童 祥

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

鐵路隧道工程具有施工技術(shù)復(fù)雜、施工項目多、不可預(yù)見風(fēng)險因素多和所處介質(zhì)復(fù)雜多變等特點,是一項高風(fēng)險建設(shè)工程[1]。到2020年,預(yù)計鐵路里程可達12萬km[2],其中在建隧道約6 600 km。由于近年隧道工程發(fā)展極為迅速,隨之而來的是工程事故屢屢發(fā)生,其中塌方更是屢見不鮮,如2010年1月南廣高鐵廣東云安隧道塌方,2010年3月集包線新旗下營鐵路隧道塌方,2010年10月錦赤鐵路燒鍋地隧道出口塌方。塌方不僅給隧道施工帶來巨大的困難,而且嚴(yán)重威脅人員和工程設(shè)備安全,給工程帶來巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。

鑒于塌方對隧道影響的重要性,國內(nèi)外許多學(xué)者對其展開了研究,并取得了一些重要成果,如Einstein H H[3]指出了隧道工程風(fēng)險分析的特點和理念,用可靠度方法對巖石隧道進行風(fēng)險分析。喻軍等分析了蛟嶺隧道塌方的力學(xué)特性,給出了半硬半軟巖隧道塌方處理方法[4],吳強等利用施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算分析了馬埡口隧道的塌方機理,給出了隧道塌方的原因和施工措施[5]。國內(nèi)外也相繼出臺了一系列法律法規(guī),如國際隧道協(xié)會頒布的Guidelines for Tunneling Risk Management[6],為隧道工程風(fēng)險管理提供了參考標(biāo)準(zhǔn),鐵道部和建設(shè)部相繼出版了《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》[7]、《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南》[8]。雖然風(fēng)險評估技術(shù)在隧道工程中的研究與應(yīng)用日趨深入,但是關(guān)于隧道塌方的研究基本上都是個案分析,重點集中在隧道塌方的處理措施上,缺乏對影響隧道塌方的各種因素及相互關(guān)系進行全面的分析。

隧道塌方后果嚴(yán)重,在鐵路隧道工程中展開全面系統(tǒng)的風(fēng)險分析研究刻不容緩。目前,用于風(fēng)險分析與評價的方法較多,如層次分析法(AHP)、模糊評價法、專家評價法、灰色評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等。其中,AHP應(yīng)用較多且被廣泛接受。網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)[9-10]則是建立在AHP的基礎(chǔ)上,考慮了各風(fēng)險因素或相鄰層次之間的相互影響,構(gòu)造超矩陣對各相互影響的因素進行綜合分析并計算出權(quán)重。與AHP相比,ANP能更為準(zhǔn)確地描述事物之間的聯(lián)系,是一種高效實用的決策方法,但由于該方法也是建立在專家評價的基礎(chǔ)上,在一定程度上會受專家主觀因素的影響,難以做到完全客觀公正,故在組織專家評價時應(yīng)選擇對所評工程非常熟悉并有豐富相關(guān)經(jīng)驗的人作為專家評審團。由于塌方風(fēng)險的致險因素相互影響,同時風(fēng)險因素與風(fēng)險事件之間也存在復(fù)雜的關(guān)系,本文提出基于ANP的鐵路隧道塌方風(fēng)險評價方法。旨在通過深入地挖掘隧道塌方的各種因素及相互關(guān)系,建立有效的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)體系,期望能為進一步提高我國隧道塌方風(fēng)險評估技術(shù)水平,形成一套完整的風(fēng)險分析與應(yīng)用系統(tǒng)做出貢獻。

