歐智勇，傅鶴林，黃震，張福權(quán)，趙濤濤

淺埋暗挖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法

歐智勇1，傅鶴林2，黃震2，張福權(quán)1，趙濤濤1

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)三處有限公司，廣東 廣州 511400；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

淺埋暗挖隧道工程施工具有許多不確定性風(fēng)險(xiǎn)因素，需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行安全等級(jí)確定和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先排序。采用模糊邏輯與失效模式影響分析、故障樹(shù)分析和層次分析法-數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法，提出淺埋暗挖隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)新方法，可為淺埋暗挖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)重要事件的篩選提供一種實(shí)用、合理的方法。將該方法應(yīng)用于廣東金光東隧道淺埋暗挖礦山隧道工程的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明：洞門(mén)破除土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(古樹(shù)、電塔等)優(yōu)先級(jí)RPN值均＞0.4，且＜0.55，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)，因此，針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)事件需要采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行預(yù)防。其他風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受，可采取安全控制措施。

淺埋暗挖隧道；風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)；模糊集；故障樹(shù)；FMEA

城市地下空間的快速擴(kuò)張，大量地下工程不斷涌現(xiàn)，其中隧道工程為當(dāng)前發(fā)展規(guī)模最大的地下空間工程[1]。由于具有投資大、環(huán)境多變、技術(shù)難度大、周期長(zhǎng)、不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素多和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，隧道工程建設(shè)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，極易引起各類風(fēng)險(xiǎn)事件[2]。尤其是淺埋暗挖隧道，通常地質(zhì)條件差、受周邊環(huán)境影響大、埋深淺及施工控制難，施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)極大，需要對(duì)其進(jìn)行必要的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以便于工程風(fēng)險(xiǎn)控制和減少風(fēng)險(xiǎn)事故。施工風(fēng)險(xiǎn)管理是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，并分析風(fēng)險(xiǎn)影響，最終通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)管理工具來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理[3]。風(fēng)險(xiǎn)管理涉多種方法，包括風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)等[4]。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程，許多學(xué)者提出了一系列方法。其中模糊評(píng)價(jià)方法由于具有反映評(píng)價(jià)對(duì)象模糊性的特點(diǎn)，已經(jīng)成熟地應(yīng)用于各行各業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目管理中[5]。例如，在隧道工程中，程遠(yuǎn)等[6]采用模糊數(shù)學(xué)方法定量化處理施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的定性問(wèn)題，并建立了跨度隧道施工風(fēng)險(xiǎn)多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型；張東明等[7]基于綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和模糊層次評(píng)價(jià)方法，建立深埋長(zhǎng)隧道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)機(jī)制；黃越等[8]采用專家調(diào)查法、層次分析法、主成分分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，提出隧道洞口段施工階段風(fēng)險(xiǎn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法。王頠等[9]基于現(xiàn)有隧道風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)模型，提出一種隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模糊評(píng)判改進(jìn)方法。了解風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的根本原因分析可幫助項(xiàng)目管理者找到風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)積極應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的策略，實(shí)現(xiàn)最大限度的減少風(fēng)險(xiǎn)源。本文結(jié)合模糊邏輯與失效模式影響分析(FMEA)、故障樹(shù)分析(FTA)和層次分析法?數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(AHP-DEA)相結(jié)合的方法，提出一種淺埋暗挖礦山法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法。該方法有助于改進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)安全管理，為淺埋暗挖礦山法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)重要事件的篩選提供一種實(shí)用、全面的方法。將該方法應(yīng)用于廣東金光東淺埋暗挖礦山法隧道工程的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為該工程的施工風(fēng)險(xiǎn)控制提供依據(jù)。

1 工程概況

廣州金光東礦山隧道下穿新造鎮(zhèn)元崗山古樹(shù)群，包括28棵烏欖古樹(shù)和34棵荔枝古樹(shù)，樹(shù)齡均在100 a以上，根莖深度大約5 m，為掛牌保護(hù)的古樹(shù)名木。由于古樹(shù)樹(shù)齡較高，移植難度大，因此不考慮遷移，該段隧道采用礦山法暗挖通過(guò)。

