基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法的特殊地層盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

曹 鵬，俞洪良，段軍朝，孫 釗

(1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015； 2.中國(guó)電建集團(tuán)湖北工程有限公司，湖北 武漢 430040；3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 4.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

本文以成都軌道交通6號(hào)線三期工程觀東站—新通大道站—新川路站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)階段為研究對(duì)象，首先利用WBS-RBS法對(duì)施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行全面識(shí)別，再通過(guò)建立盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)，以供工程管理人員決策和參考。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型建立

鑒于盾構(gòu)始發(fā)階段施工技術(shù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素多，通過(guò)應(yīng)用WBS-RBS法可全面識(shí)別出盾構(gòu)始發(fā)階段存在的各項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素。Hillson等最早運(yùn)用此方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，WBS-RBS法是將工作分解結(jié)構(gòu)WBS與風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)RBS相結(jié)合，橫縱交叉構(gòu)成耦合矩陣的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。

1.1 盾構(gòu)始發(fā)階段工作分解WBS

盾構(gòu)始發(fā)階段是盾構(gòu)施工的首要步驟，根據(jù)其工藝流程進(jìn)行WBS分解，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)工作WBS分解樹(shù)

1.2 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)分解RBS

盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)可按技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行RBS分解，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)RBS分解樹(shù)

1.3 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型建立

將盾構(gòu)始發(fā)階段工作分解WBS和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別RBS最底層單元兩兩耦合，可得到基于WBS-RBS法建立的盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型，具體如表1所示。

表1 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)WBS-RBS耦合矩陣

2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型建立

2.1 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)因素集U建立

以盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型得出的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系為依據(jù)，建立各層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的因素集合，即U=[U1U2U3…Un]。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集V建立

對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率、損失量大小及盾構(gòu)始發(fā)階段風(fēng)險(xiǎn)綜合等級(jí)均采用5個(gè)等級(jí)來(lái)描述。

1)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)語(yǔ)集V=[ABCDE]=[不可能發(fā)生 很少發(fā)生 偶爾發(fā)生 可能發(fā)生 頻繁發(fā)生]。

2)風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)語(yǔ)集V=[1 2 3 4 5]=[可忽略的 需考慮的 嚴(yán)重的 非常嚴(yán)重的 災(zāi)難性的]。

3)風(fēng)險(xiǎn)綜合等級(jí)評(píng)語(yǔ)集V=[一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí)]=[可忽略的 可容許的 可接受的 不可接受的 拒絕接受的]。

2.3 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重集W確定

指標(biāo)權(quán)重集W是因素集的一個(gè)模糊向量，即W=[W1W2W3…Wn]，應(yīng)用AHP法來(lái)確定各風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重。AHP是由美國(guó)Saaty教授提出的進(jìn)行決策分析比較排序方法，其計(jì)算過(guò)程如下。

1)根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)造各層級(jí)元素的兩兩判斷矩陣，使用1～9標(biāo)度來(lái)表示元素間的相對(duì)重要程度，重要性標(biāo)度含義如表2所示。

2)計(jì)算元素相對(duì)權(quán)重。

計(jì)算相對(duì)權(quán)重一般采用和積法和方根法，以下介紹方根法計(jì)算步驟。

首先，將判斷矩陣A的每一行元素相乘后求其1/n次根，即

(1)

然后，對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化處理，即

(2)

最后，計(jì)算判斷矩陣的最大特征根，即

(3)

3)一致性檢驗(yàn)。

在計(jì)算得到λmax后，還需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算步驟如下。

首先，計(jì)算一致性指標(biāo)CI，即

(4)

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)。

然后，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI通過(guò)查表可知，RI取值如表3所示。

表3 RI取值

最后，計(jì)算一致性指標(biāo)CR，即

(5)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)滿(mǎn)足要求，反之則不滿(mǎn)足要求，需重新建立判斷矩陣，并進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

2.4 模糊評(píng)判矩陣確定

通過(guò)對(duì)單個(gè)因素進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，以確定評(píng)價(jià)對(duì)象j對(duì)評(píng)價(jià)集合Vj的隸屬程度為rmn，得到第i個(gè)因素Ri的單因素評(píng)價(jià)向量，單因素評(píng)價(jià)集如下：

則模糊評(píng)價(jià)矩陣為：

(6)

式中：rij是評(píng)價(jià)i對(duì)j的相對(duì)隸屬度。

2.5 模糊綜合評(píng)判

由于每個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度各不相同，因此，針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和損失分別利用模糊合成算子將權(quán)重集W和評(píng)價(jià)矩陣R進(jìn)行綜合評(píng)判，若以B表示合成運(yùn)算后的多因素模糊評(píng)價(jià)集矩陣，則有模糊集B，記為：

