基于非線性模糊層次分析法的盾構施工風險評價研究

郭宏斌, 宋戰平, *, 孟 晨, 王軍保, 3, 劉乃飛, 3, 郭德賽

(1. 西安建筑科技大學土木工程學院, 陜西 西安 710055; 2. 陜西省引漢濟渭工程建設有限公司, 陜西 西安 710055; 3. 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室, 陜西 西安 710055; 4. 湖南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410082)

0 引言

盾構因其自動化程度高、施工效率高、能夠應對復雜施工環境等優勢,在隧道施工中被廣泛采用。但盾構法施工存在施工難度大、機械裝備不易掌握、施工環境復雜多變等特點,因此對工程和施工人員存在潛在的安全隱患[1]。盾構施工活動的隨機性和模糊性的特點導致用于盾構風險評價數據不完全、不準確以及施工風險指標不易量化。對盾構施工風險進行合理的評估,不僅能夠確保城市地鐵的施工進度、質量和安全,而且還能為地鐵盾構施工風險管理提供科學依據。

Einstein[2]在地下工程領域建設中首次應用風險管理理念后,風險評價方法就在隧道和地下工程領域迅速發展起來。Hillson等[3]首次將工作分解結構和風險分解結構結合,通過底層因子的相互耦合,構建WBS-RBS風險辨識耦合矩陣,突出施工風險因素,建立工程項目施工風險指標體系。Hamidi等[4]針對各種不良地質條件下的施工項目,運用FAHP進行盾構施工風險評價。Hasanpour等[5]利用神經網絡和貝葉斯網絡,以隧道數據庫為基礎,通過數值模擬預測地面特性和機器參數的接觸壓力。Wu等[6]結合常規云模型與熵權法提出水下盾構隧道施工風險評估新模型,此模型能夠準確評價水下隧道施工風險等級。宋戰平等[7]運用模糊層次分析法評估了TBM施工時影響安全的風險因素,并確定了深圳地鐵羊臺山隧道的施工風險等級。Meng等[8]利用基于云模型和模糊層次分析法的盾構隧道施工風險評價方法分析了溶巖地層盾構開挖的風險。Zhang等[9]應用模糊層次分析法綜合評價模型,引入指數尺度表征權重集,并以南京長江隧道盾構施工工程為例,驗證了模型和程序的可行性、有效性。Wang等[10]在傳統評價模型的基礎上,引入積分法計算區間單指標屬性測度,將其應用于端家塢隧道右側盾構施工工程,證明了該方法的科學性和可行性。陳國權[11]將隸屬度理論應用于模糊綜合評價,創造性地提出一種適用于各種不確定性問題的模糊層次分析方法。王祥等[12]針對貴陽市軌道交通3號線溶巖隧道運用層次分析法進行風險評估,針對不良地質隧道提出有針對性的安全控制措施,確保隧道施工安全順利。通過以上研究可以發現: 相關學者和專家常常采用模糊層次分析法對盾構施工風險進行評價,解決了盾構施工風險評價的模糊性、隨機性問題。但傳統的模糊綜合評價常采用線性算子計算風險等級,盾構施工風險評價中的非線性問題難以解決。

本文將非線性算子引入到傳統線性FAHP用于解決盾構施工風險評價中突出影響因素對評價結果的影響;同時利用工作分解結構法和風險分解結構法來彌補專家評價中可能存在的風險遺漏和識別不全面等問題;最后,將構建的基于組合賦權-非線性FAHP的盾構施工風險評價新模型應用到貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工現場中,驗證新模型的科學性和準確性。

1 構建WBS-RBS法的盾構施工風險結構

1.1 工程概況

貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工段地質情況復雜,隧道圍巖大多為灰巖、白云巖等可溶性巖。區內巖層產狀普遍為20°～50°,巖層分布總體呈硬夾軟現象,巖性不均一,節理裂隙和斷裂帶發育。此地屬于溶蝕類型的丘峰谷地地貌,線路范圍內不良地質有巖溶、巖層破碎帶、紅黏土、順層等,且沿線地下水情況復雜,有上層滯水、潛水和承壓水。根據勘察資料顯示,場地承壓水水位埋深為0.5～27.5 m,平均水位埋深為7.14 m,相應水位標高為1 003.86～1 126.77 m,平均水位標高為1 095.67 m。此工程選用2臺復合式土壓平衡盾構施工,直徑為6 450 mm,最大工作壓力為0.5 MPa。額定轉矩為5 538 kN·m,脫困轉矩為6 621 kN·m。桐木嶺站—桃花寨站區間地理位置示意如圖1所示。

