基于AHP和模糊理論的水工隧道TBM施工風(fēng)險評估

黃金光

（中鐵隧道局集團有限公司 廣州511458）

0 引言

對于大型的引水工程，需要穿山越嶺，隧洞建設(shè)長度從幾十千米至上百千米不等，為縮短建設(shè)周期，采用TBM 機械化施工越來越廣泛。由于隧洞地質(zhì)條件存在不可預(yù)見性，TBM 施工不可避免的要面對大變形、巖爆、突涌水、高地溫等不良地質(zhì)，要實現(xiàn)TBM 項目工期、成本、質(zhì)量、安全等方面的管理目標(biāo)，需要不斷的創(chuàng)新和積累TBM 施工新技術(shù)，加強風(fēng)險防控，對解決突涌水、巖爆防控等突出問題的技術(shù)和管理措施進一步研究［1-3］。近年來，鑒于國內(nèi)隧道及地下工程建設(shè)管理的現(xiàn)狀，在隧道及地下工程施工現(xiàn)場開展專業(yè)化風(fēng)險管理的迫切需求［4］，尤其是采用TBM 掘進法施工的隧道工程項目，對其開展風(fēng)險評估，能全面提高項目的風(fēng)險防控能力，促進項目各項管理目標(biāo)順利實現(xiàn)。梁宏浩［5］針對地鐵隧道施工開發(fā)了基于模糊數(shù)學(xué)理論和BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的安全風(fēng)險評估軟件。王艷梅［6］針對某水電站引水隧道工程，設(shè)計了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的TBM 工程風(fēng)險管理模型。黃培志［7］針對復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工項目，運用系統(tǒng)分析方法、仿真技術(shù)、隨機有限元技術(shù)開展了風(fēng)險分析。Clark 等人［8］針對美國西雅圖地下交通線規(guī)劃設(shè)計風(fēng)險，運用風(fēng)險指數(shù)評估方法進行了風(fēng)險評估。Hyun等人［9］采用FTA、AHP 法對隧道盾構(gòu)施工開展了風(fēng)險分析與評估。Swannell 等人［10］制定了TBM 在深埋擠壓性地層隧道施工風(fēng)險管理體系和應(yīng)急程序，并制定風(fēng)險應(yīng)對特別措施。

目前在采取TBM施工的長大水工隧道施工領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者主要是從工程技術(shù)方面對TBM施工安全、進度等開展風(fēng)險分析，在實際施工中，缺乏能降低TBM 掘進施工風(fēng)險的管理措施。因此，對長大水工隧道TBM施工風(fēng)險開展評價分析，建立一套系統(tǒng)的風(fēng)險管理模型，能輔助項目管理者有效開展TBM施工風(fēng)險過程管控，為管理決策提供理論支持。本文以某引水隧道TBM 施工為例，對施工中的風(fēng)險進行了辨識，并建立TBM 施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，提出運用AHP 法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法對TBM 施工風(fēng)險開展評價，找出影響項目施工的關(guān)鍵風(fēng)險因素，確定項目施工風(fēng)險等級，為項目制定針對性的風(fēng)險應(yīng)對措施提供理論依據(jù)。

1 AHP法及模糊數(shù)學(xué)評價原理

1.1 AHP法

層次分析法（AHP 法）于20世紀(jì)70年代由美國匹茨堡大學(xué)Saaty 教授提出，是對多目標(biāo)決策問題進行定性和定量分析的一種方法，在工程項目多目標(biāo)評價中被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用AHP 方法對工程項目進行風(fēng)險評估時，按以下5個步驟進行。

第一步，明確所要決策的問題，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

第二步，構(gòu)建項目風(fēng)險因素比較判斷矩陣。利用上層某一要素Hs作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對下一層所有因素進行兩兩比較，如aij表示對某目標(biāo)要素Hs而言，Ai比Aj相對重要的體現(xiàn)，相反，aji為Aj與Ai相比的相對重要性，aji=1/aji，由此得到一個n×n的判斷矩陣A=（aij）n×n。

