基于FAHP-云模型的钢壳混凝土沉管隧道施工风险分析

2024-01-02谢梦罗康韩辉杨福林

广东公路交通 2023年6期

谢梦罗，康韩辉，杨福林

(1.深中通道管理中心,广东中山 528449;2.中山翠亨新区工程项目建设事务中心,广东中山 528451)

0 引言

运用沉管法施工的水下隧道因具有断面形状灵活[1]、埋深小、工期短以及结构防水性强等优点,在工程建设领域得到广泛应用[2]。沉管隧道通常分为钢筋、钢壳等混凝土结构形式,但目前我国已完工的沉管隧道基本为钢筋混凝土结构[3]。钢壳混凝土沉管隧道组合结构属于新技术,其建造工艺复杂、水上水下高风险作业多、施工风险管控具有挑战性。目前我国对钢壳混凝土沉管隧道施工风险评估体系研究成果不多,相关的风险研究与管理的文献较少,制约着钢壳混凝土沉管隧道施工技术的发展[4]。

在已有的水下沉管隧道风险研究成果中,不少专家学者进行了多方面的探索。如:洪选华[5]建立海底隧道施工风险评价的指标体系;Stephen Slot Odgaard[6]等从设计安全的角度对近海条件下公路钢筋混凝土沉管隧道建设进行了研究;宋浩然、张顶立[7]等以大连湾海底隧道为背景,从施工技术、经济、作业安全和环境影响等方面对施工方法进行风险评价;张姣、廖斌[8]对沉管隧道施工风险采用模糊综合评价法进行了评估,并通过案例形式对港珠澳大桥沉管隧道的施工进行了分析;谢震灵、何晓波[9]对长距离复杂水域环境下的钢筋混凝土沉管管节浮运风险进行了分析,提出了相应的应对措施。综上可知,国内外专家、学者都对钢筋混凝土沉管隧道施工风险管理进行了深入全面的研究,而对于钢壳混凝土沉管隧道的研究尚不多。

对于我国的钢壳混凝土沉管隧道施工风险评估工作来说,综合来说仍存在两大主要难点。一是参考资料少。钢壳混凝土沉管隧道属于新技术[10],可供借鉴的经验较少。二是行业、专业跨度大,造成风险评估与分析工作开展难度较大[11]。钢壳混凝土沉管隧道施工是一个复杂的系统工程,涉及大量的海上、水下施工,运用传统的公路、铁路或市政道路风险管理模式存在制约,需要大量融合水运、港口、海事、航道、制造业等相关的专业技术知识和风险管理知识,对风险评估工作带来了挑战。

本文全面考虑了钢壳混凝土沉管隧道施工的特点和难点,基于优化LEC法将FAHP-云模型运用于风险评估中,实现了风险辨识的系统性和可靠性。并将评估模型运用于深中通道钢壳沉管隧道项目,以工程案例的形式验证该方法的有效性。

1 施工风险评估流程及方法

在充分研究多种定量、定性的风险评估方法的基础上,针对钢壳混凝土沉管隧道这种施工技术复杂的特殊结构施工风险,决定采用基于LEC法的FAHP-云模型风险评估法,将LEC法进行适度优化,通过模糊层次分析法建立权重值模型和评判矩阵,运用MATLAB云模型进行数值模拟和分析,得出风险源等级。

1.1 建立风险评估模型

本文介绍的钢壳混凝土沉管隧道是指在双面钢板间充填混凝土,钢板内侧分布栓钉、槽钢等连接件,通过连接件将钢板与混凝体连接成整体,从而形成组合结构。开展施工安全风险评估需对施工作业活动进行分解,如图1所示,选取合适的分解指标作为评估单元,进行风险源风险等级的评估。本文考虑施工风险管控的实际需求,以钢壳混凝土沉管隧道总体风险和7个指标层作为风险评估的对象,如图2所示。

图2 钢壳混凝土沉管隧道施工风险源层次分析模型

1.2 风险源识别

AHP层次分析法是一种系统分析与决策的综合评价方法,通过层次体系的建立将风险评估定性问题定量化[12]。

1.2.1 构建判断矩阵

根据图1所示的层次模型,邀请专家对各风险源进行打分。将指标层的7个因素利用 1～9标度法进行两两比较[13],建立判断矩阵。如建立目标层K以及指标层K1,K2,K3……Kn,对其指标层进行两两比较以体现其重要性关系,可得判断矩阵K=(kij)n×n。

