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1、第 2 期收稿日期院2023-02-17作者简介院赵生军(1982),男,青海西宁人,中铁十八局集团国际公司工程管理部高级工程师。江苏航运职业技术学院学报JOURNAL OF JIANGSU SHIPPING COLLEGE第 22 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.22 No.2Jun.2023doi:10.3969/j.issn.2097-0358.2023.02.0050引言高速公路是运输车辆高速行驶通道,它在为人们出行提供极大便利的同时,也在城乡一体化发展中扮演着重要角色,在国家经济快速发展中起着不可替代的作用1-2。但随着出行车辆的日益增多,现有高速公路运输能力已无法与实际需求
2、相匹配,这为高速公路的发展提供了更大的发展契机3。由于我国多为丘陵、山地地貌,为提高高速车辆运行速度,减少行车里程,保证出行车辆的安全行驶,路桥隧道应运而生。路桥隧道工程具有修建里程长、施工困难度高的特点4-5,特别是施工环境复杂,隧道工程下穿山体可能遭遇诸多不良地质条件,如湿陷性黄土、膨胀围岩等,一旦施工过程中施工管理、技术、策略等方面的措施运用不当,很容易引发塌方、突水、瓦斯泄漏等问题,进而发展成严重事故,造成惨重的经济损失与人员伤亡。因此,对路桥隧道工程进行施工安全风险预测显得极为有意义。6-8姜安民等人针对公路隧道施工条件复杂、安全风险较高问题,构建了层次分析-可拓模型的工程施工风险预
3、测模型,将地质条件、洞口工程等作为施工风险预测方向,对工程施工风险影响因素进行分析,完成风险指标的确定,通过层次分析法求解各指标权重,再利用风险预测模型,通过计算隧道工程施工风险概率值以及风险后果完成风险等级的界定,该方法获得的指标权重具有主观性,不利于施工风险的准确预测,并且难以实现路桥隧道施工风险发展趋势的变化分析。9王景春等人为降低公路隧道事故率,提出改进 K-Means聚类模型的施工风险分析方法,通过 WBS-RBS 对公路隧道施工过程中存在的风险进行辨识,将作业分解树与风险分解树进行融合处理以实现风险事件的确定,将其作为预测样本,选取事故发生概率、后果等作为风险指标,根据风险等级划分
4、预测样本,通过改进 K-Means 聚类模型对其进行预测,经过独立性检验后,计算指标间的相关度、可接受度,以确定风险因素间的内在关联,从而获得公路隧道施工风险结果,但该方法易受聚类中心的影响,降低了其风险预测准确性。10因此,本文提出复杂环境条件下路桥隧道工程施工安全风险预测,基于集对分析理论,在对同一度、对立度、差异度进行量化计算后,构建了同异反路桥隧道工程施工风险预测模型,运用偏联系数与集对势实现路桥隧道工程施工风险演化过程的分析,确定预测结果,为施工风险管理与防范提供依据。复杂环境条件下路桥隧道工程施工安全风险预测赵生军渊中铁十八局集团国际公司 工程管理部袁 天津 300300冤摘要院路
5、桥隧道工程施工环境复杂袁进行施工过程中的安全风险预测十分必要遥通过分析路桥隧道工程施工风险因素并对所获取的因素进行筛选袁实现风险指标体系构建曰通过熵权法确定各指标权重曰基于集对分析理论的施工风险同异反预测模型遥 选取风险程度微弱的野低度风险冶为参照目标集合袁通过其与路桥隧道工程施工风险的同势尧反势尧均势状态判断实现施工安全风险预测遥实验结果表明袁该方法可计算出风险指标权重袁预测路桥隧道工程施工风险发展趋势以及确定风险等级遥关键词院复杂环境曰路桥隧道工程曰施工安全风险曰熵权法曰集对势曰同异反预测模型中图分类号院U4-34文献标志码院A文章编号院2097-0358渊2023冤2-0037-07江苏
6、航运职业技术学院学报2023 年1路桥隧道工程施工安全风险预测1.1路桥隧道工程施工风险指标体系构建在复杂环境条件下,路桥隧道工程施工环境具有复杂性特点,不仅涉及较多的施工作业方及工程设备等,同时,施工地质条件也存在多变性,可能会在施工过程中遭遇涌水突泥、瓦斯、岩溶等恶劣情况,这给路桥隧道工程施工安全带来诸多威胁,增加了施工安全风险11。及早对复杂环境下的路桥隧道工程施工安全风险进行辨识,有利于降低风险损失,避免造成严重的风险后果。通过工作分解结构法对路桥隧道工程中的风险因素进行辨识,获得工程结构以及风险分解图,根据专家建议完成风险识别矩阵的构建,结合专家调查法对路桥隧道工程施工过程中的安全风
