基于模糊综合法的铁路隧道施工风险管理应用研究

刘建亮

中铁十八局集团有限公司 天津 300222

目前，国内外学者在工程施工风险预测方法方面已进行了大量的研究，也提出了一些研究成果。例如：Einstein[1]率先提出了地下工程风险分析工作的基本特征与理念，Eskesen等设计了一套针对隧道工程风险管理的标准与方法，应国柱等[2]针对合肥地铁1号线施工所设计的模糊综合评价模型具有重要的参考价值。然而，就铁路隧道施工风险预估方面却鲜有研究。本文在前人研究成果的基础上，以南京至安庆区间内某铁路隧道施工为例，通过应用模糊数学理论，构建了铁路隧道施工风险三级模糊综合评价模型，并对铁路隧道施工的风险等级进行了分析，为类似工程的风险评估与管理提供了参考。

1 工程实例分析

本文所研究的隧道位于南京—安庆区间，为单洞双线隧道。全长525 m，设计速度300 km/h。隧道所处地段的地质构造比较复杂，并且受地质构造的长期影响，隧道洞身岩体的完整性相对较差，隧道应用复合式衬砌方法，因为覆盖层埋深相对较浅，在进行隧道开挖的过程中缺乏良好的稳定性，所以有必要对施工风险因素进行科学评估，进而采取合理的对策。

2 构建施工风险评价指标体系

结合工程实际情况，采用层次分析法思想，构建了铁路隧道施工风险三级评价指标体系（图1）。在该评价指标体系中，处于最顶层的为最终的评价目标U，其可以分为5个一级风险源指标，即U1，U2，……，U5；依照施工工序可以将各一级风险源指标细分为12个二级风险源指标，即u1，u2，……，u12。根据同样的原则，又可以将各二级风险源指标划分为多个三级指标ri-j。

3 确定风险因素权重

为确定在进行风险评价时各因素对评价目标的重要程度，引入权重的概念。评价结果是否准确，在很大程度上直接取决于是否科学地确定权重。在应用层次分析法的时候，一般使用传统的标度表来完成判断矩阵的构造，当确定矩阵通过一致性检验之后，权重向量取其最大的特征向量。国内学者通过研究发现，以往利用经验而确定的一致性检验标准缺少相关理论作为支撑，所获得的的权重排序向量精度较低。鉴于此，本文对判断矩阵予以优化。

图1 铁路隧道施工风险三级评价指标体系

3.1 建立判断矩阵

依照所构建的施工风险评价指标体系中上层因素与下层因素间的关系，借助于专家调查法来比较下层制约因素对上层准则因素的重要程度大小，并且与Saaty的1～9标度（表1）相结合来构建各层次因素的判断矩阵。

表1 1～9标度

以本工程的二级指标钻爆开挖为例，其判断矩阵如表2所示。

表2 钻爆开挖施工判断矩阵

3.2 一致性检验

实践表明，判断矩阵往往缺乏良好的可靠性，为此要对其进行一致性检验，检验公式如式（1）所示：

式中：Rc——一致性指标；

n——判断矩阵的阶数；

λmax——判断矩阵的最大特征值；

IR——平均随机一致性指标，通过多次重复计算随机

判断矩阵特征值后，取算数平均值得到。

不超过2阶的判断矩阵都是一致的；对于超过2阶的判断矩阵，当一致性指标Rc≤0.10时，便可以断定此判断矩阵的一致性是可接受的，当一致性指标Rc＞0.10时，则需要对判断矩阵进行修改，直到其达到要求为止。以本工程为例，通过计算得到λmax=5.16，将其值带入公式（1）进行计算，可得Rc为0.036＜0.10。所以，此判断矩阵的一致性是可以接受的。

3.3 计算各指标因素所有排序权向量

首先，要计算单一准则下元素相对权重，本文采用特征根法，按式（2）进行：

式中：ωi——相对权重；

aij——判断矩阵元素。

其次，计算各指标因素所有排序权向量ω，其表示相应的n个制约因素的相对权重，计算公式为ω=[ω1ω2… ωn]T。以本工程为例，各个因素的排序权向量为ω=[0.046 0.126 0.107 0.259 0.462]。采用相同的方法即可获得各个二级指标排序权向量。

4 模糊综合评价

4.1 风险估计

风险估计主要涵盖2个方面的因素：一是要对风险发生的可能性大小予以估计；二是要对风险事故发生以后所造成的后果损失予以估算。本文参考已有规范，对铁路隧道施工事故发生概率的等级标准及风险损失等级标准进行了定义，分别如表3、表4所示。

表3 铁路隧道施工事故发生概率等级标准

依照铁路隧道建设风险发生概率与损失等级，把工程风险等级划为5个等级，并建立了如表5所示的风险矩阵。依照所建立的风险矩阵来对风险估值与接受准则予以确定，如表6所示。

在本工程中，根据表3、表4与表5可获得各级指标的风险等级，再根据表6来完成对各级风险指标的风险估值。

表4 铁路隧道施工风险损失等级标准

表5 风险矩阵

表6 风险估值与接受准则

4.2 模糊评价

4.2.1 构建权重集与风险估值

定义一级评价因素集U 的权重向量A=[a1a2a3a4a5]，定义二级评价因素集Ui的权重向量Ai=[…]。其中，i的取值为1～5，m为第i个一级因素所对应二级指标因素的数量。定义三级评价因素集uj的权重向量aj=[aj-1aj-2… aj-n]，其中，j的取值为1～17，n表示各二级因素所对应三级指标因素的数量。

4.2.2 一级、二级、三级综合评价

在进行一级评价时，依照每一个二级指标所对应三级指标的权重集与风险估值，完成各个二级指标的模糊综合评价。在进行二级评价时，依照每一个一级指标所对应的二级指标权重集与一级风险评判值，完成对每一个一级指标的模糊综合评价。最后，在进行三级综合评价时，应综合一级指标的权重集与二级评价风险值。铁路隧道工程施工的总风险值如公式（3）所示。

通过整理归纳一级、二级、三级风险评价值，可以获得各个因素风险评估结果，进而依照风险估值与接受准则制定科学的对策。表7为隧道钻爆开挖工程三级指标的风险估值与风险等级。经计算，其风险评评价值为76.226。

表7 隧道钻爆开挖工程三级指标的风险估值与风险等级

图2为采用如上方法所获得的其他二级指标风险评价值。由图2可知，本铁路隧道施工的二级指标风险基本都是“中度”与“高度”。其中，作业环境、地质环境、钻爆开挖及洞口支护的风险等级为“高度”，所以，在进行本铁路隧道工程施工过程中，需对此四类工序予以格外的重视，及时制订对策，同时要做好监测工作。

图2 二级指标风险评价值

5 结语

本文结合某铁路隧道施工案例，分析了模糊综合法在铁路隧道施工风险管理中的应用情况。通过在铁路隧道施工风险评价过程中应用模糊综合评价模型，能够获得较为客观、准确的评价结果，从而为铁路隧道施工项目的风险管理奠定基础。此外，本文研究为工程领域构建风险评估模型提供了一种合理的思路，对其他工程的风险管理工作具有一定的借鉴价值。