基于G1赋权—物元可拓集成模型的藏噶隧道工程施工质量风险评价研究

2022-05-17张红伟余诗瑶李艳鸽魏涵黄双飞

铁道科学与工程学报 2022年4期

张红伟，余诗瑶，李艳鸽，魏涵，黄双飞

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

我国地形地貌复杂多样，山区面积辽阔，基础设施建设比较落后。依据《中长期铁路网规划》，中西部山区路网规模将继续扩大[1]。其中，川藏铁路是“十四五”期间国家重点交通项目，是贯彻落实新时代党的治藏方略的一项重大举措，对维护国家统一、促进民族团结、巩固边疆稳定、推动西部地区经济社会发展，具有十分重要的意义。川藏铁路经过多个地貌单元，沿线海拔高，地势高差大，气象气候、地形地质、生态环境极其复杂，自然灾害频发，板块活动强烈，且穿越众多无人区，交通条件恶劣。大量深埋超长隧道遇到的高地应力、高地热等问题世界罕见。受复杂山区条件以及铁路技术标准限制，隧道工程是川藏铁路主要工程形式，且多为控制性工程，在建设过程中若对影响施工质量的风险因素没有全面的认识并采取管控措施，将会造成巨大损失，从而给铁路隧道工程施工质量管理带来风险隐患。在铁路隧道工程施工质量风险研究方面，国外学者进行了一定的探索，主要基于风险理论对不确定性因素下的隧道成本、风险管理准则等开展研究，典型成果如EINSTEIN等[2-4]。随着我国经济发展与西部山区隧道建设规模扩大，针对山区铁路隧道工程风险评估的研究力度也逐渐增大。该方面研究最早见于黄宏伟[5]对隧道及地下工程进行的风险评估，开发集工程风险评估与管理于一体的综合管理信息系统。在这些前期研究基础上，霍振升等[6-7]采用核对表法建立了5个1级指标以及相应的38个2级指标的风险评估指标体系，也构建了BP神经网络铁路隧道施工风险概率评估模型和山岭铁路隧道施工风险后果评估模型，初步实现了对隧道风险进行动态管理和控制。喻渝等[8]对郑万高铁湖北段隧道展开风险评估研究，以安全、自然和工期因素建立了8个风险指标，评判各指标风险等级，并从勘察设计和施工分阶段制定风险对策。这些研究都为川藏铁路这类复杂施工环境下的隧道工程施工质量风险的识别和防控提供了参考。虽然，目前国内外学者在复杂山区铁路隧道工程建设领域的研究有较大进展[9-12]，但多集中于施工安全风险评估，对复杂山区铁路隧道工程施工质量风险的研究则较为少见，难以满足我国复杂山区铁路对风险管控提出的高标准和严要求。同时，在风险评价模型的选取上，国内外学者多采用层次分析法、人工神经网络法、模糊综合评价法等进行分析，但复杂山区铁路隧道工程施工质量风险因素具有模糊性和复杂性，因素之间存在着相互依赖和反馈的关系，单独使用这些方法不能完全体现风险特点。针对上述问题，本文以拉林铁路藏噶隧道为研究对象，进行隧道工程施工质量风险评价研究。首先，确定风险评价指标体系。其次，基于G1法和物元可拓理论建立风险评价模型，深入探讨藏噶隧道工程施工质量风险。最后，根据风险等级提出风险应对措施。

1 区域概况

藏噶隧道位于川藏铁路线拉林段3标标尾，地处西藏自治区青藏高原东南部，山高谷深，谷岭交错，地势起伏跌宕。隧道全长8 755 m，隧道最大埋深约750 m。隧址覆盖层主要为第四系细、粗角砾土，碎石土及块石土。下伏基岩为花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩。隧址区基岩裸露，岩层为角度不整合接触。洞身穿越3处断裂，区域性断裂构造极为发育。岩质坚硬，岩体破碎，节理裂隙发育。主要不良地质有地震、危岩落石、泥石流、岩爆、冰水沉积层以及冻害，未见特殊岩土。区域地下水丰富，透水性强，渗透系数大，主要为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水，补给来源主要为大气降水和地表水。

总体来看，藏噶隧道地处川藏铁路全线地质条件最复杂、施工难度最大、风险最高的区段，因此被列为全线重难点控制性“咽喉”工程。其施工难点可以主要概括为3个方面：1)地质极其复杂，隧道穿越7个不良地质断层带，冰水沉积层段长达960 m，连续富水断裂带长度为900 m，高地应力导致的最大变形断面累计水平收敛值达3.1 m。2)技术性较强，采用了分台阶帷幕注浆、管棚加小导管超前支护以及小断面三台阶开挖的施工方法，并以超前地质预报等手段进行辅助施工，使用双层钢筋支护、长短组合锚杆等措施。3)隧道所在地区温差大，多年平均气温8.2℃，极端最低气温−11.5℃，极端最高气温29℃，对户外混凝土施工有较大影响。

