【正文】 中文 4560 字 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)敏感 型 決策支持系統(tǒng) Veerasak Likhitruangsilp① 美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)準(zhǔn)會(huì)員 Photios ② 美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)會(huì)員 摘要 ： 全面的和現(xiàn)實(shí)的隧道計(jì)劃必須爭(zhēng)取最優(yōu)決策，最大限度地減少時(shí)間和成本，同時(shí)解決的重要因素，如地質(zhì)不 確定性和可變性，隧道生產(chǎn)力的不確定性，以及承包商的風(fēng)險(xiǎn)敏感性。本文提出了一種計(jì)算機(jī)化的決策支持系統(tǒng)，集成了所有重要的隧道風(fēng)險(xiǎn)。它由三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的模型：地質(zhì)概率預(yù)測(cè)模型，概率隧道造價(jià)估算，風(fēng)險(xiǎn)敏感 型 動(dòng)態(tài)決策模型。概率地質(zhì)預(yù)測(cè)模型使用所有可用的地質(zhì)資料，從地面級(jí)躍遷的概率 中去表征 地質(zhì)不確定性和可變性沿隧道輪廓 。 概率隧道成本估算模型評(píng)估隧穿時(shí)間和成本 ， 表現(xiàn)為 在 利用蒙特卡羅模擬實(shí)際施工操作 下，把 不同的開(kāi)挖和支 護(hù) 方法應(yīng)用到不同的地面條件。這兩個(gè)模型提供了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)敏感的動(dòng)態(tài)決策模型 這一 系統(tǒng)核心的主要輸入， 作為 可用項(xiàng)目信息 和承包商的風(fēng)險(xiǎn)敏感度 職能，以此來(lái) 確定最優(yōu)開(kāi)挖與支護(hù)順序和相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的隧道項(xiàng)目成本。該系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)際公路隧道工程中的應(yīng)用說(shuō)明了該方法的兩個(gè)建模能力 的 量化，并納入風(fēng)險(xiǎn)，及其 具有的 對(duì)做出最佳決策的承包商的風(fēng)險(xiǎn)敏感性程度的 有效性職能 。 ① ，博士，講師，土木工程系，朱拉隆功大學(xué)，曼谷 10330，泰國(guó)， ② ，博士，教授，土木與環(huán)境工程系，密歇根大學(xué) 安阿伯， MI481092125， USA， 交通工程巖土工程 引言 隧道為現(xiàn)代化交通運(yùn)輸體系的重要選擇，因?yàn)樗麄兪俏ㄒ坏倪\(yùn)輸系統(tǒng)，可以解決困難的地形，有限的地表空間和運(yùn)輸需求增加的問(wèn)題。與此同時(shí)，隧道是昂貴的地下結(jié)構(gòu)，其中的各種風(fēng)險(xiǎn)在項(xiàng)目交付過(guò)程中的每個(gè)階段都遇到過(guò)。全面和現(xiàn)實(shí)的隧道計(jì)劃必須爭(zhēng)取最優(yōu)決策，最大限度地減少時(shí)間并且同時(shí)解決重要的隧道風(fēng)險(xiǎn)成本。為此，風(fēng)險(xiǎn)敏感型決策支持系統(tǒng)已發(fā)展到量化所有重要的隧道風(fēng)險(xiǎn)，并確定最佳的隧道計(jì)劃和項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的成本（ Likhitruangsilp2020） 隧道風(fēng)險(xiǎn) 在隧道工程中最重要的決定之一是沿隧道縱斷面優(yōu)化序列確定開(kāi)挖方法和支持系統(tǒng)。這些決定都是由四個(gè)主要因素 來(lái)表征 ：地質(zhì)的不確定性，地質(zhì)變化 性 ，隧道生產(chǎn)力不確定性，風(fēng)險(xiǎn)敏感 性 。 地質(zhì)不確定性 隧道項(xiàng)目的選擇方法主要取決于隧道的預(yù)期的地質(zhì)條件，這是重要的巖體性質(zhì)如巖石類型和不連續(xù)狀態(tài)的集合。無(wú)論采取地下勘探的數(shù)量和程度，隧道地質(zhì) 在 開(kāi)始之前不能稱為完美施工。雖然有多個(gè)隧道已采取減輕地質(zhì)不確定性的做法（例如，觀測(cè)方法）， 但 他們不能完全消除這種隧 道建設(shè)規(guī)劃的不確定性。 地質(zhì)變化性 大部分隧道穿越各種地質(zhì)條件，其中的位置和程度是不可能事先定義的。