謝夢(mèng)羅，康韓輝，楊福林

(1.深中通道管理中心,廣東 中山 528449;2.中山翠亨新區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)事務(wù)中心,廣東 中山 528451)

0 引言

運(yùn)用沉管法施工的水下隧道因具有斷面形狀靈活[1]、埋深小、工期短以及結(jié)構(gòu)防水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。沉管隧道通常分為鋼筋、鋼殼等混凝土結(jié)構(gòu)形式,但目前我國(guó)已完工的沉管隧道基本為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[3]。鋼殼混凝土沉管隧道組合結(jié)構(gòu)屬于新技術(shù),其建造工藝復(fù)雜、水上水下高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)多、施工風(fēng)險(xiǎn)管控具有挑戰(zhàn)性。目前我國(guó)對(duì)鋼殼混凝土沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系研究成果不多,相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)研究與管理的文獻(xiàn)較少,制約著鋼殼混凝土沉管隧道施工技術(shù)的發(fā)展[4]。

在已有的水下沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)研究成果中,不少專家學(xué)者進(jìn)行了多方面的探索。如:洪選華[5]建立海底隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系;Stephen Slot Odgaard[6]等從設(shè)計(jì)安全的角度對(duì)近海條件下公路鋼筋混凝土沉管隧道建設(shè)進(jìn)行了研究;宋浩然、張頂立[7]等以大連灣海底隧道為背景,從施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、作業(yè)安全和環(huán)境影響等方面對(duì)施工方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);張姣、廖斌[8]對(duì)沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行了評(píng)估,并通過案例形式對(duì)港珠澳大橋沉管隧道的施工進(jìn)行了分析;謝震靈、何曉波[9]對(duì)長(zhǎng)距離復(fù)雜水域環(huán)境下的鋼筋混凝土沉管管節(jié)浮運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。綜上可知,國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者都對(duì)鋼筋混凝土沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了深入全面的研究,而對(duì)于鋼殼混凝土沉管隧道的研究尚不多。

對(duì)于我國(guó)的鋼殼混凝土沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作來說,綜合來說仍存在兩大主要難點(diǎn)。一是參考資料少。鋼殼混凝土沉管隧道屬于新技術(shù)[10],可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。二是行業(yè)、專業(yè)跨度大,造成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分析工作開展難度較大[11]。鋼殼混凝土沉管隧道施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及大量的海上、水下施工,運(yùn)用傳統(tǒng)的公路、鐵路或市政道路風(fēng)險(xiǎn)管理模式存在制約,需要大量融合水運(yùn)、港口、海事、航道、制造業(yè)等相關(guān)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí),對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作帶來了挑戰(zhàn)。

本文全面考慮了鋼殼混凝土沉管隧道施工的特點(diǎn)和難點(diǎn),基于優(yōu)化LEC法將FAHP-云模型運(yùn)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的系統(tǒng)性和可靠性。并將評(píng)估模型運(yùn)用于深中通道鋼殼沉管隧道項(xiàng)目,以工程案例的形式驗(yàn)證該方法的有效性。

1 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程及方法

在充分研究多種定量、定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,針對(duì)鋼殼混凝土沉管隧道這種施工技術(shù)復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn),決定采用基于LEC法的FAHP-云模型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法,將LEC法進(jìn)行適度優(yōu)化,通過模糊層次分析法建立權(quán)重值模型和評(píng)判矩陣,運(yùn)用MATLAB云模型進(jìn)行數(shù)值模擬和分析,得出風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)。

1.1 建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

本文介紹的鋼殼混凝土沉管隧道是指在雙面鋼板間充填混凝土,鋼板內(nèi)側(cè)分布栓釘、槽鋼等連接件,通過連接件將鋼板與混凝體連接成整體,從而形成組合結(jié)構(gòu)。開展施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需對(duì)施工作業(yè)活動(dòng)進(jìn)行分解,如圖1所示,選取合適的分解指標(biāo)作為評(píng)估單元,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估。本文考慮施工風(fēng)險(xiǎn)管控的實(shí)際需求,以鋼殼混凝土沉管隧道總體風(fēng)險(xiǎn)和7個(gè)指標(biāo)層作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的對(duì)象,如圖2所示。

圖2 鋼殼混凝土沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)源層次分析模型

1.2 風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

AHP層次分析法是一種系統(tǒng)分析與決策的綜合評(píng)價(jià)方法,通過層次體系的建立將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定性問題定量化[12]。

1.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)圖1所示的層次模型,邀請(qǐng)專家對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行打分。將指標(biāo)層的7個(gè)因素利用 1～9標(biāo)度法進(jìn)行兩兩比較[13],建立判斷矩陣。如建立目標(biāo)層K以及指標(biāo)層K1,K2,K3……Kn,對(duì)其指標(biāo)層進(jìn)行兩兩比較以體現(xiàn)其重要性關(guān)系,可得判斷矩陣K=(kij)n×n。