2 研究方法与模型

主要通过文献调研和典型复杂山区铁路隧道工程案例分析，综合运用德尔菲专家咨询法，构建藏噶隧道工程施工质量风险指标体系。引入G1赋权—物元可拓集成模型，计算确定各指标权重并构建风险评价模型。

图1 藏噶隧道现场照片Fig.1 Site photo of the Zangga tunnel

2.1 隧道工程施工质量风险评价指标体系构建

通过相关文献调研[5,13-17]并结合前期在宜万铁路、兰渝铁路、云桂铁路、成兰铁路等典型复杂山区铁路的隧道工程案例及现场调查结果，将隧道工程施工质量风险因素进行汇总，形成初步风险因素清单。为保证建立的藏噶隧道工程施工质量风险因素清单更加科学合理，在初步风险因素清单的基础上，通过德尔菲法进行优化。邀请参与拉林铁路建设的专家，通过访谈获取专家对藏噶隧道工程施工质量风险指标的建议，判断初始评价指标与实际工程的吻合度，并采用李克特量表设置指标吻合程度为“非常符合”“符合”“一般符合”“不符合”“非常不符合”，分别对应分值“5”“4”“3”“2”“1”。对专家建议数据的统计指标主要通过专家意见的平均数计算和专家意见一致程度检验2个步骤分析而得到。

1)专家意见的平均数计算

mj表示第j个指标的专家人数；Cij表示第i个专家对第j个指标的评分数；Mj表示对应的指标重要程度。吻合程度为“符合”，因此通过专家对于各指标评分的平均数值是否大于4来判断指标与实际的符合程度。

2)专家意见一致程度检验

肯德尔和谐系数w常用于比较多组数据的一致性，且侧重于分析数据之间的关联性。选取肯德尔和谐系数进行一致性检验，可以判断各专家是否对各项指标达成共识，其取值范围在0～1之间，当取值大于0.6时，认为专家之间达成了意见共识。

2.2 基于G1赋权法的质量风险指标权重确定

考虑藏噶隧道工程施工质量风险评估是一个具有较强针对性和地域性的复杂、动态综合体系，本文选用G1法[18]进行评价指标赋权，具体步骤如下。

1)确定各指标的序关系

假设x1,x2,…,xn为待评价方案中的n个经过无量纲化的评价指标，专家根据项目特点以及自身工作经验排定序关系。专家从{x1,x2,…,xn}中选出认为最重要的一个指标记作x′1；专家在剩余的n-1个指标中选出认为最重要的一个指标记作x′2；依此类推，专家在剩余的n-(k-1)个指标选出认为最重要的一个指标记作x′k；经过n-1次选择之后剩余的指标记作x′n。综上，可以确定评价指标集唯一序关系x′1>x′2>…>x′n。

2)确定相邻指标的重要程度

专家关于评价指标xk-1与xk的重要程度之比ωk-1/ωk的理性判断为：

xk-1和xk的重要程度取决于r k的取值，取值越大，表明重要程度越大。

3)计算权重

根据专家给出r k的理性赋值，则有ωn的计算式为：

设有m(m≥2)个专家对n(n≥3)个指标进行评判，假设第k(k=1,2,…,m)位专家按照G1法排序所有指标，得到各指标权重为ωki(i=1,2,…,n;k=1,2,…,m)，设第l位专家的权重系数则对每一个指标的集结为权重为：

假定各位专家的意见同等重要，即有d l=1/m，各指标的权重则为各专家通过G1法原理求得的权重的算术平均值：

2.3 隧道工程施工质量风险评价的物元可拓模型构建

考虑复杂山区铁路隧道工程施工质量风险因素具有模糊性和复杂性，目前常用的层次分析法、人工神经网络法、模糊综合评价法等无法充分体现风险因素之间的相互依赖和反馈的关系。而物元可拓模型适用于多指标评价，具有较强的动态性，可以使得风险评价结果更为具体。该模型以物元可拓为基本思路，应用物元变换化和熵值法确定权重系数，可以避免主观性问题，既能评价对象优劣程度，同时还考虑了评价对象的动态性和可变性。因此，基于上述考虑，选取物元可拓模型进行藏噶隧道工程施工质量风险评价。

1)确定评价特征集和风险等级域

本文研究的隧道施工质量风险从c1风险发生的概率和c2风险发生的后果影响程度2个特征进行分析，风险特征集表示为：

依据《铁路隧道工程风险管理技术规范》[19]，建立藏噶隧道工程风险等级域U={Np|Np=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}，如表1所示。

表1 藏噶隧道工程施工质量风险等级域Table 1 Construction quality risk grade domain of the Zangga tunnel engineering

2)确定经典域和节域

首先构建评价物元R=(N,c,v)，N表示风险评价的主体；c1,c2,…,c n为评价主体N的n个特征；v1,v2,…,vn则为相对应的量值。其经典域矩阵记作：

其中，被评价主体N分为p个等级，Rp表示p级风险经典域物元；Np表示风险评价对象的第p级；ci表示Np的主要特征指标；vpi=(api,bpi)表示N的各特征指标处于p级的量值范围，该范围称为经典域[20]。

