模糊綜合評價法在隧道施工空氣環境質量評價中的應用

高 偉 王 棟

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511400； 2.中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣東 廣州 511400)

0 引言

隧道工程是一項高風險的建設工程，它具有現場施工條件復雜、施工項目多等特點[1-3]。近年來，隨著通風距離的增長，長距離隧道施工中面臨的通風距離長、通風效果難以評價等問題已成為制約隧道通風發展的一個重要因素。

近年來，關于隧道施工通風空氣環境質量的評價和分析的方法主要包括層次分析法(AHP)[4]、模糊評價法[5]、專家評價法等。其中，AHP與模糊評價被廣泛接受且應用較多。姜濤[6]對地下空間安全評價的方法進行了詳細的概述，認為評價的結果具有一定說服力。張曉峰[7]用模糊綜合評價方法對地下空間影響因素進行了安全評價，具有一定的實際意義。李俊松[8]提出了基于AHP與模糊評價的鐵路隧道巖溶風險分析方法，建立了合理的層次結構評價體系。蔣滔[9]對徐州市大氣環境質量進行了模糊數學綜合評價的分析，結果認為此種評價方法與客觀情況更為接近。本文旨在通過深入研究隧道施工過程中空氣環境質量的因素構成及相互關系，再結合模糊評價評價出主要因素的指標大小，期望能為施工通風風機控制提供一些借鑒和參考，提高隧道施工通風技術的水平。

1 模糊綜合評價方法原理及步驟

1.1 模糊綜合評價特點及原理

空氣環境質量有多種評價方法，如灰色聚類關聯分析法，模糊綜合評價法等[10]。與其他方法比較，它的優點是：

1)用隸屬函數描述空氣質量等級分界線，使評價結果接近客觀；2)可對各參數進行評價；3)考慮了各項參數在總體污染中的作用差異給以不同權重[11]。其過程是：首先對各單項參數進行評價；然后考慮各項參數在總體中的地位配以適當權重，在此基礎上用模糊概念進行推理，經過運算得出評價結果。

1.2 隧道空氣環境質量評價步驟

隧道和地下工程空氣質量的模糊層次綜合評價如圖1所示。

1)建立因素集U。

把影響隧道與地下工程有害氣體控制指標因素構成的集合稱為因素集。評價指標因素包括：一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、氧氣、溫濕度和粉塵，可得到因素集。A={一氧化碳B1，二氧化碳B2,…,粉塵Bn}。

2)建立評價集V。

3)確定評價指標隸屬度。

要進行模糊綜合評價單因素評價即一級評價，首先要建立模糊關系矩陣R，也即判斷矩陣：

借鑒行業已有研究成果，在對空氣質量指標進行評價時，采用隸屬函數中的“半梯形分布”函數式(2)～式(4)，可得到各個因素對應于等級的隸屬度，從而得到因素評判模糊矩陣。

第一級，即j=1時，其隸屬度函數式為：

第二級～第四級，即j=2，3，4時，其隸屬度函數式為：

第五級，即j=5時，其隸屬度函數式為：

4)確定評價指標權重。

本文參考相關資料(李祚泳，2004)，權重計算使用統一化公式：

(5)

其中，ωi為污染物的權重值；ci為污染物監測值的平均值；si為污染物各級標準濃度。

5)評價結果的處理。

一般采用兩種方法對評價結果進行處理：

a.最大隸屬度法;b.加權平均法。

取以bj為權數，對各個評價集vj進行加權平均的值作為評判的結果，即：

(6)

2 模糊綜合評價的現場應用及分析

2.1 工程及通風概況

新建杭州到黃山鐵路工程天目山隧道地處中低山區，位于天目山山脈西南，隧址起于浙江省淳安縣臨歧鎮徐家莊村，止于安徽省歙縣三陽鄉黃塢村，隧道起訖里程DK210+823～DK213+836，全長12 013 m。

天目山隧道設斜井3座、橫洞1座，均采用無軌運輸雙車道襯砌斷面，均采用獨頭壓入式通風。于2016年3月至2016年10月對徐家斜井、聞家斜井施工通風過程中有毒有害氣體濃度進行了現場測試。其中，徐家斜井使用風機型號為SDDY-ⅢNO13A(2×132 kW,2×45 kW,2×22 kW)三速風機；聞家斜井使用風機型號為SDFB-18型(2×200 kW)，采用變頻控制和智能化控制兩種控制方式。現場風機布置如圖2所示。

2.2 隧道通風空氣環境質量的因素構成及分級標準

本文對隧道空氣環境質量進行評價時，以《鐵路隧道工程施工技術指南》作為施工通風控制標準，根據隧道施工中的主要有害氣體種類和《工作場所有害因素及其職業接觸限值》《鐵路隧道工程施工技術指南》，將隧道空氣質量指標標準分為YⅠ,YⅡ,YⅢ,YⅣ4級，它們分別代表空氣質量狀況中的優秀、良好、合格和差4個水平。并根據現場實際情況，選取粉塵，CO,CO2,NO2為污染因素評價因子，隧道空氣質量分級標準見表1。

