李永永，黃志義，王景春

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310027;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

小凈距公路隧道施工安全模糊層次綜合評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用

李永永1，黃志義1，王景春2

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310027;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

根據(jù)小凈距公路隧道的施工特點(diǎn)，科學(xué)、合理地建立了小凈距公路隧道施工系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊層次綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后對(duì)黃衢南高速公路焦塢小凈距隧道施工系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際施工情況較吻合。

小凈距隧道 模糊層次綜合評(píng)價(jià)法 安全評(píng)價(jià)

隨著高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，山區(qū)高速公路選線時(shí)上、下行隧道往往受地形限制，使得兩相鄰隧道的最小凈距不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。在此情況下，工程實(shí)踐中衍生出一種新型的隧道結(jié)構(gòu)形式——小凈距隧道。如何確保小凈距隧道施工安全，預(yù)防重特大事故發(fā)生，保障施工人員的人身和財(cái)產(chǎn)安全是隧道工程領(lǐng)域的一個(gè)全新課題。早在1942年就有間距為0.425D的超小凈距的工程項(xiàng)目［1］。目前小凈距隧道的研究主要集中在用數(shù)值模擬的方法評(píng)價(jià)合理凈距、圍巖穩(wěn)定性、中間巖柱的受力形狀、爆破振動(dòng)影響、開(kāi)挖方法及支護(hù)的影響［2］。

影響小凈距隧道施工系統(tǒng)安全的因素繁多、關(guān)系模糊復(fù)雜、數(shù)據(jù)干擾性大，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。針對(duì)具體工程(系統(tǒng))進(jìn)行系統(tǒng)性安全評(píng)價(jià)是預(yù)防事故發(fā)生的重要方法［3］，國(guó)外歐盟在公路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析和安全評(píng)估方面走在前列［4-6］，國(guó)內(nèi)在隧道施工過(guò)程的安全評(píng)價(jià)方面，王飛躍等采用費(fèi)歇判別分析( FDA)模型對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)［7］。劉輝等采用專家評(píng)議法確定了安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法分別對(duì)公路隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的因素和整體進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果確定了安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［8-9］。王景春等針對(duì)海底隧道施工，采用借鑒風(fēng)險(xiǎn)分析的方法對(duì)隧道施工中的危險(xiǎn)源進(jìn)行了辨識(shí)，并建立針對(duì)海底隧道施工安全的分級(jí)體系［10］。張鴻等采用層次分析方法(AHP)建立了隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的安全評(píng)價(jià)體系［11］。王妍薇采用改進(jìn)的AHP對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)［12］。

本文在綜合已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用安全系統(tǒng)工程的原理和方法，提出了模糊層次綜合評(píng)價(jià)方法(FAHP)。針對(duì)影響小凈距公路隧道施工安全的諸多因素，建立了小凈距公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型體系，并將其應(yīng)用到施工現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)踐表明，運(yùn)用模糊層次綜合評(píng)價(jià)法對(duì)(動(dòng)態(tài))施工系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的施工安全狀況比較吻合，對(duì)同類小凈距公路隧道施工的安全管理工作具有指導(dǎo)意義。

1 模糊層次綜合評(píng)價(jià)原理［13］

在對(duì)項(xiàng)目(系統(tǒng))進(jìn)行工作分解和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，采用德?tīng)柗品?Delphi)、層次分析法(AHP)和模糊理論相結(jié)合的方法構(gòu)建工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)(或安全)綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)此模型可進(jìn)行項(xiàng)目(系統(tǒng))綜合風(fēng)險(xiǎn)(或安全)評(píng)價(jià)、評(píng)估。

1.1 層次分析法(AHP)確定指標(biāo)體系的權(quán)重

1.1.1 德?tīng)柗品?Delphi)建立判斷矩陣

邀請(qǐng)相關(guān)專家、工程師共同采用德?tīng)柗品?Delphi)建立判斷矩陣，以矩陣上層的某元素(Hs)作為判斷準(zhǔn)則，對(duì)下—層元素進(jìn)行兩兩比較來(lái)確定矩陣的元素值。采用表1的1—9比例尺度對(duì)2個(gè)元素AI和Aj各自的重要性予以賦值，形成的矩陣形式如圖1所示。

