基于模糊綜合法的鐵路隧道施工風險管理應用研究

劉建亮

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

目前，國內外學者在工程施工風險預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險分析工作的基本特征與理念，Eskesen等設計了一套針對隧道工程風險管理的標準與方法，應國柱等[2]針對合肥地鐵1號線施工所設計的模糊綜合評價模型具有重要的參考價值。然而，就鐵路隧道施工風險預估方面卻鮮有研究。本文在前人研究成果的基礎上，以南京至安慶區間內某鐵路隧道施工為例，通過應用模糊數學理論，構建了鐵路隧道施工風險三級模糊綜合評價模型，并對鐵路隧道施工的風險等級進行了分析，為類似工程的風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—安慶區間，為單洞雙線隧道。全長525 m，設計速度300 km/h。隧道所處地段的地質構造比較復雜，并且受地質構造的長期影響，隧道洞身巖體的完整性相對較差，隧道應用復合式襯砌方法，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定性，所以有必要對施工風險因素進行科學評估，進而采取合理的對策。

2 構建施工風險評價指標體系

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

3 確定風險因素權重

為確定在進行風險評價時各因素對評價目標的重要程度，引入權重的概念。評價結果是否準確，在很大程度上直接取決于是否科學地確定權重。在應用層次分析法的時候，一般使用傳統的標度表來完成判斷矩陣的構造，當確定矩陣通過一致性檢驗之后，權重向量取其最大的特征向量。國內學者通過研究發現，以往利用經驗而確定的一致性檢驗標準缺少相關理論作為支撐，所獲得的的權重排序向量精度較低。鑒于此，本文對判斷矩陣予以優化。

圖1 鐵路隧道施工風險三級評價指標體系

3.1 建立判斷矩陣

依照所構建的施工風險評價指標體系中上層因素與下層因素間的關系，借助于專家調查法來比較下層制約因素對上層準則因素的重要程度大小，并且與Saaty的1～9標度（表1）相結合來構建各層次因素的判斷矩陣。

表1 1～9標度

以本工程的二級指標鉆爆開挖為例，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；

n——判斷矩陣的階數；

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

IR——平均隨機一致性指標，通過多次重復計算隨機

判斷矩陣特征值后，取算數平均值得到。

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，當一致性指標Rc≤0.10時，便可以斷定此判斷矩陣的一致性是可接受的，當一致性指標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 計算各指標因素所有排序權向量

首先，要計算單一準則下元素相對權重，本文采用特征根法，按式（2）進行：

式中：ωi——相對權重；

aij——判斷矩陣元素。

其次，計算各指標因素所有排序權向量ω，其表示相應的n個制約因素的相對權重，計算公式為ω=[ω1ω2… ωn]T。以本工程為例，各個因素的排序權向量為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排序權向量。

4 模糊綜合評價

4.1 風險估計

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

表3 鐵路隧道施工事故發生概率等級標準

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

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

表4 鐵路隧道施工風險損失等級標準

表5 風險矩陣

表6 風險估值與接受準則

4.2 模糊評價

4.2.1 構建權重集與風險估值

定義一級評價因素集U 的權重向量A=[a1a2a3a4a5]，定義二級評價因素集Ui的權重向量Ai=[…]。其中，i的取值為1～5，m為第i個一級因素所對應二級指標因素的數量。定義三級評價因素集uj的權重向量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三級指標因素的數量。

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所對應三級指標的權重集與風險估值，完成各個二級指標的模糊綜合評價。在進行二級評價時，依照每一個一級指標所對應的二級指標權重集與一級風險評判值，完成對每一個一級指標的模糊綜合評價。最后，在進行三級綜合評價時，應綜合一級指標的權重集與二級評價風險值。鐵路隧道工程施工的總風險值如公式（3）所示。

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

表7 隧道鉆爆開挖工程三級指標的風險估值與風險等級

圖2為采用如上方法所獲得的其他二級指標風險評價值。由圖2可知，本鐵路隧道施工的二級指標風險基本都是“中度”與“高度”。其中，作業環境、地質環境、鉆爆開挖及洞口支護的風險等級為“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，同時要做好監測工作。

圖2 二級指標風險評價值

5 結語

本文結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險管理中的應用情況。通過在鐵路隧道施工風險評價過程中應用模糊綜合評價模型，能夠獲得較為客觀、準確的評價結果，從而為鐵路隧道施工項目的風險管理奠定基礎。此外，本文研究為工程領域構建風險評估模型提供了一種合理的思路，對其他工程的風險管理工作具有一定的借鑒價值。