高速鐵路大斷面隧道施工風(fēng)險評估

高速鐵路大斷面隧道施工風(fēng)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(fù)雜等特點成為了建設(shè)工程中風(fēng)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)模化以及技術(shù)和組織管理的復(fù)雜化突出了隧道施工管理的復(fù)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(fù)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(shè)的風(fēng)險【3】。為了確保隧道工程建設(shè)目標(biāo)（投資、安全、進(jìn)度、質(zhì)量）的實現(xiàn)，建立風(fēng)險管理制度，對擬建和在建的高速鐵路隧道工程進(jìn)行風(fēng)險評估，繼而進(jìn)行風(fēng)險控制十分必要。較早將風(fēng)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(xiàn)47］指出了地下工程風(fēng)險分析的特點和應(yīng)遵循的理念。國際隧道協(xié)會［8撰寫了GuidelinesforTunnelingRiskManagement為隧道工程的風(fēng)險管理提供了一整套參照標(biāo)準(zhǔn)和方法。國內(nèi)以同濟(jì)大學(xué)為主進(jìn)行的滬崇通道的風(fēng)險評估項目則是在隧道風(fēng)險管理領(lǐng)域的里程碑。滬崇通道的風(fēng)險評估研究涉及到了工程建設(shè)的各個方面，包括前期選線、施工風(fēng)險管理、環(huán)境保護(hù)、運營事故控制以及財務(wù)分析等等，可以說是國內(nèi)風(fēng)險分析技術(shù)應(yīng)用在隧道工程上的第一個大型項目。在隧道風(fēng)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(fēng)險管理的研究，目前關(guān)于高速鐵路大斷面隧道的風(fēng)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(fēng)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(fēng)險進(jìn)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(fēng)險因素的基礎(chǔ)上，通過建立高速鐵路隧道施工風(fēng)險綜合評價指標(biāo)體系，引進(jìn)模糊數(shù)學(xué)理論，建立施工風(fēng)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(fēng)險等級，為進(jìn)一步風(fēng)險管理及以后類似工程的風(fēng)險評估提供了參考依據(jù)。高速鐵路隧道施工風(fēng)險綜合評價體系引進(jìn)模糊數(shù)學(xué)理論對高速鐵路隧道施工風(fēng)險進(jìn)行分析，其關(guān)鍵之一就是確定評價指標(biāo)。為此，通過深入研究影響基坑施工的風(fēng)險因素及工程實際，采用層次分析法建立三級評價指標(biāo)體系，一級指標(biāo)5個，二級工序?qū)又笜?biāo)共12個。一級指標(biāo)為宏觀因素層，包括：開挖施工風(fēng)險、支護(hù)施工風(fēng)險、輔助施工風(fēng)險、地質(zhì)和自然風(fēng)險、附屬設(shè)施及設(shè)備風(fēng)險。每個主要因素又由若干個二級指標(biāo)因素決定，而每個二級指標(biāo)根據(jù)具體工程情況由若干個三級風(fēng)險源指標(biāo)因素所對應(yīng)。這樣，評價目標(biāo)、評價準(zhǔn)則及評價指標(biāo)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(fēng)險評價指標(biāo)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(fēng)險評價指標(biāo)體系，從宏觀上將車站基坑評價指標(biāo)體系U分為U1..U5五個一級指標(biāo)，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(biāo)根據(jù)施工工序再細(xì)分為若干個二級指標(biāo)ul5u2，?ul2；每個二級指標(biāo)根據(jù)具體情況細(xì)分為對應(yīng)的三級指標(biāo)，即三級風(fēng)險源指標(biāo)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(guān)系，將下一層制約因素對上一層準(zhǔn)則因素的重要程度運用專家調(diào)查法進(jìn)行兩兩比較，并結(jié)合T.L.Satty的19標(biāo)度，標(biāo)度的含義見表1，建立各層次因素的判斷矩陣。表11一9標(biāo)度的含義Table1Meaningof1to9scale標(biāo)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(biāo)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(biāo)因素J為準(zhǔn)則，對子制約層指標(biāo)因素5叫,?％有支配關(guān)系，將*和*的重要程度相比較得一個比例標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(yīng)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(yīng)的特征向量W，即Wmax —UWinUiniiinii排序權(quán)向量W即為相應(yīng)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(biāo)因素的所有排序權(quán)向量。