1.2 構建盾構施工的工作分解結構

為確定盾構施工風險的影響因素,對盾構隧道施工過程的風險進行分析。工作分解結構(WBS)指構建盾構施工的整體層級結構。風險分解結構(RBS)是指將盾構施工過程中可能發生的風險源分解成二級風險因素,直至風險因素可以忽略[13]。

為確保盾構施工重要風險要素突出,結合專家意見和WBS原則,將盾構施工(W)的流程進行2級工作分解。一級指標包括盾構施工準備(W1)、盾構施工過程(W2)和盾構附屬設備施工(W3)3個階段。舍棄盾構施工過程中重要性不足的施工工序,將一級施工指標分解得到二級施工的因子層。最終得到的盾構施工分解結構見表1。

表1 盾構施工工作分解結構表

1.3 構建盾構施工風險源分解結構

根據貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構段施工風險,參考《盾構施工技術》[14]和《盾構法隧道施工及驗收規范》[15]選取施工風險源,最后結合專家意見,針對現場實際情況保留對施工影響較大的風險因素。參考工作分解結構根據RBS原則將風險源分為2級結構。

一級風險結構包括地質風險源(R1)、周圍環境風險源(R2)、施工技術風險源(R3)、人員風險源(R4)4類。結合地質情況、周圍環境、施工技術和人為因素,將一級風險分解為14個二級風險。盾構施工風險源分解結構如表2所示。

表2 盾構施工風險源分解結構表

1.4 構建盾構施工風險辨識耦合矩陣

基于盾構施工的工作分解結構和風險源分解結構,耦合二者的因子層,得到盾構施工風險耦合矩陣(見表3)。

由表3分析可得,盾構施工風險識別耦合矩陣風險分類如下。1)W11R11、W11R14、W11R31、W11R41: 土體滲漏、坍塌。2)W12R12、W12R31、W12R41、W12R42: 盾構附件影響。3)W13R31、W13R32、W13R41、W13R42、W21R11、W21R21、W21R22、W21R41: 盾構組裝調試失敗。4)W14R11、W14R21、W14R22、W14R23: 盾構線路受阻。5)W22R11、W22R21、W22R41: 盾構掘進模式選擇錯誤。6)W23R11、W23R14、W23R21、W23R22、W23R32: 盾構開挖掘進受阻。7)W24R32、W24R41、W24R42: 盾構刀具損壞。8)W25R11、W25R14、W25R21、W25R22、W25R33、W25R34: 隧道管片拼裝受阻。9)W25R11、W25R22、W26R11、W26R22、W26R33、W26R41: 襯砌滲漏。10)W27R14、W27R22、W27R43: 出渣不連續。11)W31R14、W31R22、W31R43: 材料運輸受阻。12)W32R22、W32R41、W32R43: 配套設備影響。13)W33R22、W33R43: 給排水系統破壞。14)W34R14、W34R23、W34R34、W34R43: 泥漿處理困難。15)W21R22、W22R22: 地下管線破壞。

1.5 構建盾構施工風險指標體系

根據盾構施工風險辨識耦合矩陣,結合施工現場和專家意見對盾構施工風險歸類整理。盾構施工風險指標體系如表4所示。

表3 盾構施工風險辨識耦合矩陣

表4 盾構施工風險指標體系

2 盾構施工風險評價

2.1 模糊關系矩陣構建

2.1.1 總體方案設計

通過WBS-RBS法建立盾構施工風險評價指標體系構建風險因素集。因素集分為2級,其一級指標層風險因素集為Q={Q1,Q2,Q3,Q4};二級因子層風險因素集為Q1={q11,q12,q13},Q2={q21,q22,q23},Q3={q31,q32,q33,q34,q35,q36},Q4={q41,q42,q43}。

2.1.2 構建風險評語集

根據GB/T 50326—2006《建設工程項目管理規范》[16]建立盾構施工風險評語集。盾構施工風險評語集等級由低到高分為5級:L={l1,l2,l3,l4,l5}={低,較低,中等,較高,高}。

