基于模糊综合评价法的隧道钻爆法施工风险分析.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：作者简介：李正（），男，河北保定人，硕士，工程师，从事水电工程项目管理及信息化建设工作。基于模糊综合评价法的隧道钻爆法施工风险分析李正（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ）摘要：针对隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系及施工风险因素模糊综合评价模型，对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。通过对某隧道工程进行实证研究，结果表明该方法具有可操作性且更为合理有效，为今后类似工程的施工风险分析提供可靠的科学依据和理论指导。关键词：隧道施工；风险分析；风险评价指标体系；三角模糊数；模糊综合评价模型中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）前言隧道施工具有质量要求高、施工难度大等特点，由于其隐蔽性、复杂的施工环境以及诸多不确定性因素的影响，施工风险存在随机性及模糊性，对施工工期、成本、安全等方面具有重要影响。因此，如何更加科学、准确地识别和评价施工过程中的风险因素，进而确定相应的保证措施，已成为隧道施工过程中风险控制的一个重要课题。国内外学者针对隧道施工风险因素进行了相关研究，主要集中于对风险评价方法的选择和分析上，目前常用的方法有：专家调查法、层次分析法、风险矩阵法、蒙特卡罗法及模糊评判法等。等 对一环形公路隧道进行了风险分析评价，以辅助工程管理者进行决策。将施工风险评估方法应用于海底及穿山隧道。闫玉茹、黄宏伟等 对大连湾海底隧道钻爆法施工进行了风险评价研究，并基于评价结果对施工方案进行比选。赵延喜和徐卫亚 建立了 施工风险综合评价指标体系，提出了 施工风险二级模糊综合评判计算模型，并利用模糊集法确定隶属函数，划分风险接受等级，结果表明该方法具有合理性和实用性。曹文贵和翟友成等 在全面分析新奥法隧道施工风险影响因素的基础上，通过建立新奥法隧道施工风险二级模糊综合评判模型及评价指标隶属度确定方法对新奥法隧道施工进行风险评价，为隧道实际施工提供理论指导和决策支持。吴贤国、丁保军等 构建了风险拓扑结构模型，利用贝叶斯正向因果推理预测不同情况下地铁施工风险概率，并基于互信息指数法完成敏感性分析，找出敏感性致险因素。提出了一种基于模糊集理论的风险评估模型，用于评估隧道施工过程中的风险事件，结果表明模糊推理系统具有很好地建模潜力。刘保国、沈明龙等 建立施工风险评价指标体系，基于网络分析法构造模糊加权超矩阵，通过计算超矩阵的极限矩阵求得权重向量，得到施工风险水平的评价。宁瑶瑶、李龙 依据钻爆法施工程序构建了钻爆法地铁隧道工程风险指标体系，运用 值赋权方法确定各指标权重，并在界定地铁隧道工程风险测度的基础上，设计了风险灰色评价的方法，构建了基于 值赋权的钻爆法地铁隧道工程风险灰色评价模型。张进等 针对隧道钻爆法施工风险因素仍存在许多不确定性与模糊性的特点，提出模糊层次分析方法以解决评价指标难以量化问题。综上所述，以上针对隧道施工风险的研究大多基于专家打分法等主观性较强的方法进行分析计算，难以对现有工程施工过程风险进行全面、准确分析。基于以上不足，本文结合隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系，通过全面考虑工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，建立施工风险因素模糊综合评价模型，采用数理统计法、法和三角模糊数对以上数据进行综合分析和模糊计算，并引入乐观 悲观指数对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。隧道施工风险评价指标体系通过对隧道钻爆法施工全过程涉及到的施工风险因素进行划分和识别，建立两级施工风险评价指标体系。其中，第 级指标为主因素层，包括地质风险、环境风险、技术风险、爆破风险、施工管理风险、材料风险。每个主因素又包括若干个子因素，这些子因素构成了第 级指标，如图 所示。图 隧道钻爆法施工风险二级评价体系 建立隧道施工风险模糊综合评价模型 层次分析法（）层次分析法是把一个复杂的问题分解为各个组成因素，由一组专家对各个组成因素进行评判，即把同级各个因子两两比较并量化，各个因素之间的比较值构成一个“构造判断矩阵”，进而根据判断矩阵计算对于目标而言各元素的相对重要性次序的权值。构造两两比较判断矩阵在单层次结构模型中，假定目标元素为，同与之相连的有关元素集合 有相关性。假定以上一层次某目标元素 作为准则，通过向决策者询问在原则 下元素 对元素 的优劣比较，构造一判断矩阵，其形式如表 所示。表 层次分析法比较矩阵 其中 表示对于 来说，对 相对重要性的数值体现，通常 可取 以及它们的倒数作为标度。