張晴斌,李曉鐘,孫彩云

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

0 引言

風(fēng)井是依據(jù)建筑物的功能要求、體積大小、密封性等而設(shè)立,在建筑物中起著通風(fēng)、防水等作用;危急的時候也可用作逃生和消防通道.公路、鐵路隧道,地鐵通道中風(fēng)井是其不可缺少的附屬設(shè)施,而影響風(fēng)井施工的安全因素眾多,各因素都具有其復(fù)雜性、不確定性、隨機性,這對準(zhǔn)確、科學(xué)的進(jìn)行安全風(fēng)險分析提出了新的要求.風(fēng)井施工過程中,地質(zhì)條件、施工技術(shù)、外界環(huán)境等都可能對其安全性產(chǎn)生影響,如不及時處理則會造成嚴(yán)重后果,因此,在項目施工前期,有必要對施工安全等級做出合理評價,以便有針對性的提出解決措施.

20世紀(jì)70年代,美國學(xué)者H H Einstein[1]率先提出風(fēng)險分析的理念,隨后Einstein和Haas[2]等人指出風(fēng)險分析應(yīng)用在隧道工程中應(yīng)遵循的理念;我國于20世紀(jì)90年代率先將風(fēng)險評估應(yīng)用到國內(nèi)地鐵隧道,隨后學(xué)者們在此基礎(chǔ)之上也分別進(jìn)行了不同程度的研究,鄭余朝[3]研究了盾構(gòu)隧道下穿高鐵時的施工安全風(fēng)險評價管理方法.陳龍[4]對軟土隧道進(jìn)行風(fēng)險分析,提出應(yīng)用于風(fēng)險評估的“信心指數(shù)法”.目前學(xué)者們對風(fēng)險因素采用的評價方法也多種多樣,例如:模糊綜合評判法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、熵權(quán)法[7]、網(wǎng)絡(luò)分析法[8]、層次分析法[9]等.但這些方法并未很好的結(jié)合風(fēng)險因素的隨機性與模糊性的特點,為解決事物之間隨機性與模糊性的相互關(guān)聯(lián)問題,1995年,我國工程院院士李德毅先生率先提出了云模型[10],并且通過云模型可以實現(xiàn)定型概念與定量概念之間的相互轉(zhuǎn)化[11].本文以云模型來表征風(fēng)井施工中風(fēng)險因素等級的隨機性與模糊性,消除人為因素的影響造成的不利偏差,建立客觀準(zhǔn)確的評價體系,為風(fēng)井施工風(fēng)險等級劃分提供科學(xué)的依據(jù).

1 云模型

1.1 云理論的定義與數(shù)字特征

某個定量論域以Y來表示,C是與Y相聯(lián)系的定性語言值,假設(shè)屬于Y中的某一元素x表達(dá)C的隸屬度(或相容度),在Y中都有某一穩(wěn)定的隨機傾向數(shù)u(x)與之對應(yīng),(其中u(x)∈[0,1])[12-13],即:u:Y→[0,1],?x∈Yx→u(x).

u(x)為x的隸屬度,u(x)在論域Y上的分布稱為云,(x,u(x))稱為云滴.為清楚的表達(dá)定型概念的定量化,用云數(shù)字特征(Ex,En,He)來進(jìn)行表征;Ex表示期望,是云模型的中心點,代表模糊性與隨機性的點值;En表示熵,是隨機性與模糊性的度量,En越大表示隨機性與模糊性越大,代表定性概念可被接受的范圍取值;He表示超熵,代表事物的隨機模糊性,反映云的離散程度與厚度.通過特定的計算規(guī)則(正向云發(fā)生器)將云數(shù)字特征導(dǎo)入Matlab程序中即可實現(xiàn)定型概念的定量表達(dá),依據(jù)文獻(xiàn)[14]計算云數(shù)字特征,如公式(1)所示.

(1).

cmax是取值范圍中的最大值,cmin與之相反,K為常數(shù),依據(jù)實際要求自行確定.

1.2 正態(tài)云模型

正態(tài)分布廣泛存在于人們的生活與實踐當(dāng)中,在人們進(jìn)行的社會生產(chǎn)活動或?qū)嶋H生活中遇到的隨機現(xiàn)象的分布大多都趨向或近似趨向于正態(tài)分布,因此正態(tài)分布的作用我們不言而喻,在不同類型的概率分布之中居于首要位置.研究事物的隨機性最重要且最基本的工具就是其分布函數(shù),正態(tài)分布的隸屬函數(shù)為

式中：μ是期望,表示隨機變量的最可能取值;δ2表示方差,為隨機變量可能取值的離散程度.

