡的外力荷載形式，導致分析結果有可能與實際情況不太相符[6?10]。為此，本文作者建立基于集對可拓分析方法的高邊坡爆破施工安全風險評價模型，采用粗糙集理論計算風險評價指標客觀權重，以提高巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價精度，保障公路邊坡爆破施工安全。

1 系統建模

1.1 物元可拓基本理論

物元的定義：對于待評價樣本，其特征量值為，以有序三元組(，，V)(事物，特征，量值)作為描述事物的基本元，簡稱物元。若事物以個特征1，2，…，和相應的量值1，2，…，v描 述，則

1.2 集對分析與可拓學耦合模型構建

1.2.1 高邊坡爆破安全風險評價指標體系

爆破開挖方式對巖質路塹高邊坡坡體穩定性的影響機制主要包括2個方面：一方面，爆破開挖產生的爆破荷載形成外力導致邊坡巖體的抗剪力衰減，同時，爆破過程中產生爆破振動，降低邊坡巖體結構面的強度，加大邊坡失穩的可能性；另一方面，爆破開挖使新形成的坡面更加破碎，并且改變了原有的地應力場，在外界環境影響下，巖體不斷風化破裂，邊坡的穩定性逐漸喪失[10?14]。另外，由爆破引起的爆破地震效應對臨近爆破區建設中的重要建筑物(例如隧道、橋梁等)的不利影響也十分突出，主要是因為此類建筑物還處于在建過程中，強度還未達到設計要求，爆破施工形成的爆破地震效應容易引起嚴重的安全事故[15?16]。因此，通過對失穩影響機制進行分析，可對巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險源進行識別。本文選取以下6個主要影響因素構建巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價指標體系。

1) 邊坡高度。邊坡高度直接影響邊坡爆破施工難度，邊坡高度越高，施工難度越大，越存在不確定性安全風險。

2) 坡形坡率。當路塹邊坡超過所在自然斜坡比擬坡度Δ時容易失穩。高邊坡越陡，越不利于邊坡穩定，爆破施工安全風險越高。

3) 地質條件因素。高邊坡的底層巖性、巖石節理等地質條件因素直接影響高邊坡穩定性，地質條件不佳對高邊坡爆破施工安全風險影響較大。

4) 爆破設計方案因素。完整的爆破設計方案內容、合理的設計方法、爆破參數、完整且可靠的設計資料能夠為高邊坡爆破施工安全風險提供確切的技術保證，設計方案越翔實，越有利于降低安全風險。

5) 爆區環境因素。爆區環境因素主要考慮的是爆源與周邊重要建筑物之間的關系。巖質高邊坡在爆破施工過程中，若爆破區地形復雜，且相鄰重要建筑物相對爆源的安全距離較近，則建筑物抗震性能越低，爆破施工風險等級高，其影響不容忽視。

6)安全監督與管理因素。安全監督與管理因素主要考慮的是人員的安全意識與管理制度的完善程度。若安全組織機構設置越科學，專業管理人員的安全生產責任制度、安全規章制度及操作規程的監督和管理越嚴格，則高邊坡爆破施工安全風險越低。

1.2.2 確定擬評價樣本指標的經典域與節域

按物元概念，設擬評價樣本為1，2，…，N(=1，2，…)，為所有樣本集合，C為第(=1，2，…，)個特征(評價指標)；V為樣本N關于指標C的量值，則V=(a，b)為N關于特征(評價指標)C所規定的量值范圍，即經典域為

相應評價指標C的節域為

式中：為擬評價樣本的全部等級；(a，b)為評價指標C在某條件下所取得的量值范圍。

同理可得，擬評價樣本整體的同征物元體(=1，2，…，)為

1.2.3 基于同異反分析構造聯系隸屬函數

集對分析方法是基于三分原理對構成集對的2個集合間關系進行同異反分析，可以整體和辨證統一地刻畫確定和不確定性的相互作用和轉化關系，與可拓集合存在一定的相似性聯系。將高邊坡爆破施工現場實地勘察得到的6個影響因素相關數據與討論標準等級構成的集對與可拓集合論域進行劃分，結果如圖1所示。

圖1 集對同異反分析與可拓集合論域關系示意圖

由可拓集與集對同異反分析關系可知：當擬評價樣本指標C的實測值x位于討論等級標準(=1，2，…，)內，則可認為其與標準等級的關系為同一性，同樣也位于可拓集合標準正域0=(F，，F,?1)內。因此，相應的聯系隸屬度函數計算公式為

