山区公路工程高路堑施工风险评价模型

许 军 ，卢嘉宁 ，栗 飞 ，陈建国 ，杨 瑞

（1.山西省公路局，山西 太原 030006；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；3.山西省公路局 晋城分局，山西 晋城 048000）

0 引言

随着经济的快速发展，我国公路建设也进入了快速发展的时期，公路施工过程中发生的安全风险事故也越来越受到人们的关注。交通运输部安委会发布的《交通运输安全生产事故报告（2018年）》显示，2018年，对我国西南多个省份的统计资料显示，山区公路工程建设事故起数和死亡人数占公路建设总事故总量和死亡人数的56.1%和55.6%[1]。由此可见，山区已成为我国公路工程建设事故的多发区域，而在山区公路施工中，高路堑石方开挖施工难度大、工程量多，有的涉及到爆破施工，已被列为公路施工三大高风险环节之一[2]。

目前，国内山区公路路堑高边坡挖方工程的风险评价研究尚处在发展阶段，王小群[3]研究了模糊聚类层次分析法在建筑施工风险评价中的应用。张雷[4]针对具体工程类型（边坡工程），从微观角度提出风险评估程序，建立一种风险分析模式及风险评估程序。陈科荣[5]用灰色关联度分析法较好地确定了施工过程中风险事故的概率。马楠副[6]将影响施工的关键危险因素综合考虑，做成一张网络风险预测评估图，进行风险评价。周直[7]认为公路施工是一个多维度非线性的过程，并且提出了混沌-神经网络风险评价模型。杨俊辉[8]提出目前的工程评价方法中，指标的确定大多是采取专家打分的主观方式，为了减少主观因素的影响，把BP神经网络理论用于道路施工风险评价。张宇[9]研究了山区公路施工中的风险评价方法和预警技术。这些研究方法中，定性和定量相结合的评价模型比较多，风险率和事故后果的确定中，人为因素影响较大，完全进行定量分析的研究较少见。同时由于施工过程的复杂性和不可监测的特点，客观的数据来源很少，大多采用专家打分的方式等主观方式获取数据。

笔者通过比较现有的山区公路施工风险评价方法，对评价指标划分出不同的分值等级，克服传统施工评价完全依靠专家主观打分获取数据的缺点，最终建立了山区公路高路堑施工的指标体系模型和AHP-模糊综合评价模型，并以山西国道207山区公路某段的高路堑施工风险评价为案例，验证了该模型的有效性。

1 构建综合评价模型

1.1 建立风险评价指标体系

山区公路高路堑施工风险评价指标选取应遵循六大原则：科学性原则、可比性原则、系统综合性原则、代表性原则、可量化性原则、可操作性原则。基于以上原则，运用AHP方法构建评价指标体系，该指标体系分为目标层、准则层和指标层3层，准则层包含建设规模、地质条件、环境条件、边坡加固施工、项目安全管理及路基开挖施工等六类风险因素，指标层包含边坡高度、边坡角度、地层岩性、边坡岩体结构、地下水深度、施工季节、自然灾害、周边环境、防护加固类型、脚手架高度、施工队伍素质、施工企业业绩、开挖方法、开挖与加固之间的工序衔接等14个评价指标，如图1所示。

图1 山区高路堑工程风险评价指标体系

1.2 确定权重向量

采用AHP法确定评价指标权重向量W，计算各评价指标对应于目标层的权重集合W=｛W1，W2，…,Wn｝，其中 W1，W2，…,Wn∈[0,1]分别为对应评价指标U1，U2，…,Un的权重。

1.3 综合评价模型的建立

风险评价应综合考虑风险可能性和后果严重性两个方面，因此山区高路堑施工风险评价模型的形式如式（1）：

式中：D表示风险大小；P表示风险发生的可能性；C表示风险后果的严重程度；f（P，C）表示风险发生的可能性和风险后果严重性的组合。

因此，路堑施工风险评价模型可以分解为两个模型，即风险可能性模型P和风险后果严重性模型C。本文中，采用指标体系法建立风险可能性模型P，采用AHP-模糊综合评价法建立风险后果严重性模型C。

1.3.1 风险可能性模型的建立

a）步骤1 建立专家打分表。

为了克服传统施工评价数据来源的纯主观性，笔者在借鉴相关规范指南和研究成果之上，对设计的专家打分表进行了半定量化处理，对每个指标划定分值区间。专家打分时根据项目具体实际情况，对最合适的分值区间进行打分。

对于建设规模、地质条件等可量化的客观指标，根据现有的研究成果进行量化分级。对于某些不可量化的指标，如项目安全管理、施工组织计划等，运用专家咨询的方式进行指标评定。最终将事故可能性分成4个等级作为专家打分的参考，见表1。

表1 风险可能性评估参考标准

b）步骤2建立指标体系法模型。

式中：Xij表示第i类风险因素的第j个评价指标的分值。

得出F值后，对照表1确定山区公路高路堑开挖施工事故风险可能性等级。

1.3.2 风险后果模型（AHP-模糊综合评价模型）的建立

根据山区公路施工风险模糊性的特点，笔者结合AHP方法和综合模糊评价法的优点，建立了AHP-模糊综合评价模型[10]，用来对施工风险后果进行评价确定风险后果等级。

a）步骤1 设计专家打分表。

设山区公路高路堑施工风险各评价指标Un的分数为x，(x∈[0，100])，其中分数越大说明该指标造成的风险后果越严重，主要考虑事故后果的人员伤亡严重程度和财产损失，请专家对图1中的每个指标进行打分。

