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高速铁路大断面隧道施工风险评估1前言地下工程以其自身不确定性因素较多、周边环境复杂等特点成为了建设工程中风险较大的一项工程
[1]随着我国高铁隧道施工技术的迅猛发展,隧道施工的规模化以及技术和组织管理的复杂化突出了隧道施工管理的复杂性和艰巨性
[1]高速铁路大断面隧道施工由于其内在的不确定性使得它与公路路线及其它结构物相比,其隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境的不确定性更为突出,加大了施工技术的难度和建设的风险【3】为了确保隧道工程建设目标(投资、安全、进度、质量)的实现,建立风险管理制度,对拟建和在建的高速铁路隧道工程进行风险评估,继而进行风险控制十分必要较早将风险理论用于地下工程的代表人物是Einstein.H.H,他曾撰写多篇有价值的文献[4-7],指出了地下工程风险分析的特点和应遵循的理念国际隧道协会
[8]撰写了GuidelinesforTunnelingRiskManagement,为隧道工程的风险管理提供了一整套参照标准和方法国内以同济大学为主进行的沪崇通道的风险评估项目则是在隧道风险管理领域的里程碑沪崇通道的风险评估研究涉及到了工程建设的各个方面,包括前期选线、施工风险管理、环境保护、运营事故控制以及财务分析等等,可以说是国内风险分析技术应用在隧道工程上的第一个大型项目在隧道风险管理研究中,尤其是国内的研究中,主要侧重于地铁工程风险管理的研究,目前关于高速铁路大断面隧道的风险评估研究还相对很少,虽然高速铁路与地铁在很大程度上有十分相似之处,但高速铁路隧道工程风险有其自身的特点,其发生规律和解决方法也不完全与地铁工程相同因此,有必要对高速隧道风险进行专门的研究本文结合沪昆高铁田家山隧道为例,在全面分析影响高速铁路隧道施工风险因素的基础上,通过建立高速铁路隧道施工风险综合评价指标体系,引进模糊数学理论,建立施工风险三级模糊综合评判计算模型,并利用层次分析法确定各级因素权重,以逐级估量法确定各因素对评判集的隶属度,分析地铁车站基坑施工的风险等级,为进一步风险管理及以后类似工程的风险评估提供了参考依据2高速铁路隧道施工风险综合评价体系引进模糊数学理论对高速铁路隧道施工风险进行分析,其关键之一就是确定评价指标为此,通过深入研究影响基坑施工的风险因素及工程实际,采用层次分析法建立三级评价指标体系,一级指标5个,二级工序层指标共12个一级指标为宏观因素层,包括开挖施工风险、支护施工风险、辅助施工风险、地质和自然风险、附属设施及设备风险每个主要因素又由若干个二级指标因素决定,而每个二级指标根据具体工程情况由若干个三级风险源指标因素所对应这样,评价目标、评价准则及评价指标因素就处于不同层次,形成一个递阶层次结构,如图1所示一级指标二级指标高速铁路隧道工程评价指标系统�辅助施工�附属设施及设备�支护工程�地质和自然风险�开挖工程�洞口支护�钻爆开挖�其他�临时支护�初期支护�二次衬砌�监控量测�超前地质预报�作业环境�电气设备�不良地质�自然风险�1高速铁路隧道工程风险评价指标体系Fig.1Syntheticevaluationindexsystemforfoundationpitsconstructionriskofsubwaystations3评价体系中各因素权重的确定
3.1建立评判因素级根据高速铁路隧道工程风险评价指标体系,从宏观上将车站基坑评价指标体系U分为U
1...U5五个一级指标,即U={U1U
2...U5},使得,ij=12…5;按照相同的原则,一级指标根据施工工序再细分为若干个二级指标u1u2…u12;每个二级指标根据具体情况细分为对应的三级指标,即三级风险源指标r,如
3.2构造判断矩阵根据递阶层次结构所确定的上下层因素之间的隶属关系,将下一层制约因素对上一层准则因素的重要程度运用专家调查法进行两两比较,并结合T.L.Satty
[15]的1~9标度,标度的含义见表1,建立各层次因素的判断矩阵表11~9标度的含义Table1Meaningof1to9scale标度含义1i因子与j因子完全一样重要,或i与i,j与j自身比较;3i因子比j因子重要性略大5i因子比j因子明显重要7i因子比j因子重要的多9i因子比j因子极为重要2468两两因子重要性比较介于上述标度两值之间倒数上述重要性相反情况,即j比i重要的情况假定以指标因素U1为准则,对子制约层指标因素u1u2…u5有支配关系,将ui和uj的重要程度相比较得一个比例标度cij它用来反映两个因素的相对重要性uj与ui相比得到的比例标度为cji=1/cij,从而可以得到一个n×n的判断矩阵=cijn×n同理可以构建出其它制约因素判断矩阵
3.3单一准则下元素相对权重的计算对于排序权向量的计算方法主要有特征根139法、对数最小二乘法、最小二乘法和上三角元素法
[16]在精度要求不高的情况下,特征根法方便简洁,更具实用价值,故本文采用特征根法对于判断矩阵,先算出最大特征值,求出其对应的特征向量W,即其中,cij为判断矩阵元素,为相对权重排序权向量W即为相应的n个制约因素的相对权重通过以上方法,可以得到各指标因素的所有排序权向量
3.4一致性检验因为地铁建设安全体系的复杂性和人的认识的多样性,构造判断矩阵时往往会出现判断不一致的情况,一个混乱的、经不起推敲的判断矩阵有可能导致决策上的失误,而上述计算排序权重向量的方法中,当判断矩阵过于偏离一致性时候,其可靠度也就值得怀疑了,因此需要对判断矩阵进行一致性检验,以便将偏差控制在允许的范围内
(1)引入C.I.作为度量判断矩阵偏离的指标,以检验决策者思维的一致性C.I.值越大,矩阵不一致的程度就越高
(2)对于平均一致性指标R.I.采用龚木森、许树柏1986年得出的1~15阶重复计算1000次的平均随机一致性指标如表2
(3)计算一致性比例C.R.对于
1、2阶判断矩阵总是完全一致的,当阶数大于2时,只要C.R.≤
0.10,则认为这个判断矩阵的一致性是可以接受的表2平均随机一致性指标R.I.Table2Meanrandomconsistencyindex:R.I.矩阵阶数123456789101112131415R.I.
