基于模糊綜合法的鐵路隧道施工風(fēng)險管理應(yīng)用研究

劉建亮

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

目前，國內(nèi)外學(xué)者在工程施工風(fēng)險預(yù)測方法方面已進行了大量的研究，也提出了一些研究成果。例如：Einstein[1]率先提出了地下工程風(fēng)險分析工作的基本特征與理念，Eskesen等設(shè)計了一套針對隧道工程風(fēng)險管理的標(biāo)準(zhǔn)與方法，應(yīng)國柱等[2]針對合肥地鐵1號線施工所設(shè)計的模糊綜合評價模型具有重要的參考價值。然而，就鐵路隧道施工風(fēng)險預(yù)估方面卻鮮有研究。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以南京至安慶區(qū)間內(nèi)某鐵路隧道施工為例，通過應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建了鐵路隧道施工風(fēng)險三級模糊綜合評價模型，并對鐵路隧道施工的風(fēng)險等級進行了分析，為類似工程的風(fēng)險評估與管理提供了參考。

1 工程實例分析

本文所研究的隧道位于南京—安慶區(qū)間，為單洞雙線隧道。全長525 m，設(shè)計速度300 km/h。隧道所處地段的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，并且受地質(zhì)構(gòu)造的長期影響，隧道洞身巖體的完整性相對較差，隧道應(yīng)用復(fù)合式襯砌方法，因為覆蓋層埋深相對較淺，在進行隧道開挖的過程中缺乏良好的穩(wěn)定性，所以有必要對施工風(fēng)險因素進行科學(xué)評估，進而采取合理的對策。

2 構(gòu)建施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系

結(jié)合工程實際情況，采用層次分析法思想，構(gòu)建了鐵路隧道施工風(fēng)險三級評價指標(biāo)體系（圖1）。在該評價指標(biāo)體系中，處于最頂層的為最終的評價目標(biāo)U，其可以分為5個一級風(fēng)險源指標(biāo)，即U1，U2，……，U5；依照施工工序可以將各一級風(fēng)險源指標(biāo)細分為12個二級風(fēng)險源指標(biāo)，即u1，u2，……，u12。根據(jù)同樣的原則，又可以將各二級風(fēng)險源指標(biāo)劃分為多個三級指標(biāo)ri-j。

3 確定風(fēng)險因素權(quán)重

為確定在進行風(fēng)險評價時各因素對評價目標(biāo)的重要程度，引入權(quán)重的概念。評價結(jié)果是否準(zhǔn)確，在很大程度上直接取決于是否科學(xué)地確定權(quán)重。在應(yīng)用層次分析法的時候，一般使用傳統(tǒng)的標(biāo)度表來完成判斷矩陣的構(gòu)造，當(dāng)確定矩陣通過一致性檢驗之后，權(quán)重向量取其最大的特征向量。國內(nèi)學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，以往利用經(jīng)驗而確定的一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)缺少相關(guān)理論作為支撐，所獲得的的權(quán)重排序向量精度較低。鑒于此，本文對判斷矩陣予以優(yōu)化。

圖1 鐵路隧道施工風(fēng)險三級評價指標(biāo)體系

3.1 建立判斷矩陣

依照所構(gòu)建的施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系中上層因素與下層因素間的關(guān)系，借助于專家調(diào)查法來比較下層制約因素對上層準(zhǔn)則因素的重要程度大小，并且與Saaty的1～9標(biāo)度（表1）相結(jié)合來構(gòu)建各層次因素的判斷矩陣。

表1 1～9標(biāo)度

以本工程的二級指標(biāo)鉆爆開挖為例，其判斷矩陣如表2所示。

表2 鉆爆開挖施工判斷矩陣

3.2 一致性檢驗

實踐表明，判斷矩陣往往缺乏良好的可靠性，為此要對其進行一致性檢驗，檢驗公式如式（1）所示：

式中：Rc——一致性指標(biāo)；

n——判斷矩陣的階數(shù)；

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

IR——平均隨機一致性指標(biāo)，通過多次重復(fù)計算隨機

判斷矩陣特征值后，取算數(shù)平均值得到。

不超過2階的判斷矩陣都是一致的；對于超過2階的判斷矩陣，當(dāng)一致性指標(biāo)Rc≤0.10時，便可以斷定此判斷矩陣的一致性是可接受的，當(dāng)一致性指標(biāo)Rc＞0.10時，則需要對判斷矩陣進行修改，直到其達到要求為止。以本工程為例，通過計算得到λmax=5.16，將其值帶入公式（1）進行計算，可得Rc為0.036＜0.10。所以，此判斷矩陣的一致性是可以接受的。

