高速鐵路大斷面隧道施工風險評估

高速鐵路大斷面隧道施工風險評估1前言地下工程以其自身不確定性因素較多、周邊環(huán)境復雜等特點成為了建設工程中風險較大的一項工程［1］。隨著我國高鐵隧道施工技術(shù)的迅猛發(fā)展，隧道施工的規(guī)?；约凹夹g(shù)和組織管理的復雜化突出了隧道施工管理的復雜性和艱巨性［1］。高速鐵路大斷面隧道施工由于其內(nèi)在的不確定性使得它與公路路線及其它結(jié)構(gòu)物相比，其隱蔽性、施工復雜性、地層條件和周圍環(huán)境的不確定性更為突出，加大了施工技術(shù)的難度和建設的風險【3】。為了確保隧道工程建設目標（投資、安全、進度、質(zhì)量）的實現(xiàn)，建立風險管理制度，對擬建和在建的高速鐵路隧道工程進行風險評估，繼而進行風險控制十分必要。較早將風險理論用于地下工程的代表人物是EinsteinH,H他曾撰寫多篇有價值的文獻47］指出了地下工程風險分析的特點和應遵循的理念。國際隧道協(xié)會［8撰寫了GuidelinesforTunnelingRiskManagement為隧道工程的風險管理提供了一整套參照標準和方法。國內(nèi)以同濟大學為主進行的滬崇通道的風險評估項目則是在隧道風險管理領域的里程碑。滬崇通道的風險評估研究涉及到了工程建設的各個方面，包括前期選線、施工風險管理、環(huán)境保護、運營事故控制以及財務分析等等，可以說是國內(nèi)風險分析技術(shù)應用在隧道工程上的第一個大型項目。在隧道風險管理研究中，尤其是國內(nèi)的研究中，主要側(cè)重于地鐵工程風險管理的研究，目前關于高速鐵路大斷面隧道的風險評估研究還相對很少，雖然高速鐵路與地鐵在很大程度上有十分相似之處，但高速鐵路隧道工程風險有其自身的特點，其發(fā)生規(guī)律和解決方法也不完全與地鐵工程相同。因此，有必要對高速隧道風險進行專門的研究。本文結(jié)合滬昆高鐵田家山隧道為例，在全面分析影響高速鐵路隧道施工風險因素的基礎上，通過建立高速鐵路隧道施工風險綜合評價指標體系，引進模糊數(shù)學理論，建立施工風險三級模糊綜合評判計算模型，并利用層次分析法確定各級因素權(quán)重，以逐級估量法確定各因素對評判集的隸屬度，分析地鐵車站基坑施工的風險等級，為進一步風險管理及以后類似工程的風險評估提供了參考依據(jù)。高速鐵路隧道施工風險綜合評價體系引進模糊數(shù)學理論對高速鐵路隧道施工風險進行分析，其關鍵之一就是確定評價指標。為此，通過深入研究影響基坑施工的風險因素及工程實際，采用層次分析法建立三級評價指標體系，一級指標5個，二級工序?qū)又笜斯?2個。一級指標為宏觀因素層，包括：開挖施工風險、支護施工風險、輔助施工風險、地質(zhì)和自然風險、附屬設施及設備風險。每個主要因素又由若干個二級指標因素決定，而每個二級指標根據(jù)具體工程情況由若干個三級風險源指標因素所對應。這樣，評價目標、評價準則及評價指標因素就處于不同層次，形成一個遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。1高速鐵路隧道工程風險評價指標體系Fig,1Syntheticevaluationindexsystemforfoundationpitsconstructionriskofsubwaystations評價體系中各因素權(quán)重的確定建立評判因素級

