沈 華,馬保松,吳浪輝,肖 威

0 引言

非開挖是一門新興的鋪管技術,指利用巖土導向、定向鉆進等手段,在地表不挖槽的情況下,鋪設、更換或修復各種地下管線的施工新技術[1]。隨著我國西氣東輸以及城市化進程的加快,人們對地下管線建設的要求越來越來高,傳統(tǒng)的開挖方法正遭到淘汰,而非開挖技術越來越得到廣泛的應用。而水平定向鉆穿越作為新興的非開挖工程中的一種重要的技術,在一些無法實施開挖作業(yè)的地區(qū)鋪設管線方面,如穿越公路、鐵路、建筑物、河流、古跡保護區(qū)、鬧市區(qū)、農(nóng)作物及植被保護區(qū)等,取得了顯著的社會經(jīng)濟效益[2]。然而現(xiàn)今大型的水平定向鉆穿越工程投資動輒數(shù)千萬,且施工多在地下進行,這就使得工程項目不可避免存在很多風險,若操作不當,可能造成巨大的經(jīng)濟損失。因此,對工程事先進行風險評價,為工程項目的實施提供一個可供指導的信息就顯得十分必要[3]。目前風險評價已經(jīng)在工程建設的各個領域都有應用,建設項目的風險評價也越來越受到重視[4],但是針對地下管道水平定向鉆穿越工程的項目還不多,目前只有楊偉、蘇欣等人做過基于模糊層次分析法的水平定向鉆穿越優(yōu)選方案的研究[5,6]。因此,本文結合某工程實例針對水平定向鉆管道穿越工程進行了風險評價,以期對工程實際起到一定的指導作用。

1 評價方法的選擇

風險評價就是要對風險進行定量分析判斷,確定出風險的大小,為進一步的風險控制提供可用于指導操作的信息。目前,項目風險評價的方法很多,如層次分析法、主觀評分法、決策樹法、網(wǎng)絡分析法、模糊評價法[7],而在工程項目中應用較多的是模糊綜合評價法和層次分析法。模糊綜合評判方法(Fuzzy Comprehensive Evaluation)是一種運用模糊變換推理分析和評價模糊系統(tǒng)的方法,它以模糊推理為主,定性和定量結合,精確與非精確統(tǒng)一進行項目的綜合評判[8]。由于這種方法在處理各種難以精確描述的復雜系統(tǒng)問題方面表現(xiàn)出獨特優(yōu)越性,因此得到廣泛的應用。層次分析法(Analytical Hierarchy Process)是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂(T.L.Satty)于 20世紀 70年代初所提出的一種層次權重決策分析方法,現(xiàn)今也已十分成熟,應用十分廣泛[9,10]。

本文利用兩種方法各自的優(yōu)點,將層次分析法的權重決策與模糊綜合評價法的模糊評判理論相結合,對某水平定向鉆穿越工程進行了項目的風險評估。

2 項目評價的理論原理及其過程

2.1 建立風險評價指標體系

風險評價指標體系是進行項目風險評估的基礎。大型工程項目的風險有人為管理的缺陷,也有材料、設備本身的缺陷,參照 Delphi法[11],該穿越工程項目部組織相關領域 20余名專家進行調(diào)查和反饋,得出該工程項目所存在的風險,本文根據(jù)此建立了一個風險評價指標體系 (如表 1所示)。該工程的風險指標體系分為 3層:

第一層是系統(tǒng)的總的風險度,它直接反映系統(tǒng)所處的總的風險等級,為項目的工程實際提供參考;

第二層是制約和影響系統(tǒng)總風險度的 4個主要的一級指標,它們分別是環(huán)境風險、材料與設備風險、施工風險、設計風險和承包商風險。

第三層是影響風險的 18個子因素集,也叫做二級指標,環(huán)境風險里面的場地的危險性,場地生活垃圾、泥漿、動力用油等對環(huán)境的危害,暴雨、洪水等對施工進度的影響,場地的障礙物和穩(wěn)定性等;設備、材料風險里面主要包括了鉆機設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、防護系統(tǒng)如防止卡鉆設備、各種應急系統(tǒng)以及運輸狀況等;施工風險里面又包括了管道回拉時表面防腐層的保護、光纜和套管的保護、施工操作及安全等這些會在施工階段造成影響和必須注意的問題;然后就是設計風險,設計的合理性,直接關系項目的成功實施,而設計圖紙交付的及時性則會影響工程實施的進度。

表1 該穿越工程風險指標體系

2.2 指標權重的計算

2.2.1 構造判斷矩陣

工程項目的風險評價指標體系建立起來之后,參照層次分析法,請相關專家對指標層各元素進行兩兩比較評分,再寫成矩陣形式。項目風險評分值采用 T.L.Satty[9]所提出的評價尺度,其表示的含義如表 2所示。當認為風險介于兩個相對程度中間時,對應的分值可取中間值,例如甲與乙相比的程度介于極重要和很重要之間,則分值取 8。