3.3 計算各指標(biāo)因素所有排序權(quán)向量

首先，要計算單一準(zhǔn)則下元素相對權(quán)重，本文采用特征根法，按式（2）進行：

式中：ωi——相對權(quán)重；

aij——判斷矩陣元素。

其次，計算各指標(biāo)因素所有排序權(quán)向量ω，其表示相應(yīng)的n個制約因素的相對權(quán)重，計算公式為ω=[ω1ω2… ωn]T。以本工程為例，各個因素的排序權(quán)向量為ω=[0.046 0.126 0.107 0.259 0.462]。采用相同的方法即可獲得各個二級指標(biāo)排序權(quán)向量。

4 模糊綜合評價

4.1 風(fēng)險估計

風(fēng)險估計主要涵蓋2個方面的因素：一是要對風(fēng)險發(fā)生的可能性大小予以估計；二是要對風(fēng)險事故發(fā)生以后所造成的后果損失予以估算。本文參考已有規(guī)范，對鐵路隧道施工事故發(fā)生概率的等級標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)險損失等級標(biāo)準(zhǔn)進行了定義，分別如表3、表4所示。

表3 鐵路隧道施工事故發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

依照鐵路隧道建設(shè)風(fēng)險發(fā)生概率與損失等級，把工程風(fēng)險等級劃為5個等級，并建立了如表5所示的風(fēng)險矩陣。依照所建立的風(fēng)險矩陣來對風(fēng)險估值與接受準(zhǔn)則予以確定，如表6所示。

在本工程中，根據(jù)表3、表4與表5可獲得各級指標(biāo)的風(fēng)險等級，再根據(jù)表6來完成對各級風(fēng)險指標(biāo)的風(fēng)險估值。

表4 鐵路隧道施工風(fēng)險損失等級標(biāo)準(zhǔn)

表5 風(fēng)險矩陣

表6 風(fēng)險估值與接受準(zhǔn)則

4.2 模糊評價

4.2.1 構(gòu)建權(quán)重集與風(fēng)險估值

定義一級評價因素集U 的權(quán)重向量A=[a1a2a3a4a5]，定義二級評價因素集Ui的權(quán)重向量Ai=[…]。其中，i的取值為1～5，m為第i個一級因素所對應(yīng)二級指標(biāo)因素的數(shù)量。定義三級評價因素集uj的權(quán)重向量aj=[aj-1aj-2… aj-n]，其中，j的取值為1～17，n表示各二級因素所對應(yīng)三級指標(biāo)因素的數(shù)量。

4.2.2 一級、二級、三級綜合評價

在進行一級評價時，依照每一個二級指標(biāo)所對應(yīng)三級指標(biāo)的權(quán)重集與風(fēng)險估值，完成各個二級指標(biāo)的模糊綜合評價。在進行二級評價時，依照每一個一級指標(biāo)所對應(yīng)的二級指標(biāo)權(quán)重集與一級風(fēng)險評判值，完成對每一個一級指標(biāo)的模糊綜合評價。最后，在進行三級綜合評價時，應(yīng)綜合一級指標(biāo)的權(quán)重集與二級評價風(fēng)險值。鐵路隧道工程施工的總風(fēng)險值如公式（3）所示。

通過整理歸納一級、二級、三級風(fēng)險評價值，可以獲得各個因素風(fēng)險評估結(jié)果，進而依照風(fēng)險估值與接受準(zhǔn)則制定科學(xué)的對策。表7為隧道鉆爆開挖工程三級指標(biāo)的風(fēng)險估值與風(fēng)險等級。經(jīng)計算，其風(fēng)險評評價值為76.226。

表7 隧道鉆爆開挖工程三級指標(biāo)的風(fēng)險估值與風(fēng)險等級

圖2為采用如上方法所獲得的其他二級指標(biāo)風(fēng)險評價值。由圖2可知，本鐵路隧道施工的二級指標(biāo)風(fēng)險基本都是“中度”與“高度”。其中，作業(yè)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、鉆爆開挖及洞口支護的風(fēng)險等級為“高度”，所以，在進行本鐵路隧道工程施工過程中，需對此四類工序予以格外的重視，及時制訂對策，同時要做好監(jiān)測工作。

圖2 二級指標(biāo)風(fēng)險評價值

5 結(jié)語

本文結(jié)合某鐵路隧道施工案例，分析了模糊綜合法在鐵路隧道施工風(fēng)險管理中的應(yīng)用情況。通過在鐵路隧道施工風(fēng)險評價過程中應(yīng)用模糊綜合評價模型，能夠獲得較為客觀、準(zhǔn)確的評價結(jié)果，從而為鐵路隧道施工項目的風(fēng)險管理奠定基礎(chǔ)。此外，本文研究為工程領(lǐng)域構(gòu)建風(fēng)險評估模型提供了一種合理的思路，對其他工程的風(fēng)險管理工作具有一定的借鑒價值。