计算单一准则下元素的相对重要性这一步要根据判断矩阵计算对于目标元素而言各元素的相对重要性次序的权值。计算判断矩阵 的最大特征根 和其对应的经归一化后的特征向量 。即首先对于判断矩阵 求解最大特征根问题：。（）求得特征向量 并将其归一化，将归一化后得到的特征向量 作为本层次元素、对于目标元素 的排序权值。单层次判断矩阵 的一致性检验在单层次判断矩阵 中，当 时，称判断矩阵为一致性矩阵。由于客观事物的复杂性和人们的偏爱不同，判断矩阵很难有严格的一致性，但应该要求有大致的一致性。因此，在得到 后，还需对判断矩阵的一致性进行检验：；。（）式中：为一致性指标；为平均随机一致性指标；为一致性比例。当 时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应修改矩阵使之符合要求。本文通过 法对隧洞施工中的安全风险进行评估，作为施工风险模糊综合评价模型的一组初始数据，并与工程经验、工程实际分析数据共同构成模糊综合评价模型的数据基础。三角模糊数及模糊测度 方法隧道施工由于其隐蔽性、复杂的施工环境以及诸多不确定性因素的影响，施工风险存在随机性及模糊性。因此，为了使风险分析结果更符合实际施工情况，本文考虑风险因素的不确定性，通过结合工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，采用三角模糊数 对其进行表示。为了将三角模糊数（如（，）转化为一实数，引入模糊测度 方法中的乐观 悲观指标来解决这一问题，其转化过程如以下函数所示：（）。（）式中：为乐观 悲观指标，由决策者根据实际工程中对相关因素的评判确定。施工风险模糊综合评价模型通过 法及数理统计法分别对工程经验数据、专家打分数据以及工程实际数据进行分析计算，并采用三角模糊数对以上计算结果进行模糊表示，最后采用模糊测度 方法建立隧道施工风险模糊综合评价模型。其中，式表示对以三角模糊数表示的中间数据进行逆模糊化计算；式表示通过数理统计方法对工程经验数据进行分析计算；式表示采用 法对专家打分数据进行分析计算；式表示采用数理统计方法对工程实际数据进行分析计算。隧道施工风险模糊综合评价模型如下：（）（）（）（）（）。（）式中：（）表示第 个风险因素评估值；表示以往类似工程中第 个风险因素权重；表示通过 法计算得到的第 个风险因素权重；表示本工程中第 个风险因素权重。随着工程进度不断推进，可适当调整乐观 悲观指标的数值以使施工风险因素分析结果更为准确有效。在施工初期，应更多结合以往类似工程的施工经验对相关风险因素进行控制，即 取较大值；随着施工不断推进（尤其在施工后期半），可将实际施工过程中发现的施工风险以及发生的大小事故作为对今后的风险因素进行评价和控制的依据，即 取较小值；无论 值如何变化，在模型中 所占比重保持不变（即 ），因为 法得到的施工风险因素数据是相关领域专家在充分了解工程相关资料的前提下，结合自身工程经验和知识做出的较为科学的判断和评价，具有较高的可参考性，因此，在施工风险分析过程中始终将其作为重要依据。实例分析 工程概况 引水隧道位于川西地区，隧道全长 ，平均埋深 ，最大埋深 ，以钻爆施工为主，洞径尺寸为 。整个隧道沿线的地貌地质条件相似，地层岩性一致。隧道进出口段岩体分化破碎，属类围岩，洞室极不稳定，应及时加强支护措施。隧道段岩性较软，完整性差，为类围岩。确定重要施工风险因素首先通过 法对各风险因素进行分析计算，本次研究邀请了 位隧道施工方面的专家学者，在全面了解施工相关资料的基础上对一级和二级指标进行单因素评价。通过对专家意见的整理统计及量化处理。（）第 级因素集的权重为：（）对于第 级因素集，权重分别为：地质风险 环境风险 技术风险 爆破风险 施工管理风险 材料风险 其次，通过数理统计方法对以往类似工程中各类大小事故进行分析计算，各风险因素所占比例如下：地质风险 环境风险 技术风险 爆破风险 施工管理风险 材料风险 最后，在本工程进度不断推进过程中，根据现场实际情况对以上各风险因素在各类大小事故中所占的比例进行统计计算，得到实际施工过程中的风险情况数据。同时，随着工程不断推进，对实际施工过程中的风险情况数据进行不断更新，并逐渐减小 值，从而对施工风险进行动态分析，使风险分析及决策结果更符合工程实际情况，为工程施工管理提供更为准确的分析结果。由于篇幅所限，本文以施工中期为例（即取值 ），计算所得各风险因素重要性程度用三角模糊数表示，如表 所示。采用模糊综合评价模型，计算得到各施工风险因素重要性程度，如图 所示。由图 可知，、这 个风险因素的权重较大，即管理人员素质差、地下水发育、施工方案措施不足、支护不及时及断层破碎带这 个因素在施工过程中应引起高度重视，并应根据工程实际情况事先采取相应的措施，避免对工程进度、成本、安全等目标造成不良影响。