基于指标体系法权重排序的边坡施工安全风险评估优化研究与应用

陆 丹

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

为满足我国道路交通和国民经济建设发展的需要，截至2019 年，我国高速公路运营里程突破14万km。 随着精准扶贫、乡村建设等国家战略惠民政策的实施，我国公路工程还将继续往山区发展建设。 到“十三五”结束，福建省已建成且运营的高速公路里程将超6000 km，且“十四五”期间还将持续增加；对高边坡而言，其高速公路运营路堑高边坡数量也已将近6000 处。

道路高边坡工程具有数量多， 地质条件变化大、地层差异大，地质条件复杂等特点，高速公路高边坡工程的施工安全问题也越来越突出，工程建设阶段的安全管控和预防也越来越得到广大工程建设者的高度重视，评估和防控高边坡工程施工阶段的安全风险和隐患则显得越来越重要和必要[1-2]。

1 安全分析评价方法

20 世纪80 年代开始至2005 年逐步建立和完善了滑坡风险评估研究和管理体系[3]，其研究主要集中于滑坡等地质灾害的稳定性和可靠性等方面[4]。近年来，对于高边坡工程的施工安全风险管控，随着我国基建项目不断增加，边坡施工全过程的安全风险防控研究也随之不断开展[1-2]。

吴忠广[3]、黄聪等[5]提出，高边坡施工安全总体风险评估在分析施工安全因素的传递路径的基础上，开展施工过程中的风险源辨识，并建立风险评估的指标与体系，通过蒙特卡洛随机抽样，运用概率分布检验的方法对评价指标的权重进行分析和排序， 以此建立了施工安全风险评估的评估计算方法。

俞素平等[6]分析认为高边坡施工安全风险评估需要通过层次分析法与模糊综合评价法等评估方法相结合，并确定各评估指标的分值和权重，计算过程较为复杂。 对此，提出采用突变级数评价法，依据相应势函数和适用的归一化方法，逐层次计算从而实现指标的评价。

为了保障高速公路高边坡的建设安全，交通运输部根据其施工安全的影响因素，于2015 年制定了《高速公路路堑高边坡施工安全风险评估指南》（以下简称“《指南》”），《指南》推荐采用专家调查评估法和指标体系法进行安全隐患的评估工作[1-2]。

叶咸等[7]通过对《指南》的应用分析，发现目前采用的指标体系法在对评估指标（《指南》推荐的11项评估指标）的评估分值和权重排序上，人为性较强，过重依赖专家经验，导致工程进度缓慢、可信度不高等情况；提出采用神经网络法，编制计算程序进行评估计算，实现评估指标的评估计算。

罗竞等[8]对采用专家调查法评估过程中，专家信心指数评判较为模糊等情况，提出了对信心指数进行分级取值的思想；对指标法提出了增加不良地质条件、勘察设计适用性、施工方案等因素的评价方式，优化了具体评估过程，提高了评估结果的可信度和可靠度。

分析上述关于高边坡工程的施工安全风险评估研究，其主要研究集中于风险源辨识、评估指标及评价方法的研究；2015 年交通运输部发布 《指南》以后，主要开展了优化评估方式、评估指标等的研究。

进行施工安全风险评估，首先应分析和评判工程施工过程中的风险源和存在的潜在隐患，实现定性分析；其后通过对风险源的分析，制定针对性的评估指标并进行了数值化取值，以便于评估的量化计算分析；最后分析工程的实际安全隐患，根据评估计算的结果进行数据分析，制定安全等级的评判标准，实现安全等级的定性判定。 该评估过程和评估指标应符合高边坡安全施工影响因素要求，便于工程人员使用与理解； 评估指标的评分应细化分级， 依据边坡理论和工程经验归类各影响因素，从而实现安全影响因素差异带来分值差异，也便于工程生产应用；评估计算方式应物理意义明确，且计算简单，通俗易懂。 交通运输部制定的《指南》[1-2]，推荐采用的专家调查评估法和指标体系法均能较好地达到了上述要求。 通过全国的推广试用，其评估思路和评价结果较好地帮助广大工程技术人员更具体地处理风险并提高工程施工的安全性。

2 权重排序优化分析

2.1 指标体系法

高边坡施工安全总体风险评估通常使用指标体系法；其评估方法不考虑人为管理因素，主要根据边坡施工过程中存在的5 类安全影响因素归纳为：建设规模、地质条件、诱发因素、施工环境、资料完整性等。