第三步，計算項目風(fēng)險要素的相對重要性，并進行一致性檢驗。對于矩陣A，先算出其最大特征值λmax，然后計算出相應(yīng)的特征向量W，即AW=λmaxW，這時，W的n個分量即相應(yīng)n個因素的權(quán)重。

第四步，計算項目風(fēng)險的綜合重要度。利用計算出的各層次風(fēng)險因素權(quán)重，由上至下計算出各層次要素對總目標(biāo)的綜合重要度，對所有項目風(fēng)險因素進行優(yōu)先排序，最后進行總的一致性檢驗，確定層次的總排序。

第五步，根據(jù)評價準(zhǔn)則和綜合重要度進行決策。

1.2 模糊綜合評價

本方法是利用模糊數(shù)學(xué)的知識，對受到多因素制約的事物做出評判的方法。模糊綜合評價法一般按以下6個步驟操作：

步驟一，一般對評價對象設(shè)N 個評價指標(biāo)，確定其因素集。

步驟二，設(shè)立評價對象的評價集，一般可以劃分3～5個等級。

步驟三，分別從每個因素上對評價對象逐個量化，確定其對各等級的隸屬度，從而得到模糊關(guān)系矩陣R：

步驟四，對各評價指標(biāo)的相對重要性進行評價，構(gòu)建評價因素權(quán)重向量。

步驟五，將權(quán)重向量與被評對象的模糊關(guān)系矩陣合成，得到各被評價對象的模糊綜合評價結(jié)果向量。

步驟六，運用最大隸屬度原則或加權(quán)平均原則，對模糊綜合評價向量進處理。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某引水工程隧道長80 km，其中在嶺脊段采用2臺TBM 相向施工，隧道嶺南段位于山脈中低山區(qū)及嶺脊高中山區(qū)，地形起伏，隧道洞室埋深500～2 000 m 不等，洞身段巖性主要為花崗巖、閃長巖以及石英巖，巖體為弱風(fēng)化～未風(fēng)化巖，總體較完整；隧道施工段地下水主要表現(xiàn)為構(gòu)造裂隙水、基巖裂隙水。

2.2 TBM掘進中出現(xiàn)的主要問題

本水工隧道TBM于2015年3月開始掘進，掘進過程中先后遇到了圍巖破損局部坍塌、高磨蝕硬巖、高巖爆、突涌水等地質(zhì)風(fēng)險，TBM 設(shè)備也出現(xiàn)較多故障，致使實際施工進度僅200 m/月左右，不足原計劃的50%，TBM在施工過程中出現(xiàn)的主要問題如下：

⑴TBM 掘進巖爆頻繁：受高埋深、高地應(yīng)力等地質(zhì)影響，已掘進段發(fā)生巖爆段落圍巖占比超過20%。巖爆對初期支護結(jié)構(gòu)造成破壞，同時還導(dǎo)致錨桿鉆機、護盾等設(shè)備的損壞，停機支護、維修時間長，影響正常施工進度。

⑵TBM 在高磨蝕硬巖中掘進效率下降：TBM 掘進揭示圍巖主要以石英片巖夾花崗巖、石英巖為主，該類圍巖強度高、石英含量高、磨蝕性系數(shù)大，導(dǎo)致TBM 刀具磨損嚴(yán)重，刀具更換頻繁，實際掘進效率低，平均掘進速度僅1.09 m/h。

⑶圍巖突涌水對掘進造成影響：TBM 施工過程中圍巖滲涌水頻繁，其中有6次為較大集中涌水，單次單點最大涌水量超過2 萬m3/d，使隧道主洞水位快速上漲，現(xiàn)場曾發(fā)生涌水過大導(dǎo)致TBM 主電機、配電柜等設(shè)備被淹，現(xiàn)場通過近3個月的搶險才恢復(fù)施工，突涌水對TBM的正常施工造成嚴(yán)重影響。

