基于FAHP-云模型的鋼殼混凝土沉管隧道施工風險分析

謝夢羅，康韓輝，楊福林

(1.深中通道管理中心,廣東 中山 528449;2.中山翠亨新區工程項目建設事務中心,廣東 中山 528451)

0 引言

運用沉管法施工的水下隧道因具有斷面形狀靈活[1]、埋深小、工期短以及結構防水性強等優點,在工程建設領域得到廣泛應用[2]。沉管隧道通常分為鋼筋、鋼殼等混凝土結構形式,但目前我國已完工的沉管隧道基本為鋼筋混凝土結構[3]。鋼殼混凝土沉管隧道組合結構屬于新技術,其建造工藝復雜、水上水下高風險作業多、施工風險管控具有挑戰性。目前我國對鋼殼混凝土沉管隧道施工風險評估體系研究成果不多,相關的風險研究與管理的文獻較少,制約著鋼殼混凝土沉管隧道施工技術的發展[4]。

在已有的水下沉管隧道風險研究成果中,不少專家學者進行了多方面的探索。如:洪選華[5]建立海底隧道施工風險評價的指標體系;Stephen Slot Odgaard[6]等從設計安全的角度對近海條件下公路鋼筋混凝土沉管隧道建設進行了研究;宋浩然、張頂立[7]等以大連灣海底隧道為背景,從施工技術、經濟、作業安全和環境影響等方面對施工方法進行風險評價;張姣、廖斌[8]對沉管隧道施工風險采用模糊綜合評價法進行了評估,并通過案例形式對港珠澳大橋沉管隧道的施工進行了分析;謝震靈、何曉波[9]對長距離復雜水域環境下的鋼筋混凝土沉管管節浮運風險進行了分析,提出了相應的應對措施。綜上可知,國內外專家、學者都對鋼筋混凝土沉管隧道施工風險管理進行了深入全面的研究,而對于鋼殼混凝土沉管隧道的研究尚不多。

對于我國的鋼殼混凝土沉管隧道施工風險評估工作來說,綜合來說仍存在兩大主要難點。一是參考資料少。鋼殼混凝土沉管隧道屬于新技術[10],可供借鑒的經驗較少。二是行業、專業跨度大,造成風險評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復雜的系統工程,涉及大量的海上、水下施工,運用傳統的公路、鐵路或市政道路風險管理模式存在制約,需要大量融合水運、港口、海事、航道、制造業等相關的專業技術知識和風險管理知識,對風險評估工作帶來了挑戰。

本文全面考慮了鋼殼混凝土沉管隧道施工的特點和難點,基于優化LEC法將FAHP-云模型運用于風險評估中,實現了風險辨識的系統性和可靠性。并將評估模型運用于深中通道鋼殼沉管隧道項目,以工程案例的形式驗證該方法的有效性。

1 施工風險評估流程及方法

在充分研究多種定量、定性的風險評估方法的基礎上,針對鋼殼混凝土沉管隧道這種施工技術復雜的特殊結構施工風險,決定采用基于LEC法的FAHP-云模型風險評估法,將LEC法進行適度優化,通過模糊層次分析法建立權重值模型和評判矩陣,運用MATLAB云模型進行數值模擬和分析,得出風險源等級。

1.1 建立風險評估模型

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,鋼板內側分布栓釘、槽鋼等連接件,通過連接件將鋼板與混凝體連接成整體,從而形成組合結構。開展施工安全風險評估需對施工作業活動進行分解,如圖1所示,選取合適的分解指標作為評估單元,進行風險源風險等級的評估。本文考慮施工風險管控的實際需求,以鋼殼混凝土沉管隧道總體風險和7個指標層作為風險評估的對象,如圖2所示。

