高 伟 王 栋
(1.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511400； 2.中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院，广东 广州 511400)
0 引言
隧道工程是一项高风险的建设工程，它具有现场施工条件复杂、施工项目多等特点[1-3]。近年来，随着通风距离的增长，长距离隧道施工中面临的通风距离长、通风效果难以评价等问题已成为制约隧道通风发展的一个重要因素。
近年来，关于隧道施工通风空气环境质量的评价和分析的方法主要包括层次分析法(AHP)[4]、模糊评价法[5]、专家评价法等。其中，AHP与模糊评价被广泛接受且应用较多。姜涛[6]对地下空间安全评价的方法进行了详细的概述，认为评价的结果具有一定说服力。张晓峰[7]用模糊综合评价方法对地下空间影响因素进行了安全评价，具有一定的实际意义。李俊松[8]提出了基于AHP与模糊评价的铁路隧道岩溶风险分析方法，建立了合理的层次结构评价体系。蒋滔[9]对徐州市大气环境质量进行了模糊数学综合评价的分析，结果认为此种评价方法与客观情况更为接近。本文旨在通过深入研究隧道施工过程中空气环境质量的因素构成及相互关系，再结合模糊评价评价出主要因素的指标大小，期望能为施工通风风机控制提供一些借鉴和参考，提高隧道施工通风技术的水平。
1 模糊综合评价方法原理及步骤
1.1 模糊综合评价特点及原理
空气环境质量有多种评价方法，如灰色聚类关联分析法，模糊综合评价法等[10]。与其他方法比较，它的优点是：
1)用隶属函数描述空气质量等级分界线，使评价结果接近客观；2)可对各参数进行评价；3)考虑了各项参数在总体污染中的作用差异给以不同权重[11]。其过程是：首先对各单项参数进行评价；然后考虑各项参数在总体中的地位配以适当权重，在此基础上用模糊概念进行推理，经过运算得出评价结果。
1.2 隧道空气环境质量评价步骤
隧道和地下工程空气质量的模糊层次综合评价如图1所示。
1)建立因素集U。
把影响隧道与地下工程有害气体控制指标因素构成的集合称为因素集。评价指标因素包括：一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、氧气、温湿度和粉尘，可得到因素集。A={一氧化碳B1，二氧化碳B2,…,粉尘Bn}。
2)建立评价集V。
3)确定评价指标隶属度。
要进行模糊综合评价单因素评价即一级评价，首先要建立模糊关系矩阵R，也即判断矩阵：
借鉴行业已有研究成果，在对空气质量指标进行评价时，采用隶属函数中的“半梯形分布”函数式(2)～式(4)，可得到各个因素对应于等级的隶属度，从而得到因素评判模糊矩阵。
第一级，即j=1时，其隶属度函数式为：
第二级～第四级，即j=2，3，4时，其隶属度函数式为：
第五级，即j=5时，其隶属度函数式为：
4)确定评价指标权重。
本文参考相关资料(李祚泳，2004)，权重计算使用统一化公式：
(5)
其中，ωi为污染物的权重值；ci为污染物监测值的平均值；si为污染物各级标准浓度。
5)评价结果的处理。
一般采用两种方法对评价结果进行处理：
a.最大隶属度法;b.加权平均法。
取以bj为权数，对各个评价集vj进行加权平均的值作为评判的结果，即：
(6)
2 模糊综合评价的现场应用及分析
2.1 工程及通风概况
新建杭州到黄山铁路工程天目山隧道地处中低山区，位于天目山山脉西南，隧址起于浙江省淳安县临歧镇徐家庄村，止于安徽省歙县三阳乡黄坞村，隧道起讫里程DK210+823～DK213+836，全长12 013 m。
天目山隧道设斜井3座、横洞1座，均采用无轨运输双车道衬砌断面，均采用独头压入式通风。于2016年3月至2016年10月对徐家斜井、闻家斜井施工通风过程中有毒有害气体浓度进行了现场测试。其中，徐家斜井使用风机型号为SDDY-ⅢNO13A(2×132 kW,2×45 kW,2×22 kW)三速风机；闻家斜井使用风机型号为SDFB-18型(2×200 kW)，采用变频控制和智能化控制两种控制方式。现场风机布置如图2所示。
2.2 隧道通风空气环境质量的因素构成及分级标准
