基于集对分析的公路隧道施工安全风险评价

矿冶工程

V〇1.38A2April 2018

MINING AND METALLURGICALENGINEERING

基于集对分析的公路隧道施工安全风险评价$

何忠明

U2,刘可\\付宏渊2

(1.广西交通投资集团有限公司，广西南宁530022; 2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114)

摘要：为了科学准确地评价公路燧道工程施工安全风险，从地质条件、开挖断面、燧洞施工和洞口工程4个方面筛选出14个二级 评价指标，建立了燧道工程施工安全风险评价指标体系;利用粗糙集理论对燧道工程施工安全风险评价指标进行客观赋权，采用变 异系数法计算风险评价指标权重;基于推广得到的集对分析理论中的四元联系数构建了燧道施工安全风险评价模型，并结合工程 实例莲荷燧道进行了实证分析。结果表明，莲荷燧道施工安全风险评价等级为中度风险，评价结果与现场调研一致。评价方法能 真实反映燧道工程施工风险评价过程中的不确定性，提高了燧道工程施工总体风险评价的精度;评价模型能为燧道工程施工安全 提供风险预判，对同类工程的施工安全风险评价具有借鉴意义。关键词：四元联系数；集对分析；公路燧道；燧道工程；安全风险评价中图分类号：U455

文献标识码：A

doi:10.3969/j.iwn.0253-6099.2018.02.002

文章编号：0253-6099(2018)02-0006-04

Safety Risk Assessment for Highway Tunnel Construction

Based on Set Pair Analysis

(1.Guangxi Communications Investment Group Co Ltd，Nanning 530022, Guangxi， China; 2.School of Communication and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114，Hunan，China)

Abstract ： In order to scientifically evaluate the safety risk in the construction ol highway tunnel project，a safety risk evaluation index system was established for tunnel construction， with 14 secondary indicators selected from geological

conditions，excavated section， tunnel construction and tunnel engineering. A rough set theory was used for objective weighting of the safety risk evaluation index，and the coefficient of variation was adopted to calculate the weights of risk evaluation indexes. Based on the four relation parts of set pair analysis theory， a safety risk evaluation model was established for tunnel construction project and Lianhe tunnel construction was taken as an example for practical analysis. Result showed a moderate risk for Lianhe tunnel construction， which was consistent with the field investigation. It is concluded that such an evaluation method can reflect the uncertainty in the process of risk evaluation of tunnel construction，and improve the accuracy of overall risk evaluation of tunnel project. This evaluation model provides a pre-evaluation of the risk of tunnel construction in the engineering project，which may be of some reference for safety evaluation of similar engineering construction.

HE Zhong-ming1，2，LIU Ke1，FU Hong-yuan2

Keywords: four-element connection number; set pair analysis; highway tunnel; tunnel engineering； construction

security risk assessment

隧道工程是现代高速公路建设项目中的重要组成 部分,特别是在山区高速公路建设项目中，隧道工程里 程长,地质条件复杂，施工难度大，塌方、涌水等安全事 故极易发生，隧道施工安全风险评价已成为亟待解决 的施工关键问题之一。国内外学者对其进行了一些研 究[|-2]。但现有的隧道施工安全风险评价研究一般仅

仅局限于对某一单项风险事件进行评价，评价模型较

简单，较难真实地反映出隧道总体的施工安全风险等级[3-7]。

本文首先根据集对分析原理对三元联系数中同、 异、反关系进行推广，将其中的差异性细分为偏同差异 性和偏反差异性,然后再将集对分析理论引人到了公

①收稿日期：2017-10-21

基金项目：国家自然科学基金（51508042,51678073);广西交通投资集团有限公司博士后基金（2016)作者简介：何忠明（ 1980-),男，湖南永兴人,博士后，教授，主要从事道路工程的教学与研究。通讯作者：刘可（1967-),男，湖南益阳人，博士 ,研究员级高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作

第2期何忠明等：基于集对分析的公路隧道施工安全风险评价7

路隧道施工安全风险评价体系，构建基于四元联系数 的施工安全风险评价模型。该评价模型利用粗糙集理 论对安全风险评价指标进行客观赋权,然后采用变异 系数法对指标权重进行计算，有效降低了评价指标权 重的主观性，能对施工安全风险等级进行准确的评估, 可为工程实践提供参考。

a -

k = 1

I W2j

S

(3)