7、险因素进行全面分析与选择,由此实现路桥隧道工程施工安全风险指标体系的构建,其基本结构如图 1 所示。在该指标体系中,路桥隧道工程施工安全风险作为目标层,准则层中共包含 5 个一级指标,涉及路桥隧道工程施工的技术、地质、管理、设备、事故各个方面,通过对工程施工过程的全面分析,确定了 19 个路桥隧道工程施工安全风险影响因素,将其作为二级指标,实现体系结构中指标层的构建。1.2路桥隧道工程施工安全风险等级划定基于路桥隧道工程施工安全风险影响因素,按照区间量化标准对各指标的风险大小进行描述,即可完成其安全风险等级的划定,一般而言,安全风险程度随着风险等级的增高而增大,当路桥隧道工程施工处于高风险等级
8、时,施工过程中发生安全风险的概率也较大。路桥隧道工程施工安全风险等级确定标准如表1 所示。当评分值小于 6 时,路桥隧道工程施工发生风险概率低,对应低度风险;评分值与风险发生概率、风险结果成正比关系,6,7、(7,8)分别对应中度、高度风险;8,9对应风险等级为严重;(9,10则对应灾难性风险。1.3基于熵权法的指标权重确定在信息论中通过熵对信息的不确定性进行量化分析,指标所含信息量多少以及权重的高低均与其熵值具有正比例关系12-13。本文采用熵权法对路桥隧道工程施工安全风险指标权重进行确定。第一步:无量纲化处理。各路桥隧道工程施工风险指标数据单位存在差异,需对其作无量纲化处理,以路桥隧道工程
9、施工安全风险技术风险 A地质风险 B管理风险 C事故风险 D设备风险 E注浆参数控制不当A1通风排水A2设计工艺不合理A3新技术的应用A4岩溶突水、涌水B1岩石节理发育B2围岩塑性变形B3遇不良岩性围岩B4特殊地质段B5管理人员经验不足C1管理制度不完善C2材料质量不达标C3施工组织不当C4进料价值波动C5火灾D1瓦斯爆炸D2掘进机械损坏E1设备发生调试偏差E2机电设备维护不当E3图 1路桥隧道工程施工安全风险指标体系结构表 1路桥隧道工程施工安全风险等级风险概率等级风险后果等级评分值一级低度 0 时,此时 滋 是偏正联系数,是对同势状态的描述,说明路桥隧道工程施工安全风险向正向演变;当 滋
10、1 时,路桥隧道工程施工安全风险向下降方向演化;反之,若 a 低于 c,即ac 1,即同一度高于差异度,路桥隧道工程施工安全风险呈逐渐下降规律变化,坠n-2shi渊Ha,b1冤表现出增大变化趋势,坠n-1滋 随之变大,安全风险变小的演化规律越突出;若ab1 1,即同一度低于差异度,路桥隧道工程施工安全风险呈逐渐上升规律变化,同时 坠n-2shi渊Ha,b1冤呈变小变化规律,坠n-1滋 随之变小,路桥隧道工程施工安全风险上升的演化规律越突出。以集对势理论为基础,选取风险程度微弱的“低度风险”,视其为参照对象集合,将之作为对比数据,判断路桥隧道工程施工过程中的安全风险与其之间的差异,实现路桥隧道工
11、程施工安全风险趋势预测。40第 2 期(1)当路桥隧道工程施工风险与“低度风险”在同势区时,表明二者演化趋势相同,路桥隧道工程施工风险很低,可忽略不计,该路桥隧道工程施工处于最佳状态。(2)当路桥隧道工程施工风险与“低度风险”在均势区时,表明路桥隧道工程施工风险已达到中度水平,需要加强安全风险管理,确定一阶偏联系数为反势的风险因子,对其进行高度关注,以使其变为同一趋势。(3)当路桥隧道工程施工风险与“低度风险”位于反势区时,表明它们的演化趋势呈反向变化,此时路桥隧道工程施工风险达到高度风险水平以上,需对反势区的风险因素给予更大关注,通过采取有效措施使路桥隧道工程施工风险回归到低风险水平。因此,
12、在对路桥隧道工程施工安全风险管理时,应将关注焦点锁定在与参照集合具有均势以及反势变化关系的风险因素上,根据集对势值可实现路桥隧道工程施工风险的排序,达到风险预测目标。2实验分析以某路桥隧道工程为研究对象,其为分离式隧道设计,左、右线设计长度分别为 1 885 m、1 840 m,对应的最大埋深分别为 184 m、195.2 m,隧道出入口采用端墙式。该隧道工程施工处为低山地貌,坡度大,植被生长良好,该处富含泥灰岩、石英砂岩等,未勘测到地表水,只有隧道出入口周围冲沟处因积水形成的少量水流,通过钻孔勘测发现地下水,部分孔位存在涌水问题,同时发现一处岩堆不良地质,是由其他高速连接线开挖后的弃石形成,
13、呈上薄下厚状。笔者采用前文所述方法对该路桥隧道工程施工安全风险进行预测,验证本文方法的预测性能。获取各风险指标权重是实现路桥隧道工程施工风险预测的基础。笔者采用本方法对该路桥隧道工程施工安全风险指标权重进行确定,各指标权重计算结果如表 2 所示。该路桥隧道工程施工安全风险指标体系由两层级构成,其中一级指标 5 个、二级指标 19 个,运用本方法对该路桥隧道工程施工安全风险进行预测,可获得各指标权重,风险预测目标层的权重计算结果为 W=0.034,0.023,0.043,0.026,0.046T。表 2路桥隧道工程施工安全风险指标权重计算结果一级指标权重二级指标权重A0.034A10.073A2