金光東隧道為雙向4車道城市主干道，全長(zhǎng)440 m。隧道限界凈高4.5 m，隧道埋深約為5.17~ 18.21 m。隧道斷面采用雙洞分離式馬蹄形斷面。礦山段均位于Ⅴ級(jí)圍巖地段，按照新奧法原理為基礎(chǔ)，采用四部CRD開(kāi)挖法。

該隧道工程廣泛分布第四系填土，中細(xì)砂及粉質(zhì)黏土組成，部分地段由建筑垃圾或塊石組成，土質(zhì)不均勻。隧道下伏基巖為花崗巖，其風(fēng)化殘積土主要為砂質(zhì)黏性土或礫質(zhì)黏性土，在遇水或施工擾動(dòng)時(shí)，土體強(qiáng)度、穩(wěn)定性及圍巖級(jí)別降低，對(duì)隧道的穩(wěn)定性及承載力有影響。該隧道地勢(shì)較高，區(qū)內(nèi)地下水以松散巖類孔隙潛水為主，基巖裂隙水水量貧乏，主要接受大氣降水入滲及溝谷流水補(bǔ)給，含水層位于風(fēng)化巖層中，地下水位埋深約為1.09~4.05 m。金光東隧道平、縱斷面橫斷面如圖1所示。

(a) 平面圖；(b) 縱斷面圖；(c) 隧道橫斷面圖

2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析方法

2.1 模糊集理論

模糊集理論是Zadeh提出的[10]。在研究不確定的或模糊的對(duì)象時(shí)，該理論可以很好地反映事物的不確定性和模糊性。

2.1.1 模糊隸屬函數(shù)

有許多不同類型的模糊隸屬函數(shù)，如三角形模糊數(shù)，梯形模糊數(shù)和高斯模糊數(shù)。比較而言，梯形模糊數(shù)隸屬函數(shù)能更好地處理實(shí)際決策信息，反映因素不確定性和決策者的主觀性[5]。本文利用梯形隸屬函數(shù)對(duì)專家認(rèn)知中的主觀不確定性和模糊不確定性進(jìn)行量化。如圖2所示，可將梯形模糊數(shù)定義為(1，2，3，4)。

圖2 梯形模糊數(shù)A

2.1.2 模糊集的截集

為便于數(shù)值計(jì)算，通常將模糊數(shù)表示為有限個(gè)-截集的上界和下界集合。對(duì)于梯形模糊數(shù)(，，，)，采用式(1)和式(2)可分別用于計(jì)算每個(gè)-截集水平方向上的下限和上限：

下限= (a+ (b?a)) (1)

上限= (d?(d?c)) (2)

如果和是區(qū)間α=[1,1]，α=[2,2]上表示的2個(gè)模糊集合，那么α+α，α?α和α×α可被定義為以下表達(dá)式：

(A+B)=α+α[12,1+2] (3)

(A?B)=α?α[12,1?2] (4)

(A×)=α×α[min(1×2,1×2,1×21×2)

max(1×2,1×2,1×2,1×2)] (5)

2.1.3 去模糊化

依據(jù)反映實(shí)際情況、簡(jiǎn)便易行、高效以及評(píng)估組觀點(diǎn)的要求，采用式(6)進(jìn)行去模糊化處理：

2.2 失效模式與效應(yīng)分析

失效模式和效應(yīng)分析(FMEA)是一種能夠定義、識(shí)別和消除來(lái)自系統(tǒng)、設(shè)計(jì)或過(guò)程的已知及潛在的故障、問(wèn)題和錯(cuò)誤的工程技術(shù)。根據(jù)傳統(tǒng)的FMEA方法，通過(guò)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)來(lái)確定故障模式的臨界程度。將嚴(yán)重程度(S)、發(fā)生度(O)和檢測(cè)/控制難易度(D)的值相乘，得到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)，即＝××。

