朱立成， 雷明鋒， 萬(wàn) 旺， 陳覓杭， 鄭邦友

(1. 中南大學(xué) a. 土木工程學(xué)院； b. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 中建隧道建設(shè)有限公司， 重慶 401320)

伴隨高等級(jí)鐵路、公路的飛速發(fā)展，隧道以其縮短通行里程、減少運(yùn)輸時(shí)間、優(yōu)化線型、提高經(jīng)濟(jì)效益等顯著優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用于交通建設(shè)中。為保證隧道施工順利、安全，達(dá)到“好、快、省”的建設(shè)目的，科學(xué)、合理的施工組織是其重要保障之一。然而，與其他類型工程相比，隧道工程具有隱蔽性、圍巖和周邊環(huán)境條件不確定等突出特點(diǎn)，使得其前期施工組織往往難以全面反映實(shí)際工程特點(diǎn)，從而造成工程延期，建設(shè)成本增加等施工風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。因此，如何設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的隧道施工組織方案，并實(shí)現(xiàn)預(yù)先評(píng)價(jià)，是當(dāng)前隧道工程建設(shè)過(guò)程中面臨的難題之一，特別是對(duì)于一些復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道工程，該問(wèn)題顯得尤為突出。

Cheng等[1]考慮隧道施工現(xiàn)場(chǎng)管理的復(fù)雜性，提出了一種基于遺傳算法，整合模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法的隧道施工組織評(píng)價(jià)方法。安文杰[2]采用模糊層次分析法，建立了基于“專家打分制”的隧道施工組織評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。尤瀟[3]以港珠澳大橋隧道部分的施工實(shí)際為基礎(chǔ)，開(kāi)展了基于灰色層次分析法的隧道實(shí)施組織方案比選，給出了最優(yōu)施工組織方案。崔勇[4]構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)采用逐層序關(guān)系法確定各因素權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了某工程施工組織方案的綜合評(píng)價(jià)。Kolic[5]采集了大量的歷史隧道施工工程信息，建立了科學(xué)全面的數(shù)據(jù)庫(kù)信息系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于湖底隧道工程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該隧道的施工組織方案評(píng)價(jià)與修正。畢磊[6]建立了進(jìn)度和成本耦合的隧道施工仿真數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型，并分析了不同施工組織方案的相對(duì)有效性，為尋求最優(yōu)施工組織方案提供了參考。陳川[7]利用適應(yīng)性評(píng)價(jià)理論，在分析影響隧道TBM施工組織因素的基礎(chǔ)上，建立了深埋隧道TBM適用性評(píng)價(jià)體系。

總之，對(duì)于隧道施工組織評(píng)價(jià)問(wèn)題，多數(shù)學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)分析的方法，且大多為定性化的專家論證，而對(duì)于隧道施工組織的影響因素討論及定量化分析較少。為此，本文依托實(shí)際工程，對(duì)長(zhǎng)大隧道施工組織的影響因素及組織方案評(píng)價(jià)方法開(kāi)展研究，力求實(shí)現(xiàn)其量化評(píng)價(jià)。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法的基本思路與原理為，應(yīng)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的基本理論——隸屬度或隸屬函數(shù)來(lái)描述模糊信息量[8]，考慮與評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，并確定各個(gè)因素的權(quán)重，再通過(guò)模糊合成計(jì)算，從而得到研究對(duì)象的科學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論。模糊綜合評(píng)價(jià)法實(shí)施步驟：

(1)構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)。確定問(wèn)題的決策目標(biāo)，找出影響決策目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各種因素，并針對(duì)具體的各項(xiàng)影響因素，進(jìn)行下一層次的劃分，進(jìn)而建立一個(gè)層次分明的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系[12]，如圖1。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型

上述層次結(jié)構(gòu)模型的評(píng)價(jià)集一般用程度語(yǔ)言或者評(píng)定取值區(qū)間作為目標(biāo)值，即：

V={v1,v2,…,vn}

(1)

式中：vj為評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般用模糊語(yǔ)言表達(dá)，如“好、中、差”或“高風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)”等。

(2)建立權(quán)重集。采用權(quán)重賦值的方法來(lái)量化表征各因素對(duì)事物的影響程度，各影響因素ui的權(quán)重ωi所構(gòu)成的集合為：

ω=[ω1,ω2,…,ωm]

(2)

其中，各影響因子的權(quán)重之和為1，即：

(3)

(3)一、二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。為處理各影響因素的模糊性，需綜合考慮單個(gè)因素各個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果，并將其作為該單因素的評(píng)價(jià)，對(duì)應(yīng)的評(píng)判矩陣為：