⑷TBM 掘進過程中受圍巖強度高、耐磨值大等影響，刀盤刮渣板、V 型耐磨塊、擋渣塊、中心刀刀座等頻繁磨損，對刀盤結(jié)構(gòu)的安全性能帶來較大隱患。

⑸皮帶機和輸送帶在使用過程中，控制系統(tǒng)故障率較高，輸送帶存在對中困難，易擦邊、劃破，同時承載力差，多次出現(xiàn)斷裂的情況。由于隧道埋深大、地應(yīng)力高，巖爆爆落的大石塊頻繁砸壞劃破皮帶、堵塞下渣斗、分渣臺等。

⑹由于隧道圍巖強度高，在硬巖條件下掘進過程中設(shè)備平均推力始終維持在高位，使TBM設(shè)備長時間處在強烈震動的環(huán)境下工作，設(shè)備長時間處于高負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成設(shè)備機械、電氣、液壓故障頻發(fā)。

3 TBM施工風(fēng)險評價

3.1 施工風(fēng)險辨識

水工隧道TBM 施工項目的核心設(shè)備為TBM，充分發(fā)揮TBM 設(shè)備施工效率是實現(xiàn)項目管理目標(biāo)的關(guān)鍵，而TBM 在實際掘進過程中，主要涉及圍巖地質(zhì)的不確定性，需要重點針對客觀條件開展風(fēng)險管理。在對該水工隧道TBM施工開展風(fēng)險識別時，主要依據(jù)項目可研報告、設(shè)計圖紙、地質(zhì)勘探成果開展，同時對項目所在地地理環(huán)境、水文氣象、環(huán)水保要求等進行調(diào)查，為風(fēng)險辨識提供參考。通過邀請行業(yè)內(nèi)專家對項目開展綜合分析，并結(jié)合類似工程施工資料、曾經(jīng)出現(xiàn)的風(fēng)險事件，主要從自然災(zāi)害、地質(zhì)條件、TBM設(shè)備等客觀條件出發(fā)，對項目施工風(fēng)險進行辨識，通過辨識，影響項目管理目標(biāo)實現(xiàn)的主要風(fēng)險因素如下：

⑴自然災(zāi)害風(fēng)險：地震、洪水、山體滑坡。

⑵圍巖地質(zhì)條件風(fēng)險：圍巖巖性（包括抗壓強度、完整性、耐磨蝕性、石英含量等）、高地應(yīng)力硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、突涌水、斷層破碎帶圍巖坍塌、掉塊、出現(xiàn)有害氣體。

⑶TBM 設(shè)備風(fēng)險：刀盤磨損開裂、刀具異常損壞、主軸承或密封故障、電氣系統(tǒng)故障、出渣系統(tǒng)、皮帶損壞。

3.2 風(fēng)險評價指標(biāo)體系及評價準(zhǔn)則確定

3.2.1 施工風(fēng)險評價方法與指標(biāo)體系

某水工隧道TBM 施工風(fēng)險存在不確定性和模糊性，在對風(fēng)險因素的發(fā)生概率、損失程度進行度量時，人的主觀性較強，在對本項目開展風(fēng)險評價時，采用層次分析法可對各風(fēng)險因素的重要度進行判斷，同時運用模糊數(shù)學(xué)能準(zhǔn)確的將風(fēng)險因素對整個項目的影響程度進行定量計算，因此采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法來構(gòu)建評價模型，對TBM施工風(fēng)險進行評價。根據(jù)風(fēng)險辨識情況，從自然環(huán)境風(fēng)險、地質(zhì)條件風(fēng)險、TBM 設(shè)備風(fēng)險3 個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系（見圖1），其中一級指標(biāo)3個，二級指標(biāo)15個。

