基于改進(jìn)模糊層次分析法的地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鄧沿生 梁士舉

(1.上海同是工程科技有限公司，上海 200001;2.洛陽(yáng)師范學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵施工引起的工程事故也越來(lái)越多，一旦工程事故發(fā)生，往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。由于地鐵車站工程具有技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多和社會(huì)影響大等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

目前，對(duì)深基坑工程和地鐵盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析的研究較多。周紅波提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深基坑風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估方法［1］;張馳、黃廣龍等基于模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)理論實(shí)現(xiàn)深基坑施工對(duì)周邊環(huán)境影響的模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［2］;周紅波、姚浩等采用WBS方法對(duì)上海某軌道交通深基坑工程工作結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，采用故障樹法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件以及風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，應(yīng)用綜合集成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［3］;周紅波、何錫興等將分解分析法和故障樹法結(jié)合使用，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析［4］;劉凌云、楊德磊等采用層次分析法對(duì)隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析［5］;陳自海、陳建軍等采用模糊層次分析法對(duì)盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析［6］。鮑學(xué)英、王起才等根據(jù)《地鐵施工安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，從施工安全組織管理評(píng)價(jià)、施工環(huán)境安全管理評(píng)價(jià)、施工安全監(jiān)控預(yù)警管理評(píng)價(jià)以及施工安全技術(shù)管理評(píng)價(jià)4個(gè)方面對(duì)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)［7］。由此可以看出，對(duì)地鐵車站施工進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析相對(duì)較少。

本文針對(duì)地鐵車站施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，結(jié)合GB 50652-2011城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范［8］提出的工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用改進(jìn)模糊層次分析法(FAHP)［9-11］進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，更加符合人類思維判斷的一致性，且不需進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，簡(jiǎn)化計(jì)算過程。此外，通過改換計(jì)算因素權(quán)值的公式，提高評(píng)價(jià)因素間相對(duì)重要程度的分辨率，最后對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 FAHP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟

1.1 建立風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型

根據(jù)地鐵車站工程地質(zhì)特點(diǎn)和周圍建筑物情況對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件和風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，建立風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型，形成中間因素集U和相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)因素集ui:

1.2 確定風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生可能性和損失等級(jí)

根據(jù)文獻(xiàn)［7］中給出的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指標(biāo)因素集ui中各因素風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性(P)和損失(C)均劃分為5個(gè)等級(jí)進(jìn)行估值，如表1和表2所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由各指標(biāo)因素的風(fēng)險(xiǎn)值R=P×C，建立指標(biāo)因素集ui的風(fēng)險(xiǎn)值集Ri:

1.3 構(gòu)建優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣

為了準(zhǔn)確描述任意兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的相對(duì)重要程度，采用表3所示0.1～0.9數(shù)量標(biāo)度建立中間因素相對(duì)于總目標(biāo)的優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣A和指標(biāo)因素相對(duì)于中間因素的優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣M:

表3 0.1 ～0.9 數(shù)量標(biāo)度

1.4 構(gòu)建模糊一致矩陣

1.5 確定風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

根據(jù)式(3)計(jì)算目標(biāo)層下各中間因素的權(quán)重B以及中間因素層下相對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)因素的權(quán)重wi:

其中，參數(shù)α滿足α≥(n－1)/2。

1.6 構(gòu)造隸屬函數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)宜分為四級(jí)，結(jié)合估值按梯形構(gòu)造隸屬函數(shù)［2］。

Ⅰ級(jí):

Ⅱ級(jí):

Ⅲ級(jí):

Ⅳ級(jí):

1.7 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

求中間因素層的評(píng)價(jià)向量Fi:

總目標(biāo)評(píng)價(jià)向量Z:

將總目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值代入隸屬函數(shù)，得到隸屬向量，根據(jù)最大隸屬度原則，得到總目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

由于根據(jù)最大隸屬度原則確定總目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可能造成部分信息丟失，甚至得出不合理的結(jié)論。因此，應(yīng)根據(jù)式(6)對(duì)最終的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行有效性驗(yàn)證［12］。

式中:α——有效指數(shù);

β，γ——隸屬向量中最大分量和次大分量占各分量總和的比例;

m——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)總等級(jí)的數(shù)目。

α值對(duì)應(yīng)的有效性區(qū)間為:

當(dāng)α=0時(shí)，隸屬度原則完全無(wú)效;當(dāng)α∈(0，0.5)時(shí)，隸屬度原則低效;當(dāng) α∈［0.5，1)時(shí)，隸屬度原則比較有效;當(dāng) α∈(1，+∞)時(shí)，隸屬度原則非常有效;當(dāng)α=+∞時(shí)，隸屬度原則則完全有效。