(7)

3 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)原則

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》，以及R=P×C原則，可建立如表4所示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣。

表4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，針對(duì)不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的接受準(zhǔn)則應(yīng)采取不同的控制對(duì)策，具體如表5所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則

4 案例分析

4.1 工程概況

成都軌道交通6號(hào)線三期工程區(qū)間單線全長(zhǎng)約2.434km，其中觀東站—新通大道站區(qū)間單線長(zhǎng)度705m，新通大道站—新川路站區(qū)間單線長(zhǎng)度469m。線路最大坡度1.660%，線路間距約15.2m。

觀東站—新通大道站—新川路站范圍上覆人工填土，其中表層多為雜填土、素填土，其下為砂巖，分為全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。在觀東站和新通大道站間為一級(jí)階地和低山淺丘的分界線。盾構(gòu)穿越中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。觀東站—新通大道站為非瓦斯區(qū)域，新通大道站—新川路站地質(zhì)含少量瓦斯為低瓦斯區(qū)域(見(jiàn)圖3)。

圖3 觀東站—新通大道站—新川路站工程地質(zhì)情況

4.2 盾構(gòu)始發(fā)重難點(diǎn)

本工程盾構(gòu)始發(fā)階段重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①盾構(gòu)區(qū)間穿越地層中存在低瓦斯氣體，在穿越過(guò)程中有可能發(fā)生起火、爆炸等危險(xiǎn)；②在盾構(gòu)區(qū)間中，觀東路始發(fā)端頭是砂卵石地層，砂卵石地層穩(wěn)定性差，始發(fā)時(shí)易發(fā)生漏水、突漏、涌水涌砂或發(fā)生重大坍塌事故；③在盾構(gòu)區(qū)間中，除觀東路始發(fā)站端頭為砂卵石地層外，其余區(qū)間端頭均大部分為中風(fēng)化泥巖地層，始發(fā)時(shí)易發(fā)生漏水、突漏或發(fā)生重大坍塌事故。

4.3 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系建立

鑒于盾構(gòu)施工工序多、技術(shù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素，通過(guò)應(yīng)用WBS-RBS法可全面識(shí)別出盾構(gòu)始發(fā)階段存在的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素。Hillson最早運(yùn)用此方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，WBS-RBS法是將工作分解結(jié)構(gòu)WBS與風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)RBS相結(jié)合，橫縱交叉構(gòu)成耦合矩陣的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。

4.3.1盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別WBS-RBS耦合

將盾構(gòu)始發(fā)階段工作分解結(jié)構(gòu)WBS和風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)RBS最底層單元兩兩耦合，邀請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)耦合矩陣元素值進(jìn)行判別，對(duì)認(rèn)為存在相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的耦合矩陣值打“1”，認(rèn)為不相關(guān)的打“0”。具體耦合結(jié)合如表6所示。

表6 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)WBS-RBS耦合矩陣

4.3.2盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

針對(duì)耦合結(jié)果為“1”的危險(xiǎn)單元進(jìn)行分析，可得出盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表7所示。

4.4 確定盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

4.4.1建立因素集

根據(jù)表7建立盾構(gòu)始發(fā)階段準(zhǔn)則層因素集U=[U1U2U3]，建立指標(biāo)層因素集：

表7 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.4.2確定權(quán)重集

為確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各元素的權(quán)重大小，邀請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行問(wèn)卷打分，以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)U1為例進(jìn)行

權(quán)重計(jì)算，構(gòu)造U11～U15對(duì)U1的兩兩判斷矩陣，然后進(jìn)行打分，如表8所示。

表8 U11～U15對(duì)U1兩兩判斷矩陣打分

4.4.3確定指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

針對(duì)上節(jié)所構(gòu)造的兩兩比較判斷矩陣，采用方根法計(jì)算相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重值。首先對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下。

首先，應(yīng)用式(1)將判斷矩陣按行相乘，再將結(jié)果開(kāi)5次方，即

然后，應(yīng)用式(2)對(duì)方根進(jìn)行歸一化處理得出：W1=0.120，W2=0.069，W3=0.513，W4=0.265，W5=0.033。

4.4.4一致性檢驗(yàn)

鑒于專(zhuān)家打分具有一定的主觀性，因此需對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算過(guò)程如下。