其中，事故后果的人员伤亡严重程度和财产损失参考标准见表2。

表2 人员伤亡和财产损失评估参考标准

b）步骤2 建立评价因素集合U。

因素U集包含风险评价指标体系里的所有指标，如式（4）所示

c）步骤3 建立评语集V。

在评价山区道路施工后果风险等级时，依据人的认知习惯，将评价等级设为“轻微”，“一般”，“较大”，“重大”，“特大”。

d）步骤4 建立模糊关系矩阵：

采用专家打分法对公路施工安全的各个评价指标分别给出评分值，构造隶属度函数 fV1，fV2，fV3，fV4，fV5，表示因素集U中每个指标对于后果评语集vj的隶属程度[11]，最终构建的隶属度函数如式（7）～式（13）所示。

若用rij表示第i个因素对于第j个评语等级的隶属度，则因素集U与后果评语集V之间的模糊关系可用模糊关系矩阵RV来表示。

矩阵中 0≤rij≤1，i=1，2…n，j=1，2，3，4，5。

e）步骤5 计算评价结果。

采用适合的模糊算子对模糊矩阵R和指标权向量W进行模糊运算，从而得到评价结果。

式中：＠为某一模糊算子符号。

f）步骤6 确定风险等级。

2 案例分析

本文以国道207新房洼至省界瓶颈路段施工工程第一合同段项目为依托，选取K1327+410—K1327+720桩号处的路堑石方工程施工为案例，运用上述提出的风险管理理论对该案例处的挖方工程进行风险评价。

2.1 建立评价指标体系

按照工程项目实际情况，运用AHP方法建立如图1所示3层评价指标体系。

2.2 确定权重

采用AHP法确定评价指标权重向量，最终计算出指标层各个指标对目标层的权重值：W=[0.130，0.120，0.111，0.100，0.093，0.084，0.076，0.067，0.060，0.049，0.041，0.032，0.023，0.014]，对应的评价指标排序为：[边坡高度，开挖方法，边坡岩石结构，防护加固类型，脚手架高度，周边环境，边坡角度，地层岩性，开挖与加固之间的衔接工序，地下水深度，施工队伍素质，施工企业资质，施工季节，自然灾害]。

2.3 风险可能性评价

邀请专家对风险指标导致事故的可能性进行打分，再对全体专家的打分值取平均值，得出最终结果见表3。

表3 风险可能性评价专家打分结果

根据指标体系法模型计算风险概率等级：

同样可以计算出其他9位专家的评价结果，分别为：48.3，50.1，49.6，51.2，41.8，40.7，42.6，58.5，57.9，59.4，求得平均值为 55.58。

得出F值后，对照表2，确定路基石方开挖施工事故概率风险等级。可以得出，该路基石方开挖施工项目的总体风险概率等级为3级，即很“可能”发生风险事故。

2.4 风险后果评价

根据AHP-模糊综合评价模型的建立方法，首先得出风险后果评价专家打分结果，如表4所示。

表4 风险后果评价专家打分结果

根据式（6）～式（13）建立的隶属度函数，计算得出各个指标对评语集中每个评价等级的隶属度，最终得到综合评价模糊关系矩阵R。

基于AHP得到的权重向量W，计算模糊评语集B。

B=WR=[0.207,0.242,0.172,0.673,0.629].

根据最大隶属度原则，可以得出：

B(V4)=0.673=max[0.207，0.242，0.172，0.673，0.629]，即所研究案例处施工风险后果等级为“较大”。

3 评价结果分析

根据评价指标权重值、风险可能性评价结果、风险后果评价结果可知，在本案例中，风险可能性等级处于3级，即很“可能”发生风险事故。风险后果等级处于“较大”等级，总体来说此桩号处的施工风险等级较高。“边坡高度”是对施工风险影响最大的一个因素，根据工程经验，高于20 m的土质边坡和高于30 m的岩质边坡，开挖后大约会有40%处于不稳定或欠稳定状态，虽然采取了预应力锚索、抗滑桩等措施进行加固和支挡，但在施工过程中仍然可能会有部分边坡失稳的发生。由于“边坡开挖”要涉及爆破施工，因此危险等级也较大。山区高路堑边坡经常会发生边坡失稳、岩崩落石等灾害，开挖后边坡是否稳定和边坡岩体结构、边坡防护加固类型有关，因此这两个指标的权重也比较大。在山区道路施工中“高处坠落”是常见的风险，所以“脚手架高度”也是一个重要指标。其他影响因素在山区高路堑施工风险中不占主导地位，但也不能忽视。

4 结论

根据山区公路工程高路堑施工特点建立评价指标体系，对评价指标进行量化分级处理来获取所需数据，克服了传统施工评价完全依靠专家主观打分的缺点。本文建立的山区公路高路堑工程施工风险评价模型，运用AHP方法建立评价指标体系，包含六类14个指标，将构建的指标体系模型和AHP-模糊综合评价模型应用到山区公路施工项目中，并与施工实际情况进行比较，验证了方法的有效性。