若评价指标Ct(A = S+l,S+2,…，S+〇实测值处 于标准子集& =丨等级n(中风险）丨内,则表明该类评 价指标具有偏同差异性，其偏同差异度系数&1的表达 式为：

S+P1

1模型构建

l.i

b1 = I W2j

k = S+ 1

1

1

(4)

2

集对分析理论

若评价指标 Ck(k =S+P, +1，S+P +2,…,S+P+P)集对分析理论由我国学者赵克勤提出，它是在分

析具体问题时，将两个具有某种联系的集合构成集对, 然后分析两者之间的确定性和不确定性关系的一种理 论[8-11]。

将隧道施工安全风险等级标准集^与隧道施工 安全风险评价样本指标集s组成一个具有^个表征 特性的集对y

)。然后,根据同、异、反三分原理将

其中有S个特性相同、P个特性既不相同也不对立、0 个特性相互对立，且S+P + 〇 = W(W为样本评价指标

数，N=1，2,…,n)，令 a = S/N、b = P/N、c = Q

/Nj_

集对(4,S)的三元联系数为：

[X = a + bi + cj

( 1)

1.2

四元联系数模型

由于本文讨论的隧道施工等级评价集K = I等级

叹（极高风险）、等级m (高风险）、等级n (中风险）、 等级i(低风险）1，分为四级，于是根据集对分析原理 对式（1)中三元联系数中同、异、反关系进行推广，将 其中的差异性细分为偏同差异性和偏反差异性，构建 四元联系数为：

=^ Pi. P2 . Q.^ = N=a + Nil+ b. + Ni2 + NJ

(2)

ii + 匕2.2 + cj

式中/a e[-1,1]，用来系统刻画集对(4，B)的同一度

a、偏同差异度bi、偏反差异度b:以及对立度c的联系

数隶属度，并且 a、b,、b2、c E (0,1)，a + b,+b2+c =1，

S+P,+P2+Q=N;对立度系数户-1以及差异度系数.1、 i'2E[-1,1]，反映了宏观与微观两个层次相互结合的

参量。然而差异度系数是集对分析的关键，其取值方 法主要有相似贴近度法、逆势取值法和随机取值法等。

1.2.1四元联系数计算公式

由集对分析理论可知，以隧道施工安全风险等级 标准集^作为标准讨论集，根据各评价指标权重wk 进行分类，若评价指标Ck(k = 1,2,…,S)实测值处于 标准子集K, = I等级1(低风险）1内，则表明该类评价 指标具有同一性,其同一度系数a的表达式为：

实测值处于标准子集A=i等级m(高风险）1内，则表 明该类评价指标具有偏反差异性，其偏反差异度系数

b2的表达式为：

S+P1+P2

b2 = k = S+PI

W2y (5)

1 + 1

若评价指标 Ck(k=S+P,+P2 + 1，S+P1+P2+2,…,N)实测值处于标准子集K4=|等级汉（极高风险）1内，则 表明该类评价指标具有对立性,其对立度系数c的表 达式为：

c = k =S+IP1 +

P2 + 1

W2j

(6)

因此,隧道施工安全评价等级的综合联系数表达

式为：

a1b11b21c1a

a2

=(W11，W12,…，W1k )

b22

b22

c2

•

b1b2

(7)

_akb1kb2kck_

_c_

= a ＋ b1 i1 ＋ b2i2 ＋ c.

