基于FTA-FAHP的山岭公路隧道施工经济性评价.pdf

第 卷 第 期 年 月 郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报 .:./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()江西省自然科学基金项目()江西省“双千计划”创新领军人才项目()江西省教育厅科学技术研究项目资助()作者简介:吴 波男四川阆中人教授博士研究方向为隧道与地下工程技术刘兆春男江西南昌人硕士研究生研究方向为隧道与地下工程技术基于 的山岭公路隧道施工经济性评价吴 波刘兆春刘 聪李贻材张 耀(.东华理工大学 土木与建筑工程学院江西 南昌.中铁十一局集团第一工程有限公司湖北 襄阳.中铁十一局集团有限公司湖北 武汉)摘 要:基于福建三明莆炎高速公路文笔山 隧道工程运用故障树的模糊层次分析法()对山岭公路隧道工程经济评价指标建立故障树模型并针对各基本事件构造层次模型计算故障树基本事件结构重要度结合德尔菲法确定影响经济性的各级因素指标权重运用隶属度梯形函数及模糊数学方法确定模糊判断矩阵对山岭公路隧道工程经济评价指标体系进行评价并将评价结果与对应评语集做对比得出莆炎高速公路文笔山 隧道经济评价级别为级即经济效果一般关键词:故障树模糊层次分析法隧道工程山岭隧道经济性评价中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引 言近年来随着我国经济的高速发展交通道路网络进一步完善隧道工程建设发展迅猛我国已成为世界上隧道工程最多、发展最快的国家 其中山岭隧道所占隧道的比例越来越大与其他隧道工程相比公路山岭隧道隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境等的不确定性更为突出大大增加了施工技术的难度和建设的风险性 为应对隧址区的复杂地质条件确保隧道的建设安全所投入的施工成本往往十分巨大对山岭隧道进行施工经济性评价有助于预判隧道建设期间所投入的财力并做出合理的资金分配为隧道的经济化施工与可行性研究提供有益参考 从山岭隧道施工经济性角度出发确定影响隧道施工经济性的关键因素需要构建一个科学、合理、可靠的经济评估体系 近年来我国学者对各工程领域的经济性评价做出了许多研究建立了较为科学的评估模型并得出了可靠的结论其大多是运用模糊层次分析法进行的 王唤龙等基于模糊层次分析法对单线铁路隧道施工经济性进行评价找出了铁路隧道工程施工需要优化的因素指标得出提高隧道施工的经济性需对该隧道的施工组织设计和施工进度方面进行优化的结论孙梦奇等应用模糊层次分析法对复合木结构建筑进行经济性评价得出了影响复合木结构建筑经济性的主要因素证明了复合木结构建筑经济性良好王亚龙等建立模糊层次分析模型对电网投资建设项目进行经济性评价较为真实地反映了该项目的实际经济状况李锦华等基于模糊层次分析法对装配式住宅进行经济性评价找出了该建筑经济性薄弱环节为进一步改进其经济性提供参考模糊层次分析法主要依赖于专家对已有施工经验的主观评价其评价误差具有较大的波动性若可适当减小主观评价的误差则可使评价结果更为准确 通过引入故障树法客观地得出关键影响因素可有效降低由主观评价造成的误差 故障树法常被郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷用来分析风险因素可与其他现有评价方法结合构成更加完善的评估体系并发挥其引导作用被大量学者运用于其领域内的工程研究中 魏丹建立地铁施工中隧道竖井基坑围护结构失稳故障树模型并结合层次分析法进行地工风险评价得出了主要失稳因素对降低施工失稳风险有着积极作用吴昱芳基于 故障树转化为贝叶斯网络对公路隧道工程施工进行正向与反向推理风险分析精细、全面地辨识隧道施工阶段安全风险章龙管等以地铁盾构施工风险的故障树模型结合贝叶斯网络反向诊断推理技术对其风险进行预测为盾构施工现场提供风险预警支持郑俊杰等基于模糊故障树通过模糊成本分析了盾构隧道成本风险 