1 鐵路隧道塌方風(fēng)險評價指標(biāo)體系

鐵路隧道工程項目具有多目標(biāo)性,其目標(biāo)包括工期目標(biāo)、經(jīng)濟目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)、安全目標(biāo)、環(huán)境目標(biāo)等。在整個項目推進過程中,這些目標(biāo)的實現(xiàn)都可能與預(yù)期存在一定偏差,即存在工期、造價、質(zhì)量、安全和環(huán)保等風(fēng)險。鐵路隧道塌方風(fēng)險因素較多,按照來源可以將其分為外部風(fēng)險因素、設(shè)計風(fēng)險因素和施工風(fēng)險因素。外部風(fēng)險主要表現(xiàn)在國家政策影響、業(yè)主資金劃撥和隧址區(qū)地質(zhì)情況等方面；設(shè)計風(fēng)險主要包括勘察深細度和設(shè)計翔實性兩方面；施工風(fēng)險主要包括施工質(zhì)量控制、施工安全管理和監(jiān)理監(jiān)督力度等方面。這些風(fēng)險因素或者影響項目建設(shè)質(zhì)量,或者影響項目收益,但最終均會對塌方風(fēng)險控制的總目標(biāo)產(chǎn)生影響。以上風(fēng)險因素有的相互獨立,有的則互相影響,而且風(fēng)險因素與風(fēng)險事件之間也相互聯(lián)系,由此形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層次關(guān)系。

由于鐵路隧道工程塌方風(fēng)險涉及致險因素較多,情況復(fù)雜,因此能否準(zhǔn)確識別工程項目的主要風(fēng)險因素,決定了塌方風(fēng)險評價結(jié)果的科學(xué)性和有效性。本文在對已總結(jié)[11]的和筆者收集整理的塌方事故統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上,結(jié)合問卷調(diào)查方式對塌方風(fēng)險因素進行了識別。調(diào)查問卷采用李克特(Likert) 5級分量表的形式進行設(shè)計(表1)。

表1 Likert5級分量表

調(diào)查對象包括我國隧道行業(yè)的專家、高校學(xué)者、設(shè)計工程師和施工技術(shù)人員,調(diào)查單位包括中鐵第四勘察設(shè)計院、中鐵第二勘察設(shè)計院、中鐵隧道局、中鐵二局和西南交通大學(xué)等。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,計算每項指標(biāo)的風(fēng)險度量的平均值。根據(jù)該值,刪除掉平均值小于3的風(fēng)險指標(biāo),共得到6個一級指標(biāo),26個二級指標(biāo)(表2)。

表2 鐵路隧道塌方風(fēng)險評價指標(biāo)體系

表2中,前2個一級指標(biāo)屬于外部風(fēng)險因素,政策和業(yè)主風(fēng)險屬于不可控風(fēng)險因素,即是一旦選擇了目標(biāo)項目就只能被動地接受和適應(yīng)這些因素。中間2個一級指標(biāo)屬于設(shè)計風(fēng)險因素,對施工單位來說,這些風(fēng)險屬于半可控風(fēng)險因素,因為在勘察、設(shè)計方面,施工單位仍具有一定的話語權(quán)和影響力。后2個指標(biāo)屬于施工風(fēng)險因素,這些風(fēng)險屬于可控風(fēng)險,即施工單位對這類風(fēng)險具有完全的主動權(quán)。

2 ANP原理與算法

ANP是由美國T.L.Saaty教授在層次分析法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,早在20世紀(jì)80年代中,Saaty就提出了反饋型AHP,1996年Saaty比較系統(tǒng)地提出了ANP[9]的理論與方法。

2.1 ANP結(jié)構(gòu)

ANP將系統(tǒng)元素劃分為兩大部分：第一部分為控制層,包括問題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則。所有的決策準(zhǔn)則均被認為是彼此獨立的,且只受目標(biāo)支配?？刂茖又锌梢詻]有決策準(zhǔn)則,但至少有1個目標(biāo),控制層中每個準(zhǔn)則的權(quán)重均可用傳統(tǒng)AHP方法獲得。第二部分為網(wǎng)絡(luò)層,它由所有受控制層支配的元素組成,元素之間互相依存、互相支配,元素和層次間內(nèi)部不獨立。遞階層次結(jié)構(gòu)中的每個準(zhǔn)則支配的不是1個簡單的內(nèi)部獨立的元素,而是1個互相依存、反饋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？刂茖雍途W(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成了典型的ANP層次結(jié)構(gòu)。