根據(jù)高速鐵路隧道工程風險評價指標體系，從宏觀上將車站基坑評價指標體系U分為U1..U5五個一級指標，即U={J15U2,.U.5}，使得UUUi，U叩(ij)，i=l，2;?5;按照相同的原則，一級指標根據(jù)施工工序再細分為若干個二級指標ul5u2，?ul2；每個二級指標根據(jù)具體情況細分為對應的三級指標，即三級風險源指標r，如ur,r,.r.。111121n構(gòu)造判斷矩陣根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)所確定的上下層因素之間的隸屬關系，將下一層制約因素對上一層準則因素的重要程度運用專家調(diào)查法進行兩兩比較，并結(jié)合T.L.Satty的19標度，標度的含義見表1，建立各層次因素的判斷矩陣。表11一9標度的含義Table1Meaningof1to9scale標度今義1i因子與j因子完全一樣重要，或i與ij與j自身比較；3i因子比j因子重要性略大5i因子比j因子明顯重要7i因子比j因子重要的多9i因子比j因子極為重要2,4,6,8兩兩因子重要性比較介于上述標度兩值之間 倒數(shù) 上述重要性相反情況，即j比i重要的情況假定以指標因素J為準則，對子制約層指標因素5叫,?％有支配關系，將*和*的重要程度相比較得一個比例標度％它用來反映兩個因素的相對重要性。Uj與ui相比得到的比例標度為cj=1/cij從而可以得到一個nxn的判斷矩陣U1=(ci)n%。同理可以構(gòu)建出其它制約因素判斷矩陣。單一準則下元素相對權(quán)重的計算對于排序權(quán)向量的計算方法主要有特征根139法、對數(shù)最小二乘法、最小二乘法和上三角元素法［16］。在精度要求不高的情況下，特征根法方便簡潔，更具實用價值，故本文采用特征根法:對于判斷矩陣G，先算出最大特征值 ，求出其對應的特征向量W，即Wmax —在精度要求不高的情況下，特征根法方便簡潔，更具實用價值，故本文采用特征根法:對于判斷矩陣G，先算出最大特征值 ，求出其對應的特征向量W，即Wmax —UWinUiniiinii排序權(quán)向量W即為相應的n個制約因素的相對權(quán)重。通過以上方法，可以得到各指標因素的所有排序權(quán)向量。3.4一致性檢驗因為地鐵建設安全體系的復雜性和人的認識的多樣性，構(gòu)造判斷矩陣時往往會出現(xiàn)判斷不一致的情況，一個混亂的、經(jīng)不起推敲的判斷矩陣有可能導致決策上的失誤，而上述計算排序權(quán)重向量的方法中，其中，§為判斷矩陣元素,i為相對權(quán)重。max當判斷矩陣過于偏離一致性時候，其可靠度也就值得懷疑了，因此需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，以便將偏差控制在允許的范圍內(nèi)。(1)引入C.I作為度量判斷矩陣偏離的指標，以檢驗決策者思維的一致性。C.I值越大，矩陣不一致的程度就越高。nC.I. maxn1(2)對于平均一致性指標R.I采用龔木森、許樹柏1986年得出的1~15階重復計算1000次的平均隨機一致性指標如表2。(3)計算一致性比例C.R.C-R.R.I.對于1、2階判斷矩陣總是完全一致的，當階數(shù)大于2時，只要C.R.<0.1Q則認為這個判斷矩陣的一

致性是可以接受的。表2平均隨機一致性指標R.ITable2Meanrandomconsistencvindex：矩陣階數(shù)123456789101112131415R.I00052089112126136141146—149152154156158159模糊綜合評判地鐵車站基坑施工中存在的各種風險因素大部分難以用數(shù)字來準確地加以定量描述，但可以根據(jù)經(jīng)驗或?qū)＜抑R用語言定性的描述出風險的性質(zhì)和可能產(chǎn)生的影響，因此采用模糊理論度量風險更具有現(xiàn)實意義[17]。層次-模糊綜合評判是從最低層開始逐層向上做出評判，直至最高的目標層次得到原問題的綜合評判結(jié)果。這里從三級風險源指標出發(fā)，先對制約層各因素進行一級模糊綜合評判，再對目標層因素進行二級模糊綜合評判。4.1風險估計風險估計是對工程風險發(fā)生的可能性和不良后果進行數(shù)量的估算，可以從事故發(fā)生的概率和損失兩方面考慮：R=f（P,C）式中，R表示地鐵基坑工程的風險，P表示風險發(fā)生的概率，C表示風險發(fā)生后的損失。