在对工程项目进行特定目标评价过程中各关键影响因素的量化分级作为赋权基础对评价结果起到关键性作用对于山岭隧道施工方法的选择、施工洞段的地质环境变化、施工机械的投入等因素变化必然对经济性造成影响 对影响经济性因素的定性与定量等级划分王宇等针对隧道突水涌泥风险进行分析为隧道工程突水涌泥分级提供参考吴波等结合公路隧道特点针对钻爆法施工的隧道采用模糊网络分析法对其坍塌风险进行评估为隧道施工提供决策依据陈洁金等总结了山岭隧道塌方的影响因素分析出隧道各因素造成塌方的概率等级行业标准/工程岩体分级标准中为隧道围岩等级的划分提供参考依据综上所述针对山岭公路隧道施工运用故障树模型推理得出影响隧道经济性的关键风险因素结合模糊层次分析法构建经济性评价体系从客观推理赋权与主观打分赋权两个方面对山岭隧道工程施工经济性进行综合评价具有可行性与可靠性 本文以福建莆炎高速公路文笔山 隧道工程为研究对象建立其施工经济性故障树模型确立影响其经济效果的关键因素结合模糊层次分析法对其进行量化分析最终确定隧道工程施工的经济性评价等级 研究方法本文采用故障树分析法结合模糊层次分析法对山岭公路隧道工程施工进行经济性评价 故障树又称事故树其分析方法是将需要研究的事故作为顶事件运用故障树专门逻辑门符号和事件符号从上往下逐级分解将其绘制成树状图进而找出发生事故的原因 故障树分解出的若干基本事件对顶事件都有一定的影响度但影响的程度不同通过逻辑计算得出的事件重要度可以很好地分析各基本事件对顶事件的影响程度以便决策者准确地针对各基本事件进行预测、预防及优化尽可能地的降低顶事件发生的概率 模糊层次分析法是一种定量与定性相结合的分析方法其包括层次分析法与模糊综合评判法 层次分析法是将一个待解决的问题作为一个系统进行逐级分解组成一个有层次关系的结构模型各层次之间互相比较所包含的因素指标对于上一层次的相对重要程度从而算出各因素指标的相对权重 模糊综合评判法是运用模糊变换原则和最大隶属度原则将定性因素指标转化为定量因素指标来考虑和评价与事物相关的各个因素确立评语集并建立模糊评价矩阵结合权重得出隶属度从而得到最终的模糊评价结果 对比采用其他定量、定性方法进行指标评价故障树结合模糊层次分析法将定量与定性相结合使判断结果更科学合理图 山岭公路隧道工程经济性差的故障树 第 期吴 波刘兆春刘 聪 等:基于 的山岭公路隧道施工经济性评价 故障树的建立表 山岭公路隧道工程经济性差的基本事件及含义基本事件符号含义施工周期长施工机械化程度低施工断面积大施工安全管理不当施工跨度大弹性模量低黏聚力低岩体重度低偏压角度大涌水量大隧道埋深大基本事件符号含义施工工艺方法不高施工材料质量不高施工管理人员技术水平低施工现场管理不当施工效率低钻爆技术水平不高人工及材料费用高机械设备及措施费用高施工其他费用高间接成本高 以分析山岭公路隧道工程经济性为目的将其经济性差作为故障树的顶事件针对山岭公路隧道工程的实际施工情况根据以往隧道施工经验及影响隧道经济性的因素对顶事件从上往下逐级分解分解出 共二十一个基本事件绘制故障树如图 所示 故障树中的二十一个基本事件及其含义如表 所示 评价指标的建立基于隧道工程经济性差的故障树分解出的基本事件综合考虑影响公路隧道工程经济性的因素运用层次分析法建立评价指标体系如图 所示评价指标充分覆盖到工程施工的各个方面具有科学合理性、层次性相互之间具有可比性 以山岭公路隧道工程经济性评价作为目标层准则层包括施工方案 围岩稳定性 工程质量 工程进度 工程成本 五个一级评价指标子准则层为施工周期间接费用 十九个二级评价指标 经济性评价与一级指标即目标层与准则层的关系为 一级指标与二级指标即准则层与子准则层的关系为 其中 为各一级指标包含的二级指标的个数图 山岭公路隧道工程经济评估指标体系 建立评价指标判断矩阵基于故障树及层次分析法原理山岭公路隧道工程经济评估体系如图 所示通过计算故障树中各个基本事件的结构重要度得出准则层判断因子并邀请 位专家对子准则层结合 标度法如表 所示进行评判打分对同一层评价指标进行两两比较并构造出下一层级对上一层级的评价指标判断矩阵 表 标度法使用方法标度含义和 相比和 同等重要和 相比比 