式中W为权系数向量;；8为同异反多元测量评价矩 阵，且其中向量（ak，b1k，b2k，ck)需经过归一化处理； £为联系数分量矩阵。

1.2.2指标权重确定

通常指标权重的确定方法有两种：主观赋权法和 客观赋权法。传统的主观赋权法有Delphi法、AHP法 等,但是主观赋权法由于主观因素对指标权重的波动 影响较大，评价结果也相应容易发生变化，甚至出现相 反的评价结果。因此，在对评价指标进行赋权时，倾向 于选择客观赋权法，相比于主观赋权法，其权重计算结 果比较准确、科学[12-15]。本文利用粗糙集理论进行客 观赋权，然后采用粗糙集理论中的变异系数法进行计 算来确定权重，该方法可根据各指标作用大小的不同 来确定各自的权重，同时在评价指标体系中，差异越大 的指标，越难以实现，这类指标更能反映被评价样本的

差距。其计算公式为：

8矿冶工程第38卷

地下水主要为基岩中的裂隙水。钻孔揭露有地下水，埋 深为11.0-33.2 m,水量一般，钻孔SDK07及SDK08孔

式中r为第a项指标的变异系数(标准差系数）；^为 第；项指标的标准差;^为第a项指标的平均数。各 项评价指标的权重为：

vk

口见涌水现象，水量较丰。不良地质现象主要为岩堆, 分布于隧址区K25+195- +265左200 m-右200 m段， 高约16 m,宽约400 m,厚度不均勻，岩堆顶部厚度较 小，约1-2 m,底部厚度较大，约8-10 m,为另外一条高 速连接线开挖边坡的弃石，粒径20-200 cm,堆积松散, 对靖州端隧道洞口边坡稳定性影响较大。2.2评价指标体系建立

结合工程现场实际调研成果，通过对工程实例中 Wa= /

I Vk

k = 1

(9)

1.3隧道施工安全评价等级判定

根据式(7)计算综合联系数对其中〖1、〖2的取 值方法采用相似贴近度法，计算公式为：

.= bi

I

1 a + b2 + c

I.，=

=

b2 (1〇)

a + bi + c

因此，最终计算得到的综合联系数为：

r

(11)

式中「

=丨等级汉（极高风险）、等级m(高风险）、等

级n(中风险）、等级i(低风险）丨，查阅相关资料并根 据自身工程经验设定k的评价等级标准如表1所示。

表i

隧道施工安全风险评价等级标准

风险等级汉风险等级m风险等级n风险等级i[-1,-0-5)

[-0.5,0)

[0,0.5)

[0-5,1]

2

实证分析

2.1

工程概况

武靖高速莲荷隧道为分离式隧道，呈直线形展布,

隧道总体轴线方向约255。。左线起迄粧号ZK23+345〜

ZK25+225,长1 880 m,最大埋深约183 m;右线起迄粧

号 K23+407~K25+245,长 1 838 m,最大埋深约 194.8 m。 隧道建筑限界（宽x高）均为10.25 m x 5.0 m,采用电 光照明，机械通风，隧道洞门进出口均为端墙式。该隧道区属低山地貌,地形起伏较大。隧道范围 内中线高程470-692 m。山体自然坡度20。〜40。，植 被较发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基 本稳定状态。隧址区靖州端洞口东侧约40 m有省道

S319通过，其他段仅山间小路通过，交通条件一般。

隧址区下伏基岩为泥盆系中统棋梓桥组（D2q)泥灰岩 及跳马涧组（D2〇石英砂岩、砂岩等。岩层产状为 118。〜120。乙43。〜70。,岩层产状变化较大，褶皱发育， 未见不良地质构造通过，隧址区区域地质稳定。

隧址区地表水不发育,仅两端洞口附近冲沟及洞顶 冲沟地段雨季雨水汇集可产生的暂时性水流。隧址区

隧道施工安全风险源进行辨识，分析其施工影响因素， 构建的隧道施工安全风险评价指标体系如图1所示。

1级指标

2级指标 富水情况Xu

地质条件$

瓦斯含量x12围岩质量^3开挖方法X21

开挖断面X2

断面面积X22开挖进尺X23隧道长度X31 洞身支护X32

隧洞施工X3

洞内运输 洞口通风X34 洞口形式X(i 洞口特征X42

洞口工程'