圖2 鋼殼混凝土沉管隧道施工風險源層次分析模型

1.2 風險源識別

AHP層次分析法是一種系統分析與決策的綜合評價方法,通過層次體系的建立將風險評估定性問題定量化[12]。

1.2.1 構建判斷矩陣

根據圖1所示的層次模型,邀請專家對各風險源進行打分。將指標層的7個因素利用 1～9標度法進行兩兩比較[13],建立判斷矩陣。如建立目標層K以及指標層K1,K2,K3……Kn,對其指標層進行兩兩比較以體現其重要性關系,可得判斷矩陣K=(kij)n×n。

判斷矩陣K:

(1)

(2)

1.2.2 確定指標權重

計算判斷矩陣K值,求得其特征向量,對應的值為各指標因素的權重值。

首先計算特征向量W的分量Wi:

(3)

進行歸一化處理:

(4)

計算最大特征值:

(5)

特征向量為:

W=(W1,W2,…Wn)

(6)

1.2.3 進行一致性檢驗

為對專家打分的分值可信度進行驗證,需對其進行一致性檢驗。

(7)

(8)

當CR<0.1時,認為計算結果通過一致性檢驗。RI的取值見表1。

表1 RI取值表

1.3 MATLAB云模型數值模擬

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上的隨機變量。x對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x的集合組成為云,其中的每一個云滴代表一次變量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險分析數據定量轉化過程中的模糊性[19]。通過對正向云發生器中的云滴離散程度[20]進行判斷,可以對指標值W的有效性進行科學性檢測。通過逆向云發生器,可以計算出指標期望值W'。

1.4 風險等級評定

在傳統LEC法的基礎上將指標因素優化為權重指標、風險損失、風險概率的集合,結合MATLAB云模型進行計算,確定鋼殼混凝土沉管隧道施工指標層風險源等級。運用FAHP模糊層次分析法,評判鋼殼混凝土沉管隧道的總體風險等級。

1.4.1 構造指標層風險源評判模型

LEC評價法將風險分解為事故發生的可能性、人員暴露危險性環境的頻率、事故的后果[21]等三個指標,通過賦值來評價系統整體風險的大小。公式為:

D=L×E×C

(10)

本文結合實際工程的需要,將LEC法指標優化為風險源權重值L、人員傷亡損失B、財產損失G、風險發生概率C(取值介于0～1之間),并應用于此次研究中,形成優化的LEC法。公式為:

D=L×(B+G)×C

(11)

運用優化的LEC法邀請專家對每一項風險源進行打分。為了確保數值的可靠性,運用MATLAB對C值、D值進行模擬。運用逆向云發生器得出期望值C'替換公式中的C,按照同樣的方法得出期望值D'。最后通過對比表2,判斷各風險源的等級。

表2 優化的LEC法參數取值

1.4.2 構造總體風險評判模型

FAHP法是在層次分析法的基礎上,利用模糊數學原理和最大隸屬度原則,加權計算得出評價整體的評估結果。步驟如下:

(1)建立評價指標因素集U。

U={u1,u2,…,un},(i=1,2,…,n)

(12)

式中:ui為風險因素,i為因素的個數。

(2)建立評價集V。

V={v1,v2,…,vj}

(13)

評價集是對風險因素評估結果的集合。評價集一般用模糊性語言作為評價指標對評價結果進行闡述,如“低度、中度、高度、極高”,見表3。

表3 總體風險評價集

(3)建立等級評判矩陣。

邀請專家對每一項風險源的風險等級結合表3進行取值,計算取值占比,得到模糊矩陣:

(14)

(4)確定風險等級隸屬度。

根據上文得出的期望值W',與模糊矩陣B相乘,可確定總體風險等級隸屬度U:

U=W'·B

(15)

