基于AHP和模糊理论的水工隧道TBM施工风险评估

黄金光

（中铁隧道局集团有限公司 广州511458）

0 引言

对于大型的引水工程，需要穿山越岭，隧洞建设长度从几十千米至上百千米不等，为缩短建设周期，采用TBM 机械化施工越来越广泛。由于隧洞地质条件存在不可预见性，TBM 施工不可避免的要面对大变形、岩爆、突涌水、高地温等不良地质，要实现TBM 项目工期、成本、质量、安全等方面的管理目标，需要不断的创新和积累TBM 施工新技术，加强风险防控，对解决突涌水、岩爆防控等突出问题的技术和管理措施进一步研究［1-3］。近年来，鉴于国内隧道及地下工程建设管理的现状，在隧道及地下工程施工现场开展专业化风险管理的迫切需求［4］，尤其是采用TBM 掘进法施工的隧道工程项目，对其开展风险评估，能全面提高项目的风险防控能力，促进项目各项管理目标顺利实现。梁宏浩［5］针对地铁隧道施工开发了基于模糊数学理论和BP 人工神经网络算法的安全风险评估软件。王艳梅［6］针对某水电站引水隧道工程，设计了基于贝叶斯网络的TBM 工程风险管理模型。黄培志［7］针对复杂地质条件下TBM施工项目，运用系统分析方法、仿真技术、随机有限元技术开展了风险分析。Clark 等人［8］针对美国西雅图地下交通线规划设计风险，运用风险指数评估方法进行了风险评估。Hyun等人［9］采用FTA、AHP 法对隧道盾构施工开展了风险分析与评估。Swannell 等人［10］制定了TBM 在深埋挤压性地层隧道施工风险管理体系和应急程序，并制定风险应对特别措施。

目前在采取TBM施工的长大水工隧道施工领域，国内外学者主要是从工程技术方面对TBM施工安全、进度等开展风险分析，在实际施工中，缺乏能降低TBM 掘进施工风险的管理措施。因此，对长大水工隧道TBM施工风险开展评价分析，建立一套系统的风险管理模型，能辅助项目管理者有效开展TBM施工风险过程管控，为管理决策提供理论支持。本文以某引水隧道TBM 施工为例，对施工中的风险进行了辨识，并建立TBM 施工风险评价指标体系，提出运用AHP 法和模糊数学理论相结合的方法对TBM 施工风险开展评价，找出影响项目施工的关键风险因素，确定项目施工风险等级，为项目制定针对性的风险应对措施提供理论依据。

1 AHP法及模糊数学评价原理

1.1 AHP法

层次分析法（AHP 法）于20世纪70年代由美国匹茨堡大学Saaty 教授提出，是对多目标决策问题进行定性和定量分析的一种方法，在工程项目多目标评价中被广泛应用。应用AHP 方法对工程项目进行风险评估时，按以下5个步骤进行。

第一步，明确所要决策的问题，建立递阶层次结构模型。

第二步，构建项目风险因素比较判断矩阵。利用上层某一要素Hs作为判断标准，对下一层所有因素进行两两比较，如aij表示对某目标要素Hs而言，Ai比Aj相对重要的体现，相反，aji为Aj与Ai相比的相对重要性，aji=1/aji，由此得到一个n×n的判断矩阵A=（aij）n×n。

第三步，计算项目风险要素的相对重要性，并进行一致性检验。对于矩阵A，先算出其最大特征值λmax，然后计算出相应的特征向量W，即AW=λmaxW，这时，W的n个分量即相应n个因素的权重。

第四步，计算项目风险的综合重要度。利用计算出的各层次风险因素权重，由上至下计算出各层次要素对总目标的综合重要度，对所有项目风险因素进行优先排序，最后进行总的一致性检验，确定层次的总排序。

第五步，根据评价准则和综合重要度进行决策。

1.2 模糊综合评价

本方法是利用模糊数学的知识，对受到多因素制约的事物做出评判的方法。模糊综合评价法一般按以下6个步骤操作：

步骤一，一般对评价对象设N 个评价指标，确定其因素集。

步骤二，设立评价对象的评价集，一般可以划分3～5个等级。

步骤三，分别从每个因素上对评价对象逐个量化，确定其对各等级的隶属度，从而得到模糊关系矩阵R：

步骤四，对各评价指标的相对重要性进行评价，构建评价因素权重向量。

步骤五，将权重向量与被评对象的模糊关系矩阵合成，得到各被评价对象的模糊综合评价结果向量。

步骤六，运用最大隶属度原则或加权平均原则，对模糊综合评价向量进处理。

2 工程概况

2.1 工程简介

某引水工程隧道长80 km，其中在岭脊段采用2台TBM 相向施工，隧道岭南段位于山脉中低山区及岭脊高中山区，地形起伏，隧道洞室埋深500～2 000 m 不等，洞身段岩性主要为花岗岩、闪长岩以及石英岩，岩体为弱风化～未风化岩，总体较完整；隧道施工段地下水主要表现为构造裂隙水、基岩裂隙水。

