长大隧道施工组织模糊评价方法及应用

朱立成， 雷明锋， 万 旺， 陈觅杭， 郑邦友

(1. 中南大学 a. 土木工程学院； b. 重载铁路工程结构教育部重点实验室， 湖南 长沙 410075；2. 中建隧道建设有限公司， 重庆 401320)

伴随高等级铁路、公路的飞速发展，隧道以其缩短通行里程、减少运输时间、优化线型、提高经济效益等显著优点，越来越多的被应用于交通建设中。为保证隧道施工顺利、安全，达到“好、快、省”的建设目的，科学、合理的施工组织是其重要保障之一。然而，与其他类型工程相比，隧道工程具有隐蔽性、围岩和周边环境条件不确定等突出特点，使得其前期施工组织往往难以全面反映实际工程特点，从而造成工程延期，建设成本增加等施工风险问题。因此，如何设计出科学合理的隧道施工组织方案，并实现预先评价，是当前隧道工程建设过程中面临的难题之一，特别是对于一些复杂的长大隧道工程，该问题显得尤为突出。

Cheng等[1]考虑隧道施工现场管理的复杂性，提出了一种基于遗传算法，整合模糊逻辑和神经网络等人工智能算法的隧道施工组织评价方法。安文杰[2]采用模糊层次分析法，建立了基于“专家打分制”的隧道施工组织评价模型并进行了实例应用。尤潇[3]以港珠澳大桥隧道部分的施工实际为基础，开展了基于灰色层次分析法的隧道实施组织方案比选，给出了最优施工组织方案。崔勇[4]构建了模糊综合评价模型，并通过采用逐层序关系法确定各因素权重，实现了某工程施工组织方案的综合评价。Kolic[5]采集了大量的历史隧道施工工程信息，建立了科学全面的数据库信息系统，并将其应用于湖底隧道工程中，实现了对该隧道的施工组织方案评价与修正。毕磊[6]建立了进度和成本耦合的隧道施工仿真数据包络分析(DEA)多目标综合评价模型，并分析了不同施工组织方案的相对有效性，为寻求最优施工组织方案提供了参考。陈川[7]利用适应性评价理论，在分析影响隧道TBM施工组织因素的基础上，建立了深埋隧道TBM适用性评价体系。

总之，对于隧道施工组织评价问题，多数学者采用经验分析的方法，且大多为定性化的专家论证，而对于隧道施工组织的影响因素讨论及定量化分析较少。为此，本文依托实际工程，对长大隧道施工组织的影响因素及组织方案评价方法开展研究，力求实现其量化评价。

1 模糊综合评价法

模糊综合评价法的基本思路与原理为，应用层次分析法和模糊数学的基本理论——隶属度或隶属函数来描述模糊信息量[8]，考虑与评价事物相关的各个因素，并确定各个因素的权重，再通过模糊合成计算，从而得到研究对象的科学评价结论。模糊综合评价法实施步骤：

(1)构造层次分析结构。确定问题的决策目标，找出影响决策目标实现的各种因素，并针对具体的各项影响因素，进行下一层次的划分，进而建立一个层次分明的评价结构体系[12]，如图1。

图1 层次结构模型

上述层次结构模型的评价集一般用程度语言或者评定取值区间作为目标值，即：

V={v1,v2,…,vn}

(1)

式中：vj为评价指标，一般用模糊语言表达，如“好、中、差”或“高风险、中度风险、低风险”等。

(2)建立权重集。采用权重赋值的方法来量化表征各因素对事物的影响程度，各影响因素ui的权重ωi所构成的集合为：

ω=[ω1,ω2,…,ωm]

(2)

其中，各影响因子的权重之和为1，即：

(3)

(3)一、二级模糊综合评价。为处理各影响因素的模糊性，需综合考虑单个因素各个等级的评价结果，并将其作为该单因素的评价，对应的评判矩阵为：

Bi=ωi·Ri

(4)

式中：“·”表示模糊合成运算，具体为：

[b1,b2,…,bm]=

(5)

式中：bi为被评价对象具有评语vi的程度；rij为因素ui对各等级vj的隶属度，其取值为介于0到1之间的数，当rij=0时表明因素i完全不属于j等级，当rij=1时表明因素i完全属于j等级。

于是，可得到一级模糊矩阵：

(6)

一级模糊综合评价的结果仅能显示出单因素的不同等级对评价结果的影响，而实际评价过程中涉及的影响因素众多。因此，要准确评估各因素对评价结果造成的影响，还需对各因素下的子指标层进行二级模糊综合评价[9～11]。

(4)求判断矩阵A的特征值、特征向量及权重系数。在求解判断矩阵的最大特征值λmax时，由于影响隧道施工组织的因素众多，矩阵计算相对繁琐，因此采用方根法对判断矩阵进行简化[10]。