2.2 ANP算法

根據(jù)文獻[9，10],可得到ANP方法的工作步驟：

2.2.1 確定控制層中各因素的權(quán)重

在ANP中,考慮到被比較的元素之間可能不是獨立的,因此比較將視情況以2種方式進行：①直接優(yōu)勢度,即給定1個準(zhǔn)則,比較2個元素相對于這個準(zhǔn)則誰更重要；②間接優(yōu)勢度,即給定1個準(zhǔn)則,比較2個元素中誰對第二個元素的影響更大。前一種方式適用于元素相互獨立的情形,而后一種則適用于元素是相互依存的情形。

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

為了確定網(wǎng)絡(luò)層中各因素的相對重要程度,必須在總目標(biāo)下對網(wǎng)絡(luò)層中的各元素集進行比較,列出兩兩判斷矩陣,矩陣中的數(shù)據(jù)通過對決策者進行問卷調(diào)查得到,并采用Saaty提出的1-9標(biāo)度法來量化。設(shè)ANP中控制層的元素為P1,…,Pn,網(wǎng)絡(luò)層中元素組為B1,…,Bn。其中,Bi有元素Ci1,…,Cin,以控制層元素Ps為準(zhǔn)則,以Bj中元素Cjl為次準(zhǔn)則,按元素組Bi中元素對Cjl的影響力大小進行間接優(yōu)勢度比較,構(gòu)造歸一化特征向量為

(1)

2.2.3 建立超矩陣并歸一化處理

(2)

其中,wij列向量是Bi中元素對Bj中元素Cj1,…,Cjnj的影響程度排序向量。若Bj中元素不受Bi中元素影響,則wij=0。可得準(zhǔn)則下的超矩陣為

(3)

其中，w2N是以網(wǎng)絡(luò)層一級指標(biāo)BN中各因素為次準(zhǔn)則的B2中各元素的相對權(quán)重子矩陣。

(2)計算加權(quán)超矩陣。超矩陣中每一子塊wij都是歸一化的,但是該矩陣并不是歸一化的。因此,以Ps為準(zhǔn)則,按各組元素對準(zhǔn)則Bj(j=1,…,N) 的重要性進行比較,得到一個歸一化的排序向量為

(4)

(5)

2.2.4 計算相對排序向量

對得到的加權(quán)超矩陣進行排序,計算各二級指標(biāo)的權(quán)重得分,對風(fēng)險指標(biāo)得分進行歸一化處理并進行整體排序(表3)。

3 案例分析

本文以長株潭城際鐵路苦竹坳隧道塌方風(fēng)險為例,利用ANP對其風(fēng)險進行識別與評價。

3.1 ANP模型的構(gòu)建

鐵路隧道塌方風(fēng)險因素較多,并存在相互之間的影響。依據(jù)風(fēng)險因素之間的關(guān)系,構(gòu)造主指標(biāo)間的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表3 各指標(biāo)整體權(quán)重及排名

圖1 苦竹坳隧道塌方風(fēng)險主指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 風(fēng)險評價

從表3可以看出,可能造成鐵路隧道塌方風(fēng)險的主要因素是施工、地質(zhì)、設(shè)計、業(yè)主等因素。施工風(fēng)險因素中施工質(zhì)量是最突出的因素,在所有二級風(fēng)險因素中排位第1,另外,材料質(zhì)量保證和施工組織分別排名第3、第4位。根據(jù)調(diào)查表和統(tǒng)計資料表明,施工質(zhì)量一直是存在于施工單位中的大問題,一些施工單位在工程施作時,不能完全落實設(shè)計指標(biāo),導(dǎo)致施工中存在較大的安全隱患,使施工期塌方風(fēng)險過高。同時,由于施工工藝、材料質(zhì)量將直接影響工程施作質(zhì)量,對施工期的安全、后期運營安全和耐久性起到?jīng)Q定性作用。

