公路隧道施工风险模糊综合评判模型初探

淡寿全　牛衍亮

提要公路隧道施工风险因素复杂,后果影响严重。本文概述了国内外隧道施工风险研究现状,从模糊数学角度对隧道施工风险进行论述,并初步建立了模糊综合评判模型。

关键词:公路隧道施工;模糊数学;模糊综合评判

中图分类号:U455.1文献标识码:A

一、概述

(一)风险概述。风险一词源于法文,后再引入英文和中文。风险管理的思想也是由法国人引入企业经营领域。风险管理作为一门独立科学是从20世纪五十年代开始的,用于建设项目中则是始于20世纪八十年代。美国项目管理协会编写的项目管理知识体系指南中指出:风险管理是项目管理九大知识体系之一。通常人们认为风险管理分为风险识别、风险估计、风险评价、风险控制等四个环节。

(二)我国公路隧道施工概述。公路建设是我国重要的基础设施建设,而我国国土面积约三分之二的土地是山地、崎岖的高原或丘陵,尤其是如今的西部大开发中,交通基础设施建设是西部优先发展的重点,而要在崇山峻岭中修建公路,隧道便成了重要的组成形式。

公路山岭隧道在提高行驶车速、缩短里程、节约燃料、节省时间、保护生态环境方面有着明显的优势,又由于其隐蔽性,在营运中也较少受到恶劣气候的影响。然而,隧道工程作为典型的地下工程项目,在施工过程,却存在着大量的不确定因素。公路隧道是一项投资大、建设工期长、技术复杂、极具风险性的地下设施项目。

在工程实践中,由于隧道工程施工风险所诱发的安全风险事故时有发生,轻则造成工程成本上升、工程工期延误,重则造成严重人员伤亡。如,2004年底友谊隧道发生大塌方,出露煤层自燃引发瓦斯爆炸,造成60多人伤亡,冲击波将施工设备全部摧毁。隧道施工安全风险发生的后果严重性,已引起各级部门高度重视,在交通部2010～2020年《公路、水运交通主要技术政策》中,已将交通基础设施建设项目安全风险评价列为重点研究问题。

(三)工程模糊综合评判概述。综合评判,即是对多因素影响的事物或现象进行总体的评价。这种评价如果涉及模糊因素,就叫做模糊综合评判。由于工程建设常常是在各种复杂多变的不确定性因素的影响下,因此模糊综合评判在工程领域的应用非常广泛。如上所述,公路隧道施工作为典型的地下工程具有诸多的不确定性,很难用解析方法做定量分析,因此模糊综合评判则更为适合施工中的风险分析。

二、国际国内公路隧道施工风险研究现状

(一)国外隧道施工风险研究。鉴于上述隧道施工的安全情况,国际隧道协会(缩写为ITA)成立了专门的工作小组,开展了隧道工程风险管理的相关研究,并在2004年发表了隧道工程风险管理指南。与此同时,国际隧道保险组织与ITA合作,制定了隧道工程作业的风险管理实施规范。

2006年4月22至27日在韩国首尔会展中心(COEX)召开了2006年世界隧道大会及第32届国际隧道协会理事会议。本次会议的主题是“Safety in the Underground Space”(地下空间安全)。会议由国际隧协主办,韩国隧协具体组织承办。参加会议的有来自51个国家的约800名代表。提出风险管理、合同惯例和健康安全的指南文件。

隧道风险管理指南起草工作始于1999年,由ITA负责,并于2003年完成。在传统概念上,贯穿于项目建设过程中的工程决策,已经间接实施了风险管理。但风险管理的研究认为,用系统的风险管理技术代替传统的模糊风险管理技术,可大大提高风险管理水平,从而可以清楚地识别出工程中潜在的风险,并及早采取风险减轻措施。

(二)国内隧道施工风险研究现状。在隧道工程监测和信息化设计方面,我国在发展以位移测试为主体的隧道施工监测系统以及监测信息反馈理论方面都有很大的进展,断层参数预测法、超前预报隧道断层技术等一系列成果已达国际先进水平。近年来,在处理隧道不确定风险性方面,在设计中引进了概率论、模糊数学和最优控制理论的卡尔曼滤波器理论,丰富了隧道设计理论,也提高了工程技术人员对隧道设计施工的不确定风险的认识。

但是,在公路山岭隧道施工中,处理不确定性风险因素引起的隧道施工风险,目前还是较单一地采用施工量测技术来控制;缺乏基于风险分析理论,更缺乏全面系统研究隧道设计和施工动态安全风险评价与管理的有效方法。