1.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)重要度排序

用方根法或和積法計(jì)算判斷矩陣A的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量W=(W1，W2，Wi，…，Wn)。此特征向量就是各評(píng)價(jià)因素的重要度排序，也即權(quán)重。

表11 —9標(biāo)度及含義對(duì)照

圖1 矩陣形式

1.1.3 一致性檢驗(yàn)

由于客觀事故的復(fù)雜性和人們認(rèn)知上的多樣性，以及可能產(chǎn)生的片面性，要求每一個(gè)判斷都有完全的一致性顯然是不可能的，特別是因素多、規(guī)模大的問(wèn)題更是如此。因此，為了保證應(yīng)用層次分析法得到的結(jié)論基本合理，還需要對(duì)德?tīng)柗品?Delphi)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其步驟如下:

1)計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.(Consistency index)

2)查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I. (Random index)，表2給出了1～10階正互反矩陣計(jì)算1 000次得到的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3)計(jì)算一致性比例C.R.(Consistency ratio)

當(dāng)C.R.<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。當(dāng)C.R.≥0.1時(shí)應(yīng)該對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修改。對(duì)于1階、2階矩陣總是一致的，此時(shí)C.R.=0。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法的數(shù)學(xué)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)法所建立的數(shù)學(xué)模型如下

式中，F(xiàn)為系統(tǒng)總得分;C為系統(tǒng)評(píng)價(jià)矩陣;S為各因素安全等級(jí)加權(quán)值。

式中，A為各因素權(quán)重分配集，由各因素的影響大小決定;B為總評(píng)價(jià)矩陣。

式中，Ai為各因素對(duì)應(yīng)子因素的權(quán)重分配集，由層次分析法(AHP)確定各子因素的影響大小;Ri為各因素對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣，由若干專家或小組對(duì)各子因素狀況按評(píng)價(jià)集投票得出。

最后由系統(tǒng)總得分對(duì)照安全等級(jí)可評(píng)價(jià)出系統(tǒng)的的安全狀況。

2 小凈距公路隧道施工安全評(píng)價(jià)體系(模型)的建立

2.1 小凈距公路隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)程》、《爆破安全規(guī)程》以及浙江省內(nèi)相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)范，在黃衢南高速公路浙江段小凈距公路隧道群施工安全現(xiàn)狀調(diào)查、分析研究的基礎(chǔ)上，同時(shí)總結(jié)借鑒現(xiàn)有資料和前人研究成果，本著科學(xué)、客觀、實(shí)用以及可操作性的原則，針對(duì)小凈距隧道特殊的結(jié)構(gòu)形式抓住影響施工安全的主要因素構(gòu)建一個(gè)合理的隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［8，12］，見(jiàn)圖2。

2.2 小凈距公路隧道施工安全評(píng)價(jià)集(隸屬度)

評(píng)價(jià)集是在某種評(píng)價(jià)指標(biāo)體系下評(píng)價(jià)主體對(duì)評(píng)價(jià)客體進(jìn)行評(píng)判的所有可能結(jié)果組成的集合，記為V ={v1，v2，…，vn}，其中元素vi(1，2，…，n)是第i種可能評(píng)判的評(píng)判結(jié)果。模糊綜合評(píng)判的目的就在于通過(guò)綜合考慮評(píng)判對(duì)象的所有影響因素，從評(píng)價(jià)集V中獲得一個(gè)最佳評(píng)判結(jié)果。

