小净距公路隧道施工安全模糊层次综合评价方法研究及应用

2011-01-15李永永黄志义王景春

铁道建筑 2011年2期

关键词：净距指标体系隧道

李永永，黄志义，王景春

(浙江大学建筑工程学院，杭州 310027;2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

小净距公路隧道施工安全模糊层次综合评价方法研究及应用

李永永1，黄志义1，王景春2

(浙江大学建筑工程学院，杭州 310027;2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

根据小净距公路隧道的施工特点，科学、合理地建立了小净距公路隧道施工系统安全评价综合指标体系，运用模糊层次综合评价方法对体系进行综合评价，最后对黄衢南高速公路焦坞小净距隧道施工系统综合评价，评价结果与实际施工情况较吻合。

小净距隧道模糊层次综合评价法安全评价

随着高等级公路建设的迅猛发展，山区高速公路选线时上、下行隧道往往受地形限制，使得两相邻隧道的最小净距不能满足设计规范的要求。在此情况下，工程实践中衍生出一种新型的隧道结构形式——小净距隧道。如何确保小净距隧道施工安全，预防重特大事故发生，保障施工人员的人身和财产安全是隧道工程领域的一个全新课题。早在1942年就有间距为0.425D的超小净距的工程项目［1］。目前小净距隧道的研究主要集中在用数值模拟的方法评价合理净距、围岩稳定性、中间岩柱的受力形状、爆破振动影响、开挖方法及支护的影响［2］。

影响小净距隧道施工系统安全的因素繁多、关系模糊复杂、数据干扰性大，是一个复杂的非线性系统。针对具体工程(系统)进行系统性安全评价是预防事故发生的重要方法［3］，国外欧盟在公路隧道工程风险分析和安全评估方面走在前列［4-6］，国内在隧道施工过程的安全评价方面，王飞跃等采用费歇判别分析( FDA)模型对隧道施工现场进行了安全评价［7］。刘辉等采用专家评议法确定了安全评价指标的权重，并运用模糊数学方法分别对公路隧道施工安全评价指标体系中的因素和整体进行评价，对评价结果确定了安全等级标准［8-9］。王景春等针对海底隧道施工，采用借鉴风险分析的方法对隧道施工中的危险源进行了辨识，并建立针对海底隧道施工安全的分级体系［10］。张鸿等采用层次分析方法(AHP)建立了隧道施工现场的安全评价体系［11］。王妍薇采用改进的AHP对隧道施工现场进行了系统安全评价［12］。

本文在综合已有文献的基础上，运用安全系统工程的原理和方法，提出了模糊层次综合评价方法(FAHP)。针对影响小净距公路隧道施工安全的诸多因素，建立了小净距公路隧道施工风险动态评估模型体系，并将其应用到施工现场。实践表明，运用模糊层次综合评价法对(动态)施工系统的风险分析结果与现场的施工安全状况比较吻合，对同类小净距公路隧道施工的安全管理工作具有指导意义。

1 模糊层次综合评价原理［13］

在对项目(系统)进行工作分解和风险辨识的基础上，采用德尔菲法(Delphi)、层次分析法(AHP)和模糊理论相结合的方法构建工程项目风险(或安全)综合评价模型，通过此模型可进行项目(系统)综合风险(或安全)评价、评估。

1.1 层次分析法(AHP)确定指标体系的权重

1.1.1 德尔菲法(Delphi)建立判断矩阵

邀请相关专家、工程师共同采用德尔菲法(Delphi)建立判断矩阵，以矩阵上层的某元素(Hs)作为判断准则，对下—层元素进行两两比较来确定矩阵的元素值。采用表1的1—9比例尺度对2个元素AI和Aj各自的重要性予以赋值，形成的矩阵形式如图1所示。

1.1.2 评价指标重要度排序

用方根法或和积法计算判断矩阵A的最大特征根λmax及其对应的特征向量W=(W1，W2，Wi，…，Wn)。此特征向量就是各评价因素的重要度排序，也即权重。

表11 —9标度及含义对照

图1 矩阵形式

1.1.3 一致性检验

由于客观事故的复杂性和人们认知上的多样性，以及可能产生的片面性，要求每一个判断都有完全的一致性显然是不可能的，特别是因素多、规模大的问题更是如此。因此，为了保证应用层次分析法得到的结论基本合理，还需要对德尔菲法(Delphi)构造的判断矩阵进行一致性检验。其步骤如下:

1)计算一致性指标C.I.(Consistency index)

2)查找相应的平均随机一致性指标R.I. (Random index)，表2给出了1～10阶正互反矩阵计算1 000次得到的平均随机一致性指标。

表2 平均随机一致性指标

3)计算一致性比例C.R.(Consistency ratio)

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的。当C.R.≥0.1时应该对判断矩阵做适当修改。对于1阶、2阶矩阵总是一致的，此时C.R.=0。

1.2 模糊综合评价法的数学模型

模糊综合评价法所建立的数学模型如下

式中，F为系统总得分;C为系统评价矩阵;S为各因素安全等级加权值。

式中，A为各因素权重分配集，由各因素的影响大小决定;B为总评价矩阵。

式中，Ai为各因素对应子因素的权重分配集，由层次分析法(AHP)确定各子因素的影响大小;Ri为各因素对应的评价矩阵，由若干专家或小组对各子因素状况按评价集投票得出。