式中：F，和F，+1分別為討論等級的左右界限值；μ(x)為擬評價樣本對討論標準等級中指標構成的標準正域的聯系隸屬度，且μ∈(?1，1)。

當擬評價樣本指標C的實測值x位于討論等級標準的相鄰等級?1(＞2)或+1內，同樣也位于可拓集合相應的過渡正域1=(F,?1，F,)或者2=(F,+1，F,+2)內時，則可認為其與標準等級的關系為差異性，因此，相應的聯系隸屬度計算公式為

式中：

式中：F,和F,+1分別為討論等級的左右界限值；(x，0)和(x，)分別為樣本指標C的實測值與討論標準等級中構成的可拓正域和標準正域的距。式(8)中，當=1時，F,?1取F,；而當=時，F,2取F,。

1.2.4 指標權重計算

對安全風險評價進行研究時，其安全風險評價指標權重的確定是一項十分重要的工作，指標權重計算的客觀性直接關系到高邊坡爆破安全風險等級評價的準確性。指標權重的計算方法主要有主觀權重和客觀權重兩大類，相應的計算方法有Delphi法、AHP法、均方差法和熵值法等。本文應用基于粗糙集理論的權重計算方法[17?18]來確定高邊坡爆破安全風險評價指標權重。該方法無需專家主觀經驗，在實測數據離散化基礎上，利用知識約簡方法從數據本身的規律中揭示評價指標的客觀權重。具體計算過程如下。

1) 設，由決定的不可區分關系定為ind()，則/ind()={1，2，…，X}，其中的信息量可定義為

式中：card()表示集合所包含的元素個數。

2) 若屬性指標a(a∈，{1，2，…，a})的重要性以去掉其后所引起的信息量變化程度來衡量，則公式表示為

在屬性中，指標a(=1，2，…，)的權重可定義為

1.2.5 高邊坡爆破安全風險評價等級判定

結合擬評價樣本指標權重ω，可計算得到擬評價樣本綜合聯系隸屬度μ，并根據相應評價等級標準對樣本等級進行評定，計算公式如下：

按照式(13)計算所得的綜合聯系隸屬度反映其與高邊坡爆破安全風險評級等級符合程度(式中為確定的評價等級[19?20])。

2 實證分析

2.1 工程概況

廣西柳南高速公路改擴建工程No.12標段左側某邊坡為巖質邊坡，邊坡長約150.0 m，高約64.0 m。地層強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖，巖層產狀為183°∠60°，邊坡傾向為290°，公路走向為212°，如圖2所示。該高邊坡距離工區標段內運營高速公路段較近，需進行爆破施工，并按照4個風險等級進行評價，其評價標準={等級Ⅳ(極高風險)，等級Ⅲ(高度風險)，等級Ⅱ(中度風險)，等級Ⅰ(低度風險)}。

通過實地勘測采集到的待評價高邊坡爆破安全風險評價指標參數如表1所示。

圖2 邊坡工程地質剖面圖

表1 高邊坡爆破安全風險評價指標實測值

2.2 樣本高邊坡爆破安全風險評價指標經典域Rk和節域Rm的確定

巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價指標共選取6個主要影響因素：邊坡高度、坡形坡率、地質條件、爆破設計方案、爆區環境以及安全監督與管理因素。經對實地勘察得到的6個影響因素相關數據大樣本統計，得到高邊坡爆破施工安全風險評價指標分類標準，如表2所示。

表2 高邊坡爆破施工安全風險評價指標分類標準

因此，巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價指標經典域R(其中=4)構建如下：

同理，巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價指標節域R(其中=6)構建如下：

因此，巖質路塹高邊坡爆破施工安全風險評價整體的同征物元體R(其中=1)為

2.3 基于同異反分析構造聯系隸屬函數

根據聯系度隸屬函數公式(5)~(9)可得以下結果。

2) 待評價No.12標段K1431+320~470左側坡段中的評價指標2(12)=0，則其位于討論等級標準∈(0，5)內。由式(5)可知μ(12)=0。

3) 待評價No.12標段K1431+320~470左側坡段中的評價指標3(13)=12，則其位于標準等級∈(0，24)內。由式(5)可知μ(13)=?0.2。

4) 待評價No.12標段K1431+320~470左側坡段中的評價指標4(14)=35，則其位于討論等級標準∈(0，24)相鄰等級+1內。由式(6)~(8)可知μ(14)=?0.22。

5) 待評價No.12標段K1431+320~470左側坡段中的評價指標5(15)=46，則其位于討論等級標準∈(0，24)相鄰等級+1內。由公式(6)~(8)可知μ(15)=?0.44。