表1 隧道空氣質量分級標準

2.3 空氣環境質量隸屬度及權重系數的計算

在現場通風過程中，在不同的工點采集了普通風機、變頻風機和智能控制風機三種控制方式下各工序的污染因素的濃度值，其中粉塵濃度變化曲線如圖3所示。根據表1隧道空氣質量分級標準，對應相應的實際值建立了各指標的隸屬度函數，其中粉塵的隸屬度函數如圖4所示。其中橫坐標為各指標的數域，縱坐標為隸屬度值。各因素的實際值作為橫坐標，對應的隸屬度函數即為該數字對應的模糊關系值。

在計算中發現在同一個工序下，數據的變化比較統一，因此對各個工序下各污染因素的平均值和權重系數進行計算。各污染因素的平均值及權重系數見表2。

表2 各污染因素平均值及其權重系數(爆破)

2.4 模糊矩陣的建立

將表2中的實測值帶入相對應的隸屬度函數中，得到各自的模糊關系矩陣如表3所示。共建立了15個模糊關系矩陣。分別為爆破、出碴、支護、噴漿和打鉆五種工序下，三種不同的控制方式下的隸屬度模糊關系矩陣。

表3 隧道空氣環境質量模糊關系矩陣表(爆破)

2.5 隧道空氣質量的綜合評判與分析

將表2中各污染因素在各個工序條件下的權重系數與表3中對應的模糊關系矩陣進行運算，可以獲得該工序和控制方式下對各環境因素進行的模糊綜合評價的結果。例如，在普通風機控制方式下，爆破工序中四種污染因素對應的權重系數為A=[0.17，0.21，0.24，0.38]。

將權重系數A與表3中的模糊關系矩陣R進行模糊運算，可以得到相應的模糊評價結果為B=[0.03，0.53，0.34，0.10]，根據最大隸屬度方法，該環境參數對應的環境等級為良好(0.53)。依次計算其他模糊評價結果列于表4中。從表4中可以看出，除了噴漿工序以外，在其他工序下三種控制方式均能夠使環境參數達到相對良好的狀態。

表4 模糊綜合評價計算結果

2.6 計算結果的分析

1)從表2各污染因素的權重系數可以看出，在隧道爆破、出碴、支護、噴漿和打鉆等主要工序的施工過程中，影響空氣質量的主要污染物分別為NO2,CO2,粉塵和CO。分析其原因，在爆破和支護作業時，主要是因為炸藥和電焊的作用，致使NO2成為控制該工序作業的主要因素。而在噴漿時，粉塵的權重值遠高于其他工序作業的權重值，因此在該工序作業時，應嚴格控制粉塵的濃度，采用濕式作業，降低粉塵濃度，同時應加大風機頻率，增加送風量，及時排出污風。總體來說，NO2和粉塵已經成為影響隧道空氣質量的主要污染物。

2)由模糊綜合評價計算結果可知，各個工序中打鉆時隧道的空氣環境質量最好，基本上都處于優秀和良好之間，優秀所占的比重較大，達到了69%。各工序施工時隧道空氣環境質量優劣依次為打鉆、出碴、支護、爆破和噴漿，即打鉆空氣環境質量最好，噴漿時質量最差。而爆破和出碴時的空氣環境質量較好，可能與現場的通風量有關系，因為一般在施工過程中，爆破和出碴時的通風量開的較大，現場的空氣質量相對較好。

3)對于三種風機控制模式來說，智能化風機控制模式相對于變頻風機和普通風機略好，但總體上相差不大。這主要是由于三種控制模式下，普通風機和變頻風機都是屬于人工調節，是根據現場的空氣環境情況調節風機情況，而智能化風機也是根據現場情況對風機進行實時調整的，屬于動態調節，同一作業工序下兩者的評價結果相差不大，表明智能化風機可以達到普通風機和變頻風機的控制效果，能滿足現場空氣質量控制指標的要求。

3 結語

本文通過對隧道施工作業空間空氣環境質量的現場測試和實際調研，在一定程度上識別出了影響隧道作業環境的主要污染物。在模糊評價過程中，采用隸屬度函數來表示隧道施工空氣環境質量污染狀況，體現了實際界限的模糊性，其優點是綜合客觀，缺點是計算較為復雜。其次，權重的大小是根據實際現場的實測值進行計算的，結果能客觀的反映現場空氣狀況，不僅考慮了有害氣體的綜合效果，而且還考慮了高污染元素的作用；其結果不僅劃分了隧道空氣環境質量的污染等級，還藐視了各種有毒有害氣體的隸屬情況。運用該方法在一定條件上降低了人為主觀因素在模糊綜合評價中的作用，具有一定的參考價值。但隧道作業環境是一個復雜的系統，空氣質量動態變化，因此，需要在對其評價的過程中對評價方法進行不斷的修正，使其具有更強的適用性、可靠性和科學性。