判斷矩陣K:

(1)

(2)

1.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

計(jì)算判斷矩陣K值,求得其特征向量,對(duì)應(yīng)的值為各指標(biāo)因素的權(quán)重值。

首先計(jì)算特征向量W的分量Wi:

(3)

進(jìn)行歸一化處理:

(4)

計(jì)算最大特征值:

(5)

特征向量為:

W=(W1,W2,…Wn)

(6)

1.2.3 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

為對(duì)專家打分的分值可信度進(jìn)行驗(yàn)證,需對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(7)

(8)

當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為計(jì)算結(jié)果通過一致性檢驗(yàn)。RI的取值見表1。

表1 RI取值表

1.3 MATLAB云模型數(shù)值模擬

在云模型理論中,U為定量論域[14],C為該域上的定性因素[15],x為C在論域U上的隨機(jī)變量。x對(duì)C的確定度可以表示為μ(x),且μ(x)∈[0,1][16]:

μ(x)=exp[-(x-Ex)2/2(En')2]

(9)

多個(gè)x的集合組成為云,其中的每一個(gè)云滴代表一次變量x[17]。云滴在論域的期望為Ex,En代表其不確定性。在此過程中,通過云滴能很好地反映出風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)定量轉(zhuǎn)化過程中的模糊性[19]。通過對(duì)正向云發(fā)生器中的云滴離散程度[20]進(jìn)行判斷,可以對(duì)指標(biāo)值W的有效性進(jìn)行科學(xué)性檢測(cè)。通過逆向云發(fā)生器,可以計(jì)算出指標(biāo)期望值W'。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

在傳統(tǒng)LEC法的基礎(chǔ)上將指標(biāo)因素優(yōu)化為權(quán)重指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)損失、風(fēng)險(xiǎn)概率的集合,結(jié)合MATLAB云模型進(jìn)行計(jì)算,確定鋼殼混凝土沉管隧道施工指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)。運(yùn)用FAHP模糊層次分析法,評(píng)判鋼殼混凝土沉管隧道的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1.4.1 構(gòu)造指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)判模型

LEC評(píng)價(jià)法將風(fēng)險(xiǎn)分解為事故發(fā)生的可能性、人員暴露危險(xiǎn)性環(huán)境的頻率、事故的后果[21]等三個(gè)指標(biāo),通過賦值來評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)的大小。公式為:

D=L×E×C

(10)

本文結(jié)合實(shí)際工程的需要,將LEC法指標(biāo)優(yōu)化為風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重值L、人員傷亡損失B、財(cái)產(chǎn)損失G、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率C(取值介于0～1之間),并應(yīng)用于此次研究中,形成優(yōu)化的LEC法。公式為:

D=L×(B+G)×C

(11)

運(yùn)用優(yōu)化的LEC法邀請(qǐng)專家對(duì)每一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行打分。為了確保數(shù)值的可靠性,運(yùn)用MATLAB對(duì)C值、D值進(jìn)行模擬。運(yùn)用逆向云發(fā)生器得出期望值C'替換公式中的C,按照同樣的方法得出期望值D'。最后通過對(duì)比表2,判斷各風(fēng)險(xiǎn)源的等級(jí)。

表2 優(yōu)化的LEC法參數(shù)取值

1.4.2 構(gòu)造總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判模型

FAHP法是在層次分析法的基礎(chǔ)上,利用模糊數(shù)學(xué)原理和最大隸屬度原則,加權(quán)計(jì)算得出評(píng)價(jià)整體的評(píng)估結(jié)果。步驟如下:

(1)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集U。

U={u1,u2,…,un},(i=1,2,…,n)

(12)

式中:ui為風(fēng)險(xiǎn)因素,i為因素的個(gè)數(shù)。

(2)建立評(píng)價(jià)集V。

V={v1,v2,…,vj}

(13)

評(píng)價(jià)集是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估結(jié)果的集合。評(píng)價(jià)集一般用模糊性語言作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行闡述,如“低度、中度、高度、極高”,見表3。

表3 總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集

(3)建立等級(jí)評(píng)判矩陣。

邀請(qǐng)專家對(duì)每一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)合表3進(jìn)行取值,計(jì)算取值占比,得到模糊矩陣:

(14)

(4)確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度。

根據(jù)上文得出的期望值W',與模糊矩陣B相乘,可確定總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度U:

U=W'·B

(15)

2 工程應(yīng)用及分析

通過目前國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用鋼殼混凝土沉管隧道施工技術(shù)的深中通道項(xiàng)目,將上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型應(yīng)用于此沉管隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,驗(yàn)證模型的可操作性。

