山區公路工程高路塹施工風險評價模型

許 軍 ，盧嘉寧 ，栗 飛 ，陳建國 ，楊 瑞

（1.山西省公路局，山西 太原 030006；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.山西省公路局 晉城分局，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國公路建設也進入了快速發展的時期，公路施工過程中發生的安全風險事故也越來越受到人們的關注。交通運輸部安委會發布的《交通運輸安全生產事故報告（2018年）》顯示，2018年，對我國西南多個省份的統計資料顯示，山區公路工程建設事故起數和死亡人數占公路建設總事故總量和死亡人數的56.1%和55.6%[1]。由此可見，山區已成為我國公路工程建設事故的多發區域，而在山區公路施工中，高路塹石方開挖施工難度大、工程量多，有的涉及到爆破施工，已被列為公路施工三大高風險環節之一[2]。

目前，國內山區公路路塹高邊坡挖方工程的風險評價研究尚處在發展階段，王小群[3]研究了模糊聚類層次分析法在建筑施工風險評價中的應用。張雷[4]針對具體工程類型（邊坡工程），從微觀角度提出風險評估程序，建立一種風險分析模式及風險評估程序。陳科榮[5]用灰色關聯度分析法較好地確定了施工過程中風險事故的概率。馬楠副[6]將影響施工的關鍵危險因素綜合考慮，做成一張網絡風險預測評估圖，進行風險評價。周直[7]認為公路施工是一個多維度非線性的過程，并且提出了混沌-神經網絡風險評價模型。楊俊輝[8]提出目前的工程評價方法中，指標的確定大多是采取專家打分的主觀方式，為了減少主觀因素的影響，把BP神經網絡理論用于道路施工風險評價。張宇[9]研究了山區公路施工中的風險評價方法和預警技術。這些研究方法中，定性和定量相結合的評價模型比較多，風險率和事故后果的確定中，人為因素影響較大，完全進行定量分析的研究較少見。同時由于施工過程的復雜性和不可監測的特點，客觀的數據來源很少，大多采用專家打分的方式等主觀方式獲取數據。

筆者通過比較現有的山區公路施工風險評價方法，對評價指標劃分出不同的分值等級，克服傳統施工評價完全依靠專家主觀打分獲取數據的缺點，最終建立了山區公路高路塹施工的指標體系模型和AHP-模糊綜合評價模型，并以山西國道207山區公路某段的高路塹施工風險評價為案例，驗證了該模型的有效性。

1 構建綜合評價模型

1.1 建立風險評價指標體系

山區公路高路塹施工風險評價指標選取應遵循六大原則：科學性原則、可比性原則、系統綜合性原則、代表性原則、可量化性原則、可操作性原則?；谝陨显瓌t，運用AHP方法構建評價指標體系，該指標體系分為目標層、準則層和指標層3層，準則層包含建設規模、地質條件、環境條件、邊坡加固施工、項目安全管理及路基開挖施工等六類風險因素，指標層包含邊坡高度、邊坡角度、地層巖性、邊坡巖體結構、地下水深度、施工季節、自然災害、周邊環境、防護加固類型、腳手架高度、施工隊伍素質、施工企業業績、開挖方法、開挖與加固之間的工序銜接等14個評價指標，如圖1所示。

圖1 山區高路塹工程風險評價指標體系

1.2 確定權重向量

采用AHP法確定評價指標權重向量W，計算各評價指標對應于目標層的權重集合W=｛W1，W2，…,Wn｝，其中 W1，W2，…,Wn∈[0,1]分別為對應評價指標U1，U2，…,Un的權重。

1.3 綜合評價模型的建立

風險評價應綜合考慮風險可能性和后果嚴重性兩個方面，因此山區高路塹施工風險評價模型的形式如式（1）：

式中：D表示風險大??；P表示風險發生的可能性；C表示風險后果的嚴重程度；f（P，C）表示風險發生的可能性和風險后果嚴重性的組合。

因此，路塹施工風險評價模型可以分解為兩個模型，即風險可能性模型P和風險后果嚴重性模型C。本文中，采用指標體系法建立風險可能性模型P，采用AHP-模糊綜合評價法建立風險后果嚴重性模型C。

1.3.1 風險可能性模型的建立

a）步驟1 建立專家打分表。

為了克服傳統施工評價數據來源的純主觀性，筆者在借鑒相關規范指南和研究成果之上，對設計的專家打分表進行了半定量化處理，對每個指標劃定分值區間。專家打分時根據項目具體實際情況，對最合適的分值區間進行打分。

對于建設規模、地質條件等可量化的客觀指標，根據現有的研究成果進行量化分級。對于某些不可量化的指標，如項目安全管理、施工組織計劃等，運用專家咨詢的方式進行指標評定。最終將事故可能性分成4個等級作為專家打分的參考，見表1。

表1 風險可能性評估參考標準

b）步驟2建立指標體系法模型。

式中：Xij表示第i類風險因素的第j個評價指標的分值。

得出F值后，對照表1確定山區公路高路塹開挖施工事故風險可能性等級。

1.3.2 風險后果模型（AHP-模糊綜合評價模型）的建立

根據山區公路施工風險模糊性的特點，筆者結合AHP方法和綜合模糊評價法的優點，建立了AHP-模糊綜合評價模型[10]，用來對施工風險后果進行評價確定風險后果等級。

a）步驟1 設計專家打分表。

設山區公路高路塹施工風險各評價指標Un的分數為x，(x∈[0，100])，其中分數越大說明該指標造成的風險后果越嚴重，主要考慮事故后果的人員傷亡嚴重程度和財產損失，請專家對圖1中的每個指標進行打分。