判断矩阵K:

(1)

(2)

1.2.2 确定指标权重

计算判断矩阵K值,求得其特征向量,对应的值为各指标因素的权重值。

首先计算特征向量W的分量Wi:

(3)

进行归一化处理:

(4)

计算最大特征值:

(5)

特征向量为:

W=(W1,W2,…Wn)

(6)

1.2.3 进行一致性检验

为对专家打分的分值可信度进行验证,需对其进行一致性检验。

(7)

(8)

当CR<0.1时,认为计算结果通过一致性检验。RI的取值见表1。

表1 RI取值表

1.3 MATLAB云模型数值模拟

在云模型理论中,U为定量论域[14],C为该域上的定性因素[15],x为C在论域U上的随机变量。x对C的确定度可以表示为μ(x),且μ(x)∈[0,1][16]:

μ(x)=exp[-(x-Ex)2/2(En')2]

(9)

多个x的集合组成为云,其中的每一个云滴代表一次变量x[17]。云滴在论域的期望为Ex,En代表其不确定性。在此过程中,通过云滴能很好地反映出风险分析数据定量转化过程中的模糊性[19]。通过对正向云发生器中的云滴离散程度[20]进行判断,可以对指标值W的有效性进行科学性检测。通过逆向云发生器,可以计算出指标期望值W'。

1.4 风险等级评定

在传统LEC法的基础上将指标因素优化为权重指标、风险损失、风险概率的集合,结合MATLAB云模型进行计算,确定钢壳混凝土沉管隧道施工指标层风险源等级。运用FAHP模糊层次分析法,评判钢壳混凝土沉管隧道的总体风险等级。

1.4.1 构造指标层风险源评判模型

LEC评价法将风险分解为事故发生的可能性、人员暴露危险性环境的频率、事故的后果[21]等三个指标,通过赋值来评价系统整体风险的大小。公式为:

D=L×E×C

(10)

本文结合实际工程的需要,将LEC法指标优化为风险源权重值L、人员伤亡损失B、财产损失G、风险发生概率C(取值介于0～1之间),并应用于此次研究中,形成优化的LEC法。公式为:

D=L×(B+G)×C

(11)

运用优化的LEC法邀请专家对每一项风险源进行打分。为了确保数值的可靠性,运用MATLAB对C值、D值进行模拟。运用逆向云发生器得出期望值C'替换公式中的C,按照同样的方法得出期望值D'。最后通过对比表2,判断各风险源的等级。

表2 优化的LEC法参数取值

1.4.2 构造总体风险评判模型

FAHP法是在层次分析法的基础上,利用模糊数学原理和最大隶属度原则,加权计算得出评价整体的评估结果。步骤如下:

(1)建立评价指标因素集U。

U={u1,u2,…,un},(i=1,2,…,n)

(12)

式中:ui为风险因素,i为因素的个数。

(2)建立评价集V。

V={v1,v2,…,vj}

(13)

评价集是对风险因素评估结果的集合。评价集一般用模糊性语言作为评价指标对评价结果进行阐述,如“低度、中度、高度、极高”,见表3。

表3 总体风险评价集

(3)建立等级评判矩阵。

邀请专家对每一项风险源的风险等级结合表3进行取值,计算取值占比,得到模糊矩阵:

(14)

(4)确定风险等级隶属度。

根据上文得出的期望值W',与模糊矩阵B相乘,可确定总体风险等级隶属度U:

U=W'·B

(15)

2 工程应用及分析

通过目前国内首次应用钢壳混凝土沉管隧道施工技术的深中通道项目,将上述风险评估模型应用于此沉管隧道进行风险评估,验证模型的可操作性。

2.1 工程概况

深中通道位于粤港澳大湾区核心区域[22],是国家“十三五”重点工程,路线全长约24km。沉管隧道位于矾石水道海域,东侧与东人工岛堰筑段、西侧与西人工岛相接,全长5 035m。采用钢壳混凝土结构形式[23],如图3所示。由32节管节组成,其中标准管节26节(编号E2～E27),长165m、宽46m、高10.6m;非标管节6节(编号E1、E28～E32),长123.8m、宽46m～55.46m、高10.6m。最终接头设置在E23与E24之间,长2.2m[24]。