鐘元慶

(福建廈蓉高速公路漳龍段擴建工程有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引 言

近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路交通量也越來越大，日益增長的交通需求已經(jīng)超過了原有公路修建時的規(guī)劃[1]，高速公路的改擴建成為中國今后公路建設(shè)的重要任務(wù)之一[2]。作為改擴建山區(qū)高速的主要結(jié)構(gòu)物之一，路塹高邊坡的安全控制一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點，其施工安全評估工作更是重中之重[3-4]。

目前，不少學者對高邊坡的施工安全風險評估工作進行了研究。其中具有代表性的包括：蘇毅以渝巴路為依托，對公路高邊坡的風險因素進行分析，并建立基于多因素的高邊坡安全風險評價方法[5]；翟友成等針對影響邊坡穩(wěn)定性因素的模糊不確定性和層次性，提出了一種基于不確定性層次分析方法的邊坡穩(wěn)定性評判方法[6]；王和林、謝旺祥等分析確定了改擴建高速公路高邊坡施工過程中影響運營安全的主要因素，并建立相關(guān)的評價指標體系[7-8]；吳忠廣等基于蒙特卡洛隨機抽樣技術(shù)，利用K-S方法檢驗指標權(quán)重的總體分布，并在給定的置信區(qū)間下劃分風險等級[9]；李煉針對不同形式、不同情況下的公路高邊坡，建立不同的指標體系進行安全評估[10]；葉咸等針對山區(qū)高速公路高邊坡的具體特點，探討了施工總體風險評估方法以及評估流程，從評估范圍、野外工作等幾個方面詳細論述了評估的要點[11]。這些學者運用不同的方法對高邊坡進行了風險評估，但是針對山區(qū)高速改擴建工程中的高邊坡施工安全評估研究較少；此外，這些評估方法都有各自的局限性，或主觀性較大，或指標權(quán)重的計算比較粗糙，往往導(dǎo)致評估結(jié)果不精確。

改擴建山區(qū)高速高邊坡的施工既有山區(qū)高速高邊坡施工周期短、地質(zhì)背景條件復(fù)雜的特點，又有改擴建工程新結(jié)構(gòu)對原結(jié)構(gòu)影響較大的特點，與一般高邊坡相比施工難度更大，其安全評估工作顯得更加重要。因此，本文針對改擴建山區(qū)高速高邊坡的施工特點，在《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風險評估指南》(以下簡稱“指南”)中采用的評估指標的基礎(chǔ)上，考慮施工技術(shù)的影響，建立多層評估指標體系；并針對當前權(quán)重計算方法的不足，提出一種基于SPA-FAHP方法的權(quán)重計算方法。最后根據(jù)SPA理論建立基于多元聯(lián)系數(shù)的改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估模型。

1 改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估指標體系

針對改擴建山區(qū)高速高邊坡施工的特點，在總結(jié)指南以及現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，選取地質(zhì)建設(shè)規(guī)模、施工技術(shù)、施工環(huán)境以及施工組織4個主要影響因素作為一級評估指標。分別將一級評估指標具體化，建立二級評估指標，構(gòu)建改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估指標體系。在咨詢相關(guān)專家學者以及工程施工人員的基礎(chǔ)上，采用五級分類法[12]確定各評估指標的分級標準，如表1所示。

2 改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估方法

2.1 SPA方法

SPA方法即集對分析法，是中國學者趙克勤在1989年基于對立統(tǒng)一的觀點提出的一種新的系統(tǒng)分析方法，該方法的核心思想是承認所有系統(tǒng)都是由確定性和不確定性兩部分構(gòu)成的，二者相互聯(lián)系、相互影響、相互制約，在特定條件下可相互轉(zhuǎn)化[13-16]。SPA方法可將不確定問題轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學計算，利用該方法對系統(tǒng)進行評價具有一定的客觀性。

SPA方法的關(guān)鍵是建立聯(lián)系度。在某一特定的背景問題W下對集對H=(A,B)進行分析，可得到N個特性，其中有S個特性為集合A，B所共有，在P個特性上相對立，剩余的F=N-S-P個特性上既不同一也不對立。建立集對H=(A,B)的聯(lián)系度μ。

