基于模糊层次分析法的软土地区顶管施工风险评估

冯 军，梁冠军

（1、广东省水利水电第三工程局有限公司 广州523710；2、滁州职业技术学院土木工程系 安徽滁州239000）

0 引言

当前，在软土地区地下管网工程的施工方法以顶管施工为主［1-8］，而在顶管施工过程中容易受到不利地质水文条件和复杂施工环境的影响，施工风险存在较大的随机性和不确定性，因此顶管施工安全已成为工程技术人员的重点关注对象［9］。

本文利用模糊层次分析法对软土地区顶管施工的安全状况进行了风险评估，首先确定了在顶管施工过程中可能遇到的8 个主要风险因素，即：顶管机前进阻力过大，地层下陷，顶管机前方土体失稳，顶管机自转，顶管机后退，泥水平衡密封不严，隧道内漏水和涌土，顶管机轴线偏离。假设这些风险因素两两之间相互独立，无关联性，对其进行整理，构造层次模型。然后运用层次分析法，结合专家打分表，计算出各类风险事件的相对权重值，并采用L-R 模糊数来描述顶管施工中风险等级的隶属函数［10］；最后把各类风险事件的相对权重值和风险等级的隶属函数结合起来，进行顶管施工安全风险评估的综合计算。

1 工程概况

某软土地区地下项目一期工程，采用顶管法施工，路线全长146 m，上部覆土平均厚度为4 m，以粉质粘土为主，地下有错综复杂的电力管线、通讯管线、燃气管线以及城市给排水管网，故对地面变形控制要求极高。

2 实施步骤

2.1 构造层次模型

从顶管施工的特点出发，参考《给水排水工程顶管技术规程》［11］，初次选用分歧型层次结构图，如图1所示，将顶管施工的安全评估问题分为目标层和准则层。建立软土地区顶管施工时可能遇到的8 个主要风险因素集合B，主要风险事件包括顶管机前进阻力过大B1，地层下陷B2，顶管机掘进面土体失稳B3，顶管机自转B4，顶管机后退B5，泥水平衡密封不严B6，隧道内漏水和涌土B7，顶管机轴线偏离B8，且风险因素集合满足下式：

准则层是由风险因素的风险水平组成，顶管施工安全性的风险水平有5 个等级，分别为极低风险、低风险、中等风险、高风险、极高风险。

图1 层次结构Fig.1 The Chart of Target Levels Structure

2.2 风险权重的计算

根据专家综合打分表，采用层次分析法对风险因素进行两两比较，按照比较重要性大小建立判断矩阵B，如表1 所示。利用和积法求解该判断矩阵的特征值和特征向量，主要步骤如表1 所示。

表1 判断矩阵BTab.1 The Judgment Matrix B

⑴ 将判断矩阵的每一列元素作归一化处理：

⑵ 将每一列归一化处理后的判断矩阵B'按列相加：

⑶ 对W 作归一化处理，得特征向量W'，也就是权重向量:

⑷ 计算判断矩阵最大特征λmax：

⑸ 一致性检验，定义CR 为一致性检验指标，当CR≤0.1 时，判断矩阵具有满意的一致性，否则应重新对判断矩阵进行调整，RI 为平均一致性指标，当n=2，3，4，5，6，7，8，9 时 ，RI 分 别 为 0，0.58，0.90，1.12，1.24，1.32，1.41，1.45。相关计算公式如下：

因此，一致性检验通过，所求得权重向量满足要求。

2.3 隶属度的计算

2.3.1 风险影响后果与风险发生概率的估值

定义顶管施工中的风险影响后果有轻微、中等、严重、重大和灾难性，分别赋予1～5 的数值，风险发生的概率也分为5 种情况，分别是罕见的、偶见的、可能的、预期的和频繁的，同样赋予相应的数值，如表2 所示。

表2 风险影响后果（C）和风险发生概率（P）的估值Tab.2 Estimation of the Risk Effect Consequence and the Risk Probability

2.3.2 确定隶属函数

顶管施工安全性的风险水平有5 个等级，分别为极低风险Ⅰ、低风险Ⅱ、中等风险Ⅲ、高风险Ⅳ、极高风险Ⅴ。结合风险影响后果（C）和风险发生概率（P）的估值，构造一个5×5 的分值范围，风险水平Ⅰ～Ⅳ对应的分值分别为 x＜5，5≤x＜10，10≤x＜15，15≤x＜20，20≤x。采用工程上广泛应用的L-R 模糊数构建一个梯形分布的隶属函数r（x），如式⑻所示，图2 给出了相应的隶属函数图。

图2 隶属函数图Fig.2 The Chart of Membership Functions

2.3.3 隶属度的计算

专家结合各自的经验对风险影响后果和风险发生概率在1～5 的范围内进行打分，归纳汇总的打分值如表3 所示。将风险影响后果和风险发生概率的专家打分值相乘，带入上述隶属函数r（x）中进行计算，得到风险因素在各个风险水平中的隶属度，因此形成了准则层对应的准则矩阵R。

表3 专家对C 和P 的打分值Tab.3 C and P Values from Experts

2.4 模糊综合计算

把判断矩阵B 计算出的权重向量W'与准则矩阵R 进行模糊计算，得到顶管施工安全性的总体评估结果S，其中○为模糊算子。

由S 的计算结果可知，软土地区顶管施工的总体风险水平为：极低风险（0.029）、低风险（0.570）、中等风险（0.402）、高风险（0.000）和极高风险（0.000）。可见，该顶管施工风险以中低风险为主，一般不会出现高风险和极高风险。

3 结论

本文利用模糊层次分析法对软土地区顶管施工的安全状况进行了风险评估，取得了良好的效果，总结如下：

⑴ 该顶管施工风险以中低风险为主，一般不会出现高风险和极高风险；

⑵ 顶管机自转（B1）的风险等级最低，可不进行处理；地层下陷（B2）、隧道内漏水和涌土（B7）的风险等级最高，为中等风险，应引起足够的重视，并且制定相应的风险控制措施；其余风险因素（B3、B4、B5、B6、B8）均为中等风险，按相应规范要求控制即可；

⑶ 模糊层次分析法在评估软土地区顶管施工安全性时，平均效果良好，操作性强，具有一定的推广价值。