2.2 TBM掘进中出现的主要问题

本水工隧道TBM于2015年3月开始掘进，掘进过程中先后遇到了围岩破损局部坍塌、高磨蚀硬岩、高岩爆、突涌水等地质风险，TBM 设备也出现较多故障，致使实际施工进度仅200 m/月左右，不足原计划的50%，TBM在施工过程中出现的主要问题如下：

⑴TBM 掘进岩爆频繁：受高埋深、高地应力等地质影响，已掘进段发生岩爆段落围岩占比超过20%。岩爆对初期支护结构造成破坏，同时还导致锚杆钻机、护盾等设备的损坏，停机支护、维修时间长，影响正常施工进度。

⑵TBM 在高磨蚀硬岩中掘进效率下降：TBM 掘进揭示围岩主要以石英片岩夹花岗岩、石英岩为主，该类围岩强度高、石英含量高、磨蚀性系数大，导致TBM 刀具磨损严重，刀具更换频繁，实际掘进效率低，平均掘进速度仅1.09 m/h。

⑶围岩突涌水对掘进造成影响：TBM 施工过程中围岩渗涌水频繁，其中有6次为较大集中涌水，单次单点最大涌水量超过2 万m3/d，使隧道主洞水位快速上涨，现场曾发生涌水过大导致TBM 主电机、配电柜等设备被淹，现场通过近3个月的抢险才恢复施工，突涌水对TBM的正常施工造成严重影响。

⑷TBM 掘进过程中受围岩强度高、耐磨值大等影响，刀盘刮渣板、V 型耐磨块、挡渣块、中心刀刀座等频繁磨损，对刀盘结构的安全性能带来较大隐患。

⑸皮带机和输送带在使用过程中，控制系统故障率较高，输送带存在对中困难，易擦边、划破，同时承载力差，多次出现断裂的情况。由于隧道埋深大、地应力高，岩爆爆落的大石块频繁砸坏划破皮带、堵塞下渣斗、分渣台等。

⑹由于隧道围岩强度高，在硬岩条件下掘进过程中设备平均推力始终维持在高位，使TBM设备长时间处在强烈震动的环境下工作，设备长时间处于高负荷运转状态，造成设备机械、电气、液压故障频发。

3 TBM施工风险评价

3.1 施工风险辨识

水工隧道TBM 施工项目的核心设备为TBM，充分发挥TBM 设备施工效率是实现项目管理目标的关键，而TBM 在实际掘进过程中，主要涉及围岩地质的不确定性，需要重点针对客观条件开展风险管理。在对该水工隧道TBM施工开展风险识别时，主要依据项目可研报告、设计图纸、地质勘探成果开展，同时对项目所在地地理环境、水文气象、环水保要求等进行调查，为风险辨识提供参考。通过邀请行业内专家对项目开展综合分析，并结合类似工程施工资料、曾经出现的风险事件，主要从自然灾害、地质条件、TBM设备等客观条件出发，对项目施工风险进行辨识，通过辨识，影响项目管理目标实现的主要风险因素如下：

⑴自然灾害风险：地震、洪水、山体滑坡。

⑵围岩地质条件风险：围岩岩性（包括抗压强度、完整性、耐磨蚀性、石英含量等）、高地应力硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、突涌水、断层破碎带围岩坍塌、掉块、出现有害气体。

⑶TBM 设备风险：刀盘磨损开裂、刀具异常损坏、主轴承或密封故障、电气系统故障、出渣系统、皮带损坏。

3.2 风险评价指标体系及评价准则确定

3.2.1 施工风险评价方法与指标体系

某水工隧道TBM 施工风险存在不确定性和模糊性，在对风险因素的发生概率、损失程度进行度量时，人的主观性较强，在对本项目开展风险评价时，采用层次分析法可对各风险因素的重要度进行判断，同时运用模糊数学能准确的将风险因素对整个项目的影响程度进行定量计算，因此采用层次分析法和模糊数学理论相结合的方法来构建评价模型，对TBM施工风险进行评价。根据风险辨识情况，从自然环境风险、地质条件风险、TBM 设备风险3 个方面构建评价指标体系（见图1），其中一级指标3个，二级指标15个。

3.2.2 项目施工风险等级标准和接受准则确定

目前国内外对各行业的风险等级划分没有统一标准，在城市轨道交通、公路桥梁隧道、铁路隧道等领域，将风险划分为四级。在对水工隧道TBM掘进项目施工风险管理研究中，项目工程规模较大，正处于施工阶段，建设单位及企业对项目质量、安全、环保、工期、效益目标等也均做出了要求：安全目标为杜绝人员死亡事故，杜绝多人负伤事故；效益目标为完成公司下达的经济利润指标，杜绝出现亏损；工期目标为按照合同明确日期按期完成。因此，结合本项目各项管理目标，并参照类似工程项目及行业风险分级标准，将本项目风险分为4个等级。

⑴项目风险事件发生概率等级标准

风险事件发生概率按照定性标准进行判别，发生概率等级分为5级，如表1所示。

⑵项目风险事件损失程度等级标准

风险事件损失程度从人员伤亡、经济损失、工期延误等方面按照定性或定量标准进行判别，损失程度等级分为5级［11］，如表1所示。

图1 某水工隧道TBM施工风险评价指标体系Fig.1 TBM Construction Risk Evaluation Index System of a Hydraulic Tunnel