稍微重要郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷续表 标度法使用方法标度含义和 相比比 明显重要和 相比比 强烈重要和 相比比 极端重要分别为上述 个级别的中间值倒数指标 与 比较的判断 则指标 与 比较的判断/在故障树模型的分析中所有基本事件都发生则顶事件一定发生但在实际工程中部分基本事件进行组合发生也会导致顶事件的发生这些导致顶事件发生的基本事件的组合称为割集其中可以导致顶事件发生的最小基本事件的集合称为最小割集 最小割集包含的基本事件越多顶事件发生的可能性就越大系统的风险也就越大 求解最小割集的主要方法有下行法、上行法、质数代入法、矩阵法和布尔代数化简法 通过最小割集来计算故障树中各基本事件的结构重要度()可以得出各基本事件对顶事件发生的影响程度结构重要度的计算公式如式()所示:()()式中:()为基本事件 的结构重要度 为故障树系统所含的最小割集的数量为含有基本事件 的第 个最小割集中所含基本事件的数量各个基本事件的结构重要度与所有基本事件结构重要度公式分母的最小公倍数()相乘得出各个基本事件的判断因子()见式()故障树模型中对应隧道工程经济评估体系中的各准则层下有数个子准则层通过将子准则层所对应的基本事件判断因子相加可得出准则层的判断因子即()其中 为准则层中包含的子准则层对应的二级指标个数()()()构造出准则层对目标层及各子准则层对准则层的判断矩阵后将其做归一化处理分别求出各判断矩阵的特征向量、及其最大特征值 并对各判断矩阵进行一致性检验计算公式参考式()()若一致性检验结果 .则表示该矩阵通过一致性检验反之则不通过一致性检验且特征向量、为权重向量 取值参考表 ()()()()()表 取值表矩阵阶数.建立评语集、隶属度与模糊评判矩阵.评语集的建立建立评语集 所建立的评语级中包含五个评价等级每个等级表示最后可能得出的评价结果在综合考虑所有影响因素的基础上对照评语集中的等级可得出最佳评价结果 为使评价结果更简明直观设置五个等级分别对应的分数为.各受邀专家可据此对各关键因素进行主观评分 评语集各分级区间及经济含义见表 表 经济性指标评价等级及含义评价等级 经济等级经济等级含义优隧道施工的经济性高相对于付出的施工成本完成情况远超原计划目标良好隧道施工的经济性良好相对于付出的施工成本完成情况稍微超出了原计划目标一般隧道施工经济性一般相对于付出的施工成本完成了预期的计划目标差隧道施工经济性差相对于付出的施工成本只完成了部分预期的计划目标很差隧道施工经济性很差相对于付出的施工成本项目不得不停止.山岭公路隧道工程经济影响因素隶属度的确定对于图 确定的施工工艺方法、施工材料、施工技术水平等定性指标参考 提出的隶属度函数建立模糊评价矩阵(表)对于隧道埋深、偏压角度等定量指标采用梯形隶属度函数如表 所示 第 期吴 波刘兆春刘 聪 等:基于 的山岭公路隧道施工经济性评价表 提出的隶属度函数模糊语言变量隶属度函数很大.大.中等.多少有些.小.表 隶属度梯形函数隶属度函数类型隶属度梯形函数分布函数分布图偏小型()介于中间型和偏小型()中间型()介于偏大型和中间型()偏大型().模糊综合评价使用加权平均模型计算各指标对山岭公路隧道工程经济性评价 由计算得出的二级指标对一级指标的权重向量 与各二级指标建立的隶属度模糊判断矩阵相乘可以得到一级指标对于目标层的模糊判断集 ()将各一级指标对于目标层的模糊判断集 结合建立一级指标的隶属度模糊判断矩阵 将一级指标对目标层的权重向量 与一级指标隶属度模糊判断矩阵 相乘即可得出目标层的评价向量 ()工程案例分析莆炎高速公路三明段尤溪中仙至三元莘口段 文笔山 隧道工程位于福建省大田县西园村为双线分离式隧道右洞起止里程为 左洞起止 长 最大埋深 设计为双向六车道属于大断面隧道 文笔山一号隧道洞身区城属构造剥蚀中低山地貌山地自然坡度 围岩以 为主隧道地面高差在 相对高差 植被较茂密进出口仅有乡村道路相通附近交通运输条件较差针对建立的经济性故障树模型采用下行法得出故障树的最小割集为 利用公式()计算出各基本事件的结构重要度见表表 各基本事件结构重要度基本事件结构重要度/基本事件结构重要度/郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷 由表 中的各基本事件结构重要度得 为则通过()式计算得出各二级指标的判断因子()各一级指标的判断因子为所包含的二级指标判断因子之和经计算得出施工方案、围岩稳定性、工程质量、工程进度、工程成本 五个一级评价指标的判断因子分别为、根据五个一级评价指标的判断因子之间的比例关系运用 级标度法构建判断矩阵见表 表 风险因素判断矩阵目标层/经过计算得出 .