由于傳統(tǒng)的FMEA方法存在缺陷。因此，引入模糊數(shù)來(lái)取代清晰數(shù)字來(lái)測(cè)量，，。這些模糊數(shù)可以是基于專家判斷或其他技術(shù)語(yǔ)言變量。

2.3 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析方法(FTA)最初是在1960~1961年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的[11]。FTA通過(guò)關(guān)系圖形來(lái)追溯系統(tǒng)的危害，最終找到其根本原因。收集足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估故障率往往是困難的。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可結(jié)合模糊集理論。故障樹(shù)分析用于識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的根本原因和評(píng)估頂上事件發(fā)生概率。

假設(shè)事故樹(shù)中不含重復(fù)或相同基本事件，各事件互相獨(dú)立，頂上事件發(fā)生概率可根據(jù)故障樹(shù)結(jié)構(gòu)采用以下公式計(jì)算。

采用“與門(mén)”連接的頂上事件的發(fā)生概率為：

采用“或門(mén)”連接的頂上事件的發(fā)生概率為：

式中：q為第個(gè)基本事件的發(fā)生概率(=1,2,…,)。

本文采用-截集的概念來(lái)計(jì)算頂上事件發(fā)生的概率。基于-截集概念的“與”門(mén)及“或”門(mén)的模糊數(shù)形式的故障樹(shù)頂上事件的概率可以分別通過(guò)式(9)和式(10)得到：

2.4 層次分析法-數(shù)據(jù)包絡(luò)分析

層次分析法是一種多準(zhǔn)則決策方法，通過(guò)該方法可以評(píng)估備選方案并計(jì)算其費(fèi)率。AHP適用于主觀專家判斷和使用定性和定量數(shù)據(jù)的決策情況。

在AHP方法中，將比較結(jié)果形成判斷矩陣，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。如果有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被確定用于比較，AHP通過(guò)以下步驟來(lái)計(jì)算這些標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重。

1) 為個(gè)目標(biāo)創(chuàng)建(×)維的判斷矩陣， 如下：

式中：a表示第個(gè)目標(biāo)比第個(gè)目標(biāo)重要多少。對(duì)于矩陣中所有的s 和s，必須滿足a= 1和a= 1/a。

2) 將列中的每個(gè)值除以列中所有值的總和。得到的新矩陣種每一列的值的總和為1，形成的歸一化判斷矩陣為：

3) 通過(guò)找到矩陣的主特征向量來(lái)計(jì)算c。計(jì)算c作為矩陣中第行中所有值的平均值，最終得到列向量。列向量中的值表示第個(gè)目標(biāo)的權(quán)重。

4) 檢查權(quán)重值(c)的一致性。為了確定一致性，需要進(jìn)行以下步驟。

首先，計(jì)算×矩陣(一致性向量)：

其次，通過(guò)×計(jì)算x，x是比特征向量更好的近似值，可采用以下公式計(jì)算max：

max為判斷矩陣的特征值。然后采用以下公式計(jì)算一致性指數(shù)結(jié)果。

最后，為確保判斷矩陣的一致性，須通過(guò)CR控制一致性判斷為合適的值，即：

式中：是隨機(jī)一致性指數(shù)，當(dāng)≤0.10，則其一致性滿足要求。如果＞0.1，則存在不一致性，則AHP計(jì)算結(jié)果沒(méi)有意義。

對(duì)于個(gè)決策選項(xiàng)，采用判斷矩陣，如果給定大量不同的標(biāo)準(zhǔn)和決策選項(xiàng)，決策者將需要進(jìn)行大量的比較分析。為解決這類問(wèn)題，可采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)的AHP方法。

為明確每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)重要性，為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出備選方案，并且根據(jù)式(18)為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)引入一組評(píng)估度：

式中：Hl到H表示標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估分?jǐn)?shù)從最高顯著性到最低顯著性，k表示每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估分?jǐn)?shù)。

