牟晶

（中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津300000）

在地下工程的修建中，往往面臨穿越既有線路及建筑物附近的問題，因此施工時(shí)除了保證地下工程的安全施工，還要注重既有線路的運(yùn)營安全以及附近建筑物等的安全問題[1]。尤其是開挖到需要進(jìn)行爆破的地段，傳統(tǒng)爆破產(chǎn)生巨大的沖擊波會對附近的建筑或既有線造成巨大的安全隱患，而且產(chǎn)生的飛石、風(fēng)塵都會對附近居民及行人的生活和出行造成不便；而近幾年來被廣泛應(yīng)用的靜力爆破技術(shù)[2]，由于其安全環(huán)保，無噪音，無飛石粉塵等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于混凝土建筑物的無聲破碎與拆除，以及巖石開采，解決了工程中必須爆破而又不允許使用炸藥破碎的難題[3]。

靜力爆破技術(shù)的工作原理是利用靜爆劑[4]發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理變化產(chǎn)生的膨脹力而達(dá)到破碎目的，雖然相對傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，安全風(fēng)險(xiǎn)等級較低，但是在施工時(shí)仍然受到多種因素的共同影響，例如：工程環(huán)境、施工準(zhǔn)備、安全管理、人員素質(zhì)等一些定性概念和不確定性因素。為了能夠更加安全的施工，特引入云模型，清楚表達(dá)這些因素的定性概念，研究事物不確定性與隨機(jī)性的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而對項(xiàng)目的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)，以便對施工過程中的不安全因素進(jìn)行控制和管理。

1 云理論

1995年，中國工程院院士李德毅先生在結(jié)合概率論與模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了處理不確定性概念的云模型[5]，將自然界中的定性概念通過特定的云發(fā)生器轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定性概念定量化，從而表示自然界中事物的隨機(jī)性與模糊性二者的關(guān)聯(lián)[6]。

1.1 云的概念及數(shù)字特征

N為某一定量論域，N中的某一定性概念以X表示，x對定性概念X的隸屬度為u(x)。若任意的定量xN，都有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)u(x)[0，1]與之對應(yīng)，即U：N→[0，1]，xNx→u(x)。x在Y上的分布稱為云，（x，u(x)）為云滴[7]。引入云數(shù)字特征（Ex，En，He），其中Ex期望表示模糊概念的中心值，En熵為模糊度的度量，表示該模糊概念可被接受的取值范圍，He超熵，反映云的離散程度[8]。

1.2 云的算術(shù)運(yùn)算規(guī)則

給定論域中的云C1(Ex1，En1，He1)，云C2(Ex2， En2， He2)， C1， C2的 運(yùn) 算 結(jié) 果 為 C(Ex，En，He)，其計(jì)算規(guī)則[9]如表1所示。

表1 云數(shù)字特征計(jì)算規(guī)則

文獻(xiàn)[5]中指出，正態(tài)云因獨(dú)有的數(shù)字特征與普適性而受到廣泛應(yīng)用，其具體算法如下[10]：通過輸入（Ex，En，He）及云滴數(shù)N，結(jié)果輸出N個(gè)云滴定量值以及每個(gè)云滴的隸屬度。

①生成一個(gè)En為期望，He為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)E′n。

②生成一個(gè)Ex為期望，En為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)x，x為論域中的一個(gè)云滴。

④重復(fù)上述步驟直至生成N個(gè)云滴。生成如下圖所示的正態(tài)云圖，見圖1。

2 靜力爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

圖1 云模型

靜力爆破的施工安全受到很多因素的影響，例如勘查設(shè)計(jì)、人員、安全管理、監(jiān)控、材料、環(huán)境等一系列因素的不安全狀態(tài)，都會導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)增加。為此根據(jù)靜力爆破的施工特點(diǎn)以及工程項(xiàng)目資料，閱讀相關(guān)的文獻(xiàn)規(guī)范，采用安全檢查表法識別到影響施工安全的6個(gè)一級指標(biāo)以及19個(gè)二級指標(biāo)，以對施工階段重要因素進(jìn)行合理有效的管理監(jiān)督，具體指標(biāo)如圖2所示。