一致性检验结果 .表明判断矩阵具有满意的一致性即 可作为准则层对目标层的权重向量 同理根据 名专家对各二级指标的打分综合得出对应比例关系建立各子准则层对准则层的判断矩阵可得:.经计算各二级指标判断矩阵均通过一致性检验则、可作为各子准则层对准则层的权重向量对于定性指标根据.节所表述的方法建立模糊评价矩阵 以施工方案中的各二级指标为例得出的模糊矩阵:.对于定量指标以偏压角度为例利用梯形隶属度函数确定该因素的隶属度隧道偏压角度评价指标等级如表 所示构造隶属度函数如下:()()()()()根据式()()将偏压角度 带入计算可得出偏压角度单因素的隶属度向量为.表 隧道偏压角度评价指标等级经济评价偏压角度 同理根据围岩稳定性、工程质量、工程进度、工程成本中的各二级定性、定量指标分别求得隶属度向量构成的模糊判断矩阵为、.第 期吴 波刘兆春刘 聪 等:基于 的山岭公路隧道施工经济性评价由()式可得:.准则层对评语集 的模糊评价矩阵 将准则层对目标层的权重向量 乘以准则层对评语集的模糊评价矩阵得出目标层的评价向量 .根据隶属度最大原则可判断出山岭公路隧道经济评价等级为“”级评价结果为“经济效果一般”结 语为提升隧道建设的经济效益分析施工经济性评价效果本文以福建莆炎高速公路文笔山 隧道为例对山岭公路隧道施工经济性评价方法展开研究主要结论如下:()以隧道施工经济性为评价目标确定了施工方案、围岩稳定性、工程质量、工程进度及工程成本 个一级评价指标并分解成 个影响隧道工程经济性的二级关键因素指标建立了较为系统的山岭公路隧道施工经济性评价指标体系()运用故障树法与模糊层次分析法相结合对评价指标主观赋权既考虑了专家学者在工程施工经验上的主观判断因素又考虑了实际工程的客观因素相较于单一主观赋权方法可降低赋权误差使评价指标的权重更加科学合理()运用基于故障树的模糊层次分析法对福建莆炎高速公路文笔山 隧道进行案例分析得出其施工经济性评价等级为“”级即经济效果一般 且根据各一级指标所占权重可以得出对该隧道工程经济性影响最大的因素为工程质量其次分别为工程进度、围岩稳定性、工程成本、施工方案参考文献:刘保国沈铭龙马强.模糊网络分析法在公路山岭隧道施工风险分析中的应用.岩石力学与工程学报():.王唤龙张龙飞杨昌宇等.基于模糊层次分析的单线铁路隧道施工经济性评价.建筑经济():.孙梦奇王海飙.应用模糊层次分析法对复合木结构建筑的经济性评价.东北林业大学学报():.王亚龙李 滨谭婷婷.基于模糊层次分析法的电网投资建设项目经济性后评价.智能电网():.李锦华张中政.基于模糊层次分析法的装配式住宅经济性评价.天津城建大学学报():.魏 丹.基于故障树和层次分析法的地铁施工风险评价:以隧道竖井基坑围护结构失稳为例.安全与环境工程():.吴昱芳.公路隧道工程施工安全风险评估方法及应用研究.南宁:广西大学.章龙管刘绥美李开富等.基于故障树与贝叶斯网络的地铁盾构施工风险预测.现代隧道技术():.郑俊杰林池峰赵冬安等.基于模糊故障树的盾构隧道施工成本风险评估.岩土工程学报():.王 宇李建旺 周 喻.隧道突水涌泥 风险评价.地下空间与工程学报():.吴 波丘伟兴蒙国往等.基于模糊网络分析法的隧道坍塌风险评估.数学的实践与认识():.陈洁金周峰阳军生等.山岭隧道塌方风险模糊层次分析.岩土力学():./工程岩体分级标准.北京:中国计划出版社.宋远方.一种决策分析的新方法:层次分析法简介.河北煤炭():.:.责任编校:刘 燕田 旭(下转第 页)第 期冯宪章尚德健 等:下置式气缸套热机耦合数值分析与结构优化(.):.:(上接第 页)(.):().: