基于AHP-模糊綜合評價法的城際軌道交通工程施工風(fēng)險研究

金起波， 劉 源

(1.湖南省交通運輸廳規(guī)劃與項目辦公室, 湖南 長沙 410000； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程加快，規(guī)劃建設(shè)城際間快速軌道交通已經(jīng)成為城市群城鎮(zhèn)體系發(fā)展的迫切需求。由于城際軌道交通工程投資大、工程量大、施工周期長且施工復(fù)雜[1]，施工安全事故時有發(fā)生。通過對城際軌道交通工程施工風(fēng)險進行評估并采取有效控制措施，持續(xù)改進施工方法，可有效預(yù)防施工風(fēng)險。本文將層次分析法(AHP)與模糊綜合評價法相結(jié)合，提出了基于模糊綜合評價的軌道交通風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型，為軌道交通工程項目的風(fēng)險評估提供一種定性與定量相結(jié)合的分析方法。

1 風(fēng)險評估原理

1.1 風(fēng)險的概念

風(fēng)險可以表示為關(guān)于不確定性(風(fēng)險概率)和損失(后果)二者的函數(shù)[2]：

R=f(P，C)

(1)

式中：R表示風(fēng)險；P表示風(fēng)險發(fā)生的概率或重現(xiàn)周期;C表示風(fēng)險發(fā)生造成的破壞、損失。

根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》(GB 50652—2011)，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)和工程經(jīng)驗，風(fēng)險評價等級集將由風(fēng)險概率等級、風(fēng)險損失等級、風(fēng)險評估矩陣和風(fēng)險等級接受準(zhǔn)則構(gòu)成。

1.2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

在風(fēng)險因素識別的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險因素集合U，U也是風(fēng)險綜合評價指標(biāo)的集合；采用Saaty 提出的 9 級標(biāo)度法，構(gòu)造判斷矩陣A，使用Matlab利用迭代法，可以根據(jù)判斷矩陣計算得到權(quán)重向量W及其最大特征值的近似值λmax。之后再進行判斷矩陣的一致性檢驗，以保證判斷矩陣的合理性。

1.3 構(gòu)造判斷矩陣

1) 確定評價集V。

2) 根據(jù)模糊映射關(guān)系f∶U→F→f，其中f是單因素u的模糊評價向量，rij表示單因素ui在評價集V下的程度大小，可得各單因素ui的評價集Ri，從而得到模糊綜合評價矩陣：

(2)

1.4 模糊綜合評價

通過模糊變化，將模糊評價向量變?yōu)槟：C合評價結(jié)果向量：

B=W×R=(b1，b2，…,bn)

(3)

式中： 元素b即為模糊綜合評價指標(biāo)，簡稱為評價指標(biāo)，它代表被評價對象從整體上看對評價集中第i個等級vi的隸屬程度。

為了精確評價軌道交通施工的風(fēng)險，從綜合評價結(jié)果向量B中，挑選出最大值bi= max{bi}，則它所對應(yīng)評價集V中的vi所代表的等級就是綜合評價的結(jié)果。

2 工程實例應(yīng)用

2.1 項目概況

湖南某城際軌道交通工程線路全長17.29 km，其中地下段長7.36 km，高架線長9.47 km，過渡段長0.25 km，路基段長0.21 km，設(shè)站8座，其中地下站4座，高架站4座。

擬建工程呈帶狀，地形起伏總體較小，穿越城市道路、房屋等。地層穿越主要包括第四系覆蓋層及下伏基巖，其中：第四系覆蓋層包括人工填土、斷續(xù)分布的全新統(tǒng)淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘性土，其下為第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、圓礫、局部粘土夾碎石角礫；下伏基巖為第三系、白堊系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，泥盆系石英砂巖、粉砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，寒武系頁巖，構(gòu)造角礫巖等。主要斷裂發(fā)育帶5條，與線路相交的斷裂帶有4條，均為燕山晚期斷裂，非活動性斷裂。場地部分地段巖溶較發(fā)育，規(guī)模較大。工程場地近場區(qū)地震活動性較弱，地震頻度和強度均低，歷史無4%級以上破壞性地震記載。

2.2 風(fēng)險指標(biāo)體系的構(gòu)建

湖南某城際軌道交通工程施工風(fēng)險指標(biāo)識別采用故障樹與專家咨詢相結(jié)合的識別方法，根據(jù)施工風(fēng)險源辨識所得出的工程相關(guān)風(fēng)險因素，總結(jié)類似線路施工風(fēng)險處理的相關(guān)資料和相關(guān)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合專家的經(jīng)驗和集體智慧，再用德爾菲法進行修正，對本工程施工過程中潛在的風(fēng)險因素進行系統(tǒng)辨析，并利用層次分析法建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系(見表1)。