2 工程應用及分析

通過目前國內首次應用鋼殼混凝土沉管隧道施工技術的深中通道項目,將上述風險評估模型應用于此沉管隧道進行風險評估,驗證模型的可操作性。

2.1 工程概況

深中通道位于粵港澳大灣區核心區域[22],是國家“十三五”重點工程,路線全長約24km。沉管隧道位于礬石水道海域,東側與東人工島堰筑段、西側與西人工島相接,全長5 035m。采用鋼殼混凝土結構形式[23],如圖3所示。由32節管節組成,其中標準管節26節(編號E2～E27),長165m、寬46m、高10.6m;非標管節6節(編號E1、E28～E32),長123.8m、寬46m～55.46m、高10.6m。最終接頭設置在E23與E24之間,長2.2m[24]。

圖3 沉管隧道管節結構形式

2.2 基于MATLAB的風險源權重計算

2.2.1 計算權重值

邀請7位沉管隧道領域的專家和技術人員對圖1層次分析模型風險源相對大小進行打分,得到判斷矩陣K。以專家1為例得出矩陣:

(16)

運用MATLAB計算得到權重向量W=[0.8840.7780.2350.2460.4613.1061.290]T,權重值為:0.126,0.111,0.034,0.035,0.066,0.444,0.184。一致性檢驗結果CR=0.094<0.1。

同理可知,對7位專家取值計算后的結果匯總,見表4。

表4 權重值匯總

2.2.2 MATLAB云模型計算有效權重值

對7位專家的分值通過MATLAB云模型模擬,如圖4所示,風險源權重值云滴離散程度較低,說明結果有效。通過逆向云模型得到的期望權重值為W'=[0.0750.1180.0580.0540.0770.5110.145]。

2.3 基于優化LEC法的風險源等級評定

2.3.1 計算概率值

邀請7位專家對發生概率C進行取值打分,見表5。

表5 專家所取C值匯總

利用MALTLAB對概率C進行云模型計算,得到期望值C'=0.216。

2.3.2 風險源等級評定

合并急性顱內出血的硬腦膜動靜脈瘺10例誤診分析 … …………………… 歐陽燁彤，萬志剛，汪涵，等 225

再次邀請7位專家對風險損失進行打分,并通過式(11)計算各風險源D值。專家1風險等級計算結果見表6。

表6 1號專家風險等級打分計算表

同理可得,其他6位專家對風險源等級指標值的匯總見表7。

表7 專家風險源等級指標分值匯總

2.3.3 風險源等級指標期望值

風險源等級指標值根據圖5所示云滴離散程度較小,因此指標值有效。將匯總表輸入MATLAB逆向云發生器,可得到指標期望值D'=[0.1470.2110.0370.0430.0791.403 0.342]。

圖5 風險源等級指標值云圖

由上述計算結果并結合表2可知,沉管浮運安裝屬于極高風險,沉管管內施工屬于高度風險,鋼殼管節運輸屬于中度風險,鋼殼管節生產、沉管預制屬于低度風險,疏浚工程施工、沉管地基及基礎施工屬于輕微風險。

2.4 基于模糊層次分析法的總體風險等級評估

根據上述FAHP模糊層次分析法的理論,再次邀請7位專家結合表3對各風險源等級進行打分,見表8。

表8 評價不同風險等級的專家數量

通過計算式(15),代入期望權重值W',由表8建立矩陣B,則總體風險等級隸屬度:

3 結論

本文以鋼殼混凝土沉管隧道施工安全風險評估作為研究對象,綜合運用優化LEC法的FAHP-云模型理論,對鋼殼混凝土沉管隧道施工的安全風險進行了分析。

(1)基于鋼殼混凝土沉管隧道的施工內容,建立了7個風險源指標層的層次模型,計算各風險源權重值。通過MATLAB云模型中云滴離散程度對權重值的有效性進行檢驗,增強取值的科學性和可靠性。

(2)通過對LEC法進行優化,結合MATLAB云模型理論,構建指標層風險等級評判計算模型。通過模糊層次分析法,建立鋼殼混凝土沉管隧道總體風險評估模型。

(3)將評估模型應用于深中通道鋼殼混凝土沉管隧道項目。計算出7個指標層風險源風險等級和總體施工風險等級,驗證了模型的可操作性及有效性。