本文对隧道空气环境质量进行评价时，以《铁路隧道工程施工技术指南》作为施工通风控制标准，根据隧道施工中的主要有害气体种类和《工作场所有害因素及其职业接触限值》《铁路隧道工程施工技术指南》，将隧道空气质量指标标准分为YⅠ,YⅡ,YⅢ,YⅣ4级，它们分别代表空气质量状况中的优秀、良好、合格和差4个水平。并根据现场实际情况，选取粉尘，CO,CO2,NO2为污染因素评价因子，隧道空气质量分级标准见表1。
表1 隧道空气质量分级标准
2.3 空气环境质量隶属度及权重系数的计算
在现场通风过程中，在不同的工点采集了普通风机、变频风机和智能控制风机三种控制方式下各工序的污染因素的浓度值，其中粉尘浓度变化曲线如图3所示。根据表1隧道空气质量分级标准，对应相应的实际值建立了各指标的隶属度函数，其中粉尘的隶属度函数如图4所示。其中横坐标为各指标的数域，纵坐标为隶属度值。各因素的实际值作为横坐标，对应的隶属度函数即为该数字对应的模糊关系值。
在计算中发现在同一个工序下，数据的变化比较统一，因此对各个工序下各污染因素的平均值和权重系数进行计算。各污染因素的平均值及权重系数见表2。
表2 各污染因素平均值及其权重系数(爆破)
2.4 模糊矩阵的建立
将表2中的实测值带入相对应的隶属度函数中，得到各自的模糊关系矩阵如表3所示。共建立了15个模糊关系矩阵。分别为爆破、出碴、支护、喷浆和打钻五种工序下，三种不同的控制方式下的隶属度模糊关系矩阵。
表3 隧道空气环境质量模糊关系矩阵表(爆破)
2.5 隧道空气质量的综合评判与分析
将表2中各污染因素在各个工序条件下的权重系数与表3中对应的模糊关系矩阵进行运算，可以获得该工序和控制方式下对各环境因素进行的模糊综合评价的结果。例如，在普通风机控制方式下，爆破工序中四种污染因素对应的权重系数为A=[0.17，0.21，0.24，0.38]。
将权重系数A与表3中的模糊关系矩阵R进行模糊运算，可以得到相应的模糊评价结果为B=[0.03，0.53，0.34，0.10]，根据最大隶属度方法，该环境参数对应的环境等级为良好(0.53)。依次计算其他模糊评价结果列于表4中。从表4中可以看出，除了喷浆工序以外，在其他工序下三种控制方式均能够使环境参数达到相对良好的状态。
表4 模糊综合评价计算结果
2.6 计算结果的分析
1)从表2各污染因素的权重系数可以看出，在隧道爆破、出碴、支护、喷浆和打钻等主要工序的施工过程中，影响空气质量的主要污染物分别为NO2,CO2,粉尘和CO。分析其原因，在爆破和支护作业时，主要是因为炸药和电焊的作用，致使NO2成为控制该工序作业的主要因素。而在喷浆时，粉尘的权重值远高于其他工序作业的权重值，因此在该工序作业时，应严格控制粉尘的浓度，采用湿式作业，降低粉尘浓度，同时应加大风机频率，增加送风量，及时排出污风。总体来说，NO2和粉尘已经成为影响隧道空气质量的主要污染物。
2)由模糊综合评价计算结果可知，各个工序中打钻时隧道的空气环境质量最好，基本上都处于优秀和良好之间，优秀所占的比重较大，达到了69%。各工序施工时隧道空气环境质量优劣依次为打钻、出碴、支护、爆破和喷浆，即打钻空气环境质量最好，喷浆时质量最差。而爆破和出碴时的空气环境质量较好，可能与现场的通风量有关系，因为一般在施工过程中，爆破和出碴时的通风量开的较大，现场的空气质量相对较好。
3)对于三种风机控制模式来说，智能化风机控制模式相对于变频风机和普通风机略好，但总体上相差不大。这主要是由于三种控制模式下，普通风机和变频风机都是属于人工调节，是根据现场的空气环境情况调节风机情况，而智能化风机也是根据现场情况对风机进行实时调整的，属于动态调节，同一作业工序下两者的评价结果相差不大，表明智能化风机可以达到普通风机和变频风机的控制效果，能满足现场空气质量控制指标的要求。
3 结语
本文通过对隧道施工作业空间空气环境质量的现场测试和实际调研，在一定程度上识别出了影响隧道作业环境的主要污染物。在模糊评价过程中，采用隶属度函数来表示隧道施工空气环境质量污染状况，体现了实际界限的模糊性，其优点是综合客观，缺点是计算较为复杂。其次，权重的大小是根据实际现场的实测值进行计算的，结果能客观的反映现场空气状况，不仅考虑了有害气体的综合效果，而且还考虑了高污染元素的作用；其结果不仅划分了隧道空气环境质量的污染等级，还藐视了各种有毒有害气体的隶属情况。运用该方法在一定条件上降低了人为主观因素在模糊综合评价中的作用，具有一定的参考价值。但隧道作业环境是一个复杂的系统，空气质量动态变化，因此，需要在对其评价的过程中对评价方法进行不断的修正，使其具有更强的适用性、可靠性和科学性。