對(duì)于大多數(shù)具有明顯的地質(zhì)變化 的 隧道工程，掘進(jìn)方法的選定，必須適合于所有預(yù)期的地質(zhì)條件 且 不嚴(yán)重中斷開(kāi)挖進(jìn)度。這些方法包括適應(yīng)隧道開(kāi)挖方法的修改（例如，臺(tái)階和多個(gè)漂移），圓長(zhǎng)，鉆模式，并詳細(xì)介紹了支 護(hù) 。因此，隧道 工程 決 策 在本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的。 隧道生產(chǎn)力不確定性 隧道 工程 決 策 的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn) 由 隧道施工過(guò)程中生產(chǎn)效率的的不確定性 導(dǎo)致 。這種不確定性來(lái)源于施工設(shè)備的性能變化，工作輸出的變化，及意外事 件等建設(shè)工程中的事故。這種不確定性是存在 的， 即使地質(zhì)條件已知的 情況下 。因此， 其 對(duì)隧道 工程 決 策 的影響必須明確解決。 風(fēng)險(xiǎn)敏感性 福利和涉及的風(fēng)險(xiǎn)（例如，隧道的決策）的決策成本，個(gè)別估值往往是非線性的 ，因?yàn)檫@些決定不是基于預(yù)期的貨幣價(jià)值的最大化。 換句話說(shuō)，在不確定性 情況下 決策時(shí) ， 決策者 對(duì) 風(fēng)險(xiǎn) 是 典型的敏感 的 ，無(wú)論是風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避或風(fēng)險(xiǎn)偏好。一個(gè)人的風(fēng)險(xiǎn)敏感度（風(fēng)險(xiǎn)偏好）是由幾個(gè)因素影響的，特別是 個(gè) 人目前的凈資產(chǎn) 狀況 。通常情況下， 當(dāng) 一個(gè)人的凈資產(chǎn)增長(zhǎng)，對(duì)相同的風(fēng)險(xiǎn) 會(huì)有 較低的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避行為。 承包商的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和風(fēng)險(xiǎn) 暴露程度可以 對(duì) 建設(shè)決策和風(fēng)險(xiǎn)溢價(jià)或嵌入在 用 來(lái)承擔(dān)這項(xiàng)工作 的 承包商價(jià)格 中的 應(yīng)急必要量 ，其有 主要影響。更厭惡風(fēng)險(xiǎn)的承包商采用了一種更加保守的計(jì)劃，其中包括在他的出價(jià) 中 更高的津貼比少規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的承包商 給的高 （伊奧努 1988）。因此，有必要將風(fēng)險(xiǎn)敏感度 納入 隧道的決 策 。 經(jīng)考慮上述所有因素，隧道的決策可以被認(rèn)為是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)敏感的動(dòng)態(tài)概率決策的過(guò)程，它可以是結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)敏感型決策支持系統(tǒng)（ 2020 Likhitruangsilp）。 風(fēng)險(xiǎn)敏感型決策支持系統(tǒng) 風(fēng)險(xiǎn)敏感型決策支持系統(tǒng)由三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的模型組成：地質(zhì)概率預(yù) 測(cè)模型，概率隧道造價(jià)估算，風(fēng)險(xiǎn)敏感型動(dòng)態(tài)決策模型。 地質(zhì)概率預(yù)測(cè)模型 概率地質(zhì)預(yù)報(bào)模型使用所有可用的地質(zhì)資料， 以 地面類過(guò)渡概率的形式來(lái)描述沿隧道輪廓 的 地質(zhì)不確定性和可變性。該模型是基于離散狀態(tài)的， 是 重要的地質(zhì)參數(shù)的連續(xù)空間馬爾可夫過(guò)程（例如，巖石斷裂）。這些地質(zhì)馬爾可夫模型是從區(qū)域數(shù)據(jù)（如地質(zhì)圖）中創(chuàng)建和使用直接評(píng)估或貝葉斯更新（伊奧努 1984）通過(guò)特定位置的數(shù)據(jù)（例如，鉆孔測(cè)試） 來(lái)更新。 該模型已被編程在 MATLAB 中。其輸入包括隧道的長(zhǎng)度，每一個(gè)階段的程度（例如，圓長(zhǎng)度），地 質(zhì)參數(shù)和它們的狀態(tài)，和地面類的定義?；谠撦斎?，模型計(jì)算出地質(zhì)參數(shù)和地面類在沿隧道的不同位置后的狀態(tài)的概率。這兩種狀態(tài)概率隨后由應(yīng)用復(fù)合地基級(jí)躍遷（ 2020 年 Likhitruangsilp）的概念，以確定隧道地質(zhì)地類轉(zhuǎn)移概率矩陣。