圖2 靜力爆破施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

3 靜力爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云模型

3.1 指標(biāo)權(quán)重云模型

指標(biāo)權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法（專家打分法）、客觀賦值法，前者得到權(quán)重由于人自身的偏好存在一定的主觀隨意性，后者取得的權(quán)重又存在與現(xiàn)實(shí)不符的現(xiàn)象。為了解決這種不足，且由于實(shí)際中難以獲得準(zhǔn)確的指標(biāo)量化值，所以可通過語言評價(jià)值來反映指標(biāo)重要度。這種方法即可消除主觀隨意性以及客觀與實(shí)際不符的現(xiàn)象，又可以反映人類思維的模糊性、復(fù)雜性和不確定性，在指標(biāo)重要度評估中顯得更為科學(xué)合理。

設(shè)指標(biāo)評域?yàn)閇0，1]，依據(jù)專家對各指標(biāo)的語言值重要度及其論域轉(zhuǎn)化成為權(quán)重云[11]，評域中各語言評價(jià)值對應(yīng)的權(quán)重云如表2、圖3所示。

表2 指標(biāo)云權(quán)重

圖3 權(quán)重云圖

3.2 指標(biāo)語言準(zhǔn)則云模型

在靜力爆破施工中，如果用定量指標(biāo)對其安全描述，這些指標(biāo)便失去了它的模糊性以及對事物定性判定的靈活性。因此，采用定性語言值對其進(jìn)行安全描述，然后轉(zhuǎn)化為正態(tài)云模型來進(jìn)行表示便更加合理。設(shè)評語集的評域?yàn)閇0，1]，采用黃金分割法在評語集的評域上生成5朵云，表示定性評語集“最安全”，“安全”，“較安全”，“不安全”和“最不安全”的語言值，越接近論域中心其熵和超熵越小，相鄰的兩云，較小云的熵和超熵為較大者的0.618倍，這5個(gè)云模型便生成了概念層次結(jié)構(gòu)[12]。

設(shè)中間云為M0（Ex0，En0，He0），左右鄰 云 為 M-1 （Ex-1， En-1， He-1）， M+1（Ex+1，En+1，He+1），M-2 （Ex-2，En-2，He-2），M+2（Ex+2，En+2，He+2）。云的數(shù)字特征算法如下所示：

設(shè)有效論域?yàn)閇0，1]，He0=0.005[13]。得到指標(biāo)評價(jià)語言對應(yīng)的云模型以及相對于的模糊風(fēng)險(xiǎn)等級[14-16]以及工程決策如表3所示。導(dǎo)入matlab正向云發(fā)生器中得到語言評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級云模型，如 圖4所示。

表3 語言準(zhǔn)則云模型

圖4 語言評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級云圖

3.3 指標(biāo)綜合評價(jià)云模型

在得到的權(quán)重云模型以及語言云模型后，根據(jù)式（4）確定相應(yīng)的一級指標(biāo)評價(jià)云模型：

式中i為第i個(gè)指標(biāo)，C，M，N分別為評價(jià)指標(biāo)的綜合評價(jià)云模型，語言準(zhǔn)則云模型和權(quán)重云模型（注：此處用到表1數(shù)字特征計(jì)算的乘法運(yùn)算規(guī)則）。

3.4 綜合風(fēng)險(xiǎn)等級

得到各子指標(biāo)的評價(jià)云后，實(shí)現(xiàn)了定性指標(biāo)定量化表達(dá)，按照公式（5）進(jìn)一步得到靜力爆破一級指標(biāo)的評價(jià)云模型：

其中cki、N′ki分別為第k個(gè)一級指標(biāo)的第i個(gè)子指標(biāo)的綜合評價(jià)云模型和權(quán)重云模型。在得到全部一級指標(biāo)的云模型后，根據(jù)貼近原則確定每個(gè)一級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級，然后利用“木板效應(yīng)”[17]得到綜合風(fēng)險(xiǎn)等級。

