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。
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。
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)
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)
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
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]。
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]。
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)滿足要求,反之則不滿足要求,需重新建立判斷矩陣,并進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。
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。
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)
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
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
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。
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。
4.4.1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
4.5.1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。
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
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。