如果標(biāo)準(zhǔn)將由N專家評(píng)估，那么結(jié)果可以由根據(jù)式(19)的分布評(píng)價(jià)向量表示：

此時(shí)，用于確定(H)值的DEA模型可以表 述如下。

最大化：

式中：(H1)，…，(H)為決策變量。然后，指出每個(gè)決策備選方案的局部權(quán)重也可以用式(21)中的信任結(jié)構(gòu)來(lái)定義：

最后，可以通過(guò)式(22)生成總體權(quán)重：

式中：w(＝1,…,)是由AHP方法確定的因素權(quán)重；v是DEA方法確定的局部權(quán)重(式(21))；(A)(=1,…,)是個(gè)備選方案的總權(quán)重?；谝陨蠙?quán)重，個(gè)備選方案可進(jìn)行優(yōu)先排序或排序。

3 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型

基于第2節(jié)各施工風(fēng)險(xiǎn)分析方法，構(gòu)建隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型，該模型由4個(gè)階段組成，如圖3所示。

圖3 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的流程圖

3.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

由隧道工程專業(yè)的專家、科研單位技術(shù)人員、設(shè)計(jì)院技術(shù)人員、監(jiān)理工程師以及項(xiàng)目部技術(shù)人員組成的大型建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組，總?cè)藬?shù)不少于10人。對(duì)工程項(xiàng)目的任務(wù)及風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)和 驗(yàn)證。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、因素和不期望事件的原因，建立一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。在模糊FTA中，通過(guò)給基本事件的概率賦值并計(jì)算傳播概率，來(lái)確定頂上事件發(fā)生的概率。在此，采用語(yǔ)言變量(非常低、低、中、高和非常高)為故障樹(shù)和每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的影響準(zhǔn)備調(diào)查問(wèn)卷。然后分配給行業(yè)專家、科研技術(shù)人員和設(shè)計(jì)院技術(shù)人員及監(jiān)理工程師等，并由他們填寫(xiě)完成。專家組需要使用語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)來(lái)評(píng)估基本事件發(fā)生的模糊概率。本文采用語(yǔ)言變量及對(duì)應(yīng)梯形模糊數(shù)如表1所示。圖4為不同語(yǔ)言變量所對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)。因此，通過(guò)將基本事件的模糊概率代入方程(10)得到不同的-截集下的頂上事件的模糊概率。該方法同時(shí)用于計(jì)算發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)/控制概率。

然后，結(jié)合AHP-DEA方法來(lái)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)影響因素的權(quán)重?？紤]風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)4個(gè)指標(biāo)的影響，即個(gè)人的傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響。利用專家的認(rèn)知(通過(guò)收集問(wèn)卷中的調(diào)查結(jié)果)，進(jìn)行相互比較，并使用AHP方法，對(duì)個(gè)人傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響進(jìn)行加權(quán)。

表1 發(fā)生概率和識(shí)別危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的評(píng)估語(yǔ)言變量

圖4 語(yǔ)言評(píng)價(jià)值的隸屬函數(shù)

最后，根據(jù)模糊FMEA方法，對(duì)每個(gè)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的，和結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)

結(jié)合-截集和式(5)，將，和3個(gè)參數(shù)相乘得到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)。最后使用式(6)對(duì)RPN進(jìn)行去模糊化處理。根據(jù)RPN對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行排序，并對(duì)那些具有較高優(yōu)先級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)采取必要進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)控制分析，并提出對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。

4 礦山法段施工風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

在調(diào)查隧道淺埋暗挖礦山隧道工程事故的基礎(chǔ)上，分析本項(xiàng)目的周邊建筑環(huán)境、水文地質(zhì)條件、施工工藝、人員管理和施工進(jìn)度等情況，并咨詢了隧道行業(yè)專家和安全技術(shù)管理人員之后，確定7個(gè)常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事件，見(jiàn)表2。

4.2 故障樹(shù)分析法

繪制風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)來(lái)分析其根本原因。通過(guò)返回的問(wèn)卷數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，并基于對(duì)應(yīng)的調(diào)查問(wèn)卷來(lái)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)/控制概率。

