CN110378619A - 基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及施工风险分析领域，公开了一种基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，解决目前难以对现有工程施工过程风险进行全面、动态分析的问题。结合隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系，通过全面考虑工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，建立施工风险因素模糊综合评价模型，采用数理统计法、AHP法和三角模糊数对以上数据进行综合分析和模糊计算，并引入乐观‑悲观指数对隧道施工全过程中可能发生的潜在风险进行动态分析，为隧洞施工风险的全面、客观、动态分析提供可靠的科学依据和理论指导。本发明适用于隧道钻爆法施工风险分析。
Description
技术领域
本发明涉及施工风险分析领域，特别涉及基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法。
背景技术
隧道施工由于其相对隐蔽的施工环境以及诸多不确定性因素的影响，施工风险存在随机性及模糊性，目前针对隧道施工风险的研究大多是采用专家打分法等主观性较强的方法进行分析计算，难以对现有工程施工过程风险进行全面、准确分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，解决目前难以对现有工程施工过程风险进行全面、动态分析的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，包括如下步骤：
步骤1：通过对隧道钻爆法施工全过程涉及到的施工风险因素进行划分和识别，建立施工风险评价指标体系；
步骤2：通过AHP法及数理统计法分别对施工风险评价指标体系下的工程经验数据、专家打分数据以及工程实际数据进行分析计算，并采用三角模糊数对以上计算结果进行模糊表示，最后采用模糊测度Me方法建立隧道施工风险模糊综合评价模型，最终建立的隧道施工风险模糊综合评价模型如下：
式中：Fi(λ)表示第i个风险因素评估值；λ表示乐观—悲观指标，ri1表示以往类似工程中第i个风险因素权重；ri2表示通过AHP法计算得到的第i个风险因素权重；ri3表示本工程中第i个风险因素权重；
步骤3：基于所建立的隧道施工风险模糊综合评价模型，对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。
进一步，为了建立更加完善的风险评价指标体系，步骤1可建立两级施工风险评价指标体系，第1级指标包括：地质风险、环境风险、技术风险、爆破风险、施工管理风险以及材料风险；
地质风险包括：断层破碎带、地下水处理有效性、洞外危岩落石、塌方、洞口滑坡以及高地应力可能引起软岩塑性变形；
环境风险包括：缺氧以及有毒气体释放；
技术风险包括：隧道轴线定位偏差、衬砌渗漏以及支护不及时；
爆破风险包括：起爆装置的操作可能性、未按顺序爆破以及作业人员技术水平差；
施工管理风险包括：施工控制不完善、施工计划可操作性差、组织机构人不落实、施工控制信息不通畅、有效控制方法落后以及管理人员素质差；
材料风险包括：原材料供应不足、火工器材受潮、运输存储和施工损耗以及品种数量差错。
进一步的，在施工前期，应更多的结合以往类似工程的施工经验对相关风险因素进行控制，即λ取较大值；随着施工不断推进(尤其在施工期后半段)，可将实际施工过程中发现的施工风险以及发生的大小事故作为对今后的风险因素进行评价和控制的依据，即λ取较小值。
本发明的有益效果是：本发明结合隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系，通过全面考虑工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，建立施工风险因素模糊综合评价模型，采用数理统计法、AHP法和三角模糊数对以上数据进行综合分析和模糊计算，并引入乐观-悲观指数对隧道施工全过程中可能发生的潜在风险进行动态分析，为隧洞施工风险的全面、客观、动态分析提供可靠的科学依据和理论指导。