評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的確定直接關(guān)系到評(píng)價(jià)的結(jié)果，隸屬度一旦確定，評(píng)價(jià)結(jié)果也基本確定。為了科學(xué)地表征小凈距公路隧道施工安全狀況，通過(guò)對(duì)隧道安全等級(jí)模糊評(píng)語(yǔ)的量化處理，建立小凈距公路隧道施工系統(tǒng)五個(gè)級(jí)別的安全等級(jí)，即:V={v1，v2，…，vn}= {Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}，見(jiàn)表3［14］。

表3 小凈距公路隧道施工安全技術(shù)等級(jí)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 小凈距公路隧道施工安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 小凈距公路隧道施工安全評(píng)價(jià)實(shí)例

以黃衢南高速公路浙江段焦塢小凈距隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程(系統(tǒng))為例，運(yùn)用模糊層次綜合評(píng)價(jià)模型指標(biāo)體系加以安全評(píng)價(jià)。

3.1 隧道工程概況

焦塢小凈距隧道為雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，位于黃衢南高速公路B8標(biāo)段，左洞全長(zhǎng)558 m，右洞全長(zhǎng)596 m左線進(jìn)洞口樁號(hào)為ZK58+855，右線進(jìn)洞口樁號(hào)為YK56+828，左右洞最小凈距處為5.2 m，最大凈距處為5.5 m，其中進(jìn)洞口段為淺埋偏壓隧道，隧道按新奧法施工，采用光面爆破技術(shù)，施工技術(shù)復(fù)雜，難度較大，施工過(guò)程存在安全隱患。

3.2 求各因素綜合評(píng)價(jià)矩陣B′i

通過(guò)邀請(qǐng)省內(nèi)外工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、質(zhì)監(jiān)安監(jiān)等部門(mén)的多學(xué)科領(lǐng)域的專家組成評(píng)議組，采用德?tīng)柗品?Delphi)對(duì)2.1建立的小凈距隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中施工安全管理U1、環(huán)境條件U2、爆破作業(yè)及爆破器材U3、出渣與洞內(nèi)運(yùn)輸U(kuò)4、施工通風(fēng)U5、個(gè)人防護(hù)U6、施工設(shè)備及設(shè)施U7、施工用電用水U8、圍巖穩(wěn)定及支護(hù)狀況U99個(gè)一級(jí)評(píng)估指標(biāo)中的43個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)焦塢小凈距隧道打分，并進(jìn)行歸一化處理后得到相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣Ri，即單因素評(píng)估。根據(jù)1.1采用層次法對(duì)各層評(píng)價(jià)因素權(quán)重值A(chǔ)i求解，并通過(guò)Bi=Ai×Ri求解Bi。U1項(xiàng)具體數(shù)值參見(jiàn)表4。

3.3 總體評(píng)價(jià)矩陣B

將Bi組合建立總評(píng)價(jià)矩陣B，即

3.4 求系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)矩陣

3.5 求系統(tǒng)安全性總得分

根據(jù)表3分別取各等級(jí)分值范圍的中間值即92.5、77.5、62.5、47.5、20。由公式F=C×ST可以求出系統(tǒng)總得分F=0.271 4×92.5+0.330 5×77.5+ 0.269 4×62.5+0.111 1×47.5+0.149×20=75.813參照小凈距公路隧道施工安全技術(shù)等級(jí)狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表3，可評(píng)定為二級(jí)即較安全，與隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。

3.6 各因素對(duì)系統(tǒng)安全的影響程度Cij

根據(jù)Cij=Di×Dij求影響度，結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)Cij的大小確定重要性，從而指出高風(fēng)險(xiǎn)施工因子。從表4看出中間巖柱受力狀況及穩(wěn)定性U95對(duì)施工系統(tǒng)安全的影響程度最大，設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際圍巖吻合度U91和施工支護(hù)質(zhì)量控制U93次之，可以幫助小凈距隧道現(xiàn)場(chǎng)施工安全管理人員辨識(shí)潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)因子，指出安全管理工作的重點(diǎn)防范對(duì)象，同時(shí)對(duì)于交通行業(yè)深入開(kāi)展“安全生產(chǎn)年”活動(dòng)，全面推進(jìn)“三項(xiàng)行動(dòng)”和“三項(xiàng)建設(shè)”，進(jìn)一步促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)安全發(fā)展有重要意義。

