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管窥集对分析的隧道设计安全风险

2013/11/20 阅读:

1隧道设计安全风险评估指标体系

隧道初步设计阶段安全风险评估的目标是对设计文件中同深度比选的多个方案进行安全风险评估。根据评估结果,视风险等级对初步设计方案进行修改完善,若风险等级极高时,应对初步设计方案重新论证。公路隧道一般采用钻爆法施工,钻爆法隧道安全风险事件主要有洞口失稳、塌方、突水涌泥、岩爆、结构风险、营运安全、环境保护等,每个风险事件由若干个导致事件发生的风险源组成,如造成洞口失稳风险事件的风险源有地形地貌、地质条件、进洞方案设计、施工因素等。结合文献要求及并在总结现有研究成果的基础上,建立公路隧道初步设计阶段安全风险评估指标体系,

2集对分析法确定评估指标的权重

2.1集对分析理论简介集对分析(setpairanalysis,SPA)理论是一种新型的处理模糊和不确定知识的数学工具,能有效地分析和处理不精确、不一致、不完整等各种不确定性。其核心思想是认为任何系统都是由确定性和不确定性信息构成的,特点是对问题的不确定性“客观承认、系统描述、定量刻画、具体分析”。SPA的基础是集对,关健是联系度。所谓集对,是由一定联系的两个集合所组成的对子。给定2个集合A和B,并设这2个集合组成集对H=(A,B),在具体问题背景W下对集对H的特性展开分析,并用联系度表示,即:jNPiNFNS(1)式中:μ为集合A和B的联系度;N为集对H特性的个数;S为2个集合A和B所共同具用特性的个数;P为2个集合相对立特性的个数;F为2个集合既不相互对立,又不共同具有特性的个数,F=N-P-S。若令NSa,NFb,NPc,则式(1)可简写为:abicj(2)式中:μ为联系度;a、b、c分别为集合A和B的同一度、差异度和对立度;abc1。从式(2)可知,联系度从2个集合的同一性、差异性和对立性3个方面来确定系统确定关系和不确定关系以及两种关系的相互作用,能更为全面地刻画事物的特征与提高信息的利用率,而且能统一处理模糊、随机和信息不完全导致的各种不确定性。

2.2不确定AHP法的评估指标权重区间计算不确定AHP法在比较判断矩阵时用区间标度来表示每2个比较因素的相对重要程度,区间标度仍然采用基于1~9比例标度法。显然,采用区间标度可较好地反映专家对评估指标主观判断的不确定性,也符合专家的思维习惯。因此,笔者引入该方法来确定各评估指标的权重区间。

1)确定单个专家的评价指标比较区间数

设某一子指标体系,其评价指标有n个,它构成的集合为nU,12,邀请L位专家基于1~9比例标度法对评价指标进行两两比较,并采用区间数表示相互间重要程度,设第k位(k=1,2,L)专家给出的评价指标i与j之间的比较区间数为:kijkijkijAa,b~(3)其中,kija和kijb为该区间的下限和上限值

2)专家权重的确定

由于专家工作经验、学术背景及对所评估项目的了解程度不同,专家的权重也不尽一样。专家自身的权重主要考虑职称、从事隧道工程时间、对工程风险理论及方法的熟悉程度及对本隧道工程了解程度而综合确定,由于职称、从事隧道工程时间等几个指标的重要程度相近,可以认为各指标权重是相同的,将各位专家实际情况对应的分指标相对权值相加,然后进行归一化处理,则可得专家自身的权重,记为k。

3)构造不确定区间数判断矩阵

L位专家确定的评价指标权重区间综合在一起得到各评价指标权重区间的矩阵为:kijLkijkaa1(4)kijLkijkbb1(5)因此,可得到不确定区间数判断矩阵:111,11,111,1,11,1,,~1122221212121211,abab,ababababAnnnnnnnn(6)

2.3基于SPA的评估指标权重确定方法式(12)给出了评价指标的权重区间,由于0,1~jw,权重区间jw~把区间0,1分成了j0,w、jjw,w、w,1j3部分,这3部分的意义分别表示:“确定能够达到的程度”、“不能确定是否达到的程度”和“确定不能达到的程度”。引入SPA,将“确定能够达到的程度”、“不能确定是否达到的程度”和“确定不能达到的程度”分别看成“同一性”、“差异性”、“对立性”,从同、异、反3个角度描述评价指标权重的区间值。因此,权重区间jw~与区间0,1组成集对后的联系度表达式可表示为:abicjjjjj(13)其中:jjaw,jjjbww,jjc1w,这里i,j为差异度和对立度系数,仅起标记作用。分别从确定性与不确定性两部分来确定评价指标权重大小[12]。确定性区间的相对权重为:nkkkjjjacacp111(14)不确定性区间的相对权重为:nkkjjbbq111(15)根据式(14)和式(15),得出风险评估指标的综合权重计算公式,即:nkjjjjjpqpqw1(16)通过式(16)计算,从确定性与不确定性两个方面来确定评估指标的权重,更具有科学性、合理性。