1)将判断矩阵中a元素按行相乘，得

(7)

2)将所得乘积分别开n次方：

(8)

3)将所得方根向量标准化，即得特征向量T，其中：

(9)

将特征向量T标准化即可得到标准向量T(ti)，ti为因素μi的权重系数。

4)计算判断矩阵最大特征根

(10)

(5)判断矩阵的一致性检验。

1)一致性指标CI :

(11)

2)一致性指标RI，其取值大小与矩阵阶数有关，见下表1：

表1 平均随机一致性指标

3)一致性指标CR：

(12)

若CR<0.10,即判断矩阵的一致性通过检验，反之则说明影响因素的重要性评估结果离散性较高。

(6)建立方案层各评价指标的隶解属函数，求出对应的隶属度。

(7)根据评价原理实施综合评价。

2 隧道施工组织影响因素分析

评价指标体系不但要遵循科学性、可行性和可比性原则，还要具有动态性特征[13]。隧道施工是依据施工阶段的地质技术、对围岩的量测技术及质量控制的基础上进行动态施工的，因此，隧道施工组织也应是一个动态过程，在施工过程中的不同阶段、条件下，影响施工组织的因素(评价指标体系中的指标)会随之变化。因此，在建立评价指标体系时要注意该体系的开放性、动态性。本文拟构建一个动态的评价指标体系，从而更好地评价施工组织方案，通过调研诸多隧道工程实例，将影响施工组织的因素总结为施工安全、施工造价、施工进度和施工环境四大因素集[2]。

2.1 施工安全

隧道施工人员作为隧道施工的主体，其人身安全问题是施工组织管理的一个重要环节。隧道施工组织管理的一个重点内容就是实现施工人员零伤亡，施工安全教育全覆盖，安全保障举措准备充分，安全事故处理应急方案应对及时。

(1)施工安全教育。定期组织隧道施工安全教育，让施工人员认识到安全生产的重要性、必要性。

(2)安全设施配置。隧道施工现场内应配备、架立并维护一切必要且合适的标志牌，在合适地点配备适当数量的手持灭火器等安全设备，且定期检查维护。

(3)安全应急预案。为应对可能出现的各种施工风险，施工组织应该进行风险评估，并依据评估结果，建立合适的安全应急预案。

2.2 施工造价

隧道施工的经济技术指标就是指隧道的施工造价，隧道施工组织的主要目标之一就是控制其施工造价。为此，在如期完成隧道施工任务的条件下，寻求最经济的施工造价，对于评价隧道施工组织设计方案的科学性、合理性至关重要[14]。

(1)施工材料造价。为尽量降低施工材料造价，在确定材料的采购途径时，应该对各种采购方案进行比选，在保证施工材料质量的前提下选择最为经济合理的采购方案。

(2)工法工艺选择。在保障施工进度、质量的条件下，合理的施工工法、工艺能最大程度地降低施工造价。

(3)机械设备选择。合理的机械化配套不仅能够加快施工进度，还能节约施工材料，减少人工成本，从而降低施工造价。

2.3 施工进度

对于任何一项施工项目而言，评估其施工组织、管理是否有效的一个重要指标就是能否按期完成施工任务。合理地安排各类施工资源，使其尽量满足快速施工的目的。此外，对于隧道的施工建设而言，对施工造价影响最为深远的也是施工进度。通过对相关工程案例的调研分析，可将施工进度的主要影响因素总结为：

(1)施工资源配置：在隧道施工过程中，最为活跃、影响最大的因素就是施工资源，如何合理地进行施工资源配置、对施工工作面的资源配置进行优化[15，16]，对按期完成隧道施工的工作任务来说，是一个技术性的难题。

(2)施工队伍素质：隧道施工人员的理论知识及技能水平直接体现了其综合素质，并直接关系着隧道工程的施工进度。

(3)围岩地质状况：隧道穿越地层的地质条件好与坏，直接影响到的施工效率。

2.4 施工环境

由于施工理念的不断更迭，“绿色施工”的理念不断深入人心。当前，相关环境保护部门对于隧道施工过程中对环境产生的影响实施了规范化的监督和管控。

(1)工程施工弃渣：设置弃渣场会因破坏植被、原始地貌等原因增大水土流失风险。

(2)生活垃圾污染：隧道施工现场的生活垃圾包含了大量的病原菌，若不集中、分类处理，在工程施工期乃至运营期必定会对当地的生态环境造成污染。

(3)工程运输污染：隧道施工过程中，施工区间内存在包括运渣车等在内的各种运输车辆和机械设备，这些车辆和设备在运行过程中会产生一定的污染。

3 评价模型的构建

基于模糊综合评价的基本原理，结合隧道施工组织影响因素的相关分析，可建立因素集U，其中，施工进度、施工造价、施工安全以及施工环境作为因素集中的各个元素，一起构成隧道施工组织评价体系的准则层；自然地，最优化的施工组织设计方案为体系目标决策层；而影响因素下的子评价指标则共同构成体系的方案层。图2即为所建立的隧道施工组织模糊评价体系。