14、0.029A30.022A40.046B0.023B10.019B20.036B30.039B40.014B50.018C0.043C10.081C20.032C30.067C40.073C50.036D0.026D10.022D20.011E0.046E10.081E20.074E30.034赵生军:复杂环境条件下路桥隧道工程施工安全风险预测41江苏航运职业技术学院学报2023 年在确定各指标权重计算结果后,采用专家打分法获得路桥隧道工程施工风险体系各指标的五元联系数,以此获得路桥隧道工程施工的同异反模型,再对各指标的各阶偏联系数进行计算。各施工风险指标的发展态势如表 3 所示。由表 3 可
15、知,路桥隧道工程施工风险的五元同异反系数为 0.27+0.11i1+0.15i2+0.14i3+0.24j,通过公式(13)计算得到的集对势为 1.125,其值大于 1,由此可通过集对势的同势状态刻画路桥隧道工程施工风险,表明该工程的施工风险呈下降态势变化。在一级指标 A 中,A1、A2 指标呈下降趋势变化,A3、A4 指标呈上升规律变化,同理可确定其余指标的五元联系数演化规律。基于公式(9),可确定路桥隧道工程施工安全风险的一阶偏联系数为 0.60+0.49i1+0.54i2+0.34i3,因 0.60 高于 0.34,因此,可利用同势状态对进行描述,即路桥隧道工程施工风险具有一阶减弱变化趋
16、势,其中 A1、A3、A4、B1、B2、B3、B5、C1、C2、C5、D1、D2、E1 风险指标为同势状态,其风险存在变小发展趋势,其余指标均为反势状态,需对其进行严密监测。路桥隧道工程施工安全风险的二阶偏联系数为 0.53+0.47i1+0.60i2,因 0.53 低于 0.60,故需用反势状态描述,即路桥隧道工程施工风险呈二阶增强走势变化,需将 A2、B1B4、C3C5、D1D2、E1E3 风险指标作为严密监测目标,加强施工风险管理。路桥隧道工程施工安全风险的三阶偏联系数为 0.52+0.43i1,计算其集对势为 1.20,由于 1.20 大于 1,故路桥隧道工程施工风险呈三阶减弱走势变化
17、;其四阶偏联系数为 0.51,此值高于 0.5,表明相较路桥隧道工程施工风险的差异性,同一性更为突出,故该工程施工风险具有四阶减弱走势,A3 指标为均势,变化趋势难以分辨。实验结果表明,应将具有反势与均势的风险因素作为重点监控对象,通过采取有效施工管理措施进行干预,以降低路桥隧道工程施工风险。3结束语将集对分析理论应用到路桥隧道工程施工安全风险预测中,通过对某项路桥隧道工程的施工风险发展表 3施工风险指标发展态势分析风险指标五元联系数趋势一阶偏联系数趋势二阶偏联系数趋势三阶偏联系数趋势四阶偏联系数趋势A1同势同势同势反势反势A2同势反势反势同势同势A3反势同势同势反势均势A4反势同势同势反势反
18、势B1反势同势反势同势同势B2反势同势反势反势反势B3同势同势反势同势同势B4同势反势反势反势反势B5同势同势同势同势同势C1同势同势同势同势同势C2同势同势同势同势同势C3反势反势反势反势反势C4均势反势反势反势反势C5反势同势反势同势同势D1反势同势反势同势同势D2同势同势反势反势反势E1反势同势反势同势同势E2均势反势反势反势反势E3同势反势反势反势反势42第 2 期趋势进行分析,验证本文方法的应用性能。实验结果表明:本文方法可完成风险指标权重的计算,并获得施工风险趋势预测结果,可依据本文预测结果对高风险因素进行重点监控,提升复杂环境条件下路桥隧道工程施工安全性。参考文献院1刘佳.谈高速
19、公路隧道施工风险管理技术J.公路交通科技(应用技术版),2019(1):195-196.2张子凯.高速公路长隧道机电交安工程施工安全管理探索及应用J.公路,2020(12):220-223.3杨佳奇,申玉生,曹帮俊,等.寒区隧道洞口段施工安全风险研究J.公路,2020(5):317-324.4李蒙,邹健,刘苹,等.基于 BIM 的隧道施工安全风险辨识模型研究J.工业安全与环保,2019(5):69-71.5黄文红,刘松涛,刘安,等.基于粗糙集和云模型的隧道施工过程动态风险评估J.公路,2020(5):329-334.6李梦初,王景春.一种地铁塌方风险评估模型的设计仿真J.计算机仿真,2022(