表 各施工风险因素权重风险因素三角模糊数（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）图 各施工风险因素重要性程度 方法比较为了验证本文所提方法的准确性和有效性，现对工程经验法、专家打分法与模糊综合评价法进行比较，将以上 种方法分别应用于工程实例中，分析结果见图 。图 三种方法分析结果比较由图 可知：采用工程经验法的施工风险评价结果中较为重要的因素分别为断层破碎带、施工方案措施不足、地下水发育、未严格按施工方案采取措施；采用专家打分法的施工风险评价结果中较为重要的因素分别为断层破碎带、起爆装置的操作可靠性、施工方案措施不足、地下水发育；采用模糊综合评价法的施工风险评价结果中较为重要的因素分别为管理人员素质差、地下水发育、施工方案措施不足、支护不及时及断层破碎带。通过对以上结果进行分析比较，种方法的评价结果区别较大，因为工程经验法是以以往工程数据为依据，忽略了工程实际情况，因而其评价结果中发生概率较大的几项施工因素对工程施工管理有一定的参考价值，在施工初期有较大的指导意义；专家打分法是施工领域专家根据工程实际情况对工程施工中存在的风险因素进行分析，其评价结果具有一定可靠性，但主观性较大。因此，将两者综合考虑，同时，在施工过程中，对工程实际施工情况进行统计分析并将分析结果耦合到评价方法中，且随着工程进度的不断推进，实际情况分析结果所占比重逐渐加大（即适当减小乐观 悲观指数值），实现对施工过程风险因素的动态分析评价，为施工管理和决策提供更为准确有效的理论依据。结论本文针对隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系，通过全面考虑工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，建立施工风险因素模糊综合评价模型，采用数理统计法、法和三角模糊数对以上数据进行综合分析和模糊计算，并引入乐观 悲观指数对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。通过对某隧道工程进行实证研究，并对三种不同方法之间进行比较，结果表明：工程经验法的评价结果与专家打分法的评价结果有较大区别，将两者综合考虑，可以克服方法彼此间的不足。因此模糊综合评价法具有可操作性且更为合理有效，为今后类似工程的施工风险分析提供可靠的科学依据和理论指导。参考文献：，（）：，（）：闫玉茹，黄宏伟，胡群芳，等 大连湾海底隧道钻爆法施工风险评估研究 岩石力学与工程学报，（）：赵延喜，徐卫亚 基于 和模糊综合评判的 施工风险评估 岩土力学，（）：（下转第 页）图 工艺流程简图二维出图 结语本文基于达索公司 三维设计平台，利用 编程语言开发了砂石工艺流程计算系统，实现砂石工艺流程计算智能化，包括砂石加工系统的设备选型、工艺流程计算、导出主要设备表、自动生成 工艺流程图等功能；并支持用户对不同工艺流程的定制，一键计算并分析生成工艺流程简图，支持预览修改，实现工艺流程计算、出图一体化，取得了较好的应用效果。本系统具备一定先进性和指导性，可供同行业参考。后期将进一步研究本系统与砂石加工系统三维 正向设计之间的结合，改变传统砂石加工系统设计方式，实现工艺流程智能化计算砂石加工系统三维 设计二维出图的设计流程，提高设计效率和质量。参考文献：刘建远 国外几个矿物加工流程模拟软件述评 国外金属矿选矿，（）：杜轩，周俊尧，付廷伍 砂石料生产工艺计算机辅助设计方法研究及应用 人民长江，（）：，张晨晨 基于 的工程项目信息生态系统研究 徐州：中国矿业大学，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）参考文献：中华人民共和国交通运输部 公路斜拉桥设计规范：北京：人民交通出版社，林继镛，王光纶 水工建筑物（第 版）北京：中国水利水电出版社，中华人民共和国自然资源部 滑坡防治设计规范：北京：中国标准出版社，贾金生，马锋玲，李新宇，等 胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用 水利学报，（）：中华人民共和国水利部 混凝土重力坝设计规范：北京：中国水利水电出版社，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）曹文贵，翟友成，张永杰 新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法 土木工程学报，（）：吴贤国，丁保军，张立茂，等 基于贝叶斯网络的地铁施工风险管理研究 中国安全科学学报，（）：，（）：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，（增 ）：宁瑶瑶，李龙 基于非可加测度 值赋权的钻爆法地铁隧道工程施工风险灰色评价 工程管理学报，（）：张进，马斌，王可娜 基于模糊层次分析法的隧道钻爆法施工风险评估 东莞理工学院月报，（）：范英，李辰，晋民杰，等 三角模糊数和层次分析法在风险评价中的应用研究 中国安全科学学报，（）：（编辑：惠方方）