洞口开挖X43洞口防护X44

图1隧道施工安全风险评价指标体系

2.3隧道施工安全风险评价指标分级标准

由图1可知,本文构建的隧道施工安全风险评价 指标体系中1级评价指标共有4个,2级评价指标共 有14个。采用专家评分方法进行2级评价指标分级, 其标准如表2所示。

表2

隧道施工安全风险评价指标分类标准

2级指标

风险等级汉

风险等级m风险等级n风险等级i0-25

26-50

51-75

76-100

2.4隧道施工安全风险评价指标权重及分值

由式(8)-(9)可以计算各级评价指标权重，由于 论文篇幅有限,这里不再赘述。同时，通过实地勘测， 判定出待评价隧道施工安全风险评价指标的平均分值 如表3所示。

第2期何忠明等：基于集对分析的公路隧道施工安全风险评价9

表3

1级指标地质条件

尤i

隧道安全风险评价指标权重及分值

权重wl(t

2级指标^11

0.13

^12^13义21

0.29

^22^23^31

权重0.070.120.130.060.040.140.060.06

^330.06评分值343723557522534038mnrn汉n1等级

3结 论

1) 从地质条件、开挖断面、隧洞施工和洞口工程

4个方面筛选出14个二级评价指标，建立了隧道施工 安全风险评价指标体系；然后基于集对分析理论三元 联系数方法推广提出了四元联系数方法，基于该方法 构建了隧道施工安全风险评价模型，该模型充分考虑 到了隧道施工安全风险存在的不确定性和随机性，能 系统、全面评价隧道施工安全风险等级,使评价结果更

开挖断面

尤2

隧道施工

尤3

0.17

^340.0369n^41

0.0626m洞口工程

0.03

811^4

0.41

^430.0622IV^44

0.08

28

m2.5计算综合联系数

根据式⑵〜（6)计算集对(X'i)的四元联系数为:&X1-R' '=0.59i2+ 0.4V&X2-R1 '=0.17 ■(-0.25之—■0.58/〜

-R1 ：

=0.43^1+ 0.57i2

KX4-R1 Z

=0.13 ■(■ 0.61^2 —■ 0.26；然后可得到基于同异反分析的四元测量评价矩阵 \"为:

\"0

0

0.59 0.41\"P 二0.17 0.25 0

0.580 0.43 0.57

0

_0.13

0

0.61 0.26_

由式（7)和式（10)可以计算得到综合联系数 …为：

0

0 0.59 0.41

a= (0.13,0.29,0.17,0.41)

0.17 0.25 0 0.58 b1 0 0.43 0.57 0 h

0.13 0 0.61 0.26

c _

= 0.102 6+0.145 6i,+0.423 7i-2+0.328 1；= 0.11

由表1中隧道施工安全风险等级评价集K的评 价等级标准可知该工程实例计算得到的施工安全风险 等级为:风险等级n(中风险）。根据现场实地调研结 果可知，莲荷隧道在开挖施工前已做好了各项专项施 工方案，准备非常充分;同时勘察设计单位提供的相关 资料和笔者现场调研的实际地质情况较为一致，且该 隧道没有不良地质情况;施工单位为大型国有企业，隧 道施工过程中施工方风险管控意识较强，对风险控制 有非常成功的经验。因此根据现场实际调研结果，本 隧道施工安全风险等级可综合判定为中度风险，与模 型评价结果一致，验证了模型的可靠性和合理性。

加科学、可靠。

2)

利用粗糙集理论对隧道工程施工安全风险

价指标进行客观赋权，采用变异系数法对隧道施工安 全评价指标进行权重计算，相比传统的专家评分法、层 次分析法等主观赋权方法，其主要以样本统计数据作 为依据，人为主观因素对指标权重的波动影响小，相对

而言更加科学客观，计算得到的指标权重可信度高。

3) 工程案例实证分析结果表明，该模型计算结与工程实际调研结果较为一致,验证了本文建立的隧 道施工安全风险评价模型的可靠性和合理性,对同类 工程的施工安全风险评价具有借鉴意义。参考文献：

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(下转第14页）

评

统

14矿冶工程第38卷

动动能增加,水力坡度随之增加。

2)基于前人试验结果建立了软管水力坡度和倾 斜直管水力坡度关系计算公式,提出复杂软管水力坡 度的计算方法，提供深海采矿软管输送参数优化方法， 在实际采矿过程中，可根据集矿机位置合理设计软管 输送速度和输送压力，以确保软管处于最佳输送状态。参考文献：

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(上接第9页）

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