表2 7種風(fēng)險(xiǎn)事件的模糊發(fā)生概率的α-截集

4.3 計(jì)算發(fā)生概率

利用式(1)中所定義的上、下限方程，并結(jié)合式(9)和式(10)，頂上事件的模糊概率可表示為：

結(jié)合式(23)，可通過(guò)遞增α值來(lái)計(jì)算頂上事件的模糊概率。

利用式(5)求解等式(10)中的乘法算子，利用式(23)計(jì)算頂上事件((=0,0.5和1)發(fā)生的模糊概率。然后將基本事件的模糊概率代入式(23)得到不同截集下頂上事件的模糊概率的計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

4.4 計(jì)算檢測(cè)概率

為了計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)難易度概率，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的根本原因，并繪制用于所有風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)故障樹(shù)，如圖6所示。根據(jù)發(fā)生概率計(jì)算的過(guò)程，計(jì)算該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)概率，其檢測(cè)故障樹(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)概率的故障樹(shù)

表3 模糊檢測(cè)概率的α截集

4.5 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)影響

結(jié)合AHP-DEA方法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)影響的權(quán)重。考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)4個(gè)指標(biāo)的影響，即個(gè)人傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響。利用專家調(diào)查結(jié)果，從個(gè)人的傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響4個(gè)角度出發(fā)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較，并采用式(11)~(13)，對(duì)個(gè)人傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響進(jìn)行加權(quán)處理，結(jié)果為0.323，0.253，0.240和0.207。結(jié)合DEA方法，根據(jù)式(19)~(20)計(jì)算每個(gè)子因素的權(quán)重。

采用式(20)求解4個(gè)因素的局部風(fēng)險(xiǎn)得分。此處局部權(quán)重可理解為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用中的局部風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)。對(duì)于個(gè)人傷害，采用式(20)得到以下最優(yōu)解：

(非常高)=0.050 4，(高)=0.040 2，(中)=0.031 9，(低)=0.020 2，(非常低)=0.010 6

此外，根據(jù)式(20)得到的財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境影響的最優(yōu)解為：

(非常高)=0.069 4，(高)=0.058 7，(中)=0.046 2，(低)=0.026 2，(非常低)=0.015 5

(非常高)=0.072 7，(高)=0.063 2，(中)=0.054 2，(低)=0.032 1，(非常低)=0.016 4

(非常高)=0.079 1，(高)=0.069 4，(中)=0.056 3，(低)=0.035 2，(非常低)=0.018 7

基于上述最優(yōu)解，通過(guò)式(21)計(jì)算4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的每個(gè)局部風(fēng)險(xiǎn)得分，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度總分

最后，結(jié)合式(22)得到一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合影響得分，見(jiàn)表4。以第1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素為例，采用式(22)計(jì)算的洞門(mén)破除土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的綜合影響分?jǐn)?shù)如下：

綜合影響分?jǐn)?shù)=(0.323×0.87)+(0.253×0.75)+ (0.240×0.78)+(0.207×0.34)=0.728

4.6 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)

根據(jù)發(fā)生概率的計(jì)算結(jié)果，得到每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的影響和檢測(cè)概率，即風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)級(jí)排序，結(jié)果見(jiàn)表5。以洞門(mén)破除土體失穩(wěn)為例，根據(jù)表2和表3中=0，1時(shí)的概率計(jì)算結(jié)果和表4中的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度計(jì)算結(jié)果，洞門(mén)破除土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的，和值分別為：

=(0.64,0.75,0.93,0.95)

O0=[0.64,0.95],O1=[0.75,0.93]

=(0.43,0.58,0.92,0.95)

D0=[0.43,0.95],D1=[0.58,0.92]

=0.728

采用式(5)可求解乘法算子，計(jì)算=0和=1的RPN如下：

10=××=0.728×[(0.64×0.43,0.95×

0.95)] =[0.200,0.657]

11=××=0.728×[(0.75×0.58,0.93×

0.92)]=[0.317,0.623]

=(0.200,0.317,0.623,0.657)

根據(jù)式(6)，結(jié)合RPN計(jì)算結(jié)果，得到洞門(mén)破除土體失穩(wěn)的去模糊化值。

表5 風(fēng)險(xiǎn)因素的優(yōu)先數(shù)