附图说明
图1是本发明的流程图
图2是本发明建立的隧道钻爆法施工风险二级评价体系；
图3是LG隧道平面布置图；
图4是各施工风险因素重要性程度；
图5是三种方法分析结果比较图。
具体实施方式
本发明针对隧道钻爆法施工条件及特点，建立隧道钻爆法施工风险评价指标体系，通过全面考虑工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，建立施工风险因素模糊综合评价模型，采用数理统计法、AHP法和三角模糊数对以上数据进行综合分析和模糊计算，并引入乐观-悲观指数对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。以下结合图1对本发明的技术方案做具体说明。
1、建立隧道施工风险评价指标体系
通过对隧道钻爆法施工全过程涉及到的施工风险因素进行划分和识别，建立两级施工风险评价指标体系。如图2所示，第1级指标为主因素层，包括地质风险A1、环境风险A2、技术风险A3、爆破风险A4、施工管理风险A5以及材料风险A6。每个主因素又包括若干个子因素，这些子因素构成了第2级指标。具体而言，第2级指标如下：
地质风险A1包括：断层破碎带A11、地下水处理有效性A12、洞外危岩落石A13、塌方A14、洞口滑坡A15以及高地应力可能引起软岩塑性变形A16；
环境风险A2包括：缺氧A21以及有毒气体释放A22；
技术风险A3包括：隧道轴线定位偏差A31、衬砌渗漏A32以及支护不及时A33；
爆破风险A4包括：起爆装置的操作可能性A41、未按顺序爆破A42以及作业人员技术水平差A43；
施工管理风险A5包括：施工控制不完善A51、施工计划可操作性差A52、组织机构人不落实A53、施工控制信息不通畅A54、有效控制方法落后A55以及管理人员素质差A56；
材料风险A6包括：原材料供应不足A61、火工器材受潮A62、运输存储和施工损耗A63以及品种数量差错A64。
2、建立隧道施工风险模糊综合评价模型
2.1层次分析法(AHP)
层次分析法是把一个复杂的问题分解为各个组成因素，由一组专家对各个组成因素进行评判，即把同级各个因子两两相互比较并量化，各个因素之间的比较值构成一个“构造判断矩阵”(如表1所示)，进而根据判断矩阵计算对于目标而言各元素的相对重要性次序的权值。
(1)构造两两比较判断矩阵
在单层次结构模型中，假定目标元素为Ck，同与之相连的有关元素集合A有相关性。假定以上一层次某目标元素Ck作为准则，通过向决策者询问在原则Ck下元素Ai对元素Aj的优劣比较，构造一判断矩阵，其形式如表1所示。
表1层次分析法比较矩阵
其中aij表示对于Ck来说，A1对A2相对重要性的数值体现，通常aij可取1、2、……、9以及它们的倒数作为标度。
(2)计算单一准则下元素的相对重要性
这一步要根据判断矩阵计算对于目标元素而言各元素的相对重要性次序的权值。计算判断矩阵A的最大特征根λmax和其对应的经归一化后的特征向量W＝[ω1ω2…ωn]T。即首先对于判断矩阵A求解最大特征根问题：
AW＝λmaxW (式1)
求得特征向量W并将其归一化，将归一化后得到的特征向量W＝[ω1ω2…ωn]T作为本层次元素A1、A2、……、An对于目标元素CK的排序权值。
(3)单层次判断矩阵A的一致性检验
在单层次判断矩阵A中，当aij＝aik/ajk时，称判断矩阵为一致性矩阵。由于客观事物的复杂性和人们的偏爱不同，判断矩阵很难有严格的一致性，但应该要求有大致的一致性。因此，在得到λmax后，还需对判断矩阵的一致性进行检验：
式中：C.I.为一致性指标；R.I.为平均随机一致性指标；C.R.为一致性比例。
当C.R.<0.1时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应修改矩阵使之符合要求。
本发明通过AHP法对隧洞施工中的安全风险进行评估，作为施工风险模糊综合评价模型的一组初始数据，并与工程经验与工程实际分析数据共同构成模糊综合评价模型的数据基础。
