基于模糊層次分析法的軟土地區(qū)頂管施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

馮 軍，梁冠軍

（1、廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣州523710；2、滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系 安徽滁州239000）

0 引言

當(dāng)前，在軟土地區(qū)地下管網(wǎng)工程的施工方法以頂管施工為主［1-8］，而在頂管施工過程中容易受到不利地質(zhì)水文條件和復(fù)雜施工環(huán)境的影響，施工風(fēng)險(xiǎn)存在較大的隨機(jī)性和不確定性，因此頂管施工安全已成為工程技術(shù)人員的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象［9］。

本文利用模糊層次分析法對(duì)軟土地區(qū)頂管施工的安全狀況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，首先確定了在頂管施工過程中可能遇到的8 個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素，即：頂管機(jī)前進(jìn)阻力過大，地層下陷，頂管機(jī)前方土體失穩(wěn)，頂管機(jī)自轉(zhuǎn)，頂管機(jī)后退，泥水平衡密封不嚴(yán)，隧道內(nèi)漏水和涌土，頂管機(jī)軸線偏離。假設(shè)這些風(fēng)險(xiǎn)因素兩兩之間相互獨(dú)立，無關(guān)聯(lián)性，對(duì)其進(jìn)行整理，構(gòu)造層次模型。然后運(yùn)用層次分析法，結(jié)合專家打分表，計(jì)算出各類風(fēng)險(xiǎn)事件的相對(duì)權(quán)重值，并采用L-R 模糊數(shù)來描述頂管施工中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬函數(shù)［10］；最后把各類風(fēng)險(xiǎn)事件的相對(duì)權(quán)重值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬函數(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行頂管施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的綜合計(jì)算。

1 工程概況

某軟土地區(qū)地下項(xiàng)目一期工程，采用頂管法施工，路線全長146 m，上部覆土平均厚度為4 m，以粉質(zhì)粘土為主，地下有錯(cuò)綜復(fù)雜的電力管線、通訊管線、燃?xì)夤芫€以及城市給排水管網(wǎng)，故對(duì)地面變形控制要求極高。

2 實(shí)施步驟

2.1 構(gòu)造層次模型

從頂管施工的特點(diǎn)出發(fā)，參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》［11］，初次選用分歧型層次結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，將頂管施工的安全評(píng)估問題分為目標(biāo)層和準(zhǔn)則層。建立軟土地區(qū)頂管施工時(shí)可能遇到的8 個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素集合B，主要風(fēng)險(xiǎn)事件包括頂管機(jī)前進(jìn)阻力過大B1，地層下陷B2，頂管機(jī)掘進(jìn)面土體失穩(wěn)B3，頂管機(jī)自轉(zhuǎn)B4，頂管機(jī)后退B5，泥水平衡密封不嚴(yán)B6，隧道內(nèi)漏水和涌土B7，頂管機(jī)軸線偏離B8，且風(fēng)險(xiǎn)因素集合滿足下式：

準(zhǔn)則層是由風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)水平組成，頂管施工安全性的風(fēng)險(xiǎn)水平有5 個(gè)等級(jí)，分別為極低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 層次結(jié)構(gòu)Fig.1 The Chart of Target Levels Structure

2.2 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的計(jì)算

根據(jù)專家綜合打分表，采用層次分析法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較，按照比較重要性大小建立判斷矩陣B，如表1 所示。利用和積法求解該判斷矩陣的特征值和特征向量，主要步驟如表1 所示。

表1 判斷矩陣BTab.1 The Judgment Matrix B

⑴ 將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理：

⑵ 將每一列歸一化處理后的判斷矩陣B'按列相加：

⑶ 對(duì)W 作歸一化處理，得特征向量W'，也就是權(quán)重向量:

⑷ 計(jì)算判斷矩陣最大特征λmax：

⑸ 一致性檢驗(yàn)，定義CR 為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，當(dāng)CR≤0.1 時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則應(yīng)重新對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，RI 為平均一致性指標(biāo)，當(dāng)n=2，3，4，5，6，7，8，9 時(shí) ，RI 分 別 為 0，0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45。相關(guān)計(jì)算公式如下：