表1 风险事件损失程度等级标准Tab.1 Risk Event Loss Level Criteria

⑶项目风险等级标准划分

某水工隧道TBM 掘进项目施工风险等级根据风险事件发生概率和损失等级分为低、中、高、极高四级，并按照表2确定。

表2 风险等级标准矩阵Tab.2 Risk Level Standard Matrix

为便于专家对项目施工风险进行打分评价，将项目施工风险等级按照概率×损失给出度量值，如表3所示。

表3 风险等级度量值Tab.3 Risk Level Measurements

3.3 施工风险评价指标权重确定

根据图1 某水工隧道TBM 施工风险评价指标体系，用1～9 标度法构造原始判断矩阵，邀请专家对每一层风险因素两两进行对比分析，得出本项目各层级风险因素判断矩阵如下：

使用求和法对各判断矩阵的特征向量、最大特征值进行计算，通过运用EXCEL 函数公式，可得到各个判断矩阵的权重向量如下：

根据上述对各层次风险因素权重向量的计算结果，计算各风险因素对于项目综合施工风险评价体系的综合权重，计算结果如表4、表5所示。

表4 第1层风险因素权重及排序Tab.4 Weight and Ranking of the First Level Risk Factors

第二层风险因素对目标层总排序一致性检验：

满足一致性检验，可以确定层次的总排序。

3.4 项目施工风险模糊评价

3.4.1 建立模糊综合评价因素集、评判集

根据图1 某水工隧道TBM 施工风险评价指标体系，确定评价对象的因素集为：U=｛M1，M2，M3，M4，M5｝。

将项目的风险等级设定为低、中等、高、极高4 个标准，分别用V1，V2，V3，V4表示，确定评判集为：V=（V1，V2，V3，V4）。

表5 第2层风险因素综合权重及排序Tab.5 Comprehensive Weights and Ranking of the Second Level Risk Factors

3.4.2 确定被评价对象相关各因素的隶属度模糊关系R。按上述步骤得到的项目各风险因素的隶属度集合如下：

3.4.3 开展模糊综合评价

对各风险因素隶属度集合与权重向量进行模糊合成运算，得到一级模糊综合评价集R为：

将一级模糊综合评判集R与A层风险因素权重向量开展模糊合成运算，得到模糊综合评判集为：

3.4.4 综合风险评价

已确定的项目风险评价标准为“低”、“中等”、“高”、“极高”4 个级别，评判集V=（V1，V2，V3，V4）=（低，中等、高、极高），根据表3对风险等级赋予的度量值可知：V1∈（0，2］，V2∈（2，6］，V3∈（6，12］，V4∈（12，25］。对本项目综合施工风险进行评价时，取评价集各级变量的组中值做为评判集V 的量化值，可得等级权重矩阵V=（1 4 9 18.5），则风险评价函数为：D=Bi×VT，通过计算，可得到一个介于1～18.5之间的数值，与各风险等级度量值区间进行对比，即可对风险等级高低进行评判。

采取加权平均法对第一层风险及项目综合施工风险进行计算，结果如下：

DA=12.34，DB1=2.13，DB2=14.95，DB3=6.62

由上可知，地质条件风险为极高风险，TBM 设备风险为高风险；自然灾害风险值为中等风险，项目综合施工风险为极高风险。某水工隧道TBM 主要施工风险源为突涌水、围岩岩性、高地应力硬岩岩爆、断层破碎带、节理密集带坍塌掉块、刀盘损坏。从项目现场实际施工情况来看，影响正常施工的主要因素也集中体现在上述方面，分析结果与现场实际情况能相互映证。因此，在某水工隧道TBM掘进项目的施工管理中，需重点针对地质条件方面存在的关键风险因素制定风险控制措施，对可能导致项目事故发生的风险及时进行控制。

4 结论

⑴采用TBM 法施工的水工隧道工程项目，施工过程中风险存在不确定性、模糊性，在开展施工风险评价时，目前尚没有充足的已知数据可参考借鉴，采取AHP法能在风险数据缺乏的情况下，通过专家的经验和专业知识和对项目施工风险进行定性评判，同时通过与模糊数学理论相结合，能对呈现模糊性的施工风险作出定量评价，以此来修正专家主观随意性，使评价结果更加客观。

⑵运用AHP法和模糊数学理论相结合的方法对某水工隧道TBM施工风险开展评价，确定了项目各风险因素综合权重，确定了项目TBM 施工风险水平，并找出了关键风险因素，通过与现场实际施工情况进行对比，评价结果与实际施工情况相符，表明采用AHP法和模糊数学理论相结合的方法开展水工隧道TBM施工风险评估具有可行性和实用性。

⑶基于AHP法和模糊数学理论构建的水工隧道TBM 施工风险评价模型，不仅能对TBM 施工各风险因素风险等级进行评价，还能确定项目的综合施工风险等级，有利于项目管理者制定针对性的措施来降低TBM 施工风险等级，对防控TBM 施工风险，促进TBM正常掘进施工起到了较好的指导作用。