第1步，應(yīng)用式(4)計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

第2步，應(yīng)用式(5)計(jì)算一致性比率CR：

其中，RI取值通過(guò)查表3可知，當(dāng)n=5時(shí)，RI=1.12。

故CR=0.048/1.12=0.043<0.1。

通過(guò)一致性檢驗(yàn)，計(jì)算權(quán)重滿(mǎn)足要求。

因此，可得出準(zhǔn)則層U1中U11，U12，U13，U14，U15的權(quán)重依次為0.120，0.069，0.513，0.265，0.033。

同理可計(jì)算出其他因素的權(quán)重，具體如表9所示。

表9 盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重集

4.5 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

4.5.1指標(biāo)層模糊綜合評(píng)價(jià)

4.5.1.1計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和發(fā)生損失隸屬度

邀請(qǐng)15位專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)分別打分，然后按風(fēng)險(xiǎn)不同等級(jí)匯總每位專(zhuān)家打分結(jié)果作加權(quán)平均處理，可得到指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和發(fā)生損失的隸屬度，如表10，11所示。

表10 指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率隸屬度

表11 指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生損失隸屬度

4.5.1.2構(gòu)建R=P×C評(píng)價(jià)模型

根據(jù)R=P×C風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣原理，以端頭土體加固及降水不當(dāng)U11為例，構(gòu)造其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣為：

4.5.1.3計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度

根據(jù)表4所示風(fēng)險(xiǎn)矩陣表中分級(jí)原則，可計(jì)算出端頭土體加固及降水不當(dāng)U11的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度：

一級(jí)=1A+1B+1C+2A=

0.002+0.004+0.004+0.016=0.026

二級(jí)=1D+1E+2B+2C+3A=

0.007+0.001+0.029+0.034+0.036=0.107

三級(jí)=2D+2E+3B+3C+4A+4B=

0.058+0.008+0.065+0.077+0.042+0.076=0.327

四級(jí)=3D+3E+4C+4D+5A+5B=

0.131+0.018+0.090+0.153+0.014+

0.025=0.431

五級(jí)=4E+5C+5D+5E=

0.021+0.030+0.051+0.007=0.109

所以U11風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度為：

V(U11)=[0.026 0.107 0.327 0.431

0.109]

4.5.1.4計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)值

根據(jù)表5所示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則中風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值范圍定義，可判斷U11風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)。

同理，可計(jì)算得出指標(biāo)層其他各項(xiàng)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)值，并判斷出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表12所示。

表12 指標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值計(jì)算匯總

4.5.2準(zhǔn)則層模糊綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用式(7)將指標(biāo)層的評(píng)價(jià)矩陣與權(quán)重向量進(jìn)行模糊變換，即可得到準(zhǔn)則層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)值，以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)U1為例，計(jì)算過(guò)程如下：

根據(jù)表5所示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則中風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值范圍定義，可判斷U1風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)。

同理，可計(jì)算得出準(zhǔn)則層其他各項(xiàng)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)值，并判斷出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表13所示。

表13 準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值計(jì)算匯總

4.5.3目標(biāo)層模糊綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用式(7)將準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)矩陣與權(quán)重向量進(jìn)行模糊變換，即可得到目標(biāo)層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊評(píng)價(jià)值，計(jì)算過(guò)程如下：

根據(jù)表5所示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則中風(fēng)險(xiǎn)值指針?lè)秶x，可判斷目標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)。接受準(zhǔn)則為可接受的，但需項(xiàng)目部引起重視，加強(qiáng)防范，制定監(jiān)控措施。

4.6 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)大小排序

根據(jù)上節(jié)對(duì)盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)因素模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，按風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值大小進(jìn)行排序，有利于有主次地采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略，如表14所示。

表14 盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)因素大小排序

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文基于WBS-RBS法對(duì)研究對(duì)象中盾構(gòu)始發(fā)階段進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，能較全面地識(shí)別出各類(lèi)施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)本文通過(guò)構(gòu)建R=P×C風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣模型，然后基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究對(duì)象盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算定級(jí)，確定了研究對(duì)象盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為三級(jí)，接受準(zhǔn)則為可接受的，但需項(xiàng)目部引起重視，加強(qiáng)防范，制定監(jiān)控措施。并且根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)值大小進(jìn)行排序，有利于有主次地采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略。

3)本文僅對(duì)特殊地層即富水砂卵石地層同時(shí)地層中含有少量瓦斯的盾構(gòu)始發(fā)階段安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，后續(xù)還將對(duì)其他特殊地層和其他施工階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做進(jìn)一步探究。