2.1.3 隸屬度向量構建

隸屬度函數的確定是施工風險評價的重要環節,目前大多采用的方法是典型函數法,其方法是結合工程實際和相關經驗選擇現有的分布函數作為模糊綜合評判的隸屬函數,常用的工程函數有正態函數、嶺性函數、三角分布函數、梯形函數等。

結合貴陽軌道交通盾構施工現場風險特點,本文采用盾構施工中常用的三角函數構建盾構施工風險評價中的隸屬度向量[17]。對二級風險因素進行評分得到其各個對應的評分值S,確定S值后代入式(1)—(5),計算得到隸屬度函數。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:S為二級風險因素評分值;μ為隸屬度值。

2.1.4 模糊關系矩陣構建

采用專家評價法構建盾構施工風險評價中的隸屬度向量。根據隸屬度向量得到風險評語集與因素集之間的模糊關系矩陣

(6)

式中eij為第i個盾構施工風險因素對第j級風險等級的隸屬度,0≤eij≤1。

2.2 確定權重向量

2.2.1 層次分析法確定主觀權重

標度是對評判者的定性判斷進行定量化的一種計算尺度,反映了評判者的判斷意識表現。標度使用一個簡單的數值賦予每個風險因素重要程度的定性表現,更重要的是其定量值應該符合各個定性指標之間所表現的重要程度的相互關系。

1)采用1—9標度[17]判別指標層Q1—Q4這4類風險的影響程度,得到初始判斷矩陣

B=(bij)n×n。

(7)

式中:bij為判斷矩陣B的第i行、第j列元素;n為矩陣階數。

由1—9標度構建的盾構施工風險判斷矩陣如表5所示。

2)權重向量計算及一致性檢驗

根據式(8)計算判斷矩陣的λmax及M:

Bn×n·M=λmax·M。

(8)

式中:Bn×n為n階判斷矩陣;λmax為其對應的最大特征值;M為λmax對應的特征向量。

表5 盾構施工風險指標判斷矩陣

由于判斷矩陣包含主觀因素,為保持相對的一致性,需對其進行一致性檢驗,步驟如下:

1)計算一致性指標(CI)。

(9)

2)根據矩陣階數n,計算平均隨機一致性指標(RI)。RI對照表如表6所示。

表6 RI對照表

3)一致性比例(CR)計算。

(10)

當CR<0.10時,說明構建的判斷矩陣的一致性很好。

2.2.2 變異系數法確定客觀權重

變異系數法[18]是一種客觀賦權法,變異系數可以對專家打分中的主觀因素進行修正。利用變異系數法標準取值差異越大指標更有價值,評價體系差距越明顯。其計算過程如式(11)所示。

(11)

客觀權重

(12)

2.2.3 乘法集成法計算綜合權重

通過乘法集成法將計算得到的主觀權重和客觀權重進行綜合計算,得到盾構施工風險評價的組合權重。乘法集成法綜合考慮了各風險指標間的固有信息,可以使主、客觀權重達到內在統一,確保各權重之間偏差降到最低。既能反映決策者對指標屬性的重視程度,又能減少賦權的主觀隨意性,使決策結果科學合理[19-21]。組合權重

(13)

2.3 非線性模糊綜合評判

相比于線性算子計算盾構施工風險等級,有些重要性指標可能被弱化,線性算子中所有風險因素的重要性都相同,導致突出風險因素對施工安全的影響弱化,最終會影響評判結果的準確性。

非線性計算方法利用不同的指數表示不同風險因素的重要性程度,更符合現場實際情況,既能突出重要風險的影響程度,又能減少非重要因素的影響程度。同時,非線性模糊層次分析法更能體現盾構施工現場突出影響因素的不確定性和模糊性情況,非線性模糊矩陣合成算子

(14)

表7 突出影響系數取值標準

得到各級突出影響系數后,運用非線性算子對處理后的模糊判斷矩陣進行合成。

由于非線性模糊矩陣評判矩陣Eij≥1,但隸屬度取值介于[0,1],故應用式(15)對原模糊評判矩陣進行轉換:

Eij′=10×Eij。

(15)