表4 模型層次綜合評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

1)模糊層次綜合評(píng)價(jià)方法具有可操作性強(qiáng)使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，對(duì)公路隧道施工安全的各因素進(jìn)行模糊層次綜合評(píng)價(jià)，能夠得到定性和定量的評(píng)價(jià)結(jié)果，定量結(jié)果對(duì)應(yīng)相應(yīng)的定性結(jié)果，得到的結(jié)果直觀、科學(xué)、合理、可靠。

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不但要遵循科學(xué)性、可行性和可比性原則，還要具有動(dòng)態(tài)性原則。公路隧道施工安全評(píng)價(jià)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在施工不同階段、不同的情況下，影響施工安全的因素(評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的指標(biāo))會(huì)隨之變化。因此，在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)要注意該體系的開(kāi)放性、動(dòng)態(tài)性。

3)對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行定期安全檢查和評(píng)估，并將結(jié)果及時(shí)進(jìn)行反饋，可以為現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員發(fā)現(xiàn)隧道施工過(guò)程中存在的安全問(wèn)題提供參考，能及時(shí)、有效地排除施工過(guò)程中的安全隱患，從施工管理的角度減少或遏制重大事故的發(fā)生具有十分重要的意義，使現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程控制和管理由被動(dòng)的管理模式向主動(dòng)式、預(yù)防式的管理模式轉(zhuǎn)變。

［1］TERZAGHI H.Linear-plate tunnels on the Chicagosubway［J］. Proceedings of the American Society of Civil Engineers，1942，68 (6):862-899.

［2］彭從文，朱向榮，王金昌.基于三維有限元模型的小凈距隧道施工力學(xué)分析［J］.公路交通科技，2008，25(12):138-145.

［3］劉鐵民，張興凱，劉功智.安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］CARR V，TAH J H M.A fuzzy Approach to Construction Project Risk Assessment and Analysis:Construction Project Risk Management System［J］.Advances in Engineering Software，2001 (32):845-857.

［5］MOLAG M，TRIJSSENAAR-BUHRE I J M，KOHL B，et al.Austrian Risk Analysis for Road Tunnels Development of a new MethodfortheRiskAssessmentofRoadTunnels［C］// International Conference of Tunnel Safety and Ventilation.Graz: Graz University of Technology，2006.

［6］LADYMAN S J.The Road Tunnel Safety Regulations［S］.the Stationery Ofice Limited in the UK，2007.

［7］王飛躍，董隴軍，白云飛.隧道施工現(xiàn)場(chǎng)安全評(píng)價(jià)的費(fèi)歇判別分析(FDA)模型及其應(yīng)用［J］.中國(guó)安全科學(xué)生產(chǎn)報(bào)，2008，18(1):160-164.

［8］劉輝，孫世梅，張喜明.公路隧道施工安全模糊評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道術(shù)，2008，45(1):5-9.

［9］劉輝.公路隧道施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(8):48-51.

［10］王景春，侯衛(wèi)紅，莫?jiǎng)诐?海底隧道施工安全評(píng)價(jià)的初步研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2):3756-3762.

［11］張鴻，黎劍華，黃紅元.基于AHP的公路隧道施工安全模糊評(píng)價(jià)研究［J］.路基工程，2009(5):30-31.

［12］王妍薇.隧道施工安全評(píng)價(jià)的改進(jìn)層次分析法［J］.中外公路，2009，29(5):195-199.

［13］吳啟兵，劉祖德，趙云勝.基于模糊層次綜合法的煉鐵廠評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(10):136-140.

［14］賀智勇，張娟，王存寶，等.高速公路隧道安全性的綜合評(píng)價(jià)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(2):58-63.

X92;U455

B

1003-1995(2011)02-0060-04

2010-08-20;

2010-11-10

李永永(1984—)，男，山西呂梁人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)