表2 項目風險評分

2.2.2 一致性檢驗及權向量的確定

判斷矩陣得出來之后,還要進行一致性檢驗,以避免出現(xiàn) A比 B重要,B比 C重要,而 C卻比 A重要的邏輯錯誤。

矩陣一致性的檢驗采用 Satty提出的一致性系數(shù) CI和隨機一致性指標 R I以及隨機一致性比率CR的方法來進行。

式中:λmax——所得矩陣的最大特征值;n——矩陣的維數(shù)。

R I是隨機一致性指標,一般認為 CR≤0.1時,所得出的矩陣具有較好的一致性。其對應數(shù)值如表3。

表3 隨機一致性指標 RI的數(shù)值

當判斷矩陣的不一致程度在容許的范圍內(nèi)時,可用其特征向量作為權向量,否則就要重新進行成對比較,對矩陣進行調(diào)整。本文利用Matlab平臺強大的矩陣運算功能,以及可以與 Excel互動的優(yōu)點,把一致性檢驗、權向量計算統(tǒng)一用一個程序來實現(xiàn)[12]。

2.3 模糊集的建立

指標權重計算出來后,我們再根據(jù)模糊綜合評判理論建立評語集,以及各因素的隸屬度向量,進行最后的評價。

該工程項目風險一級指標為 B,B={B1,B2,B3,B4,B5},相應的權重為W,其各自所屬的二級指標 Ci(i=1,2,…,n)的權重為 W1,W2,W3,W4,W5。

同時設模糊評語集為 V={無風險,低風險,中等風險,高風險,極高風險},以向量 C={10,30,50,70,90}T表示其對應的分值。

2.4 模糊綜合評判及相對隸屬度向量的確定

對項目風險指標進行模糊綜合評判,通過組織專家討論各個因素對評語集的隸屬度,得到各風險隸屬度向量。例如通過專家討論得出環(huán)境風險中現(xiàn)場操作環(huán)境的危險性 (C1)對于評價結果是:有 13%的人認為無風險,35%的人認為低風險,39%的人認為中等風險,8.7%的人認為高風險,4.3%的人認為極高風險,則得出的評判結果為 (0.13,0.35,0.39,0.087,0.043)。同樣對其它 3個因素進行評價得到環(huán)境風險所對應的隸屬度向量 R1,再對 B層其它 4個因素進行評價依次得到隸屬度向量 R2,R3,R4,R5。對 Ri(i=1,2,…,5)進行歸一化處理,再運用矩陣的模糊乘法,得到 B層所有因素對評語集的總的隸屬度向量:B=WioRi(i=1,2,3,4,5),其中 o為取大取小算子[8]。

2.5 評估結果

由 S=B·C就可以得到工程項目的風險總值,從而確定該項目的風險水平。

3 穿越工程風險計算

3.1 判斷矩陣的建立及其一致性檢驗

環(huán)境風險 (B1)判斷矩陣,材料、設備風險 (B2)判斷矩陣,施工風險 (B3)判斷矩陣,設計風險 (B4)判斷矩陣,承包商風險 (B5)判斷矩陣,B層所有因素相對于 A層的判斷矩陣分別見表 4～9。

表4 環(huán)境風險(B1)判斷矩陣

表5 材料、設備風險 (B2)判斷矩陣

表6 施工風險(B3)判斷矩陣

表7 設計風險(B4)判斷矩陣

表8 承包商風險 (B5)判斷矩陣

表9 B層所有因素相對于A層的判斷矩陣

3.2 權重的計算

通過矩陣的特征值和特征向量以及一致性檢驗的Matlab計算程序,對表 1所建立的風險指標體系得出的判斷矩陣得到各層次因素的權重分別為:

3.3 各個風險因素的隸屬度歸一化矩陣

3.4 合成隸屬度向量

在Matlab平臺上,通過調(diào)用相應的模糊乘法的取大取小函數(shù),運用矩陣的模糊乘法將各個權重向量和對應的隸屬度矩陣相乘得到合成隸屬度矩陣 R并歸一化:

而得到矩陣 R=(B1,B2,B3,B4,B5)T。

再次運用矩陣的模糊乘法將總權重向量W與合成隸屬度矩陣 R相乘得到綜合評判結果 B并歸一化,得到:

3.5 計算最終的風險值

將最終的評判結果與評語集相乘得到最終的風險值:S=B·C=54.18。將最后的風險值與相應的評語集 V和評價分向量 C相比較,可知該風險值處于中等風險范圍,風險級別較高,應當引起承包商以及項目部的重視。而由權重向量W可知環(huán)境風險和施工風險是影響比較大的因素,施工單位及項目部應加強施工和環(huán)境保護這 2個方面的工作。

4 結論

層次分析法是一種半定性與半定量的方法,具有系統(tǒng)、實用、簡潔的特點,可以用來確定 HDD穿越工程中各風險因素相對總風險系統(tǒng)的權重。而模糊綜合評價法是一種以模糊推理為主的半定性與半定量方法,可以用來求出系統(tǒng)總的風險度,根據(jù)最大隸屬度原理判斷穿越工程項目風險的等級。所以層次分析法和模糊綜合評價法結合在一起,可以達到互補,比原來的單一方法有所改進,是一種有效的風險評估方法。

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