Bi=ωi·Ri

(4)

式中：“·”表示模糊合成運(yùn)算，具體為：

[b1,b2,…,bm]=

(5)

式中：bi為被評(píng)價(jià)對(duì)象具有評(píng)語(yǔ)vi的程度；rij為因素ui對(duì)各等級(jí)vj的隸屬度，其取值為介于0到1之間的數(shù)，當(dāng)rij=0時(shí)表明因素i完全不屬于j等級(jí)，當(dāng)rij=1時(shí)表明因素i完全屬于j等級(jí)。

于是，可得到一級(jí)模糊矩陣：

(6)

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果僅能顯示出單因素的不同等級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，而實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中涉及的影響因素眾多。因此，要準(zhǔn)確評(píng)估各因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的影響，還需對(duì)各因素下的子指標(biāo)層進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)[9～11]。

(4)求判斷矩陣A的特征值、特征向量及權(quán)重系數(shù)。在求解判斷矩陣的最大特征值λmax時(shí)，由于影響隧道施工組織的因素眾多，矩陣計(jì)算相對(duì)繁瑣，因此采用方根法對(duì)判斷矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化[10]。

1)將判斷矩陣中a元素按行相乘，得

(7)

2)將所得乘積分別開(kāi)n次方：

(8)

3)將所得方根向量標(biāo)準(zhǔn)化，即得特征向量T，其中：

(9)

將特征向量T標(biāo)準(zhǔn)化即可得到標(biāo)準(zhǔn)向量T(ti)，ti為因素μi的權(quán)重系數(shù)。

4)計(jì)算判斷矩陣最大特征根

(10)

(5)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

1)一致性指標(biāo)CI :

(11)

2)一致性指標(biāo)RI，其取值大小與矩陣階數(shù)有關(guān)，見(jiàn)下表1：

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3)一致性指標(biāo)CR：

(12)

若CR<0.10,即判斷矩陣的一致性通過(guò)檢驗(yàn)，反之則說(shuō)明影響因素的重要性評(píng)估結(jié)果離散性較高。

(6)建立方案層各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸解屬函數(shù)，求出對(duì)應(yīng)的隸屬度。

(7)根據(jù)評(píng)價(jià)原理實(shí)施綜合評(píng)價(jià)。

2 隧道施工組織影響因素分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不但要遵循科學(xué)性、可行性和可比性原則，還要具有動(dòng)態(tài)性特征[13]。隧道施工是依據(jù)施工階段的地質(zhì)技術(shù)、對(duì)圍巖的量測(cè)技術(shù)及質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工的，因此，隧道施工組織也應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在施工過(guò)程中的不同階段、條件下，影響施工組織的因素(評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的指標(biāo))會(huì)隨之變化。因此，在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)要注意該體系的開(kāi)放性、動(dòng)態(tài)性。本文擬構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而更好地評(píng)價(jià)施工組織方案，通過(guò)調(diào)研諸多隧道工程實(shí)例，將影響施工組織的因素總結(jié)為施工安全、施工造價(jià)、施工進(jìn)度和施工環(huán)境四大因素集[2]。

2.1 施工安全

隧道施工人員作為隧道施工的主體，其人身安全問(wèn)題是施工組織管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隧道施工組織管理的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容就是實(shí)現(xiàn)施工人員零傷亡，施工安全教育全覆蓋，安全保障舉措準(zhǔn)備充分，安全事故處理應(yīng)急方案應(yīng)對(duì)及時(shí)。

(1)施工安全教育。定期組織隧道施工安全教育，讓施工人員認(rèn)識(shí)到安全生產(chǎn)的重要性、必要性。

(2)安全設(shè)施配置。隧道施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)應(yīng)配備、架立并維護(hù)一切必要且合適的標(biāo)志牌，在合適地點(diǎn)配備適當(dāng)數(shù)量的手持滅火器等安全設(shè)備，且定期檢查維護(hù)。

(3)安全應(yīng)急預(yù)案。為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種施工風(fēng)險(xiǎn)，施工組織應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果，建立合適的安全應(yīng)急預(yù)案。

2.2 施工造價(jià)

隧道施工的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)就是指隧道的施工造價(jià)，隧道施工組織的主要目標(biāo)之一就是控制其施工造價(jià)。為此，在如期完成隧道施工任務(wù)的條件下，尋求最經(jīng)濟(jì)的施工造價(jià)，對(duì)于評(píng)價(jià)隧道施工組織設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性至關(guān)重要[14]。

