基于变权公路路基工程施工风险模糊综合评价

王 超

(福建船政交通职业学院,福建 福州 350001)

0 引言

公路施工过程中面临着许多风险,若风险没有得到有效控制,将可能导致事故发生,轻则造成工期延误、财产损失,重则可能引起人员伤亡。因此对公路工程施工风险进行评价,合理确定风险,进而采取针对性的防控措施降低施工风险,才能防范事故发生。

路基工程是公路工程的一个重要分项工程,其施工过程中主要包括场地清理、土石方工程、压实与加固、路基防护等。这些施工过程中大量使用机械,在山区施工还将涉及爆破工程,其风险性在公路工程施工中占有很大的比例[1]。因此,对路基工程施工风险评价是公路工程施工风险评价一个重要部分。在路基工程施工风险评价中常用的是常权综合评价法[2],该方法虽然保留了每一个单个因素的全部信息,但本质是一种线性的加权平均法[3-5],权重在整个评价过程中不随指标的实际情况而改变。然而,在现实情况中,当评价的某项指标出现极端情况时,若采用常权的方法,则由于评价因素多可能出现极差因素被“淹没”现象[6,7],不能够合理反映评价对象的真实状况。为了消除常权综合评价中这一弊端,本文将变权原理引入到模糊综合评价法之中,确定路基工程施工风险评价指标,并对某公路项目路基工程中的施工总体风险进行评价,真实可靠地反映其风险的状态。

1 路基工程施工风险评价体系

1.1 路基工程特点与施工风险来源

路基工程相对于其它工程来说,具有由岩石材料构成、处于露天环境、为一种由人工在现场建造的工程构筑物等特点[8]。这些特点决定了路基工程建设中必然存在着各种潜在的影响路基工程施工安全和质量等不确定因素,即路基工程中存在着施工风险。风险来源主要有土石方工程、自然环境、建设规模、施工工艺的成熟程度等。

1.2 路基工程施工风险的评价指标确定

现行公路工程施工风险评价是在可行性研究报告及地质灾害报告通过审查后,工程详细设计尚未进行之前进行。该阶段工程详细参数尚未确定出来,因此路基工程施工风险评价指标划分不宜涉及过多的工程参数,应具有可操作性。此外,路基工程中的风险来源决定了路基工程的风险高低。因此路基工程施工风险指标主要包括:

(1) 路基建设规模

根据路基工程施工过程特点,石方爆破将直接影响工程的风险程度,一般来说石方爆破工程量在路基土石方中的占比越大风险也就越大。

(2) 地质条件

在路基工程施工中,由于不良地质灾害导致的事故时有发生(特别是山区地带),例如滑坡、泥石流、采空区、强震区、雪崩区、水库坍岸区等对路基工程施工安全带来了较大风险。

(3) 气候环境条件

气候环境直接影响着路基工程施工,如果正在施工地区气候适宜,对于施工则影响较小,反之则可能产生直接的影响,南方地区夏季炎热、北方冬季冰冻寒冷直接影响施工人员的工作效率,炎热气候下人员长时间劳动可能引起人员中暑,甚至引发安全事故,寒冷气候下施工灵活性受到影响。

(4) 地形地貌条件

平原区的路基工程施工显然较山岭区的施工相对容易,工程机械一般较少受到场地的影响,故施工过程中的风险也不同。

(5) 施工工艺成熟度

对于施工工艺成熟,国内外尤其是国内有过普遍应用,有前期相近类似的施工案例作为基础,后期施工工艺和施工过程能够较好地辨识和控制施工过程中的不安全因素,其施工的风险相对于新出现、首次使用的新工艺的施工风险显然会降低很多。

2 基于变权的路基工程施工风险模糊综合评价

2.1 变权综合评价模型

常权综合评价模型为:

(1)

在变权模式下,综合评价模型修正为:

(2)

变权评价模型需满足变权[9]、状态变权向量[10]和均衡函数[11]三个公理化定义。

均衡函数的公理化定义为:

函数B:(0,1)m→R称为均衡函数,是指它具有非负连续的偏导数:

(3)

且满足:

B1)Sj(σij(x1,…,xm))=Sj(x1,…,xm);

B2)xi≥xj⟹Si(x1,…,xm)≤Sj(x1,…,xm);

B3)

(4)

其中式(4)称为均衡函数B(x1,…,xm)的变权模式。

均衡函数有两种基本类型,即∑型和∏型:

(5)

(6)

式(5)代入式(4),得变权公式:

(7)

式(6)代入式(4),得变权公式:

(8)

可以看出,式(8)为式(7)在α=0的特殊形式,即可认为均衡函数∏型可转化为∑型。

讨论式(7)中α值:

当0≤α<1时,wj(x1,…,xm),(j=1,2,…,m)关于每个变元xj满足惩罚性,即随xj减小,wj(x1,…,xm)变大;

当α>1时,wj(x1,…,xm),(j=1,2,…,m)关于每个变元xj满足奖励性,即随xj增大,wj(x1,…,xm)变大;