其中，事故后果的人員傷亡嚴重程度和財產損失參考標準見表2。

表2 人員傷亡和財產損失評估參考標準

b）步驟2 建立評價因素集合U。

因素U集包含風險評價指標體系里的所有指標，如式（4）所示

c）步驟3 建立評語集V。

在評價山區道路施工后果風險等級時，依據人的認知習慣，將評價等級設為“輕微”，“一般”，“較大”，“重大”，“特大”。

d）步驟4 建立模糊關系矩陣：

采用專家打分法對公路施工安全的各個評價指標分別給出評分值，構造隸屬度函數 fV1，fV2，fV3，fV4，fV5，表示因素集U中每個指標對于后果評語集vj的隸屬程度[11]，最終構建的隸屬度函數如式（7）～式（13）所示。

若用rij表示第i個因素對于第j個評語等級的隸屬度，則因素集U與后果評語集V之間的模糊關系可用模糊關系矩陣RV來表示。

矩陣中 0≤rij≤1，i=1，2…n，j=1，2，3，4，5。

e）步驟5 計算評價結果。

采用適合的模糊算子對模糊矩陣R和指標權向量W進行模糊運算，從而得到評價結果。

式中：＠為某一模糊算子符號。

f）步驟6 確定風險等級。

2 案例分析

本文以國道207新房洼至省界瓶頸路段施工工程第一合同段項目為依托，選取K1327+410—K1327+720樁號處的路塹石方工程施工為案例，運用上述提出的風險管理理論對該案例處的挖方工程進行風險評價。

2.1 建立評價指標體系

按照工程項目實際情況，運用AHP方法建立如圖1所示3層評價指標體系。

2.2 確定權重

采用AHP法確定評價指標權重向量，最終計算出指標層各個指標對目標層的權重值：W=[0.130，0.120，0.111，0.100，0.093，0.084，0.076，0.067，0.060，0.049，0.041，0.032，0.023，0.014]，對應的評價指標排序為：[邊坡高度，開挖方法，邊坡巖石結構，防護加固類型，腳手架高度，周邊環境，邊坡角度，地層巖性，開挖與加固之間的銜接工序，地下水深度，施工隊伍素質，施工企業資質，施工季節，自然災害]。

2.3 風險可能性評價

邀請專家對風險指標導致事故的可能性進行打分，再對全體專家的打分值取平均值，得出最終結果見表3。

表3 風險可能性評價專家打分結果

根據指標體系法模型計算風險概率等級：

同樣可以計算出其他9位專家的評價結果，分別為：48.3，50.1，49.6，51.2，41.8，40.7，42.6，58.5，57.9，59.4，求得平均值為 55.58。

得出F值后，對照表2，確定路基石方開挖施工事故概率風險等級?？梢缘贸?，該路基石方開挖施工項目的總體風險概率等級為3級，即很“可能”發生風險事故。

2.4 風險后果評價

根據AHP-模糊綜合評價模型的建立方法，首先得出風險后果評價專家打分結果，如表4所示。

表4 風險后果評價專家打分結果

根據式（6）～式（13）建立的隸屬度函數，計算得出各個指標對評語集中每個評價等級的隸屬度，最終得到綜合評價模糊關系矩陣R。

基于AHP得到的權重向量W，計算模糊評語集B。

B=WR=[0.207,0.242,0.172,0.673,0.629].

根據最大隸屬度原則，可以得出：

B(V4)=0.673=max[0.207，0.242，0.172，0.673，0.629]，即所研究案例處施工風險后果等級為“較大”。

3 評價結果分析

根據評價指標權重值、風險可能性評價結果、風險后果評價結果可知，在本案例中，風險可能性等級處于3級，即很“可能”發生風險事故。風險后果等級處于“較大”等級，總體來說此樁號處的施工風險等級較高?！斑吰赂叨取笔菍κ┕わL險影響最大的一個因素，根據工程經驗，高于20 m的土質邊坡和高于30 m的巖質邊坡，開挖后大約會有40%處于不穩定或欠穩定狀態，雖然采取了預應力錨索、抗滑樁等措施進行加固和支擋，但在施工過程中仍然可能會有部分邊坡失穩的發生。由于“邊坡開挖”要涉及爆破施工，因此危險等級也較大。山區高路塹邊坡經常會發生邊坡失穩、巖崩落石等災害，開挖后邊坡是否穩定和邊坡巖體結構、邊坡防護加固類型有關，因此這兩個指標的權重也比較大。在山區道路施工中“高處墜落”是常見的風險，所以“腳手架高度”也是一個重要指標。其他影響因素在山區高路塹施工風險中不占主導地位，但也不能忽視。

4 結論

根據山區公路工程高路塹施工特點建立評價指標體系，對評價指標進行量化分級處理來獲取所需數據，克服了傳統施工評價完全依靠專家主觀打分的缺點。本文建立的山區公路高路塹工程施工風險評價模型，運用AHP方法建立評價指標體系，包含六類14個指標，將構建的指標體系模型和AHP-模糊綜合評價模型應用到山區公路施工項目中，并與施工實際情況進行比較，驗證了方法的有效性。