μ=a+bi+cj

(1)

式(1)為三元聯(lián)系度，將差異度b擴展可得到bi=b1i1+b2i2+…+bn-2in-2,n>3，從而得到多元聯(lián)系度的表達式

μ=a+b1i1+b2i2+L+bn-2in-2+cj

(2)

式中：b1,b2,…,bn-2為差異度分量；i1,i2,…,in-2為差異度分量系數(shù)。

當n=5時，可得到五元聯(lián)系度表達式

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(3)

2.2 基于SPA-FAHP方法的指標權(quán)重計算

在改擴建山區(qū)高速高邊坡的施工安全評估中，由于工程具有不確定性，以及決策者對各評價指標的本質(zhì)認識存在一定的模糊性和局限性，在對各指標的重要性進行兩兩比較時，很難給出一個確定的判斷值，比較合理的是給出一個判斷范圍。本文計劃利用模糊判斷矩陣[17]排序公式并且考慮誤差的傳遞，從而確定各評價指標的權(quán)重區(qū)間；然后引入SPA方法，從同、異、反3個方面對評估指標權(quán)重區(qū)間的確定性與不確定性問題進行處理，將評估指標的區(qū)間權(quán)重轉(zhuǎn)換成精確權(quán)重值。

表1 改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估指標及分級標準

注：H為邊坡高度。

對于高邊坡施工安全評估體系，假設(shè)其中有一子指標體系包括n個評價指標，邀請行內(nèi)專家根據(jù)工程的實際情況以及自身學識、經(jīng)驗分別對指標的重要性進行兩兩比較，并根據(jù)專家給出的比較結(jié)果構(gòu)建區(qū)間數(shù)模糊判斷矩陣A。

(4)

(5)

式中:“°”為模糊乘運算子。稱P=(pij)n×n為一致性模糊判斷矩陣，根據(jù)文獻[18]，存在一正數(shù)λ以及n階非負歸一化的向量W=(w1,w2,…,wn)T，使得對于任何i、j，都有pij=λ(wi-wj)+0.5。

(6)

(7)

考慮隨機誤差的傳遞，利用P將數(shù)模糊判斷矩陣A寫成誤差分布的形式，即

A=(P-E-,P+E+)

(8)

對于區(qū)間數(shù)判斷矩陣，可認為各指標值的隨機誤差服從正態(tài)分布且互相獨立[19]，因此可用式(9)來計算指標權(quán)重向量的極差誤差。

(9)

(10)

(11)

式中：ai為指標i權(quán)重確定能到達的程度；bi為指標i權(quán)重不確定能到達的程度；ci為指標i權(quán)重確定不能到達的程度；i,j分別為差異度和對立度系數(shù)，起標記作用。

從確定性與不確定性兩部分分別來計算評價指標的權(quán)重。確定性區(qū)間的相對權(quán)重

(12)

不確定性區(qū)間的相對權(quán)重

(13)

分別計算出確定性區(qū)間以及不確定性區(qū)間的相對權(quán)重后，可根據(jù)式(14)求得基于SPA-FAHP方法的指標權(quán)重，即

(14)

因此，改擴建山區(qū)高速高邊坡的施工安全評價指標的權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wn)。

2.3 基于多元聯(lián)系數(shù)的高邊坡施工安全評價模型

首先建立改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估樣本指標值xt(t=1,2,…,m)與表1建立的評估指標標準的聯(lián)系度[20]

(15)

式中：stn為所對應(yīng)的指標評價等級分級的界限值。

計算綜合評價指標聯(lián)系度

μ=(w1,w2,…,wm)×

(16)

根據(jù)“均分原則”[21]，將區(qū)間[-1,1]n-1等分，分別取各等分點所對應(yīng)的數(shù)值作為i1,i2,…,in-2的值。然后再將區(qū)間[-1,1]n等分，得到n個區(qū)間，各區(qū)間分別代表一個風險等級。將按照本文方法所求得的聯(lián)系數(shù)與風險等級范圍進行比較，即可得到高邊坡施工風險等級。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