式中:Eij′為轉換后非線性模糊評判矩陣的值;Eij為原始模糊評價矩陣的值。

3 工程實例計算

3.1 權重計算

結合專家意見及現場的實際情況,將收集的風險因素進行量化得到風險指標層,再將指標層根據地質因素進行量化,得到風險因子層(見表2)。

3.1.1 計算主觀權重

根據建立的風險指標體系,對同一層的評價因子兩兩比較得到盾構施工風險評價的判斷矩陣,求解得到判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量,通過一致性檢驗后進行歸一化處理,得到貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工風險評價中各個指標所對應的主觀權重。盾構施工風險評價指標權重如表8所示。

表8 盾構施工風險評價指標權重

3.1.2 計算客觀權重

根據專家的問卷調查,采用10分制對4個指標層、15個因子層進行打分,再對數據進行歸一化處理。將處理后的數據代入式(11)和式(12)進行計算,可得到指標層和因子層的變異系數組成的客觀權重(見表8)。

3.1.3 乘法集成法計算組合權重

按照乘法集成法將計算得到的主、客觀權重進行計算得到組合權重。根據式(13)計算得到盾構施工風險評價指標的組合權重見表8。

由表8可知: 1)指標層組合權重M=[0.224 9,0.486 5,0.256 1,0.032 5]; 2)根據指標層劃分的因子層的權重為地質風險M1=[0.564 3,0.081 1,0.354 5],周圍環境風險M2=[0.552 2,0.392 6,0.055 1],設備風險為M3=[0.196 0,0.179 8,0.088 7,0.042 5,0.333 1,0.159 9],隧道自身風險M4=[0.483 6,0.405 0,0.111 5]。

根據計算得到的權重可知,周圍環境風險是該工程施工的最大風險。應根據盾構施工現場的實際情況,采取合理有效的措施處理重要風險因素。

3.2 隸屬度計算

確定二級風險因素的評分值S和隸屬度值,結合貴陽市軌道交通3號線桐木嶺站—桃花寨站盾構施工實際情況,對二級風險因素進行評分得到其各個對應的評分值S,具體如表9所示。根據表9,將所得到的S值代入式(1)—(5),計算得隸屬度值μ。如:q12的評分值S為105,代入隸屬度函數式(1)和式(2)可得:

即q12對l2的風險隸屬度為0.25,對l3的風險隸屬度為0.75。同理可得其他所有二級風險因素隸屬度,如表10所示。

表9 二級風險因素風險評分值

表10 風險因素隸屬度取值表

根據表10得到的貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工風險因素隸屬度,按照一級風險因素所對應的二級指標分別構建單因素評判矩陣;通過式(15)將矩陣經過轉換后得到的非線性模糊評判矩陣如式(16)—(19)所示。

(16)

(17)

(18)

(19)

3.3 確定風險因素指標突出影響系數

基于貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工的實際情況結合專家意見,得到一、二級風險因素突出影響系數(見表11和表12)。根據表12得到E1—E4所對應的突出影響系數向量如式(20)所示。

表11 一級風險因素突出影響系數

(20)

表12 二級風險因素突出影響系數

3.4 一級非線性模糊綜合評判

將M1—M4、E1—E4、γ1—γ4代入式(14)計算,得到二級風險因素評判結果向量N1—N4,計算過程如下: 將λ1=[4.0,2.0,1.0],λ=max(4.0,2.0, 1.0)=4.0代入式(14)可得:

(21)

將計算得到的N1進行歸一化處理,得到貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工風險評價中一級非線性模糊綜合評判結果向量

N1=[0,0.158 6,0.841 4,0,0]。

(22)

同理,利用上述方法得到其余二級風險因素對應的評判結果為

(23)

3.5 二級非線性模糊綜合評判

將N1—N4作為新元素來構建二級非線性模糊綜合評判矩陣S=[N1N2N3N4]T,將S轉換成能夠進行非線性模糊評判計算的二級非線性模糊綜合評判矩陣

(24)

由表11得到的一級風險因素所對應的突出影響系數向量γ=[4.0,3.0,2.0,1.0],得到一級風險因素組合權重

M=[0.173 9,0.519 0,0.258 6,0.048 5]。

(25)

將以上結果代入式(14)進行計算,得到一級非線性模糊綜合評判結果向量

N=f(M,S′,γ)=[0,1.040,5.445,3.099,1.942]。

(26)

