煤系地层隧道施工风险评估方法及其应用研究

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我国有三分之二以上的国土横贯山脉,且煤炭资源丰富,随着高速公路等大量交通基础设施的兴建,隧道穿越煤系地层的频率越来越大。在煤系地层中修建隧道除了可能出现塌方、突水、岩爆等常规隧道施工面临的各种灾害形式外,还存在因煤层引起的瓦斯爆炸、瓦斯窒息、煤层突出、煤层坍塌等特异性灾害,因此施工危险性非常高,工程建设中曾多次出现因施工不善导致的重大生产安全事故,造成恶劣影响。所以,深入分析煤系地层隧道施工安全的影响因素,评估施工风险,对确保施工的安全顺利开展具有重要意义。
  为此,本文从分析风险产生机理出发,运用WBS-RBS法、区间数、区间二元语义、属性数学理论、云模型、博弈论、MABAC法等理论方法建立、设计了煤系地层隧道施工风险的评估指标体系、风险评估模型和发展趋势预测模型,形成了以下研究成果:
  (1)通过分析煤系地层隧道施工风险的产生机理,确定了总体施工风险由各类风险事件综合引起,从而设计出总体风险水平由各指标的风险发生概率水平和风险发生后果水平组成的评估体系。
  (2)对煤系地层隧道分别按照作业工序和风险来源的不同进行了施工作业分解(WBS)和施工风险分解(RBS),将分解得到的七个工序与四类风险进行专家调查,构建WBS-RBS耦合矩阵求取了68个基本风险事件,并按照风险来源归类建立了由三级评估指标组成的指标体系,最后运用Spearman秩相关系数对指标体系的准确性与可靠性进行了检验。
  (3)结合风险等级划分标准建立了煤系地层隧道施工风险评估模型。模型中,以区间数和区间二元语义的形式进行专家调查获取专家群体初始评估信息,运用属性测度函数与模糊集将初始评估信息转化为初始评估矩阵,构建了共识达成机制计算专家与群体的共识度以实现对初始评估信息的识别与修正;引入风险偏好参数p反映共识达成机制输出的评估信息中蕴含的专家决策态度,对各p值时的评估信息,运用云模型基于MATLAB模拟实现了指标概率信息向概率隶属度的不确定转换,运用模糊集确定了指标后果隶属度,结合等级划分标准运用风险矩阵法计算得到指标综合隶属度;基于共识度识别修正思想运用二元语义计算了指标体系的主观权重,结合改进层次分析法和改进熵权法确定了两组权重,最后基于博弈论对所得到的主客观权重进行最优化组合,得到了各p值时指标的最优组合权重;将MABAC法(多属性边界逼近区域比较法)引入到风险评估模型中用以实现指标信息的融合,由各p值时指标体系综合隶属矩阵与权重向量计算得到各施工风险等级与边界近似区域的贴近系数,并基于贴近系数对风险等级进行排序与判定。
  (4)结合确定的指标综合隶属矩阵,运用集对分析思想建立了煤系地层隧道施工风险发展趋势的预测模型。通过计算不同p时总体施工风险和各指标综合风险同异反联系数的各阶偏联系数与集对势,得到了各风险的发展趋势状态。
  将本文建立的煤系地层隧道施工风险评估模型应用于圭嘎拉隧道穿煤段工程施工中。通过风险评估工作的开展,判定在p以步长0.5从[-1,1]中取值时圭嘎拉隧道穿煤段总体施工风险均为高度水平,且分析了在p=-1时未来具有向极高方向发展的趋势,施工中应当采取针对性措施降低施工风险水平。为验证本文所建立评估模型的准确性,运用模糊层次综合评判法和事故后果当量估计法进行了对比分析,结果表明本文建立的煤系地层隧道施工风险评估模型具有可靠性与工程适用性,可用于指导实际工程的实施。
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