在實際生活當(dāng)中,事物相互之間往往并不獨立,相互之間有影響,這便不符合正態(tài)分布的產(chǎn)生條件,因此便需要將正態(tài)分布擴展為泛正態(tài)來表述事物的隨機性[15].云模型打破傳統(tǒng)正態(tài)分布函數(shù)的精確表示,利用Ex,En,He三個數(shù)字特征和特定的輔助算法,進(jìn)行事物之間定性概念與定量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換,表示事物的不確定性和事物或隨機現(xiàn)象模糊性與隨機性二者之間的相互關(guān)聯(lián).

(2)

式中：x表示實際風(fēng)井施工中風(fēng)險因子的實測值.對風(fēng)險因子xi劃分為4個風(fēng)險等級(依據(jù)最大上下限原則確定參數(shù)邊界和云數(shù)字特征),表示為:Ⅰ級(0,a),Ⅱ級(a,b),Ⅲ級(b,c),Ⅳ級(c,+∞),具體計算方法如表1所示[17].

表1 云數(shù)字特征計算規(guī)則

為了對事物特定性概念定量化表達(dá),在Matlab中采用正向云發(fā)生器,建立2者之間的表達(dá)關(guān)系,其算法為

② 生成論域中的云滴x,x為正態(tài)隨機數(shù),Ex是它的期望值,En為標(biāo)準(zhǔn)差;

④ 重復(fù)計算上述步驟直到生成N個云滴.以Ex=0,En=0.75,He=0.05,N=2 000為代表生成如圖1所示的正態(tài)云模型.

2 風(fēng)井施工風(fēng)險云模型

2.1 風(fēng)井施工風(fēng)險因子確定

選取風(fēng)井施工風(fēng)險因子計算各自的3個云數(shù)字特征值,并導(dǎo)入Matlab云正向發(fā)生器中生成風(fēng)險評價的云模型.為使選取的風(fēng)險評價因子具有代表性和合理性,通過閱讀大量相關(guān)工程的文獻(xiàn),并且以《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》(GB50652—2011),《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ311—2013)等施工規(guī)范作為參考依據(jù),有目的性地選出易于對風(fēng)井施工造成不利影響的風(fēng)險因子(其中包括4個一級指標(biāo)和17個二級子指標(biāo)),并且把施工風(fēng)險劃分為4個評價等級[18],具體風(fēng)險因子及風(fēng)險等級如表2所示.

(注:圖1僅為云模型的代表云圖,實際案例中的云圖要以實際求得的云數(shù)字特征值代入到Matlab軟件中得到.)圖1 正態(tài)云模型

表2 風(fēng)險因子及風(fēng)險等級劃分

2.2 風(fēng)險因子權(quán)重

對風(fēng)險因子采用層次分析法[19]來計算其權(quán)重,以施工安全風(fēng)險等級作為目標(biāo)層,一級指標(biāo)巖土結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、設(shè)計與圍護結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境作為一階準(zhǔn)則層,二階指標(biāo)為表2中一級指標(biāo)對應(yīng)的子指標(biāo),對各風(fēng)險因子進(jìn)行專家打分,構(gòu)造判斷矩陣,并求得其特征向量和最大特征值,進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗,得到各階層的因子權(quán)重.具體流程如下所示:

1) 通過專家評價構(gòu)造各判斷矩陣.

2) 使用求和法求得各矩陣的特征向量與最大特征值.

3) 進(jìn)行一致性檢驗獲得各指標(biāo)的權(quán)重.

一級指標(biāo)準(zhǔn)則層的權(quán)重為ω=(0.49,0.29,0.07,0.15);二級指標(biāo)層的權(quán)重為

ω1=(0.39,0.27,0.18,0.11,0.05)

ω2=(0.53,0.33,0.14)

ω3=(0.37,0.28,0.16,0.11,0.08)

ω4=(0.54,0.28,0.11,0.07)

結(jié)合一階準(zhǔn)則層與二級指標(biāo)層求得各指標(biāo)的權(quán)重值為

W=(0.19,0.13,0.09,0.05,0.03,0.15,0.09,0.05,0.03,0.02,0.01,0.005,0.005,0.08,0.04,0.02,0.01).

2.3 風(fēng)險因子云數(shù)字特征值

對各風(fēng)險因子的云數(shù)字特征按照表1的計算規(guī)則計算,得到云數(shù)字特征值如表3所示.