3.4一致性檢驗因為地鐵建設(shè)安全體系的復(fù)雜性和人的認(rèn)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(dǎo)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(dāng)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(jìn)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(biāo)，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(biāo)R.I采用龔木森、許樹柏1986年得出的1~15階重復(fù)計算1000次的平均隨機一致性指標(biāo)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(dāng)階數(shù)大于2時，只要C.R.<0.1Q則認(rèn)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(biāo)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(fēng)險因素大部分難以用數(shù)字來準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)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(biāo)層次得到原問題的綜合評判結(jié)果。這里從三級風(fēng)險源指標(biāo)出發(fā)，先對制約層各因素進(jìn)行一級模糊綜合評判，再對目標(biāo)層因素進(jìn)行二級模糊綜合評判。4.1風(fēng)險估計風(fēng)險估計是對工程風(fēng)險發(fā)生的可能性和不良后果進(jìn)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(fēng)險，P表示風(fēng)險發(fā)生的概率，C表示風(fēng)險發(fā)生后的損失。參考相關(guān)文獻(xiàn)[18][19][2，0]按照如下原則定義地鐵基坑工程的風(fēng)險概率和損失。表3地鐵車站基坑工程風(fēng)險發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險損失等級標(biāo)準(zhǔn)Table4Foundationpitsconstruetionrisklosslevelstandardofsubwavstations等級描述經(jīng)濟(jì)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(yán)重的100_3000?廠11<F<或1〈SI<0四級很嚴(yán)重的300_10001_10SI>10或2〈F<9五級災(zāi)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(biāo)準(zhǔn)；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(shè)風(fēng)險發(fā)生的概率和損失等級，將工程風(fēng)險等級分為五級，建立風(fēng)險分級矩陣（簡稱風(fēng)險矩陣），具體見表5。根據(jù)風(fēng)險矩陣得到的風(fēng)險等級確定地鐵基坑工程的三級風(fēng)險源指標(biāo)的風(fēng)險值估值，見表6。表5地鐵車站基坑工程風(fēng)險矩陣風(fēng)險矩陣輕微的 較大的 嚴(yán)重的 很嚴(yán)重的 災(zāi)難性的概風(fēng)險矩陣輕微的 較大的 嚴(yán)重的 很嚴(yán)重的 災(zāi)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(fēng)險估值及接受準(zhǔn)則Table6Valueatriskandacceptancecriteria等級低度中度高度極高估值0_6060_7070_8080一95接受準(zhǔn)則可忽略可接受不期望不可接受處理措施此類風(fēng)險較小，不許采取風(fēng)險處理措施和監(jiān)測此類風(fēng)險次之，—般不需要采取風(fēng)險處理措施，但需予以監(jiān)測此類風(fēng)險較大，必須采取風(fēng)險處理措施降低風(fēng)險并加強監(jiān)測，且滿足降低風(fēng)險的成本不高于于風(fēng)險發(fā)生后的損失。 此類風(fēng)險最大，必須高度重視并規(guī)避，否則要不惜代價將風(fēng)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(fēng)險估值根據(jù)各級指標(biāo)因素的排序權(quán)向量W,建立各級指標(biāo)的權(quán)重，采用專家調(diào)查法估計三級風(fēng)險源指標(biāo)r發(fā)生的概率及損失以確定其風(fēng)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(yīng)的imn ii12ni i二級指標(biāo)因素個數(shù);定義三級風(fēng)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(yīng)的三級指標(biāo)因素個數(shù)；以二級因素u]為例，其對應(yīng)的三級風(fēng)險源權(quán)重a]和風(fēng)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(biāo)對應(yīng)的三級風(fēng)險源指標(biāo)的權(quán)重集和風(fēng)險估值，進(jìn)行各二級指標(biāo)的Fuzzy綜合評判。以二級指標(biāo)u]為例，其一級評判風(fēng)險值為：r11rRara,a,a12u1 11 1112 1n...r1n（3） 二級評判根據(jù)各一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)的權(quán)重集和一級風(fēng)險評判值，進(jìn)行各一級指標(biāo)的Fuzzy綜合評判。以—級指標(biāo)U]為例，其二級評判風(fēng)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(biāo)的權(quán)重集和二