表1 施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系總風(fēng)險一級風(fēng)險二級風(fēng)險三級風(fēng)險地鐵施工風(fēng)險R車站工程(C1)區(qū)間隧道(C2)橋梁工程(C3)車站明挖(D1)車站結(jié)構(gòu)(D2)盾構(gòu)法(D3)明挖法(D4)橋基工程(D5)橋梁(D6)基坑坍塌(D11)基坑支護失效(D12)臨近建構(gòu)筑物破壞(D13)排降水措施失效(D14)結(jié)構(gòu)開裂(D21)高支模失穩(wěn)(D22)掘進軸線偏離設(shè)計軸線(D31)引發(fā)地面沉降(D32)穿越既有構(gòu)筑物安全風(fēng)險(D33)盾構(gòu)進出洞風(fēng)險(D34)盾構(gòu)涌土、流砂、漏水風(fēng)險(D35)盾尾密封裝置泄露(D36)基坑坍塌(D41)支護結(jié)構(gòu)破壞(D42)臨近建筑物破壞(D43)樁基礎(chǔ)塌孔(D51)橋基下沉(D52)橋臺及支座損壞(D53)基礎(chǔ)不均勻沉降(D54)預(yù)應(yīng)力張拉不足(D61)高支模失穩(wěn)(D62)掛籃結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(D63)

將本線路施工風(fēng)險評估指標(biāo)體系分為四層。

第一層為目標(biāo)層： 項目總風(fēng)險R； 第二層為準(zhǔn)則層：C1～C3；第三層為子準(zhǔn)則：D1～D6；第四層為隸屬于第三層的風(fēng)險因子：D11～D14， D21～D22， D31～D36， D41～D43， D51～D54， D61～D63。

2.3 指標(biāo)權(quán)重的計算

在施工風(fēng)險分析中，每個因素的影響重要性程度不同，因素權(quán)重集的建立就是為了描述各個因素的重要性程度。本次評估采用層次分析法，運用 1-9 標(biāo)度法及根法近似計算得到各風(fēng)險因子的權(quán)重，根據(jù)風(fēng)險指標(biāo)體系，請專家對因素之間兩兩進行比較打分，定義1為兩者同等重要，3為前者比后者略微重要，5為前者比后者明顯重要，7為前者比后者強烈重要，9為前者比后者絕對重要。根據(jù)打分評判結(jié)果，構(gòu)造因素的判斷矩陣，并根據(jù)判斷矩陣計算因素權(quán)重，計算得到該矩陣最大特征值所對應(yīng)的特征向量，將該特征向量標(biāo)準(zhǔn)化，使其和為1，則標(biāo)準(zhǔn)化后的特征向量代表了因素權(quán)重。所得結(jié)果見表2。

表2 施工風(fēng)險指標(biāo)體系及風(fēng)險因素權(quán)重總風(fēng)險一級風(fēng)險二級風(fēng)險三級風(fēng)險地鐵施工風(fēng)險R車站工程(C1)WC1=0.3區(qū)間隧道(C2)WC2=0.4橋梁工程(C3)WC3=0.3車站明挖(D1)WD1=0.7車站結(jié)構(gòu)(D2)WD2=0.3盾構(gòu)法(D3)WD3=0.7明挖法(D4)WD4=0.3橋基工程(D5)WD5=0.6橋梁(D6)WD6=0.4基坑坍塌(D11)WD11=0.3基坑支護失效(D12)WD12=0.3臨近建構(gòu)筑物破壞(D13)WD13=0.15排降水措施失效(D14)WD14=0.25結(jié)構(gòu)開裂(D21)WD21=0.5高支模失穩(wěn)(D22)WD22=0.5掘進軸線偏離設(shè)計軸線(D31)WD31=0.1引發(fā)地面沉降(D32)WD32=0.2穿越既有構(gòu)筑物安全風(fēng)險(D33)WD33=0.2盾構(gòu)進出洞風(fēng)險(D34)WD34=0.2盾構(gòu)涌土、流砂、漏水風(fēng)險(D35)WD35=0.1盾尾密封裝置泄露(D36)WD36=0.2基坑坍塌(D41)WD41=0.4支護結(jié)構(gòu)破壞(D42)WD42=0.35臨近建筑物破壞(D43)WD43=0.25樁基礎(chǔ)塌孔(D51)WD51=0.25橋基下沉(D52)WD52=0.35橋臺及支座損壞(D53)WD53=0.1基礎(chǔ)不均勻沉降(D54)WD54=0.3預(yù)應(yīng)力張拉不足(D61)WD61=0.3高支模失穩(wěn)(D62)WD62=0.4掛籃結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(D63)WD63=0.3