地質(zhì)方面,不良地質(zhì)和工程地質(zhì)分別排在第2和第5位。由于鐵路隧道塌方風(fēng)險與隧址區(qū)地質(zhì)情況緊密相關(guān),如圍巖級別、巖性、節(jié)理裂隙、巖體破碎程度,并且受到不良地質(zhì)影響也非常大,如巖堆、斷層、向斜、軟弱破碎帶等。所以,如果隧址區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜、不良地質(zhì)情況嚴(yán)重,并且勘探工作也不夠詳細準(zhǔn)確,不能提供準(zhǔn)確的地勘資料,將直接增大隧道的塌方風(fēng)險。

設(shè)計風(fēng)險中的常規(guī)設(shè)計、特殊設(shè)計合理性分別位列第6位、第11位。由于中國鐵路建設(shè)處于蓬勃發(fā)展時期,積累了一定的隧道施工經(jīng)驗,故在常規(guī)設(shè)計情況下,設(shè)計方案的安全性較高。但對于具有特殊地質(zhì)情況或特殊斷面要求的隧道設(shè)計方案,其導(dǎo)致塌方風(fēng)險的可能性就會較大。

監(jiān)理方面的日常工作和職業(yè)道德分別排名第7位和第9位。監(jiān)理在施工質(zhì)量監(jiān)督中應(yīng)起到舉足輕重的作用,監(jiān)理人員的廉潔自愛和對工作的盡職盡責(zé),能在很大程度上影響施工質(zhì)量,稍有疏忽就可能造成施工工藝、材料質(zhì)量、工程管理的監(jiān)督工作未能完全到位,從而影響工程的質(zhì)量,加大塌方風(fēng)險。

政策風(fēng)險中的政策體制改革排在第8位。主要由經(jīng)濟尤其是土建政策的穩(wěn)定性和連續(xù)性所決定,目前在國內(nèi)主要表現(xiàn)在銀行貸款利率波動、工程建設(shè)項目持續(xù)穩(wěn)定、相關(guān)政策部門支持力度和地區(qū)各相關(guān)產(chǎn)業(yè)配合等等。

另外,業(yè)主方面的資金保證和各參建方協(xié)調(diào)分別排在第10位、第13位。由于土建項目特別是隧道工程資金需求較大,投資方資金的到位程度、及時性都直接決定著施工、監(jiān)測的運作情況,并且建設(shè)參與各方的積極協(xié)作、相互配合也對施工的順利進行有極大影響。故業(yè)主的資金保證和協(xié)調(diào)工作在很大程度上影響了工程建設(shè)質(zhì)量和塌方風(fēng)險度。

4 結(jié)論

通過對鐵路隧道的廣泛調(diào)研和對塌方風(fēng)險的系統(tǒng)分析,總結(jié)出應(yīng)對苦竹坳隧道塌方風(fēng)險的措施,包括：

(1)施工單位應(yīng)加強施工隊伍建設(shè),合理調(diào)配機具,嚴(yán)格落實設(shè)計,保證施工工藝,及時反饋信息,加強與設(shè)計、勘查單位的溝通；

(2)地質(zhì)勘查單位提供詳細可靠的地勘資料,特別是不良地質(zhì)段應(yīng)加強勘查力度；

(3)設(shè)計單位應(yīng)借鑒已建隧道的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn),對特殊設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計流程層層把關(guān),提供合理的、有針對性的設(shè)計方案；

(4)監(jiān)理單位應(yīng)安排有類似工程經(jīng)驗的人員作為監(jiān)理,監(jiān)理人員應(yīng)恪盡職守、遵循職業(yè)道德監(jiān)督施工各項工作；

(5)爭取在國家及地區(qū)的經(jīng)濟、土建政策有利且穩(wěn)定期建設(shè),同時業(yè)主方應(yīng)保證建設(shè)資金的及時、合理。

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