3工程实例分析

3.1工程概况岐山隧道左洞长8036m、右洞长8040m,左右洞平均长8038m,属于特长隧道。隧道洞身岩层主要以侏罗纪南园组凝灰熔岩为主,洞身见辉绿岩脉体侵入,属较硬-坚硬岩,岩体较破碎-较完整,对隧道洞身围岩的稳定较有利,洞身围岩级别一般为Ⅴ~Ⅱ级。隧道进出洞口处地形均较陡,斜坡上覆土层主要为残坡积层、强风化岩层,垂向厚度一般较大,散体结构,湿水易软化,拱部、侧壁稳定性很差,易产生坍塌,成洞条件差。隧道区地下水主要为强-中风化层、构造裂隙中的孔隙潜水及下部基岩裂隙水,地下水位标高高于路面设计高程,隧道单洞最大总涌水量约12423.2m3/d,正常涌水量约8395.5m3/d,岩层富水性中等。

3.2风险事件与风险源辨识根据本项目具体情况及结合文献的相关规定,采用专家调查法和检查表法进行风险事件与风险源分辨识。

3.3专家权重的确定邀请5位隧道方面的专家对本隧道进行风险评估,专家权重在表3对应的相对权值基础上,考虑每位专家实际情况确定对应的权值,然后求和并归一化处理,得到每位专家实际权重0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k,

3.4单一风险事件评估以洞口失稳风险事件为例,说明其具体过程。

3.4.1洞口失稳风险事件各风险源权重的确定

1)构造比较区间数

5位专家对“洞口失稳U1”所对应的第2层指标“地质条件U11”、“地形地貌U12”、“进洞方案设计U13”、“施工因素U14”进行比较,构造的比较区间数为:[1/9,1/7][1/7,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/3,1]11[1,3][5,7]11[1,3][3,5][7,9]~1Aij[1/8,1/7][1/6,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,5][7,8]~2Aij[1/8,1/7][1/6,1/5][1/5,1/3]11[1/4,1/3][1/3,1]11[3,5][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,4][7,8]~3Aij[1/8,1/7][1/7,1/5][1/4,1/3]11[1/5,1/3][1/3,1]11[3,4][1/3,1]11[1,3][5,7]11[1,3][3,5][7,8]~4Aij[1/9,1/7][1/6,1/5][1/4,1/3]11[1/4,1/3][1/3,1]11[3,4][1/2,1]11[1,3][5,6]11[1,2][3,4][7,9]~5Aij

2)构造不确定区间数判断矩阵

根据公式(4)和式(5)得到考虑专家权重0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k后的评价指标之间的不确定区间数判断矩阵:[0.1195,0.1429][0.1564,0.2000][0.2407,0.3333]1.00001.0000[0.2181,0.3333][0.3333,1.0000]1.00001.0000[3.0000,4.1860][0.4283,1.0000]1.00001.0000[1.0000,3.0000][5.0000,6.4300]1.00001.0000[1.0000,2.4300][3.0000.4.6390][7.0000,8.3960]~A

3)评估指标权重区间的计算

利用式(7)~式(11)得到评价指标“地质条件U11”、“地形地貌U12”、“进洞方案设计U13”、“施工因素U14”的权重区间:0.4335,0.5763,0.2404,0.3823,0.1396,0.2145,0.0472,0.0579~w4)通过SPA将评价指标的区间权重转化为精确值,得到各评价指标的权重。将各评价指标权重区间w~分别与区间0,1组成集对,然后根据式(13)将权重区间分别转化为联系度:0.43350.1428i0.4237j1;0.24040.1419i0.6177j2;0.13960.0749i0.7855j3;0.04720.0107i0.9421j4根据式(14)、式(15)分别计算评价指标确定性和不确定性区间的权重值,并进行归一化为:0.4828,0.2977,0.1693,0.0502jp0.2362,0.2364,0.2549,0.2726jq按照式(16)将确定性区间权重与不确定性区间权重组合在一起,求得“地质条件U11”、“地形地貌U12”、“进洞方案设计U13”、“施工因素U14”的综合权重为w0.4726,0.2918,0.1789,0.0567。