000.
520.
891.
121.
261.
361.
411.
461.
491.
521.
541.
561.
581.594模糊综合评判地铁车站基坑施工中存在的各种风险因素大部分难以用数字来准确地加以定量描述,但可以根据经验或专家知识用语言定性的描述出风险的性质和可能产生的影响,因此采用模糊理论度量风险更具有现实意义
[17]层次-模糊综合评判是从最低层开始逐层向上做出评判,直至最高的目标层次得到原问题的综合评判结果这里从三级风险源指标出发,先对制约层各因素进行一级模糊综合评判,再对目标层因素进行二级模糊综合评判
4.1风险估计风险估计是对工程风险发生的可能性和不良后果进行数量的估算,可以从事故发生的概率和损失两方面考虑R=f(PC)式中,R表示地铁基坑工程的风险,P表示风险发生的概率,C表示风险发生后的损失参考相关文献
[18]
[19]
[20],按照如下原则定义地铁基坑工程的风险概率和损失表3地铁车站基坑工程风险发生概率等级标准Table3Foundationpitsconstructionriskprobabilitylevelstandardofsubwaystations等级一级二级三级四级五级描述很不可能不可能偶然可能很可能概率<
0.03%[
0.03%
0.3%)[
0.3%3%)[3%30%)≥30%表4地铁车站基坑工程风险损失等级标准Table4Foundationpitsconstructionrisklosslevelstandardofsubwaystations等级描述经济损失/万元工期损失(月/单一事故)伤亡情况/人一级轻微的
300.01MI=1二级较大的30~
1000.01~
0.11MI≤10或SI=1三级严重的100~
3000.1~11≤F≤2或1SI≤10四级很严重的300~10001~10SI10或2F≤9五级灾难性的100010F3注
①“~”含义为包括上限值而不包括下限值;
②工期损失采用控制性工程标准;
③MI=轻伤,SI=重伤人数,F=死亡人数;根据基坑工程建设风险发生的概率和损失等级,将工程风险等级分为五级,建立风险分级矩阵(简称风险矩阵),具体见表5根据风险矩阵得到的风险等级确定地铁基坑工程的三级风险源指标的风险值估值,见表6表5地铁车站基坑工程风险矩阵Table5Riskmatrixofsubwaystationfoundation风险矩阵后果损失轻微的较大的严重的很严重的灾难性的概率等级很可能高度高度极高极高极高可能中度高度高度极高极高偶然中度中度高度高度极高不可能低度中度中度高度高度很不可能低度低度中度中度高度表6风险估值及接受准则Table6Valueatriskandacceptancecriteria等级低度中度高度极高估值0~6060~7070~8080~95接受准则可忽略可接受不期望不可接受处理措施此类风险较小,不许采取风险处理措施和监测此类风险次之,一般不需要采取风险处理措施,但需予以监测此类风险较大,必须采取风险处理措施降低风险并加强监测,且满足降低风险的成本不高于于风险发生后的损失此类风险最大,必须高度重视并规避,否则要不惜代价将风险至少降低到不期望的程度
4.3模糊评判
(1)建立权重集和风险估值根据各级指标因素的排序权向量W,建立各级指标的权重,采用专家调查法估计三级风险源指标r发生的概率及损失以确定其风险估值矩阵
①定义一级评判因素集U={U1U
2...U5}的权重为A={a1a
2...a5};
②定义二级评判因素集Ui={um...un}的权重为,i=12…5,ni为每个一级因素对应的二级指标因素个数;
③定义三级风险源评判因素集ui={ri-
1...ri-n}的权重为ai=wi={ai-1ai-2…ai-ni},i=12…17,ni为每个二级因素对应的三级指标因素个数;以二级因素u1为例,其对应的三级风险源权重a1和风险估值矩阵r1为a1=[a1-1a1-2…a1-n]r1=[r1-1r1-2…r1-n]
(2)一级评判根据各二级指标对应的三级风险源指标的权重集和风险估值,进行各二级指标的Fuzzy综合评判以二级指标u1为例,其一级评判风险值为
(3)二级评判根据各一级指标对应的二级指标的权重集和一级风险评判值,进行各一级指标的Fuzzy综合评判以一级指标U1为例,其二级评判风险值为
(4)三级综合评判综合U
1...U5五个一级指标的权重集和二级评判风险值,车站基坑工程的总风险值为将
一、
二、三级风险评判值进行归纳,得到评价指标体系中各因素风险评估成果,根据风险估值及接受准则采取合理的应对措施5实例分析田家山隧道位于沪昆客专长昆湖南段IV标段,该隧道按设计行车速度350km/h条件设计隧道起讫里程DK394+235~DK394+778,全长543m,最大埋深
50.4m,隧道位于直线上单面上坡,坡度
4.5‰,长425m,施工总工期
11.1个月。