國家高速公路網(wǎng)廈蓉線漳州天寶至龍巖蛟洋高速公路改擴建工程中，A2標段ZK135+510～ZK135+680左側(cè)高邊坡長170 m，最高約34 m，共3階，為類土質(zhì)邊坡，路塹邊坡超過所在自然斜坡比擬坡度值約6°，如圖1所示。

圖1 ZK135+510～ZK135+680左側(cè)高邊坡

該邊坡表層為碎石，厚度約0～4.6 m，其下為砂土狀強風化粉砂巖或碎塊狀強風化粉砂巖。邊坡地質(zhì)變化較大，大里程樁號主要為碎塊狀強風化石英砂巖。坡體中存在順坡向緩傾的風化界面，結(jié)構(gòu)面傾角小于坡腳，邊坡高陡，層面反傾，坡體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，邊坡開挖易擾動坡體。地下水較為發(fā)育，地下水為風化帶網(wǎng)狀孔隙-裂隙潛水，主要賦存于第四系坡殘積層中及基巖強風化帶。地表水以大氣降水為主，雨季時水量較豐富，經(jīng)坡頂往坡角溝谷排泄，地表水下滲會降低坡體的穩(wěn)定性。本邊坡布置1個監(jiān)測斷面，監(jiān)測鉆孔2個，支護結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力錨索框架、TBS植草灌、錨索樁板墻。

3.2 評估指標權(quán)重的計算

以“地質(zhì)建設(shè)規(guī)模U1”為例來說明改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估的具體計算過程。首先邀請專家對該高邊坡指標的重要性進行兩兩比較打分，并根據(jù)比較結(jié)果給出區(qū)間數(shù)模糊判斷矩陣。

根據(jù)式(5)對矩陣A1進行一致性逼近，得到一致性模糊判斷矩陣P1。

根據(jù)式(12)～(14)，求得“地質(zhì)建設(shè)規(guī)模U1”基于SPA-FAHP方法的二級指標權(quán)重計算結(jié)果

W1=(0.224,0.242,0.137,0.205,0.192)

用同樣的方法，計算出其余評估指標的權(quán)重，由于篇幅有限，只列出計算結(jié)果，如表2所示。

3.3 高邊坡施工安全評估

根據(jù)高邊坡工程的實際情況，確定各指標安全風險評估的具體分值。根據(jù)式(15)分別計算各指標的聯(lián)系度，結(jié)果見表2。

表2 改擴建山區(qū)高速高邊坡施工安全評估指標權(quán)重及聯(lián)系度

根據(jù)式(16)分別計算一級指標的聯(lián)系度，結(jié)果如表3表示。

進一步計算目標層的聯(lián)系度μ=0.408 3+0.224 5i1+0.143 2i2+0.072 5i3+0.151 2j，按照“均分原則”將安全風險等級劃分5個等級，各等級的劃分標準見表4。

采用“均分原則”對i進行取值，將區(qū)間[-1,1]

表3 一級評價指標聯(lián)系度計算結(jié)果

表4 安全風險等級劃分標準

4等分，分別取各等分點所對應(yīng)的數(shù)值作為i1,i2,i3的值。即i1=0.5,i2=0,i3=-0.5,j=-1。計算得μ=0.296 85。與表4的安全風險等級劃分標準進行對比，可得出該高邊坡工程的施工安全風險等級為Ⅱ級，屬于較低風險，在可接受范圍。

4 結(jié) 語

(1)本文建立的高邊坡施工安全評估指標體系，充分結(jié)合了山區(qū)高速以及改擴建二者的特點，考慮施工技術(shù)的影響，具有普遍性，適用于大部分改擴建山區(qū)高速高邊坡的評估工作。

(2)針對目前現(xiàn)有權(quán)重計算方法的不足，本文提出基于SPA-FAHP法的權(quán)重確定方法，結(jié)合了2種方法的優(yōu)點，充分考慮了專家比較的局限、隨機誤差的傳遞以及評估指標的確定性和不確定性，使指標權(quán)重的計算更加科學精確。

(3)工程實例表明，采用本文方法進行安全評估，操作方便，結(jié)果客觀可靠，可用于今后類似工作的安全評估工作。