3.2.2 項目施工風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)和接受準(zhǔn)則確定

目前國內(nèi)外對各行業(yè)的風(fēng)險等級劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在城市軌道交通、公路橋梁隧道、鐵路隧道等領(lǐng)域，將風(fēng)險劃分為四級。在對水工隧道TBM掘進項目施工風(fēng)險管理研究中，項目工程規(guī)模較大，正處于施工階段，建設(shè)單位及企業(yè)對項目質(zhì)量、安全、環(huán)保、工期、效益目標(biāo)等也均做出了要求：安全目標(biāo)為杜絕人員死亡事故，杜絕多人負(fù)傷事故；效益目標(biāo)為完成公司下達的經(jīng)濟利潤指標(biāo)，杜絕出現(xiàn)虧損；工期目標(biāo)為按照合同明確日期按期完成。因此，結(jié)合本項目各項管理目標(biāo)，并參照類似工程項目及行業(yè)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)，將本項目風(fēng)險分為4個等級。

⑴項目風(fēng)險事件發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險事件發(fā)生概率按照定性標(biāo)準(zhǔn)進行判別，發(fā)生概率等級分為5級，如表1所示。

⑵項目風(fēng)險事件損失程度等級標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險事件損失程度從人員傷亡、經(jīng)濟損失、工期延誤等方面按照定性或定量標(biāo)準(zhǔn)進行判別，損失程度等級分為5級［11］，如表1所示。

圖1 某水工隧道TBM施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.1 TBM Construction Risk Evaluation Index System of a Hydraulic Tunnel

表1 風(fēng)險事件損失程度等級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Risk Event Loss Level Criteria

⑶項目風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)劃分

某水工隧道TBM 掘進項目施工風(fēng)險等級根據(jù)風(fēng)險事件發(fā)生概率和損失等級分為低、中、高、極高四級，并按照表2確定。

表2 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)矩陣Tab.2 Risk Level Standard Matrix

為便于專家對項目施工風(fēng)險進行打分評價，將項目施工風(fēng)險等級按照概率×損失給出度量值，如表3所示。

表3 風(fēng)險等級度量值Tab.3 Risk Level Measurements

3.3 施工風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)圖1 某水工隧道TBM 施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，用1～9 標(biāo)度法構(gòu)造原始判斷矩陣，邀請專家對每一層風(fēng)險因素兩兩進行對比分析，得出本項目各層級風(fēng)險因素判斷矩陣如下：

使用求和法對各判斷矩陣的特征向量、最大特征值進行計算，通過運用EXCEL 函數(shù)公式，可得到各個判斷矩陣的權(quán)重向量如下：

根據(jù)上述對各層次風(fēng)險因素權(quán)重向量的計算結(jié)果，計算各風(fēng)險因素對于項目綜合施工風(fēng)險評價體系的綜合權(quán)重，計算結(jié)果如表4、表5所示。

表4 第1層風(fēng)險因素權(quán)重及排序Tab.4 Weight and Ranking of the First Level Risk Factors

第二層風(fēng)險因素對目標(biāo)層總排序一致性檢驗：

滿足一致性檢驗，可以確定層次的總排序。

3.4 項目施工風(fēng)險模糊評價

3.4.1 建立模糊綜合評價因素集、評判集

根據(jù)圖1 某水工隧道TBM 施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系，確定評價對象的因素集為：U=｛M1，M2，M3，M4，M5｝。

將項目的風(fēng)險等級設(shè)定為低、中等、高、極高4 個標(biāo)準(zhǔn)，分別用V1，V2，V3，V4表示，確定評判集為：V=（V1，V2，V3，V4）。

表5 第2層風(fēng)險因素綜合權(quán)重及排序Tab.5 Comprehensive Weights and Ranking of the Second Level Risk Factors