2.2三角模糊数及模糊测度Me方法
隧道施工由于其隐蔽性、复杂的施工环境以及诸多不确定性因素的影响，施工风险存在随机性及模糊性。因此，为了使风险分析结果更符合实际施工情况，本发明考虑风险因素的不确定性，通过结合工程经验、专家打分以及工程实际三方面数据，采用三角模糊数对其进行表示。
为了将三角模糊数(如(r1,r2,r3))转化为一实数，引入模糊测度Me方法中的乐观—悲观指标来解决这一问题，其转化过程如以下函数所示：
式中：λ为乐观—悲观指标，由决策者根据实际工程中对相关因素的评判确定。
2.3施工风险模糊综合评价模型
通过AHP法及数理统计法分别对工程经验数据、专家打分数据以及工程实际数据进行分析计算，并采用三角模糊数对以上计算结果进行模糊表示，最后采用模糊测度Me方法建立隧道施工风险模糊综合评价模型。其中，公式①表示对以三角模糊数表示的中间数据进行逆模糊化计算；公式②表示通过数理统计方法对工程经验数据进行分析计算；公式③表示采用AHP法对专家打分数据进行分析计算；公式④表示采用数理统计方法对工程实际数据进行分析计算。
隧道施工风险模糊综合评价模型如下：
式中：Fi(λ)表示第i个风险因素评估值；ri1表示以往类似工程中第i个风险因素权重；ri2表示通过AHP法计算得到的第i个风险因素权重；ri3表示本工程中第i个风险因素权重。
随着工程进度不断推进，可适当调整乐观—悲观指标的数值以使施工风险因素分析结果更为准确有效。在施工初期，应更多的结合以往类似工程的施工经验对相关风险因素进行控制，即λ取较大值；随着施工不断推进(尤其在施工期后半段)，可将实际施工过程中发现的施工风险以及发生的大小事故作为对今后的风险因素进行评价和控制的依据，即λ取较小值；无论λ值如何变化，在模型中ri2所占比重保持不变(即50％)，因为AHP法得到的施工风险因素数据是相关领域专家在充分了解工程相关资料的前提下结合自身工程经验和知识做出的较为科学的判断和评价，具有较高的可参考性，因此，在施工风险分析过程中始终将其作为重要依据。
3、实例分析
3.1工程概况
LG引水隧道位于川西地区，隧道全长3550m，平均埋深150m，最大埋深205m，以钻爆施工为主，洞径尺寸为2.5m×2.5m，如图3所示。整个隧道沿线的地貌地质条件相似，地层岩性一致。隧道进、出口段岩体分化破碎，属V类围岩，洞室极不稳定，应及时加强支护措施。隧道段岩性较软，完整性差，为IV类围岩。
3.2确定重要施工风险因素
首先通过AHP法对各风险因素进行分析计算，本次研究邀请了15位隧道施工方面的专家学者，在全面了解施工相关资料的基础上对一级和二级指标进行单因素评价。通过对专家意见的整理统计及量化处理。
第1级因素集的权重为：
A′＝[0.312 0.152 0.204 0.180 0.114 0.038]
对于第2级因素集，权重分别为：
地质风险A1′＝[0.258 0.182 0.105 0.315 0.093 0.047]
环境风险A2′＝[0.65 0.35]
技术风险A3′＝[0.228 0.087 0.685]
爆破风险A4′＝[0.62 0.23 0.15]
施工管理风险A5′＝[0.114 0.054 0.232 0.065 0.083 0.452]
材料风险A6′＝[0.528 0.236 0.104 0.132]
其次，通过数理统计方法对以往类似工程中各类大小事故进行分析计算，各风险因素所占比例如下：
地质风险A1″＝[0.082 0.042 0.021 0.106 0.011 0.008]
环境风险A2″＝[0.013 0.005]
技术风险A3″＝[0.014 0.007 0.188]
爆破风险A4″＝[0.065 0.042 0.013]
施工管理风险A5″＝[0.014 0.094 0.021 0.069 0.053 0.045]
材料风险A6″＝[0.064 0.011 0.008 0.004]