节域为风险等级全体关于对应特征指标的取值范围，节域物元可表示为：

其中，U为全体风险等级；ci表示特征指标；vUi=(a Ui,b Ui)表示全体风险等级关于对应的特征指标的量值范围。

3)确定待评价物元和关联度

待评价物元用物元矩阵R0来表示：

其中，N0表示待评价事物，即风险因素指标；ci表示特征指标；vi则为N0关于特征ci的量值，即各指标所得到的具体数值。根据G1法计算出的权重系数计算各级指标的综合分值，即可得到各级指标的量化值。

第i个指标属于第p等级的关联函数为：

ρ为距离函数，ρ(vi,vpi)表示指标与经典域的距离，ρ(vi,v Ui)表示指标与节域的距离。

4)确定综合关联度和风险等级

依据求得的权重和关联度，求取综合关联度：

其中，Kp(N)表示事物N关于各风险等级的综合关联度；ωi为各特征指标的权重系数；Kp(vi)是各特征指标关于p等级的关联度。根据评价值和以上所确定的值域范围，确定风险等级：

式(9)表示待评价事物的综合评价等级为综合关联度取最大值时的第p0等级。若计算出的综合关联度Kp(N)>0，则表示评价对象属于对应的评价等级。

3 结果分析及应对措施

3.1 藏噶隧道工程施工质量风险因素识别

根据2.1节所述方法，在专家意见汇总的基础上，首先剔除结果中平均分值小于4的指标因素。然后，计算得到肯德尔和谐系数w为0.608，大于0.6的一致性检验阈值，表明所调研和统计的专家意见达成一致。最后，将各个因素属性进行层级归纳和分类，构建出包括人员、材料与设备、环境、技术和管理因素5个1级指标，29个2级指标的藏噶隧道工程施工质量风险指标体系(如图2)。

图2 藏噶隧道工程施工质量风险指标体系Fig.2 Quality risk index system of the Zangga tunnel construction

3.2 指标因素权重确定

通过访谈参与该项目的资深专家，进行藏噶隧道工程施工质量风险各指标重要性的判断。通过对访谈结果进行整理和分析，得到10位专家对各1级指标的赋权，取10位专家数据的算术平均值作为指标的权重系数，指标权重见表2。

3.3 计算风险等级

1)确定经典域和节域

藏噶隧道工程经典域表示为：

2)确定待评价物元

根据风险等级范围(表1)，邀请专家进行打分，通过算术平均法确定各2级指标的量化值，待评价物元如下：

①人员风险

②材料与设备风险

③管理风险

④技术风险

⑤环境风险

计算出各2级指标的综合得分，即可构成1级评价指标的量化值，计算结果如下：

3)计算综合关联度和风险等级

各级指标关联度及风险等级如表2所示。藏噶隧道工程施工质量风险综合关联度为0.201 6，施工质量风险等级为Ⅱ级中度，而前期工程施工的实际情况表明，藏噶隧道建设过程中未发生质量事故，也尚未有需要进行缺陷整治的部位。因此，评价结果与实际情况基本吻合。

表2 各级指标权重计算与评价指标风险等级结果Table 2 Risk rating of evaluation indexes at all levels

3.4 藏噶隧道工程风险应对措施

根据计算结果，影响隧道施工质量的Ⅲ级高度风险因素主要包括劳务作业人员综合素质不足(A1)、事故预警及预防措施落实不到位(C1)等，详见表2。表2中所揭示的高度风险因素也与施工单位在现场发现和重点关注的施工风险产生原因基本吻合。这些风险因素的识别有助于工程项目管理人员掌握拉林铁路隧道工程施工质量风险的形成原因。同时，本文针对表2中分析得到的Ⅲ级高度风险因素提出应对措施，以期降低藏噶隧道工程风险，主要应对措施包括：

1)人员因素改进措施。施工单位应当对劳务作业人员制定专项措施办法，一方面保障劳务作业人员的合法权益，另一方面规范其行为；管理方应提高劳务人员准入门槛，确保资质合格，其次应加强劳务用工培训，有针对性地提高其技术水平、质量意识等。

2)管理因素改进措施。针对事故预警及预防措施落实不到位、员工教育与培训不到位和施工现场组织管理不善等管理因素，需完善施工质量管理体系，包括落实事故预警及预防措施，加强沟通协调与风险监测，改善施工现场组织管理，建立健全质量管理控制体系，做好施工调度管理。

3)技术因素改进措施。针对超前地质预报可靠性不足、监控量测不到位、支护方法时机不当和其他技术因素，需合理把握支护时机，详细了解隧址区地质情况以及围岩特性，依据围岩等级选择合理的支护方式且严格进行实时监控测量与预警，及时采取处理措施。

4)环境因素应对措施。需要降低复杂环境的负面影响，针对偏压现象、不良地质等复杂环境应加强勘察、实时监测，做好施工应急预案，确定处理措施，确保工程施工质量。