2 實(shí)例分析

某地鐵車站沿城市主干道南北向布置，為地下2層島式車站，基坑長(zhǎng)255 m，寬 19.2 m，開挖深度約15.1 m ～21.8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)，其中，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余均為鋼支撐。該車站基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，基坑保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。基坑開挖所涉及地層上部主要為雜填土和淤泥;中部主要為粉(砂)質(zhì)土;下部主要為殘積土和全風(fēng)化巖。

2.1 建立風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型并估值

根據(jù)地鐵車站工程概況、地質(zhì)、水文和周邊環(huán)境，建立風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型，并組織專家根據(jù)表1和表2對(duì)各指標(biāo)因素進(jìn)行估值，如表4所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型及指標(biāo)因素估值

2.2 構(gòu)建優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣并計(jì)算權(quán)重

根據(jù)表4風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型結(jié)合表3構(gòu)建中間因素相對(duì)于總目標(biāo)的優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣A:

指標(biāo)因素相對(duì)于中間因素的優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣M:

根據(jù)式(1)和式(2)把優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換為模糊一致矩陣，再根據(jù)式(3)計(jì)算目標(biāo)層下各中間因素的權(quán)重向量B:

中間因素層下相對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)因素的權(quán)重向量wi:

將權(quán)值歸一即可得到風(fēng)險(xiǎn)因素C1～C28相對(duì)總目標(biāo)的綜合權(quán)重向量為:

(0.065 7，0.046 5，0.052 0，0.034 4，0.038 1，0.029 5，0.045 5，0.029 6，0.024 3，0.025 4，0.018 2，0.018 6，0.025 1，0.018 2，0.054 1，0.045 2，0.049 2，0.032 5，0.028 0，0.024 4，0.025 1，0.037 6，0.039 7，0.033 7，0.045 6，0.047 6，0.038 1，0.028 6)。

2.3 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)式(4)和式(5)，得出該地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)值為6.791 3，代入隸屬函數(shù)，得到隸屬向量為:(0，0.465 2，0.534 8，0)。根據(jù)最大隸屬度原則，該地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)為Ⅲ級(jí)，屬于可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

將隸屬向量代入式(6)進(jìn)行結(jié)果有效性驗(yàn)證，求得有效指數(shù)α=0.408＜0.5，所以隸屬度原則低效。結(jié)合隸屬向量可以得出，雖然該地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)，但接近Ⅱ級(jí)，屬于Ⅲ級(jí)中風(fēng)險(xiǎn)偏上的水平，應(yīng)加強(qiáng)日常管理與監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)地鐵施工特點(diǎn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，采用改進(jìn)模糊層次分析法建立風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論:

1)建立的風(fēng)險(xiǎn)因素層次模型結(jié)構(gòu)合理，清晰易懂，改進(jìn)模糊層次分析法更加符合人類思維判斷的一致性，可以減少主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。模糊一致判斷矩陣無(wú)需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。

2)采用改進(jìn)模糊層次分析法得出該地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬于可接受的風(fēng)險(xiǎn)。通過最大隸屬度原則有效性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果為低效，最后對(duì)隸屬向量進(jìn)行分析表明:該地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)中風(fēng)險(xiǎn)偏上的水平，決策者應(yīng)予以關(guān)注。

［1］ 周紅波.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深基坑風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估方法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(9):1473-1479.

［2］ 張 馳，黃廣龍，李 娟.深基坑施工環(huán)境影響的模糊風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(S1):2669-2675.

［3］ 周紅波，姚 浩，盧劍華.上海某軌道交通深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(sup):1902-1906.

［4］ 周紅波，何錫興，蔣建軍，等.地鐵盾構(gòu)法隧道工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與應(yīng)對(duì)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(3):475-479.

［5］ 劉凌云，楊德磊，郭海柱.隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞施工風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(8):51-53.

［6］ 陳自海，陳建軍，楊建輝.基于模糊層次分析法的盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(6):1427-1432.

［7］ 鮑學(xué)英，王起才，宮文昌.基于模糊層次分析法的地鐵工程施工安全評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9(1):136-139.

［8］ GB 50652-2011，城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范［S］.

［9］ 張吉軍.模糊層次分析法(FAHP)［J］.模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2000，14(2):80-88.

［10］ 陶余會(huì).如何構(gòu)造模糊層次分析法中模糊一致判斷矩陣［J］.四川師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，23(3):282-285.

［11］ 張吉軍.模糊一致判斷矩陣3種排序方法的比較研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，25(11):1370-1372.

［12］ 韓 利，梅 強(qiáng)，陸玉梅，等.AHP——模糊綜合評(píng)價(jià)方法的分析與研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，14(7):86-89.