表3 風(fēng)險因子云數(shù)字特征值

將表3中的風(fēng)險因子云數(shù)字特征值導(dǎo)入到Matlab正向云發(fā)生器中得到風(fēng)險因子云圖,以巖體完整性系數(shù)(左)和結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)(右)為代表,得到所有風(fēng)險因子類似云圖,如圖2所示.

圖2 巖體完整性指數(shù)云圖

圖3 結(jié)構(gòu)面摩擦因數(shù)云圖

3 工程實例

以福州南站風(fēng)井為例:福州南站小里程風(fēng)井起點里程為右DK39+530.115(左DK39+527.964),終點里程為右DK39+545.822(左DK39+543.665).風(fēng)井為地下3層,擬采用明挖法施工,風(fēng)井內(nèi)設(shè)置1組風(fēng)亭(均為低風(fēng)亭)和1個安全出口,總建筑面積1 374.6 m2.風(fēng)井規(guī)模為29 m×15.8 m,風(fēng)井深度約26.2 m,結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高為-17.3 m.風(fēng)井周邊主要為山體公園、瀝青道路、綠化帶,場地西側(cè)主要為綠化帶和既有鐵路及站房,場地東側(cè)主要為道路和規(guī)劃福廈高鐵,南北兩側(cè)主要為山體公園和道路.風(fēng)井所在位置現(xiàn)狀道路寬約8 m,路邊設(shè)置有路燈和雨水管道.風(fēng)井圍護結(jié)構(gòu)采用土釘墻+巖石錨桿的支護體系.結(jié)合上述選取的風(fēng)險指標(biāo),對福州南站小里程風(fēng)井以強風(fēng)化凝灰?guī)r(碎塊狀)土層為例進(jìn)行施工定性風(fēng)險因子量化處理,具體見表4所示.

以巖土堅硬程度為例,計算其云模型風(fēng)險確定度,將實測值x=21.0借鑒公式(2)導(dǎo)入Matlab正向云發(fā)生器中得到uⅠ=uⅡ=0;uⅢ=0.000 7;uⅣ=0.4868.依據(jù)最大隸屬原則,實測數(shù)值偏于4級風(fēng)險,與施工報告中的風(fēng)險等級一致.驗證了云模型在風(fēng)險評價中的有效性,為風(fēng)井施工風(fēng)險的評價提供準(zhǔn)確科學(xué)的依據(jù),按照同樣的計算原則,可進(jìn)一步計算出所有風(fēng)險因子的隸屬度,具體見下表5所示.

表4 施工風(fēng)險因子量化值

表5 風(fēng)險因子風(fēng)險等級確定

風(fēng)井施工風(fēng)險屬于定性概念,受施工環(huán)境、水文地質(zhì)條件和設(shè)計等諸多因素的影響.對于常規(guī)的數(shù)學(xué)模型難以實現(xiàn)其定量化表達(dá),而云模型通過正向云發(fā)生器可以實現(xiàn)定性語言的定量化表達(dá),表征風(fēng)險因素的隨機性與模糊性之間的關(guān)聯(lián),其實用性在福州南站風(fēng)井實例中也得到了體現(xiàn).綜合評價模型分主因素決定型M(∨,∧),主因素決定型M(·,∨),M(∧,⊕)和加權(quán)平均模型M(·,+)四類,由于模型四對所有因素依照其權(quán)重大小均衡兼顧到,被廣泛用于實際案例分析中,依據(jù)公式:

表6 風(fēng)險因子評價結(jié)果

依據(jù)上表所示,云模型評價結(jié)果同綜合評判的風(fēng)險等級結(jié)果一致,同時與現(xiàn)場實際施工報告相吻合,說明了云模型進(jìn)行風(fēng)險評價的有效性和可行性.

4 結(jié)論

1) 通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn),依據(jù)相關(guān)規(guī)范選取4個一級指標(biāo)和17個子指標(biāo),以云模型作為依托,對定性概念轉(zhuǎn)化為定量值,判定其風(fēng)險等級.

2) 在原有風(fēng)險評價方法的基礎(chǔ)之上,用云模型表達(dá)事物隨機性與模糊性相互關(guān)聯(lián)性,具有可操作性.

3) 應(yīng)用到福州南站風(fēng)井施工風(fēng)險因子的評價中,證明云模型判定的合理性,可用于風(fēng)險等級的綜合評價中,對安全施工具有一定的指導(dǎo)作用.對每一施工階段綜合評價,并且依據(jù)“木桶效應(yīng)[20]”得到福州南站風(fēng)井施工風(fēng)險等級偏向Ⅳ級,依據(jù)風(fēng)險等級評判結(jié)果可提前采取應(yīng)對防范措施,盡最大可能減少施工過程中造成不必要的損失.