图2 隧道施工组织评价结构体系

4 实例应用与分析

4.1 依托工程概况

依托隧道工程总体沿北西走向，起讫里程为DK17+828～DK34+858，隧道全长17.03 km，最大埋深约700 m，为单洞双线铁路隧道。隧道穿越地层主要为坡积残土、花岗岩、黑色炭质板岩夹硅质板岩、含砾砂质板岩、含粉砂质板岩、石英砂岩、凝灰质板岩，以III，IV级围岩为主，有少量V级围岩段落。III，IV级围岩采用包括仰拱在内的全断面一次开挖、仰拱一次成型的施工工法；V级围岩采用台阶法施工。

为开辟施工工作面，加快施工进度，该隧道设置5座斜井，共划分为11个作业面，如图3。

图3 隧道辅助坑道布置/m

4.2 确定权重集

通过邀请十位隧道施工及组织管理方面的专家，按照1～9标度法，对上述工程中III，IV级围岩地段的各因素进行评价和量化打分，而其他围岩地段只是对应的相关参数值不同，研究方法仍然一致，本文不再一一进行评价。各标度含义见表2。

表2 各标度含义

经过一致认同后给出指标之间的比较结果，并应用层次分析法计算出该隧道施工组织评价结构体系各层相关因素的判断矩阵以及其权重。分别得到的准则层、方案层判断矩阵如表3～7。综合上述结果，可得到该隧道施工组织模糊评价体系的各指标因素权重关系，如表8。

表3 准则层判断矩阵

表4 施工安全方案层判断矩阵

表5 施工造价方案层判断矩阵

表6 施工进度方案层判断矩阵

表7 施工环境方案层判断矩阵

表8 施工组织模糊评价权重关系

4.3 建立评价集及隶属度矩阵

在该隧道施工组织方案评价中，指标体系的评价集确定为V={4,3,2,1}={优，良，及格，不及格}，通过向十位专家发放问卷调查，得到了各方案层的评价结果，如表9。

表9 方案层评价结果

由表9可知，针对准则层施工安全U1下的方案层U11，三位专家给出了“优”的评价，五位专家给出了“良”的评价，两位专家给出了“及格”的评价，由此可得评价因素U11对评价集的隶属度分别为r11=0.3,r12=0.5,r13=0.2,r14=0，即：

r1=[0.3,0.5,0.2,0]

同理可得各一级指标的隶属度矩阵R1～R4，如表10，进而有评价矩阵R=[R1,R2,R3,R4]T。

表10 一级指标隶属度矩阵

4.4 施工组织方案评价与分析

由各方案层的权重集和隶属度矩阵，通过模糊合成运算可得各一级综合评价矩阵，如表11。

表11 一级综合评价矩阵

进而二级综合评价矩阵为：Β=ω·R=[0.2335 0.6146 0.1388 0.0131]。则，方案评价最终得分为：

N=B·VT

根据评价体系的评价集分析可知：

(1)该隧道对应的评价等级为“良”，可以认为其施工组织方案设计良好，能满足实际施工需要，但仍然存在一定的优化空间。

(2)由表7的评价结果可知，该隧道施工组织方案在工程地质情况、工地生活垃圾、工程运输污染这三个方面均有专家给出“不及格”的评价，说明这三个方面的相关施工组织还需要加强。

(3)从准则层权重分析的结果来看，对于隧道的施工组织而言，重中之重是隧道的施工安全。除此之外，施工进度的权重为0.3061，为影响该隧道施工组织设计效果的最主要因素。

(4)施工进度准则层下的施工资源配置作为影响施工进度的主要因素同样需要引起重视。

综合可见，该隧道施工组织设计应在施工进度、施工资源配置优化与控制等方面需开展专门设计与研究。

5 结 语

(1)系统分析了长大隧道施工组织的影响因素，建立了包括施工安全、施工造价、施工进度和施工环境四大因素集的隧道施工组织方案评价结构模型。

(2)基于模糊综合评价理论，建立了隧道施工组织多层次综合评价方法，并进行了实例应用。结果表明：依托工程施工组织方案整体评价等级为“良”，并指出该隧道施工组织主要风险因素为施工进度、资源配置优化与控制，为后续施工组织优化提供了依据。