2.4 AHP結(jié)合模糊綜合法的整體風(fēng)險評價

運用專家調(diào)查法通過 10 位專家對每一指標(biāo)的風(fēng)險概率(P)及風(fēng)險損失(C)進行評價打分，獲得每一級風(fēng)險下的風(fēng)險概率隸屬度向量Pij，以及每一級風(fēng)險下的風(fēng)險損失隸屬度向量Cij(其中i代表第i層，j代表第i層第j指標(biāo))，按照矩陣R=P×C工程定級法獲得每一指標(biāo)的R矩陣。根據(jù)工程風(fēng)險P×C組合分級原則得出風(fēng)險事件X等級隸屬度分別為：

一級：R=SUM(1A，1B，1C，2A)

二級：R=SUM(1D，1E，2B，2C，2A)

三級：R=SUM(2D，2E，3B，3C，4A，4B)

四級：R=SUM(3D，3E，4C，4D，5A，5B)

五級：R=SUM(4E，5C，5D，5E)

等級隸屬度組成的行向量與各自對應(yīng)風(fēng)險等級值組成的列向量相乘即等于每個風(fēng)險因子的風(fēng)險值Rij。結(jié)合上述計算原理，獲得每一層次的風(fēng)險指標(biāo)值及風(fēng)險等級，目標(biāo)層R指標(biāo)模糊評價計算，得出施工安全總風(fēng)險為0.415 7。

2.5 風(fēng)險控制建議

計算得到施工安全總風(fēng)險為0.415 7，對應(yīng)風(fēng)險等級為三級，施工安全屬于可接受的范圍；除常規(guī)檢查外，應(yīng)對安全有所重視并采取一些預(yù)防與檢測措施。結(jié)合對擬建工程及周邊環(huán)境的調(diào)研可以得出，在后續(xù)工程施工中可能出現(xiàn)的主要危險源及風(fēng)險控制建議如下：

1) 在地質(zhì)條件方面，沿線存在有人工填土、殘積土及全風(fēng)化巖與巖土地層，土質(zhì)不均，地層穩(wěn)定性差，在施工前應(yīng)采用注漿等預(yù)加固技術(shù)對其性質(zhì)改良后再進行施工。同時線路穿越區(qū)承壓的基巖裂隙水、巖溶裂隙水，水壓高，水量大，在施工前應(yīng)采取必要的工程降、排水措施；盾構(gòu)掘進施工前須對影響范圍內(nèi)巖溶進行有效加固，并檢測加固效果;還應(yīng)對盾構(gòu)機的盾構(gòu)掘進參數(shù)進行計算與優(yōu)化，并進行試掘進測試。

2) 線路經(jīng)過區(qū)大量地穿越既有建構(gòu)筑物，其中超小凈距穿越某站臺、站房工程，環(huán)境風(fēng)險大，應(yīng)加強施工控制，并輔助地層加固等安全控制措施，確保隧道安全穿越既有建構(gòu)筑物。

3) 本項目多個車站采用明挖法施工，周邊環(huán)境復(fù)雜，地層條件工程性質(zhì)差，應(yīng)嚴(yán)格控制基坑開挖施工，減小對周邊管線與建構(gòu)筑物影響。

3 結(jié)論

以湖南某城際軌道交通工程為研究對象，在對地鐵工程風(fēng)險源進行識別的基礎(chǔ)上，將層次分析法(AHP)與模糊綜合評價法相結(jié)合，提出了基于模糊綜合評價的軌道交通風(fēng)險評估數(shù)學(xué)模型。借助模糊識別方法，在風(fēng)險辨識的基礎(chǔ)上，分析各種不同類型的地質(zhì)特征、施工方法和自然災(zāi)害發(fā)生的概率，以及一旦發(fā)生后對施工設(shè)備、環(huán)境及人身安全、工程質(zhì)量等造成的影響程度。建立了一套風(fēng)險指標(biāo)體系與研究模型，對各種風(fēng)險進行量化分析與評價，為軌道交通工程項目的風(fēng)險評估提供一種定性與定量相結(jié)合的分析方法。