參考相關文獻[18][19][2，0]按照如下原則定義地鐵基坑工程的風險概率和損失。表3地鐵車站基坑工程風險發(fā)生概率等級標準Table3Foundationpitsconstruetionriskprobabilitvlevelstandardofsubwavstations等級 一級 二級 三級 四級 五級描述 很不可能 不可能 偶然 可能 很可能彳既率 <0.03% [0.03%,0.3） [0.3%,3% [3%,30%） >30%表4地鐵車站基坑工程風險損失等級標準Table4Foundationpitsconstruetionrisklosslevelstandardofsubwavstations等級描述經(jīng)濟損失/萬元工期損失（月/單一事故）傷亡情況/人一級輕微的<30<0.01MI=1二級較大的30_1000.0廠0.11〈MI<10或SI=1三級嚴重的100_3000?廠11<F<或1〈SI<0四級很嚴重的300_10001_10SI>10或2〈F<9五級災難性的>1000>10F>3①“―”含義為包括上限值而不包括下限值；②工期損失采用控制性工程標準；③MI二輕傷，SI=i傷人數(shù)，F(xiàn)二死亡人數(shù)；根據(jù)基坑工程建設風險發(fā)生的概率和損失等級，將工程風險等級分為五級，建立風險分級矩陣（簡稱風險矩陣），具體見表5。根據(jù)風險矩陣得到的風險等級確定地鐵基坑工程的三級風險源指標的風險值估值，見表6。表5地鐵車站基坑工程風險矩陣風險矩陣輕微的 較大的 嚴重的 很嚴重的 災難性的概風險矩陣輕微的 較大的 嚴重的 很嚴重的 災難性的概率等級很可能高度高度極高極高極高可能中度高度高度極高極高偶然中度中度高度高度極高不可能低度中度中度高度高度高度很不可能低度低度中度中度高度高J度后果損失表6風險估值及接受準則Table6Valueatriskandacceptancecriteria等級低度中度高度極高估值0_6060_7070_8080一95接受準則可忽略可接受不期望不可接受處理措施此類風險較小，不許采取風險處理措施和監(jiān)測此類風險次之，—般不需要采取風險處理措施，但需予以監(jiān)測此類風險較大，必須采取風險處理措施降低風險并加強監(jiān)測，且滿足降低風險的成本不高于于風險發(fā)生后的損失。 此類風險最大，必須高度重視并規(guī)避，否則要不惜代價將風險至少降低到不期望的程度。模糊評判（1）建立權(quán)重集和風險估值根據(jù)各級指標因素的排序權(quán)向量W,建立各級指標的權(quán)重，采用專家調(diào)查法估計三級風險源指標r發(fā)生的概率及損失以確定其風險估值矩陣。定義一級評判因素集的權(quán)重為A={a],a2，.a5};定義二級評判因素集U=b,.u.}的權(quán)重為AW ai,ai,.ai,冃,2；?5,叫為每個一級因素對應的imn ii12ni i二級指標因素個數(shù);定義三級風險源評判因素集u={r.-,.rj的權(quán)重為a=w={a^l，a^2，-a.-i.},匸1,2；?17,入為每個二級因素對應的三級指標因素個數(shù)；以二級因素u]為例，其對應的三級風險源權(quán)重a]和風險估值矩陣ri為：ai=[ai-i,a#?」

r1=[r1-1,r1-2,?r1-n]（2） 一級評判根據(jù)各二級指標對應的三級風險源指標的權(quán)重集和風險估值，進行各二級指標的Fuzzy綜合評判。以二級指標u]為例，其一級評判風險值為：r11rRara,a,a12u1 11 1112 1n...r1n（3） 二級評判根據(jù)各一級指標對應的二級指標的權(quán)重集和一級風險評判值，進行各一級指標的Fuzzy綜合評判。以—級指標U]為例，其二級評判風險值為：Ru1R1R AR a1,a1,a1u2U111 12 5...Ru5（4） 三級綜合評判綜合U「匕五個一級指標的權(quán)重集和二