2.1 工程概況

深中通道位于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域[22],是國(guó)家“十三五”重點(diǎn)工程,路線全長(zhǎng)約24km。沉管隧道位于礬石水道海域,東側(cè)與東人工島堰筑段、西側(cè)與西人工島相接,全長(zhǎng)5 035m。采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)形式[23],如圖3所示。由32節(jié)管節(jié)組成,其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)26節(jié)(編號(hào)E2～E27),長(zhǎng)165m、寬46m、高10.6m;非標(biāo)管節(jié)6節(jié)(編號(hào)E1、E28～E32),長(zhǎng)123.8m、寬46m～55.46m、高10.6m。最終接頭設(shè)置在E23與E24之間,長(zhǎng)2.2m[24]。

圖3 沉管隧道管節(jié)結(jié)構(gòu)形式

2.2 基于MATLAB的風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重計(jì)算

2.2.1 計(jì)算權(quán)重值

邀請(qǐng)7位沉管隧道領(lǐng)域的專家和技術(shù)人員對(duì)圖1層次分析模型風(fēng)險(xiǎn)源相對(duì)大小進(jìn)行打分,得到判斷矩陣K。以專家1為例得出矩陣:

(16)

運(yùn)用MATLAB計(jì)算得到權(quán)重向量W=[0.8840.7780.2350.2460.4613.1061.290]T,權(quán)重值為:0.126,0.111,0.034,0.035,0.066,0.444,0.184。一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR=0.094<0.1。

同理可知,對(duì)7位專家取值計(jì)算后的結(jié)果匯總,見表4。

表4 權(quán)重值匯總

2.2.2 MATLAB云模型計(jì)算有效權(quán)重值

對(duì)7位專家的分值通過MATLAB云模型模擬,如圖4所示,風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重值云滴離散程度較低,說明結(jié)果有效。通過逆向云模型得到的期望權(quán)重值為W'=[0.0750.1180.0580.0540.0770.5110.145]。

2.3 基于優(yōu)化LEC法的風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)評(píng)定

2.3.1 計(jì)算概率值

邀請(qǐng)7位專家對(duì)發(fā)生概率C進(jìn)行取值打分,見表5。

表5 專家所取C值匯總

利用MALTLAB對(duì)概率C進(jìn)行云模型計(jì)算,得到期望值C'=0.216。

2.3.2 風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)評(píng)定

合并急性顱內(nèi)出血的硬腦膜動(dòng)靜脈瘺10例誤診分析 … …………………… 歐陽(yáng)燁彤，萬志剛，汪涵，等 225

再次邀請(qǐng)7位專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行打分,并通過式(11)計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)源D值。專家1風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 1號(hào)專家風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)打分計(jì)算表

同理可得,其他6位專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)指標(biāo)值的匯總見表7。

表7 專家風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)指標(biāo)分值匯總

2.3.3 風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)指標(biāo)期望值

風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)指標(biāo)值根據(jù)圖5所示云滴離散程度較小,因此指標(biāo)值有效。將匯總表輸入MATLAB逆向云發(fā)生器,可得到指標(biāo)期望值D'=[0.1470.2110.0370.0430.0791.403 0.342]。

圖5 風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)指標(biāo)值云圖

由上述計(jì)算結(jié)果并結(jié)合表2可知,沉管浮運(yùn)安裝屬于極高風(fēng)險(xiǎn),沉管管內(nèi)施工屬于高度風(fēng)險(xiǎn),鋼殼管節(jié)運(yùn)輸屬于中度風(fēng)險(xiǎn),鋼殼管節(jié)生產(chǎn)、沉管預(yù)制屬于低度風(fēng)險(xiǎn),疏浚工程施工、沉管地基及基礎(chǔ)施工屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 基于模糊層次分析法的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

根據(jù)上述FAHP模糊層次分析法的理論,再次邀請(qǐng)7位專家結(jié)合表3對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)進(jìn)行打分,見表8。

表8 評(píng)價(jià)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的專家數(shù)量

通過計(jì)算式(15),代入期望權(quán)重值W',由表8建立矩陣B,則總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度:

3 結(jié)論

本文以鋼殼混凝土沉管隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為研究對(duì)象,綜合運(yùn)用優(yōu)化LEC法的FAHP-云模型理論,對(duì)鋼殼混凝土沉管隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。

(1)基于鋼殼混凝土沉管隧道的施工內(nèi)容,建立了7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)層的層次模型,計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重值。通過MATLAB云模型中云滴離散程度對(duì)權(quán)重值的有效性進(jìn)行檢驗(yàn),增強(qiáng)取值的科學(xué)性和可靠性。

(2)通過對(duì)LEC法進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合MATLAB云模型理論,構(gòu)建指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)判計(jì)算模型。通過模糊層次分析法,建立鋼殼混凝土沉管隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

(3)將評(píng)估模型應(yīng)用于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道項(xiàng)目。計(jì)算出7個(gè)指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和總體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),驗(yàn)證了模型的可操作性及有效性。