6) 待評價No.12標段K1431+320~470左側坡段中的評價指標6(16)=21，則其位于討論等級標準∈(0，24)內。由式(5)可知μ(16)=?0.25。

2.4 計算高邊坡爆破安全風險評價指標權重

巖質路塹高邊坡爆破安全風險評價指標權重的計算采用的是基于粗糙集理論的權重計算方法。這種計算方法以大樣本現場勘察數據為準，其計算見文獻[12]及式(9)~(11)。本文的指標權重計算結果如表3所示。

表3 高邊坡爆破安全風險評價指標權重

2.5 高邊坡爆破安全風險評價等級判定

按照式(12)計算得到巖質路塹高邊坡爆破安全風險評價的綜合聯系隸屬度為μ=?0.382。

高邊坡爆破安全風險評價等級標準如表4所示。據此標準，廣西某高速公路No.12標段K1431+320~ 470左側坡段爆破施工安全風險等級為等級Ⅱ(中度風險)。在現場調研中發現，該樣本高邊坡在實際爆破施工時，由于爆破施工方案設計中沒有使用烈性炸藥，而是采用靜態破碎劑及二氧化碳氣體爆破等新型控制爆破技術，安全風險等級為中度風險，故由本文模型計算判定的風險等級與實際工程情況相符，驗證了本文模型的正確性。

表4 高邊坡爆破安全風險評價等級標準

3 結論

1)建立的高邊坡爆破施工安全風險的集對分析?可拓綜合評價模型，通過將可拓學與集對分析理論耦合，真實反映了高邊坡爆破施工安全風險評價過程中的不確定性，提高了高邊坡爆破施工安全風險評價的精度，并且評價模型分析思路清晰，計算簡單。

2)基于粗糙集理論的安全風險評價指標權重計算方法與傳統指標權重計算方法相比更加科學、客觀，完全依托高邊坡施工現場調研得到的大樣本本身數據的規律，降低了專家評價的主觀因素，能使高邊坡爆破施工安全風險評價指標賦權更加科學、可靠，更加真實地反映評價樣本的實際情況。

3)基于集對分析和可拓學耦合方法的評價結果與工程實際結果相吻合，驗證了本文模型的正確性及實用性。說明本模型能夠為高邊坡爆破施工提供風險預判，及時地提出相應的解決方案，有效地降低安全事故的發生概率，節約工程施工安全防護成本，使高邊坡爆破施工更加的技術可行，經濟合理。

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(編輯 陳燦華)

Safety risk assessment of high slope blasting construction based on set pair-extension analysis

HE Zhongming1, 2, 3, LIU Ke2, FU Hongyuan3, WU Congshi4

(1. Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Guangxi Communications Investment Group Co. Ltd., Nanning 530022, China;3. School of Communication and Transportation Engineering,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;4. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Considering that the high slope of highway rock cut by blasting excavation is easy to cause the decline of slope stability and the vibration caused by blasting damage to nearby structures, personnel casualties and other security risks,6 factors, i.e. slope height, slope shape and slope ratio, geological condition, blasting design scheme, blasting area environment, safety supervision and management were used to determine the classical domain and joint domain of the proposed evaluation sample, membership function was constructed based on identity-discrepancy-contrary analysis, and a security risk assessment model was established based on set pair-extension analysis method and rough set theory to calculate the safety risk evaluation index weights and evaluate the safety risk of high slope blasting construction. The results show that high slope blasting construction safety risk assessment level is moderate risk, which is consistent with the field survey results. The evaluation method can truly reflect the uncertainty of high slope blasting construction safety risk assessment process, and improve the safety risk assessment accuracy of the high slope blasting construction. The evaluation model analysis is simple, and can provide risk prediction for high slope blasting construction, effectively reduce the probability of safety accidents and save the cost of construction safety.

set pair-extension analysis; high rock slope; blasting construction; safety risk evaluation

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.032

TK121

A

1672?7207(2017)08?2217?07

2016?09?11；

2016?11?26

國家自然科學基金資助項目(51508042, 51678073, 51274049)；廣西交通投資集團有限公司博士后基金資助項目(2016)；長沙理工大學特殊環境道路工程湖南省重點實驗室開放基金資助項目(kfj120402)；浙江省交通運輸廳科技項目(2014H22) (Projects(51508042, 51678073, 51274049) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016) supported by the Post Doctoral Foundation of Guangxi Communications Investment Group Co. Ltd.; Project(kfj120402) supported by the Opening Project of Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province; Project (2014H22) supported by the Science and Technology of Department of Transportation of Zhejiang Province)

劉可，博士，研究員級高級工程師，從事高速公路建設管理工作；E-mail: dr_lk@163.com