為便于風(fēng)險(xiǎn)控制，對(duì)具有較高優(yōu)先級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)可以作為優(yōu)先風(fēng)險(xiǎn)控制事項(xiàng)，如表6所示，表中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分是參考《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[12]進(jìn)行劃分的。上述風(fēng)險(xiǎn)事件的優(yōu)先數(shù)RPN分值中，洞門(mén)破除土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(古樹(shù)、電塔等)RPN值均＞0.4，且＜0.7，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)，因此，針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)事件需要采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行預(yù)防。其他風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受，可采取安全控制措施。

表6 施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

5 驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證所提方法的合理性，結(jié)合程遠(yuǎn)等[13]提出的基于模糊理論淺埋公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。程遠(yuǎn)等[13]所提方法運(yùn)用模糊理論對(duì)專家給出的隧道施工各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率等級(jí)和損失等級(jí)隸屬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各因素的概率及損失估計(jì)結(jié)果，最后，采用加權(quán)平均法對(duì)評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行處理，以確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

結(jié)合本文中的礦山隧道工程風(fēng)險(xiǎn)因素，依據(jù)8個(gè)行業(yè)專家(一類專家4人，二類2人，三類2人)調(diào)查結(jié)果確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)[13]，見(jiàn)表7。然后基于=×模型考慮風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依據(jù)表6劃分原則進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。從對(duì)比結(jié)果可看出，本文計(jì)算方法與文獻(xiàn)[13]方法得到的結(jié)論一致。

表7 風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)概率和損失估計(jì)結(jié)果

表8 驗(yàn)證分析結(jié)果

6 結(jié)論

1) 廣東金光東隧道淺埋暗挖礦山隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)事件的優(yōu)先數(shù)RPN中，洞門(mén)破除土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(古樹(shù)、電塔等)RPN值均＞0.4，且＜0.55，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2級(jí)，針對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)事件需要采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行預(yù)防。其他風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受，可采取安全控制措施。

2) 提出的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法，能反映施工風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)個(gè)人的傷害、財(cái)產(chǎn)損失、施工進(jìn)度和環(huán)境的影響程度。對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明該方法具有一定可靠性，可為淺埋暗挖礦山隧道施工風(fēng)險(xiǎn)重要事件的篩選和風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)評(píng)價(jià)提供一種新方法。

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Comprehensive risk assessment method for shallow underground tunnel construction

OU Zhiyong1, FU Helin2, HUANG Zhen2, ZHANG Fuquan1, ZHAO Taotao1

(1. Third Engineering Department of China Railway Tunnel Bureau Group Co., Ltd, Guangzhou 511400, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

There are many uncertain risk factors in the construction of shallow buried tunnels. It is necessary to determine the safety level and prioritize the risk events. In this paper, a new comprehensive evaluation method of construction risk of shallow-buried tunnels was proposed by combining fuzzy logic with failure mode impact analysis, fault tree analysis and analytic hierarchy process-data envelopment analysis. It can provide a practical and comprehensive method for screening important risk events of shallow-buried tunnels. The method was applied to the construction risk assessment of shallow-buried tunnels in Jinguangdong Tunnel. The results show that the risk of instability of the tunnel entrance and Shallow-Buried Section and the priority RPN value of the surrounding environmental risk (ancient trees, electric towers, etc.) are >0.4, and <0.55. The risk level is 3. Therefore, appropriate mining is needed for these risk events. Take corresponding control measures to prevent. The risk level of other risk events is 2, and the risk is low, so some safety control measures can be taken.

shallow buried tunnels; comprehensive risk assessment; fuzzy set; fault tree; FMEA

U45；X93

A

1672 ? 7029(2019)09? 2368 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.09.032

2018?12?07

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(51538009)；中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2017-43)

傅鶴林(1965?)，男，江西高安人，教授，博士，從事隧道與巖土工程教學(xué)與科研工作；E?mail：fu.h.l@csu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)