最后，在本工程进度不断推进过程中，根据现场实际情况对以上各风险因素在各类大小事故中所占的比例进行统计计算，并随着工程不断推进逐渐减小λ值，对施工风险进行动态分析，进而使风险分析及决策结果更符合工程实际情况，为工程施工管理提供更为准确的分析结果。本文以施工中期为例(即λ＝0.3)，用三角模糊数表示各风险因素重要性程度，如表3所示。
表3各施工风险因素权重
采用模糊综合评价模型，计算得到各施工风险因素重要性程度如图4所示。由图4可知，R56、R14、R33、R12这四个风险因素的权重较大，即管理人员素质、支护不及时、塌方以及地下水处理有效性这四个施工因素在施工过程中应引起高度重视，并应根据工程实际情况事先采取相应的措施，避免对工程进度、成本、安全等目标造成不良影响。
3.3方法比较
为了验证本文所提方法的准确性和有效性，现对工程经验法、专家打分法与模糊综合评价法进行比较，将以上三种方法分别应用于工程实例中，如图5所示，三种方法分析结果比较如下：
从图5可以看出，采用工程经验法的施工风险评价结果(曲线L1)中较为重要的因素分别为塌方、支护不及时、施工控制计划可操作性和断层破碎带；采用专家打分法的施工风险评价结果(曲线L2)中较为重要的因素分别为支护不及时、起爆装置的操作可靠性、缺氧、塌方和断层破碎带；采用模糊综合评价法的施工风险评价结果(曲线L3)中较为重要的因素分别为管理人员素质、支护不及时、塌方以及地下水处理有效性。
通过对以上结果进行分析比较，三种方法的评价结果有较大区别，因为工程经验法是根据以往工程数据为依据，忽略了工程实际情况，因而其评价结果中发生概率较大的几项施工因素对工程施工管理有一定的参考价值，在施工初期有较大的指导意义；专家打分法是施工领域专家根据工程实际情况对工程施工中存在的风险因素进行分析，其评价结果具有一定可靠度，但主观性较大。因此，将两者综合考虑，同时，在施工过程中，对工程实际施工情况进行统计分析并将分析结果耦合到评价方法中，且随着工程进度的不断推进，实际情况分析结果所占比重逐渐加大(即适当减小乐观-悲观指数值)，实现对施工过程风险因素的动态分析评价，为施工管理和决策提供更为准确有效的理论依据。
Claims (3)
1.基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过对隧道钻爆法施工全过程涉及到的施工风险因素进行划分和识别，建立施工风险评价指标体系；
步骤2：通过AHP法及数理统计法分别对施工风险评价指标体系下的工程经验数据、专家打分数据以及工程实际数据进行分析计算，并采用三角模糊数对以上计算结果进行模糊表示，最后采用模糊测度Me方法建立隧道施工风险模糊综合评价模型，最终建立的隧道施工风险模糊综合评价模型如下：
式中：Fi(λ)表示第i个风险因素评估值；λ表示乐观—悲观指标，ri1表示以往类似工程中第i个风险因素权重；ri2表示通过AHP法计算得到的第i个风险因素权重；ri3表示本工程中第i个风险因素权重；
步骤3：基于所建立的隧道施工风险模糊综合评价模型，对隧道施工过程中可能发生的潜在风险进行动态分析。
2.如权利要求1所述的基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，其特征在于，步骤1建立两级施工风险评价指标体系，第1级指标包括：地质风险、环境风险、技术风险、爆破风险、施工管理风险以及材料风险；
地质风险包括：断层破碎带、地下水处理有效性、洞外危岩落石、塌方、洞口滑坡以及高地应力可能引起软岩塑性变形；
环境风险包括：缺氧以及有毒气体释放；
技术风险包括：隧道轴线定位偏差、衬砌渗漏以及支护不及时；
爆破风险包括：起爆装置的操作可能性、未按顺序爆破以及作业人员技术水平差；
施工管理风险包括：施工控制不完善、施工计划可操作性差、组织机构人不落实、施工控制信息不通畅、有效控制方法落后以及管理人员素质差；
材料风险包括：原材料供应不足、火工器材受潮、运输存储和施工损耗以及品种数量差错。
3.如权利要求1所述的基于模糊综合评价的隧道钻爆法施工风险分析方法，其特征在于，施工前期的λ值大于施工后期的λ值。
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