最后由系统总得分对照安全等级可评价出系统的的安全状况。

2 小净距公路隧道施工安全评价体系(模型)的建立

2.1 小净距公路隧道施工安全评价指标体系

根据《中华人民共和国安全生产法》、《公路隧道设计规范》、《公路隧道施工技术规范》、《公路工程施工安全技术规程》、《爆破安全规程》以及浙江省内相关法律、法规、规范，在黄衢南高速公路浙江段小净距公路隧道群施工安全现状调查、分析研究的基础上，同时总结借鉴现有资料和前人研究成果，本着科学、客观、实用以及可操作性的原则，针对小净距隧道特殊的结构形式抓住影响施工安全的主要因素构建一个合理的隧道施工安全评价指标体系［8，12］，见图2。

2.2 小净距公路隧道施工安全评价集(隶属度)

评价集是在某种评价指标体系下评价主体对评价客体进行评判的所有可能结果组成的集合，记为V ={v1，v2，…，vn}，其中元素vi(1，2，…，n)是第i种可能评判的评判结果。模糊综合评判的目的就在于通过综合考虑评判对象的所有影响因素，从评价集V中获得一个最佳评判结果。

评价指标隶属度的确定直接关系到评价的结果，隶属度一旦确定，评价结果也基本确定。为了科学地表征小净距公路隧道施工安全状况，通过对隧道安全等级模糊评语的量化处理，建立小净距公路隧道施工系统五个级别的安全等级，即:V={v1，v2，…，vn}= {Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}，见表3［14］。

表3 小净距公路隧道施工安全技术等级状况评价标准

图2 小净距公路隧道施工安全性评价指标体系

3 小净距公路隧道施工安全评价实例

以黄衢南高速公路浙江段焦坞小净距隧道现场施工过程(系统)为例，运用模糊层次综合评价模型指标体系加以安全评价。

3.1 隧道工程概况

焦坞小净距隧道为双向四车道，设计时速为80 km/h，位于黄衢南高速公路B8标段，左洞全长558 m，右洞全长596 m左线进洞口桩号为ZK58+855，右线进洞口桩号为YK56+828，左右洞最小净距处为5.2 m，最大净距处为5.5 m，其中进洞口段为浅埋偏压隧道，隧道按新奥法施工，采用光面爆破技术，施工技术复杂，难度较大，施工过程存在安全隐患。

3.2 求各因素综合评价矩阵B′i

通过邀请省内外工程设计、施工、监理、质监安监等部门的多学科领域的专家组成评议组，采用德尔菲法(Delphi)对2.1建立的小净距隧道施工安全评价指标体系中施工安全管理U1、环境条件U2、爆破作业及爆破器材U3、出渣与洞内运输U4、施工通风U5、个人防护U6、施工设备及设施U7、施工用电用水U8、围岩稳定及支护状况U99个一级评估指标中的43个二级指标对焦坞小净距隧道打分，并进行归一化处理后得到相应的模糊关系矩阵Ri，即单因素评估。根据1.1采用层次法对各层评价因素权重值Ai求解，并通过Bi=Ai×Ri求解Bi。U1项具体数值参见表4。

3.3 总体评价矩阵B

将Bi组合建立总评价矩阵B，即

3.4 求系统安全性评价矩阵

3.5 求系统安全性总得分

根据表3分别取各等级分值范围的中间值即92.5、77.5、62.5、47.5、20。由公式F=C×ST可以求出系统总得分F=0.271 4×92.5+0.330 5×77.5+ 0.269 4×62.5+0.111 1×47.5+0.149×20=75.813参照小净距公路隧道施工安全技术等级状况评价标准表3，可评定为二级即较安全，与隧道施工现场实际情况基本一致。

3.6 各因素对系统安全的影响程度Cij

根据Cij=Di×Dij求影响度，结果见表4。根据Cij的大小确定重要性，从而指出高风险施工因子。从表4看出中间岩柱受力状况及稳定性U95对施工系统安全的影响程度最大，设计参数与实际围岩吻合度U91和施工支护质量控制U93次之，可以帮助小净距隧道现场施工安全管理人员辨识潜在的施工风险因子，指出安全管理工作的重点防范对象，同时对于交通行业深入开展“安全生产年”活动，全面推进“三项行动”和“三项建设”，进一步促进交通运输行业安全发展有重要意义。

表4 模型层次综合评价

4 结语

1)模糊层次综合评价方法具有可操作性强使用简便的特点，对公路隧道施工安全的各因素进行模糊层次综合评价，能够得到定性和定量的评价结果，定量结果对应相应的定性结果，得到的结果直观、科学、合理、可靠。

2)评价指标体系不但要遵循科学性、可行性和可比性原则，还要具有动态性原则。公路隧道施工安全评价是一个动态过程，在施工不同阶段、不同的情况下，影响施工安全的因素(评价指标体系中的指标)会随之变化。因此，在建立评价指标体系时要注意该体系的开放性、动态性。

3)对隧道施工过程进行定期安全检查和评估，并将结果及时进行反馈，可以为现场施工管理人员发现隧道施工过程中存在的安全问题提供参考，能及时、有效地排除施工过程中的安全隐患，从施工管理的角度减少或遏制重大事故的发生具有十分重要的意义，使现场施工过程控制和管理由被动的管理模式向主动式、预防式的管理模式转变。

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X92;U455

1003-1995(2011)02-0060-04

2010-08-20;