同时，为了更好地对这5 大安全影响因素进行分别评估，按高边坡工程特点，将具体的评分指标细化，其中建设规模细分为边坡高度、坡形坡率，地质条件细分为地层岩性、坡体结构、地下水，诱发因素细分为施工季节、自然灾害的影响，施工环境细分为工程措施类型、周边环境，资料完整性细分为地质资料、设计文件等[1]（表1）。 在具体的边坡工点评估过程中，依据边坡工程各评价指标的量化分类进行专家评分。

表1 指标体系法评估指标

评估指标分值确定后，需结合边坡工点的具体情况，分析各影响因素（即11 项评价指标，但不一定全部参与评估）在具体工点中对施工安全隐患影响的大小程度，做出重要性排序，同时也确定了各指标的权重系数，最终进行评估量化和风险等级评判。 《指南》推荐“按评估指标重要性排序确定权重取值”的方法[1]，计算公式如式（1）所示。

式中：γ 为权重系数，n 为评估指标（重要指标）项数，m 为重要性排序号。

根据各自高边坡的具体工况，对评估指标进行具体的评分和权重系数的确定，并计算总体风险评估的具体分值，计算公式如式（2）～（3）所示。 最终评估量化计算的结果，参照表2[1]判定其总体风险的安全等级。

式中：Rij为评估指标取值，F 为边坡总体风险评估分值。

表2 指标体系法评估分级标准

综合其安全评估方法， 评估指标意义明确，分级取值评价准确；采用层次分析法确定权重比例及专家经验法确定权重排序等合适，其主要评估思路符合工程实际，具有较强的实用价值。 同时，针对具体使用阶段，适合各区域的分值细化取值、权重量化确定等有待更进一步分析。

2.2 权重排序优化

通过对福建省高速公路高边坡工程的施工安全风险评估工作经验总结，可知指标体系法具有一定的优势性，即定量化程度与评估可信度高，并在工程中被广泛应用。 本文针对指标体系法在工程应用中存在的一些实施困难进行优化分析。

前文阐述的指标体系法评估，主要依据对评估指标的评分及其权重排序，通过计算结构的分级判定确定边坡的施工安全风险等级。 对于评估指标的权重排序，主要采用专家经验法，其对边坡施工安全风险等级的评价结果影响明显， 起到主导作用。同时通过工程应用发现，评估指标的权重排序受评估人员、专家等工程经验、理论贮备及认定标准等影响，可谓“仁者见仁、智者见智”；对于权重排序过程，存在随意性、专业性较强，判定依据不明确等情况，对评估结果的确定存在一定的误差。

针对权重排序过程对专家经验的依赖性，参考《指南》推荐的LEC 法，对评估指标在事故发生的影响大小方面进行测算，即

式中：D——发生事故的权重；

L——安全事故发生的可能性， 主要为安全影响因子（事故类型）的多少；

E——安全事故发生的概率， 主要为安全影响因子暴露的频率；

C——安全事故发生的危害程度；

“×”表示影响因素的组合。

根据施工工序分解及各施工环节可能发生的安全事故类型， 分析对边坡施工安全影响的11 项评价指标，其过程详见表3，可实现对权重大小的定量化分析和评估指标的排序，可以有效地减小专家经验等人为因素的影响。

表3 评估指标权重分析（案例计算数据）

采用LEC 法对评估指标进行权重大小的量化排序，其中安全事故发生的可能性大小，主要指安全影响因子（事故类型）的多少，其发生安全事故的类型的可能性；安全事故发生的概率，主要指单一安全影响因子暴露的频率， 发生安全事故的概率；安全事故发生的危害程度，主要指发生安全事故造成的人员伤亡和经济财产等损失。 本文研究仅对权重大小进行量化计算，判定其排序。 权重影响因素量化取值采用10 分制（不影响计算结果），其判定标准如表4～6[1]所示。

表4 事故发生的可能性取值(L)

表5 事故发生的频率取值（E）

表6 事故发生的危害程度取值（C）

3 工程应用分析

以福建省漳武高速公路南靖段K16+500～K16+680 段右侧边坡为例， 对其进行施工过程的总体安全风险等级进行评估， 为便于理解和量化判断，采用《指南》推荐的指标体系法开展具体的风险评估工作。 结合边坡工程的具体工况， 评估指标取11项，指标按《指南》进行分级评分，权重排序采用本文优化的LEC 法则进行排序分析。