(1)施工材料造價(jià)。為盡量降低施工材料造價(jià)，在確定材料的采購(gòu)?fù)緩綍r(shí)，應(yīng)該對(duì)各種采購(gòu)方案進(jìn)行比選，在保證施工材料質(zhì)量的前提下選擇最為經(jīng)濟(jì)合理的采購(gòu)方案。

(2)工法工藝選擇。在保障施工進(jìn)度、質(zhì)量的條件下，合理的施工工法、工藝能最大程度地降低施工造價(jià)。

(3)機(jī)械設(shè)備選擇。合理的機(jī)械化配套不僅能夠加快施工進(jìn)度，還能節(jié)約施工材料，減少人工成本，從而降低施工造價(jià)。

2.3 施工進(jìn)度

對(duì)于任何一項(xiàng)施工項(xiàng)目而言，評(píng)估其施工組織、管理是否有效的一個(gè)重要指標(biāo)就是能否按期完成施工任務(wù)。合理地安排各類施工資源，使其盡量滿足快速施工的目的。此外，對(duì)于隧道的施工建設(shè)而言，對(duì)施工造價(jià)影響最為深遠(yuǎn)的也是施工進(jìn)度。通過(guò)對(duì)相關(guān)工程案例的調(diào)研分析，可將施工進(jìn)度的主要影響因素總結(jié)為：

(1)施工資源配置：在隧道施工過(guò)程中，最為活躍、影響最大的因素就是施工資源，如何合理地進(jìn)行施工資源配置、對(duì)施工工作面的資源配置進(jìn)行優(yōu)化[15，16]，對(duì)按期完成隧道施工的工作任務(wù)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)技術(shù)性的難題。

(2)施工隊(duì)伍素質(zhì)：隧道施工人員的理論知識(shí)及技能水平直接體現(xiàn)了其綜合素質(zhì)，并直接關(guān)系著隧道工程的施工進(jìn)度。

(3)圍巖地質(zhì)狀況：隧道穿越地層的地質(zhì)條件好與壞，直接影響到的施工效率。

2.4 施工環(huán)境

由于施工理念的不斷更迭，“綠色施工”的理念不斷深入人心。當(dāng)前，相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門對(duì)于隧道施工過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響實(shí)施了規(guī)范化的監(jiān)督和管控。

(1)工程施工棄渣：設(shè)置棄渣場(chǎng)會(huì)因破壞植被、原始地貌等原因增大水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

(2)生活垃圾污染：隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的生活垃圾包含了大量的病原菌，若不集中、分類處理，在工程施工期乃至運(yùn)營(yíng)期必定會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成污染。

(3)工程運(yùn)輸污染：隧道施工過(guò)程中，施工區(qū)間內(nèi)存在包括運(yùn)渣車等在內(nèi)的各種運(yùn)輸車輛和機(jī)械設(shè)備，這些車輛和設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的污染。

3 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

基于模糊綜合評(píng)價(jià)的基本原理，結(jié)合隧道施工組織影響因素的相關(guān)分析，可建立因素集U，其中，施工進(jìn)度、施工造價(jià)、施工安全以及施工環(huán)境作為因素集中的各個(gè)元素，一起構(gòu)成隧道施工組織評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)則層；自然地，最優(yōu)化的施工組織設(shè)計(jì)方案為體系目標(biāo)決策層；而影響因素下的子評(píng)價(jià)指標(biāo)則共同構(gòu)成體系的方案層。圖2即為所建立的隧道施工組織模糊評(píng)價(jià)體系。

圖2 隧道施工組織評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系

4 實(shí)例應(yīng)用與分析

4.1 依托工程概況

依托隧道工程總體沿北西走向，起訖里程為DK17+828～DK34+858，隧道全長(zhǎng)17.03 km，最大埋深約700 m，為單洞雙線鐵路隧道。隧道穿越地層主要為坡積殘土、花崗巖、黑色炭質(zhì)板巖夾硅質(zhì)板巖、含礫砂質(zhì)板巖、含粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖、凝灰質(zhì)板巖，以III，IV級(jí)圍巖為主，有少量V級(jí)圍巖段落。III，IV級(jí)圍巖采用包括仰拱在內(nèi)的全斷面一次開(kāi)挖、仰拱一次成型的施工工法；V級(jí)圍巖采用臺(tái)階法施工。

為開(kāi)辟施工工作面，加快施工進(jìn)度，該隧道設(shè)置5座斜井，共劃分為11個(gè)作業(yè)面，如圖3。

圖3 隧道輔助坑道布置/m

4.2 確定權(quán)重集

通過(guò)邀請(qǐng)十位隧道施工及組織管理方面的專家，按照1～9標(biāo)度法，對(duì)上述工程中III，IV級(jí)圍巖地段的各因素進(jìn)行評(píng)價(jià)和量化打分，而其他圍巖地段只是對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)值不同，研究方法仍然一致，本文不再一一進(jìn)行評(píng)價(jià)。各標(biāo)度含義見(jiàn)表2。