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移概率矩陣成為風(fēng)險(xiǎn)敏感的動(dòng)態(tài)決策模型的輸入。 概率隧道成本模型 概率隧道造價(jià)估算模型執(zhí)行性價(jià)比隨機(jī)評(píng)價(jià)，包括隧穿時(shí)間和開(kāi)挖與支護(hù)方法，與不同的地面類（隧道方案）的不同組合。該模型包括成本估算子模型和概率調(diào)度子模型。 成本估算子模型，是在計(jì)算機(jī) 中的電子表格中創(chuàng)建的，其進(jìn)行組織隧道成本項(xiàng)目，進(jìn)行量化起飛的計(jì)算，并計(jì)算固定費(fèi)用和與每個(gè)選項(xiàng)相關(guān)的可變成本。除了正常掘進(jìn)成本，還考慮施工過(guò)程中選擇了錯(cuò)誤的開(kāi)挖方法的風(fēng)險(xiǎn)。其輸入包括一個(gè)工作分解結(jié)構(gòu)（ WBS），是專門為隧道工程設(shè)計(jì)的，輸入開(kāi)挖方法和支持系統(tǒng)規(guī)格，所有隧道作業(yè)的船員組成，以及材料，設(shè)備和勞動(dòng)力成本數(shù)據(jù)。成本估算子模型的最終輸出是由固定的成本和不同的選擇可變成本混合而來(lái)。可變成本提供概率調(diào)度子模型的輸入，包括每小時(shí)的成本（ $/小時(shí)）和每通道長(zhǎng)度（元 /平方米）材料單位成本。 概率調(diào)度子模型通過(guò) ProbSched，一種概率調(diào)度模擬程序（伊奧努和 1998年馬丁內(nèi)斯）來(lái)實(shí)現(xiàn)。其 對(duì)隧道不同方案的成本和時(shí)間性能 進(jìn)行評(píng)估 。 除了成本估算子模型的輸入，它需要為不同的隧道備選方案業(yè)務(wù)提供優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò) 。網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的時(shí)間方程中的活動(dòng) 。時(shí)間方程的參數(shù)，無(wú)論是確定性地定義或主觀評(píng)估 。和用于計(jì)算單元的隧道成本（元 /平方米）的公式。 概率調(diào)度網(wǎng)絡(luò)使用蒙特卡羅模擬分析。最終成果包括對(duì)不同隧道替代品單位成本的分布，這對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)敏感的動(dòng)態(tài)決策模型提供了投入。該模型的詳細(xì)描述可以在 Likhitruangsilp 和伊奧努（ 2020） 中 找到。 風(fēng)險(xiǎn)敏感型動(dòng)態(tài)決策模型 風(fēng)險(xiǎn)敏感型動(dòng)態(tài)決策模型，提出系統(tǒng)的核心，被配制成風(fēng)險(xiǎn)敏感的隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。它的輸入包括地面類轉(zhuǎn)移概率矩陣，是針對(duì)每個(gè)階段的隧道的，是通過(guò)由概率隧道成本估算模型模擬出不同方案的隧道單位成本分布所確定的。該模型還需要決策者的（例如，承包商）風(fēng)險(xiǎn)厭惡系數(shù)（γ），它是用于風(fēng)險(xiǎn)偏好的決策者的程度進(jìn)行編碼的指數(shù)效用函數(shù)的參數(shù)。正γ意味著決策者是風(fēng)險(xiǎn)厭惡者，而負(fù)數(shù)γ意味著決策者是風(fēng)險(xiǎn)偏好者。 這種被編程在 MATLAB 中的風(fēng)險(xiǎn)敏感型動(dòng)態(tài)決策模型，進(jìn)行決策和風(fēng)險(xiǎn)分 析來(lái)確定最佳的隧道策略和項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整隧道費(fèi)，這兩者都是可用信息和決策者風(fēng)險(xiǎn)敏感程度的功能。 應(yīng)用 懸湖隧道，在科羅拉多州的高速公路隧道項(xiàng)目，被用來(lái)證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用。這種巖石隧道項(xiàng)目涉及一對(duì)雙車道公路隧道的建設(shè)：東行及西行隧道。在這里，我們專注于由多個(gè)漂移和爆破方法開(kāi)挖西行隧道的一部分。 基于幾個(gè)巖體分類系統(tǒng)，地質(zhì)條件可分為三個(gè)地面類： GC1（最好）， GC2（中），以及 GC3（最差）。