4 工程應(yīng)用分析

福州南站小里程風(fēng)井位于倉山區(qū)城門鎮(zhèn)福州火車南站東廣場南側(cè)兩山體之間，地質(zhì)情況主要是非基巖和基巖，非基巖為雜填土，基巖為強(qiáng)風(fēng)化以及中風(fēng)化凝灰?guī)r?；娱_挖深度最深處達(dá)26.8 m，其中中風(fēng)化凝灰?guī)r厚度24 m，巖石堅(jiān)硬，基坑開挖難度大，而且風(fēng)井位置又臨近既有福州南站站房及地鐵1號線福州南站，其中距離福州南站站房最近僅約63.9 m，見圖5。為了減少對周邊建筑的沖擊，采用液壓劈裂進(jìn)行開挖施工，液壓劈裂施工不到的地方需采用靜力爆破的方法進(jìn)行施工。為了保證基坑靜力爆破施工安全以及既有線路、福州火車南站站房的運(yùn)營安全，對其施工進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)顯得尤為重要。

圖5 福州南站小里程風(fēng)井工程地理位置示意圖

4.1 確定指標(biāo)綜合評價(jià)云模型

①在確定了靜力爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系（如圖2所示）后，邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，根?jù)制定的評價(jià)規(guī)則以及表2，對每個(gè)子指標(biāo)的重要度進(jìn)行語言評價(jià)，然后求出評價(jià)語言值的平均值，以此,確定各子指標(biāo)的權(quán)重云，如表4第2列所示。②然后接著通過對該項(xiàng)目的相關(guān)人員發(fā)放問卷，根據(jù)評價(jià)規(guī)則，對該項(xiàng)目中各子指標(biāo)的安全作出評價(jià)，利用指標(biāo)評價(jià)語言平均值得該項(xiàng)目的施工安全指標(biāo)評價(jià)語言云，具體數(shù)據(jù)如表4第3列所示。③最后根據(jù)式4，得到子指標(biāo)的綜合評價(jià)云模型，如如表4第4列所示。

4.2 確定工程風(fēng)險(xiǎn)等級

根據(jù)表4得到各子指標(biāo)的評價(jià)云，實(shí)現(xiàn)了定性指標(biāo)定量化表達(dá)，按照公式（5）進(jìn)一步得到靜力爆破一級指標(biāo)的評價(jià)云模型，然后根據(jù)“貼近原則”確定各一級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級，并得到相應(yīng)的工程決策，如表5所示。

由表5可知，在此類工程中，環(huán)境是最大的風(fēng)險(xiǎn)源，風(fēng)險(xiǎn)等級略偏向4級，按照“木桶效應(yīng)”得，項(xiàng)目的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級取決于一級指標(biāo)中的“短板”——風(fēng)險(xiǎn)等級最高，因此得該項(xiàng)目的靜力爆破施工安全綜合風(fēng)險(xiǎn)等級處于4級，所以應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的控制措施以及預(yù)警方案，以減少施工風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目的靜力爆破施工安全評價(jià)綜合風(fēng)險(xiǎn)等級云圖如圖6所示。

表4 靜力爆破子指標(biāo)評價(jià)云

表5 一級指標(biāo)評價(jià)云模型

圖6 項(xiàng)目綜合評價(jià)云圖

5 結(jié)論

在構(gòu)建了靜力爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將事物的隨機(jī)性與模糊性相聯(lián)系的云理論運(yùn)用在風(fēng)井開挖中靜力爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)之中，建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，最后應(yīng)用于福州南站小里程風(fēng)井開挖中靜力爆破施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系,并確定工程環(huán)境偏向4級，根據(jù)“木桶效應(yīng)”得該項(xiàng)目風(fēng)井開挖中靜力爆破施工的安全等級偏向4級，所以應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)控制措施以及對周邊環(huán)境沉降等變形的預(yù)警系統(tǒng)；計(jì)算結(jié)果和實(shí)際項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果相同，驗(yàn)證了模型的實(shí)用性，可以供類似工程借鑒。