3.4.2 確定被評價對象相關(guān)各因素的隸屬度模糊關(guān)系R。按上述步驟得到的項目各風(fēng)險因素的隸屬度集合如下：

3.4.3 開展模糊綜合評價

對各風(fēng)險因素隸屬度集合與權(quán)重向量進行模糊合成運算，得到一級模糊綜合評價集R為：

將一級模糊綜合評判集R與A層風(fēng)險因素權(quán)重向量開展模糊合成運算，得到模糊綜合評判集為：

3.4.4 綜合風(fēng)險評價

已確定的項目風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)為“低”、“中等”、“高”、“極高”4 個級別，評判集V=（V1，V2，V3，V4）=（低，中等、高、極高），根據(jù)表3對風(fēng)險等級賦予的度量值可知：V1∈（0，2］，V2∈（2，6］，V3∈（6，12］，V4∈（12，25］。對本項目綜合施工風(fēng)險進行評價時，取評價集各級變量的組中值做為評判集V 的量化值，可得等級權(quán)重矩陣V=（1 4 9 18.5），則風(fēng)險評價函數(shù)為：D=Bi×VT，通過計算，可得到一個介于1～18.5之間的數(shù)值，與各風(fēng)險等級度量值區(qū)間進行對比，即可對風(fēng)險等級高低進行評判。

采取加權(quán)平均法對第一層風(fēng)險及項目綜合施工風(fēng)險進行計算，結(jié)果如下：

DA=12.34，DB1=2.13，DB2=14.95，DB3=6.62

由上可知，地質(zhì)條件風(fēng)險為極高風(fēng)險，TBM 設(shè)備風(fēng)險為高風(fēng)險；自然災(zāi)害風(fēng)險值為中等風(fēng)險，項目綜合施工風(fēng)險為極高風(fēng)險。某水工隧道TBM 主要施工風(fēng)險源為突涌水、圍巖巖性、高地應(yīng)力硬巖巖爆、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶坍塌掉塊、刀盤損壞。從項目現(xiàn)場實際施工情況來看，影響正常施工的主要因素也集中體現(xiàn)在上述方面，分析結(jié)果與現(xiàn)場實際情況能相互映證。因此，在某水工隧道TBM掘進項目的施工管理中，需重點針對地質(zhì)條件方面存在的關(guān)鍵風(fēng)險因素制定風(fēng)險控制措施，對可能導(dǎo)致項目事故發(fā)生的風(fēng)險及時進行控制。

4 結(jié)論

⑴采用TBM 法施工的水工隧道工程項目，施工過程中風(fēng)險存在不確定性、模糊性，在開展施工風(fēng)險評價時，目前尚沒有充足的已知數(shù)據(jù)可參考借鑒，采取AHP法能在風(fēng)險數(shù)據(jù)缺乏的情況下，通過專家的經(jīng)驗和專業(yè)知識和對項目施工風(fēng)險進行定性評判，同時通過與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，能對呈現(xiàn)模糊性的施工風(fēng)險作出定量評價，以此來修正專家主觀隨意性，使評價結(jié)果更加客觀。

⑵運用AHP法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法對某水工隧道TBM施工風(fēng)險開展評價，確定了項目各風(fēng)險因素綜合權(quán)重，確定了項目TBM 施工風(fēng)險水平，并找出了關(guān)鍵風(fēng)險因素，通過與現(xiàn)場實際施工情況進行對比，評價結(jié)果與實際施工情況相符，表明采用AHP法和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法開展水工隧道TBM施工風(fēng)險評估具有可行性和實用性。

⑶基于AHP法和模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建的水工隧道TBM 施工風(fēng)險評價模型，不僅能對TBM 施工各風(fēng)險因素風(fēng)險等級進行評價，還能確定項目的綜合施工風(fēng)險等級，有利于項目管理者制定針對性的措施來降低TBM 施工風(fēng)險等級，對防控TBM 施工風(fēng)險，促進TBM正常掘進施工起到了較好的指導(dǎo)作用。