三種開(kāi)挖方法（ EM1， EM2， EM3）和初始支持系統(tǒng)（ SS1， SS2， SS3）被設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)應(yīng)于三個(gè)地 類。例如， EM2 和 SS2 是六個(gè)標(biāo)題（漂移）和巖石加固系統(tǒng)，包括銷釘， spiles 和噴漿，其中最經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)充分挖掘的，如圖 1。地類分類和開(kāi)挖及支護(hù)方法的規(guī)格說(shuō)明可以在 Scotese 和阿克曼（ 1992） ， 和埃塞克斯郡等（ 1993）找到。因此，有九個(gè)可能的隧道方案（即 3 開(kāi)挖與支護(hù)方法 3 地面班）。例如，替代（ EM2， GC3）代表使用 EM2 為特定的圓的決定，和爆破后當(dāng)時(shí)的地面類是 GC3（即，結(jié)構(gòu)不夠）。 地質(zhì)概率預(yù)測(cè)模型 懸湖隧道的地質(zhì)概率預(yù)測(cè)模型是基于三個(gè)重要的地質(zhì)參數(shù)被開(kāi)發(fā)的：巖石質(zhì)量指標(biāo)（ RQD） ，斷裂頻率，風(fēng)化及蝕變。這些地質(zhì)參數(shù)狀態(tài)的組合被分為三個(gè)地類，分別對(duì)應(yīng)由埃塞克斯等人（ 1993）描述的分類。 每個(gè)地質(zhì)馬爾可夫模型的參數(shù)，通過(guò)分析從鉆孔（利茲，希爾和朱厄特，公司 1981）的日志數(shù)據(jù)被估計(jì)。后驗(yàn)狀態(tài)概率的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編碼的主觀根據(jù)是地質(zhì)專家不同的評(píng)估，包括利茲，希爾和朱厄特公司（ 1981），和 Scotese 和阿克曼（ 1992）。這些概率被用來(lái)確定在沿隧道 米（ 12 英尺）的時(shí)間間隔后的狀態(tài)的概率的非觀測(cè)點(diǎn)。任何兩個(gè)階段之間的地面類轉(zhuǎn)移概率矩陣然后會(huì)基于復(fù)合地基級(jí)躍遷的概念而確定。模 型輸出的一個(gè)例子是位置 米（ 2,448 英尺）， 米（ 2,460 英尺）之間的接地類轉(zhuǎn)移概率矩陣： 例如，由于隧道地質(zhì)在地面 1 級(jí) 米的位置，這將使過(guò)渡到 米的位置的地面1 級(jí)（保持不變），地級(jí) 2，和地面 3 級(jí)，的概率分別為 ， ，和 ％，（例如，上面的矩陣的第一行）。 概率隧道造價(jià)估算 根據(jù)本項(xiàng)目采用的施工資源獲得的信息，成本估算子模型對(duì)設(shè)備，勞動(dòng)力，以及每個(gè)替代設(shè)備的成本進(jìn)行組織和計(jì)算。這些費(fèi)用則分為固定成本和可變成本?？勺兂杀颈挥米鞲怕收{(diào)度 子模型的輸入， 進(jìn)行隧道運(yùn)營(yíng)調(diào)度概率分析。 輸出包括 9個(gè)替代隧道單位成本分布，如圖 2。 在一個(gè)特定的一輪施加挖掘方法中的爆破后單位成本取決于當(dāng)時(shí)的地面類。如果選定的方法是適當(dāng)?shù)娘@露地質(zhì)條件，這一決定將導(dǎo)致最低的單位成本在這輪 [例如，（ EM1， GC1），（ EM2， GC2），（ EM3， GC3） ]的地質(zhì)條件。相反，如果所選擇的方法在結(jié)構(gòu)上不夠 [例如，（ EM3， GC1） ]實(shí)際地面條件，隧道的單位成本將比正確的決策案例更高。 風(fēng)險(xiǎn)敏感型動(dòng)態(tài)決策模型 基于以往機(jī)型的投入，隧道決定使用決策和風(fēng)險(xiǎn)分析，來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn) 調(diào)整后的成本和最優(yōu)的隧道策略，這兩者都是承包商的風(fēng)險(xiǎn)敏感度的功能。 圖 3 顯示了承包商的不同程度的風(fēng)險(xiǎn)敏感性所產(chǎn)生的隧道風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整成本。如可以看到的，這個(gè)項(xiàng)目預(yù)期的隧道成本（γ = 0）大約為 。由于風(fēng)險(xiǎn)厭惡系數(shù)γ增大（即承包人變得更加規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)），風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的成本增加幾乎呈線性。與此相反，作為風(fēng)險(xiǎn)厭惡系數(shù)降低（即，一個(gè)承包商有更多的風(fēng)險(xiǎn)偏好），風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整后的成本幾乎呈