因此，一致性檢驗(yàn)通過，所求得權(quán)重向量滿足要求。

2.3 隸屬度的計(jì)算

2.3.1 風(fēng)險(xiǎn)影響后果與風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的估值

定義頂管施工中的風(fēng)險(xiǎn)影響后果有輕微、中等、嚴(yán)重、重大和災(zāi)難性，分別賦予1～5 的數(shù)值，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率也分為5 種情況，分別是罕見的、偶見的、可能的、預(yù)期的和頻繁的，同樣賦予相應(yīng)的數(shù)值，如表2 所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)影響后果（C）和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率（P）的估值Tab.2 Estimation of the Risk Effect Consequence and the Risk Probability

2.3.2 確定隸屬函數(shù)

頂管施工安全性的風(fēng)險(xiǎn)水平有5 個(gè)等級(jí)，分別為極低風(fēng)險(xiǎn)Ⅰ、低風(fēng)險(xiǎn)Ⅱ、中等風(fēng)險(xiǎn)Ⅲ、高風(fēng)險(xiǎn)Ⅳ、極高風(fēng)險(xiǎn)Ⅴ。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)影響后果（C）和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率（P）的估值，構(gòu)造一個(gè)5×5 的分值范圍，風(fēng)險(xiǎn)水平Ⅰ～Ⅳ對(duì)應(yīng)的分值分別為 x＜5，5≤x＜10，10≤x＜15，15≤x＜20，20≤x。采用工程上廣泛應(yīng)用的L-R 模糊數(shù)構(gòu)建一個(gè)梯形分布的隸屬函數(shù)r（x），如式⑻所示，圖2 給出了相應(yīng)的隸屬函數(shù)圖。

圖2 隸屬函數(shù)圖Fig.2 The Chart of Membership Functions

2.3.3 隸屬度的計(jì)算

專家結(jié)合各自的經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響后果和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率在1～5 的范圍內(nèi)進(jìn)行打分，歸納匯總的打分值如表3 所示。將風(fēng)險(xiǎn)影響后果和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的專家打分值相乘，帶入上述隸屬函數(shù)r（x）中進(jìn)行計(jì)算，得到風(fēng)險(xiǎn)因素在各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)水平中的隸屬度，因此形成了準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則矩陣R。

表3 專家對(duì)C 和P 的打分值Tab.3 C and P Values from Experts

2.4 模糊綜合計(jì)算

把判斷矩陣B 計(jì)算出的權(quán)重向量W'與準(zhǔn)則矩陣R 進(jìn)行模糊計(jì)算，得到頂管施工安全性的總體評(píng)估結(jié)果S，其中○為模糊算子。

由S 的計(jì)算結(jié)果可知，軟土地區(qū)頂管施工的總體風(fēng)險(xiǎn)水平為：極低風(fēng)險(xiǎn)（0.029）、低風(fēng)險(xiǎn)（0.570）、中等風(fēng)險(xiǎn)（0.402）、高風(fēng)險(xiǎn)（0.000）和極高風(fēng)險(xiǎn)（0.000）?？梢?，該頂管施工風(fēng)險(xiǎn)以中低風(fēng)險(xiǎn)為主，一般不會(huì)出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

本文利用模糊層次分析法對(duì)軟土地區(qū)頂管施工的安全狀況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，取得了良好的效果，總結(jié)如下：

⑴ 該頂管施工風(fēng)險(xiǎn)以中低風(fēng)險(xiǎn)為主，一般不會(huì)出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)；

⑵ 頂管機(jī)自轉(zhuǎn)（B1）的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最低，可不進(jìn)行處理；地層下陷（B2）、隧道內(nèi)漏水和涌土（B7）的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，為中等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠的重視，并且制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施；其余風(fēng)險(xiǎn)因素（B3、B4、B5、B6、B8）均為中等風(fēng)險(xiǎn)，按相應(yīng)規(guī)范要求控制即可；

⑶ 模糊層次分析法在評(píng)估軟土地區(qū)頂管施工安全性時(shí)，平均效果良好，操作性強(qiáng)，具有一定的推廣價(jià)值。