20、2):93-97.7张兵,夏时雨,赵庆华,等.基于 CART 回归树模型的深基坑施工安全事故分析与预测J.土木工程与管理学报,2021(3):32-38,44.8赵秋华.基于 SVM 的城市地下工程施工安全风险预测研究J.施工技术,2021(7):113-115,119.9姜安民,董彦辰,张晓波.基于层次分析-可拓模型的公路隧道施工风险评估J.数学的实践与认识,2019(11):297-305.10王景春,林佳秀,靳俊中.基于改进 K-Means 聚类模型的公路隧道施工风险分析及其应用J.公路交通科技,2019(6):58-64.11李海文,鲍学英.基于动态权重-二维云模型的青藏高原交通工程高
21、地温隧道施工风险评估J.武汉大学学报(工学版),2022(10):1010-1018,1080.12吴波,陈辉浩,黄惟.基于模糊-熵权理论的铁路瓦斯隧道施工安全风险评估J.安全与环境学报,2021(6):2386-2393.13蒙国往,丘洪彬,吴波,等.基于改进层次分析法、熵权法的深基坑施工风险评估J.数学的实践与认识,2021(21):167-176.14胡庆国,田学泽,何忠明.基于五元联系数集对分析模型的绿色建筑施工安全风险评价J.安全与环境学报,2021(5):1880-1888.15李亚峰,冷伍明,聂如松,等.基于改进的集对分析理论的路基沉降组合预测模型J.应用基础与工程科学学报,20
22、21(4):961-972.(责任编辑:张利)Safety Risk Prediction of Road and Bridge Tunnel ConstructionUnder Complex Environmental ConditionsZHAO Sheng-jun(International Co.,Ltd.of the Eighteenth Bureau Group of China Railway,Tianjin 300300,China)Abstract:The construction environment of road and bridge tunnel project
23、is complex,and it is necessary topredict the safety risk during the construction process.By analyzing the construction risk factors of road andbridge tunnel project and screening the acquired factors,the risk indicator system is constructed;the weight ofeach indicator is determined by entropy weight
24、ing method;based on homogeneous and inverse anti-predictionmodel of construction risk of set-pair analysis theory,the“low risk”with weak level of risk is selected as the ref原erence target set.Construction safety risk prediction is realized through the judgment of homotropic,antipotentialand equilibr
25、ium states with the construction risk of road,bridge and tunnel projects.The experimental resultsshow that the method can be used to calculate the weights of risk indicators,predict the development trend of theconstruction risk of road and bridge tunnels and determine the risk level.Key words:complex environment;road and bridge tunnel project;construction safety risk;entropy weightmethod;set-pair potential;homogeneous and inverse anti-prediction model赵生军:复杂环境条件下路桥隧道工程施工安全风险预测43