3.4.2洞口失稳风险事件评估结果分析请5位专家分别根据文献[8]的风险发生概率等级标准、风险损失等级标准、风险等级标准,结合隧道的实际情况,评估隧道洞口失稳风险事件各风险源的风险等级,综合专家的评估结果得出各风险源的风险等级。最后根据各风险源的风险等级与对应的权重计算风险事件的综合分值为2.4726,得出洞口失稳风险为Ⅱ级偏上用同样的方法,可以得到岐山隧道各风险事件的风险情况。其中,各2级指标(风险源)权重的具体计算可根据上述公式用Matlab软件编制程序完成。由于篇幅的限制,2级指标权重的计算及风险评估过程在此不再赘述,本工程各风险事件评估结果。岐山隧道风险事件评估结果Table6AssessmentresultsofriskeventsofQishantunnel风险事件风险事件评估结果风险事件风险事件评估结果综合分值等级综合分值等级洞口失稳2.4726Ⅱ级偏上结构风险2.032Ⅱ级偏上塌方2.482Ⅱ级偏上营运安全1.832Ⅱ级偏下突水涌泥2.212Ⅱ级偏上环境保护1.212Ⅰ级偏上岩爆1.123Ⅰ级偏上。

3.5隧道总体风险评估首先,请5位专家分别用传统的AHP法确定7个风险事件的权重,结果为“0.21630.21320.15440.09210.10930.11240.10230.22110.21620.15140.08160.11550.10360.11060.18250.23320.14840.09330.12320.11830.10110.17210.25620.14780.08240.12210.11730.10210.16290.25510.14910.09400.11950.11690.1025~uw其次,将上述专家确定的各风险事件权重值分别乘以专家权重值0.221,0.209,0.186,0.209,0.175k并相加,则得风险事件的最终权重:w0.1900,0.2358,0.150,10.0885,0.118,10.1137,0.1038u最后,将风险事件的最终权重值乘以表6对应的风险事件综合分值并相加,进而得到隧道总体风险分值2.0605,风险等级为Ⅱ级。通过对岐山隧道初步设计阶段风险等级的评价,该隧道不存在“IV级、极高”等级的风险,洞口失稳、塌方、突水涌泥、结构风险、营运安全的风险等级为“II级、中度”,岩爆和环境保护的风险等级为“Ⅰ级、低度”。综合考虑各风险事件,岐山隧道初步设计阶段风险等级为“II级、中度”。根据风险接受准则可知,风险水平有条件接受,工程就进一步实施预防措施以提升安全性的必要。

1)进出口的洞口失稳及塌方风险较大,在下阶段施工图设计中予以重视;

2)衬砌结构的合理性需要在施工过程中进一步进行检验,因此,在制定监测方案时,应重点考虑对应的风险点进行监测,如对浅埋偏压段落、全断面注浆堵水段落衬砌结构内力进行监测,及时反馈,进行变更设计;

3)隧道工程强调动态设计,针对地勘资料不足或不准确的情况,加强施工过程中的超前地质预报,及时变更设计,是控制风险的有效手段。

4结论

1)不确定AHP法在比较判断矩阵时用区间标度来表示每2个比较因素的相对重要程度,可较好地反映专家对评估指标主观判断的不确定性,也符合专家的思维习惯。

2)导致隧道公路隧道发生风险事件的各项风险因素具有复杂性、模糊性、随机性的特点,专家对这些信息了解程度不确定,用不确定AHP法构造不确定区间数判断矩阵,考虑专家权重后得到评估指标的权重区间,既符合工程实际,又具有可靠性。

3)不确定AHP法给出的指标权重为区间数,使用并不方便,需要将区间权重转化为精确权重。评价指标的权重区间在是在一定范围内变化的确定性与不确定性区间,引入SPA理论,计算评价指标的确定性区间的相对权重与不确定性区间的相对相重,并综合得到评价指标的精确权重,充分体现了该方法的优越性和科学性。

4)在评估单个风险事件的基础上,综合考虑洞口失稳、塌方、突水涌泥等多个风险事件共同影响,对隧道总体安全风险进行评估,符合公路隧道设计阶段安全风险评估实际要求。

作者:俞素平李素梅单位:福建船政交通职业学院云南交通职业技术学院

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