對N進行歸一化處理,得到貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工風險評價中一級非線性模糊綜合評判結果向量

N=[0,0.090,0.472,0.269,0.168]。

(27)

向量N即為總風險的綜合評價向量。由最大隸屬度原則,對貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工風險進行總體評價。由模糊綜合評判向量判斷,該項目風險等級為3級,評語為中等風險。說明盾構施工的總體風險處于中等水平,只要保證施工質量合格,管理有序,則該項目風險可控。現場實際得出的風險等級如下: 總區間自身風險為3級,周邊環境風險為3級,地質風險為3級。本文計算結果與現場實際情況一致,評價結果與事實相符,說明新模型的準確性。

4 討論及處理措施

為驗證非線性算子在新模型風險評價過程中的有效性,采用基于組合賦權法的FAHP對貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工段進行風險等級計算。突出影響系數取值均為1,即γi=1。最終得到的模糊綜合評價結果向量

N′=[0,0.034 4,0.400 6,0.366 6,0.198 5]。

(28)

新模型風險評價等級為3級,中等風險。采用基于線性組合賦權法FAHP綜合評判盾構施工的風險等級為3級,屬于中等風險。同時通過對比結果向量N和N′也可看出,二者風險數值較為接近,但新模型更為準確,因為引入了突出影響因子以及進行了組合賦權,所以新模型的評價風險等級更高。此風險評價等級與貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站實際施工情況更為符合,評價結果與實際相符,說明該模型的準確性。

針對以上風險評價結果,采取以下施工措施降低風險發生的可能性: 應及時清理材料運輸線路,組織人員定時定點清理盾構掘進障礙、開挖前期著重處理給排水管道、疏通排水路線、檢查供水管道,做好坑內外排水溝、及時抽排積水井,實時監測。定期組織人員對地下管線進行安全排查,及時更換破損管線,安全生產。

根據現場實際情況,地質風險為3級,因為此工程項目隧道埋深變化較大,部分位置屬于淺埋區域,應盡量控制施工擾動,減少對周邊環境的影響;及時檢查隧道狀況,發現滲漏坍塌及時清理、補漏;泥漿應及時運輸,檢修相關設備等。做到出現問題隨時采取應對措施,保證供排通暢。

針對總區間自身風險3級情況,除做好周邊環境和地質風險的緊急預案外,還要提高施工人員、管理人員生產安全意識,嚴格落實生產安全規章制度。設立專門管理機構加強管理施工過程中的重要風險因素,把責任落實到個人,超前預警預報,構建動態的風險管理體系。

根據以上風險評價警示,對貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工方案進行改進后,在施工過程中并未出現事故。這表明,基于非線性FAPH的盾構施工風險評價模型的評價結果所做出的改進是有效的,進一步說明新模型的合理性、有效性。

5 結論與討論

1)采用WBS-RBS法對盾構施工風險進行風險識別和構建評價指標體系,得到科學合理的盾構施工風險評價指標體系,保證在風險因素辨識過程中沒有重要因素被遺漏,使風險評價指標體系、指標集的構建合理有效,貼近實際。

2)采用層次分析法計算得到主觀權重,采用變異系數法計算得到客觀權重,最后通過乘法集成法將主、客觀權重結合得到組合權重,減少了主觀隨意性,提高了風險評價指標權重客觀性,使評價結果更加符合現場實際情況。

3)使用非線性算子構建了基于組合賦權-非線性FAHP的盾構施工風險評價新模型,可以有效地改進模糊層次分析法使用線性算子計算風險等級造成某些突出風險因素的影響被弱化、引起最終評價結果準確性降低的問題。

4)將構建的新模型應用到貴陽市軌道交通3號線1期工程桐木嶺站—桃花寨站盾構施工段進行風險評價,并針對評價結果對盾構施工方案進行優化。結果表明,在盾構實際施工過程中并未發生事故,進一步說明了新模型在盾構施工風險評價中具有實際指導意義。

5)組合賦權-非線性FAHP的盾構施工風險評價能夠突出重要風險因子在施工階段中的影響。施工人員可根據不同風險因子的影響力在施工中采取相應的技術措施對可能產生的風險進行規避,此方法對工程實踐具有重要意義。