三、公路隧道施工风险模糊综合评判模型

风险评价是现代风险管理的重要组成部分,由于公路隧道施工中存在大量不可确定因素,因此其风险评价不宜用常规的解析方法进行定量分析,模糊数学则较为适用于本类工程问题。模糊数学诞生于1956年,美国加利福尼亚大学查德教授发表了著名的论文“模糊集合”,第一次引人注目地提出了模糊性问题,给出了模糊概念的定量表示法。1970年别尔曼和查德又提出了模糊优化的概念。我国于20世纪七十年代开始了这方面的研究工作。模糊综合评判正是模糊数学中的一部分实践应用。

模糊综合评判模型的建立包括如下几个部分:

(一)建立因素集U。因素集是以影响对象的各种因素为元素所组成的一个普通集合。对公路隧道施工风险而言,应考虑到其特殊的循环作业性,隧道施工循环大体分五个步骤:隧道开挖、出渣、初期支护、监控测量、防水隔离与二次衬砌。即:

U={U1,U2,U3,U4,U5｝={隧道开挖,出渣,初期支护,监控测量,防水隔离与二次衬砌｝

而各个过程中的风险又可以细分为如下二级风险因素:

U1={U11,U12,U13,U14｝={开挖方法选择不当导致围岩失稳,钻孔爆破掘进过程中的风险,施工人员操作失误导致人员伤亡,不良地质导致的风险｝

U2={U21,U22,U23,U24｝={出渣运输方式选择不当,出渣处照明不足,运输设备损坏,运输人员操作不当｝

U3={U31,U32,U33,U34｝={支护类型不适应实际地质情况,支护时机不当,喷射混凝土质量厚度不符合要求,锚杆布设施工质量不符合要求｝

U4={U41,U42,U43,U44｝={量测数据的失误,量测结果评定有误,量测信息反馈不及时,应变措施不力｝

U5={U51,U52,U53,U54｝={防水层质量不满足防水抗渗要求,衬砌形式、尺寸设计不合理,二次衬砌施工时间不合理,二次衬砌混凝土质量不满足要求｝

(二)建立权重集A。各因素的重要程度一般各不相同,即拥有不同的权重。权重集A{A1,A2,A3,A4,A5}即表示各风险因素{U1,U2,U3,U4,U5}对隧道施工的影响程度。这一权重的确定一般采用主观确定的方法,可用专家法或德尔菲法确定权重集A(A具有归一性和非负性的特点)。

由于因素集U为两级,所以还应确定第二级权重集,即{A11,A12,A13,A14｝表示风险因素{U11,U12,U13,U14｝对U1的相应权重。U2、U3、U4、U5依此类推。

(三)建立备择集V。备择集是对评判对象可能做出的各种评判集合的总体。在隧道施工风险评价中可根据风险的大小分为四个等级:

令V={V1,V2,V3,V4｝={及其严重,很严重,一般严重,较不严重｝

(四)单因素模糊评判。单因素模糊评判是单独对一个影响因素进行评判,以确定评判对象对备择集元素的隶属程度。单因素评判集R表达的是由隧道施工各二级风险因素U对备择集V的模糊关系。将此评判集排列成行即得单因素评判矩阵R。

(五)模糊综合评判。模糊综合评判是把各单因素评判的结果通过各自的权重综合起来的过程。可以表达为:B=A*R(此处的*为模糊运算,即代数运算中的乘法现为取小运算,代数运算中的加法现为取大运算)。得出的模糊综合评判集B表示的是综合考虑上述所有因素时,隧道施工循环各阶段风险因素对各备择集指标的隶属程度。由此就可以得出,在一般情况下,一次隧道施工作业循环中各不同环节(隧道开挖,出渣,初期支护,监控测量,防水隔离与二次衬砌)的风险大小,提早进行不同等级的预备防范,尽量有效地减小风险事故的发生概率。

四、结论

系统研究公路隧道施工安全风险问题,对隧道施工中的风险进行识别、分析评判,进而进行科学的预警是现代化隧道施工安全管理的客观需要,也是确保隧道工程建设目标实现的基本保证。由于隧道工程岩层性质多异、工程水文地质条件复杂多变,施工工艺复杂、施工过程中涉及的不确定因素多等特点,以及勘察设计资料有限,设计计算理论也还在完善中,多重复杂因素导致了隧道施工具有很强的风险性与模糊性。因而,应用模糊数学中的模糊综合评判方法分析公路隧道工程项目建设中的风险问题具有一定的现实意义。风险评判是风险管理的重要环节,也关系到风险管理的效果甚至项目的成败,所以需要引起广泛、深入的重视。

(作者单位:重庆大学建设管理与房地产学院)

主要参考文献:

[1]丁士昭.工程项目管理[M].中国建筑工业出版社,2006.5.

[2]王卓甫.工程项目风险管理[M].中国水利水电出版社,2003.1.

[3]肖盛燮.模糊数学在土木与水利工程中的应用[M].人民交通出版社,2004.10.