表2 各標(biāo)度含義

經(jīng)過(guò)一致認(rèn)同后給出指標(biāo)之間的比較結(jié)果，并應(yīng)用層次分析法計(jì)算出該隧道施工組織評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)體系各層相關(guān)因素的判斷矩陣以及其權(quán)重。分別得到的準(zhǔn)則層、方案層判斷矩陣如表3～7。綜合上述結(jié)果，可得到該隧道施工組織模糊評(píng)價(jià)體系的各指標(biāo)因素權(quán)重關(guān)系，如表8。

表3 準(zhǔn)則層判斷矩陣

表4 施工安全方案層判斷矩陣

表5 施工造價(jià)方案層判斷矩陣

表6 施工進(jìn)度方案層判斷矩陣

表7 施工環(huán)境方案層判斷矩陣

表8 施工組織模糊評(píng)價(jià)權(quán)重關(guān)系

4.3 建立評(píng)價(jià)集及隸屬度矩陣

在該隧道施工組織方案評(píng)價(jià)中，指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)集確定為V={4,3,2,1}={優(yōu)，良，及格，不及格}，通過(guò)向十位專家發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查，得到了各方案層的評(píng)價(jià)結(jié)果，如表9。

表9 方案層評(píng)價(jià)結(jié)果

由表9可知，針對(duì)準(zhǔn)則層施工安全U1下的方案層U11，三位專家給出了“優(yōu)”的評(píng)價(jià)，五位專家給出了“良”的評(píng)價(jià)，兩位專家給出了“及格”的評(píng)價(jià)，由此可得評(píng)價(jià)因素U11對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬度分別為r11=0.3,r12=0.5,r13=0.2,r14=0，即：

r1=[0.3,0.5,0.2,0]

同理可得各一級(jí)指標(biāo)的隸屬度矩陣R1～R4，如表10，進(jìn)而有評(píng)價(jià)矩陣R=[R1,R2,R3,R4]T。

表10 一級(jí)指標(biāo)隸屬度矩陣

4.4 施工組織方案評(píng)價(jià)與分析

由各方案層的權(quán)重集和隸屬度矩陣，通過(guò)模糊合成運(yùn)算可得各一級(jí)綜合評(píng)價(jià)矩陣，如表11。

表11 一級(jí)綜合評(píng)價(jià)矩陣

進(jìn)而二級(jí)綜合評(píng)價(jià)矩陣為：Β=ω·R=[0.2335 0.6146 0.1388 0.0131]。則，方案評(píng)價(jià)最終得分為：

N=B·VT

根據(jù)評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)集分析可知：

(1)該隧道對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”，可以認(rèn)為其施工組織方案設(shè)計(jì)良好，能滿足實(shí)際施工需要，但仍然存在一定的優(yōu)化空間。

(2)由表7的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該隧道施工組織方案在工程地質(zhì)情況、工地生活垃圾、工程運(yùn)輸污染這三個(gè)方面均有專家給出“不及格”的評(píng)價(jià)，說(shuō)明這三個(gè)方面的相關(guān)施工組織還需要加強(qiáng)。

(3)從準(zhǔn)則層權(quán)重分析的結(jié)果來(lái)看，對(duì)于隧道的施工組織而言，重中之重是隧道的施工安全。除此之外，施工進(jìn)度的權(quán)重為0.3061，為影響該隧道施工組織設(shè)計(jì)效果的最主要因素。

(4)施工進(jìn)度準(zhǔn)則層下的施工資源配置作為影響施工進(jìn)度的主要因素同樣需要引起重視。

綜合可見(jiàn)，該隧道施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)在施工進(jìn)度、施工資源配置優(yōu)化與控制等方面需開(kāi)展專門設(shè)計(jì)與研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)系統(tǒng)分析了長(zhǎng)大隧道施工組織的影響因素，建立了包括施工安全、施工造價(jià)、施工進(jìn)度和施工環(huán)境四大因素集的隧道施工組織方案評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型。

(2)基于模糊綜合評(píng)價(jià)理論，建立了隧道施工組織多層次綜合評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。結(jié)果表明：依托工程施工組織方案整體評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”，并指出該隧道施工組織主要風(fēng)險(xiǎn)因素為施工進(jìn)度、資源配置優(yōu)化與控制，為后續(xù)施工組織優(yōu)化提供了依據(jù)。