当α=1时,为常权。

在应用上述变权模式时,确定α的大小是个难题,它与所研究的实际问题、人的心理期望等无法定量的因素以及评价方法有关。

2.2 路基工程施工风险的评价等级

参照《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评价指南(试行)》对于施工风险等级划分的基础上[12],将路基工程施工风险分为I(低度风险)、II(中度风险)、III(高度风险)、IV(极高风险)四个风险等级。对于处于III级及以上风险等级的工程施工,应纳入专项风险评价范围,建议该项目在施工开工前,对路基工程施工开展专项风险评价,并制定和完善落实各项安全技术措施、安全管理措施及安全应急措施。对于IV风险等级应停止工程详细设计,对工程可行性研究报告进行修改调整。

2.3 路基工程施工风险评价指标隶属函数的确定

隶属函数是用精确语言对事物模糊性进行描述的方法。隶属函数可根据模糊统计试验、概率统计的处理结果、二元对比排序、推理的方式、专家经验等进行确定,也可由待定系数法确定[13]。针对路基工程施工风险评价主要根据评价指标数据来源的现状使用待定系数法确定,采用梯形分布类型。各指标具体隶属函数如下:

(1) 路基建设规模

(9-1)

(9-2)

III级

(9-3)

IV级

(9-4)

式中,d为石方爆破占路基土石方工程的百分比。

(2) 地质条件

(10-1)

(10-2)

(10-3)

(10-4)

式中,d为地质条件系数。

地质条件的描述很难能够使用具体的数值进行量化,地质条件的刻画往往是使用具体的、细致的语言进行描述,但是地质条件好坏却与几个要素密不可分,比如滑坡的可能、是否会产生泥石流、是否位于采空区、强震区等,因此本文采用赋值的方式对地质条件进行量化,地质条件系数d具体见表1。

表1 地质条件系数d

(3) 气候环境条件

(11-1)

(11-2)

(11-3)

(11-4)

式中,d为气候的适宜指数,取值见表2。

表2 气候环境条件系数d

(4) 地形地貌条件

(12-1)

(12-2)

(12-3)

(12-4)

式中,d为地形地貌条件系数,取值见表3。

表3 地形地貌条件系数d

(5) 施工工艺成熟度条件

(13-1)

(13-2)

(13-3)

(13-4)

式中,d为施工工艺成熟度系数,取值见表4。

表4 施工工艺成熟度系数d

2.4 路基工程施工风险变权模糊综合评价步骤

在路基工程调查的基础上,按照如下步骤进行施工风险评价:

(1) 建立评语集

根据施工风险等级划分,建立评语集,如式(14)所示,子集分别代表Ⅰ(低度风险)、Ⅱ(中度风险)、Ⅲ(高度风险)、Ⅳ(极高风险)四个风险评价等级。

V={V1,V2,V3,V4}

(14)

(2) 建立评价指标集

具体评价指标的集合,如式(15)所示,子集分别代表上述路基工程施工风险的五个评价指标。路基工程评价指标值需要根据工程实际合理确定。评价指标集:

U={U1,U2,U3,U4,U5}

(15)

(3) 建立指标矩阵R

R={rji}5×4(j=1,2,…,5;i=1,2,…,4)

(16)

式中,rji为指标的隶属度,表示指标集中某一指标uj隶属于评语集中Vi的程度,取值范围在[0,1]区间,由上述的隶属函数确定。

(4) 确定各指标的权重W(0)

(17)

式中,W(0)一般采用层次分析法确定,反映评价指标的相对重要性程度。

(5) 将指标矩阵R代入式(7),逐一确定每个评价等级的变权权重Wj,最后形成变权权重矩阵W:

W={wij}5×4T

(18)

(6) 进行变权模糊综合评价:评价结果为B(0)=W·R={bii}4×4(i=1,2,…,4),取其对角线上的值,即取b*=max{b11,b22,b33,b44},归一化后,得相应的评价结果。

3 工程实例

福建省境内普通国省干线某段公路工程项目,全长14.23km,路基宽度为10m,采用二级公路标准建设,设计速度为40km/h,全线水泥砼路面,挖填方工程较多。结合路基工程实际状况,确定评价指标集:U={0.3,0.55,0.4,0.45,0.2},分别使用变权模糊评价和常权模糊评价(分别采用加权平均型和主因素突出型[6,14])两种方法进行评价。在变权模糊评价中,由于路基工程是一个重要的分项工程,路基工程施工风险对整个公路施工安全起到重要影响,因此评价指标的权值宜采用惩罚性的变权方式,变权系数α取0.5。最终评价结果见表5。

表5 某路基工程施工风险评价结果

通过比较分析,三种方法计算出评价等级隶属度排序上略有不同,其中以变权模糊评价和加权平均型评价得到的最大隶属度等级相同,主因素突出型得到的III、IV等级隶属度相同。三种方法中以变权模糊评价计算出的各等级隶属度差异性更大,主要是由于变权充分考虑到了各指标状态的均衡性,通过变权更好地反映指标等级状态的不均衡性,使评价结果更具离散性,从而更容易地区分评价等级。加权平均和主因素突出型中个别极差因素由于常权不变而被“淹没”,无法“显现”出来,从而导致评价结果缺少客观性。

4 结论

(1) 构建路基工程施工风险变权模糊综合评价模型,通过变权能较好反映个别极差指标,评价结果更具离散性,从而得到更具客观性结果。

(2) 基于施工风险评价的时间节点、施工特点和风险来源,确定了路基工程施工风险评价指标,指标参数的获取具有可操作性。

(3) 建立了路基工程施工风险各指标的隶属函数,并给出了参数选取依据。