评估的高边坡设计最大高度约64.2 m，设计高为8 级，长约180 m（图1～2 所示）。 通过该边坡施工设计阶段的工程地质勘察揭示，该边坡地层岩体以粉砂岩、碳质粉砂岩及石英砂岩为主；岩层分布主要为：边坡表层岩体为坡积粉质粘土，土状，分布较薄；下为砂土状强风化石英砂岩，岩体极破碎，岩芯呈土状，主要分布于边坡的中上部。 边坡下覆基岩为碎块状强风化炭质粉砂岩， 其岩体极为破碎，裂隙发育；下部的碎块状强风化石英砂岩，其岩体极破碎，岩芯呈碎块状，岩层产状主要分布为170°∠21°。 基岩主要分布于边坡的中下部，占边坡的主体岩层，如图3 所示。 总体上，根据边坡地质风化程度分类，该边坡为二元结构边坡。 该边坡大里程方向朝古岭2 号大桥。

图1 边坡全貌

为保障该边坡的稳定，该边坡的主要坡率和加固防护措施设计见表7。 其中边坡第3 级平台设置一排全埋式预应力锚索抗滑桩支挡，抗滑桩截面为（2×2.5）m，桩深29 m，详见图2～3。

表7 边坡设计防护加固措施

图2 边坡防护立面图

根据边坡的具体工况，采用本文提出的优化后的LEC 计算方法对评估指标的权重排序进行量化计算。 计算过程依据边坡工况的风险源和潜在事故的类型分析，其事故可能性L、事故概率E 和事故危害C 的评分取值采用LEC 进行量化计算后，计算结果与权重排序（分值由高至低排序）如表8 所示。

图3 边坡主断面加固防护设计图

表8 各个评估指标计算结果及排序

最后，采用指标体系法，依据《指南》对评估指标进行分级取值（表8）[1]，并结合权重排序，最终计算得到该边坡的总体安全风险评估分值，其分值为53.3，为Ⅲ级风险，高度风险。

通过边坡工点的示范性应用研究，对评估指标的权重影响因素进行细化、量化，并采用LEC 法则进行计算，可有效实现权重排序的量化计算；虽然本计算法则同样采用专家经验法， 但在计算过程中，将影响因素进行细化和分类，并给出分级评分标准，较好地规避了权重排序的专家差异的影响。

采用此优化后的权重定量化的排序法则，将施工安全总体风险评估应用于漳武线永定至南靖高速公路南靖段的64 处路堑高边坡， 其评估过程工作便捷，评估结果可信度高，安全等级分级的可靠度高，该评价优化后的评估方法便于工程技术人员理解与应用。

本段高速公路评估后，其路堑高边坡的总体施工安全风险等级结果为：等级Ⅱ（中度风险）有35处高边坡，占比55%；等级Ⅲ（高度风险）路堑高边坡有29 处高边坡，占比45%；其它等级为0。

4 总结

（1）通过对《指南》的应用与分析，得出其对高边坡施工安全的风险评估方式主体为“定性分析、定量计算、定性评判”，其评估指标和评判依据符合高边坡安全施工影响因素要求，该评估思路清晰、方法简单，较好地满足了工程技术人员使用和理解；

（2）采用指标体系法进行评估工作，细化了安全影响因素的分级评分，优化了层次分析法对权重的计算，该评估计算方式物理意义明确，计算简单，通俗易懂， 对评估工作起到了较好的推动作用；帮助广大工程技术人员更具体地理解风险评判和对安全风险的防控。

（3）针对采用指标体系法中评估指标的权重排序过分依赖于专家经验，且受专家因素影响，差异性较大的情况， 提出细化评估指标权重的影响因素，采用LEC 法进行量化计算，并进行指标的权重排序，其思路较好地规避了专家经验的影响，可信度较高。

（4）通过对高速公路高边坡工程施工安全总体风险评估工作的应用，可知优化后的权重排序能较好地满足工作应用，且满足专项评估等类型的权重排序要求，具有较好的适用性。 对于边坡施工安全评估工作，具有较高的工程应用价值。