基于模糊綜合評判法的地鐵工程總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定方法

張 浩

（北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100050）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，為緩解城市交通擁擠狀況，國內(nèi)各大城市相繼開展了城市軌道交通建設(shè)。2000 年以后，城市軌道交通建設(shè)不斷提速，使我國成為世界上城市軌道交通建設(shè)里程最長、建設(shè)城市最多、建設(shè)速度最快的國家。近年來，城市軌道交通行業(yè)廣泛開展工程建設(shè)全過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理，注重從源頭上和過程中把控風(fēng)險(xiǎn)，形成了比較成熟的風(fēng)險(xiǎn)管控方法。

目前，國內(nèi)多數(shù)城市軌道交通工程在安全風(fēng)險(xiǎn)管理工作中，將風(fēng)險(xiǎn)劃分為工程自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)兩大類。金淮等[1]根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和政府文件，系統(tǒng)研究地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)評估的內(nèi)容、程序、方法及相關(guān)管理要求，提出風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)、分級原則和不同施工方法的工程自身風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)評估的要點(diǎn)；吳鋒金等[2]對軌道交通工程的風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分進(jìn)行了研究，提出根據(jù)城市軌道交通工程建設(shè)階段的不同，選擇適宜的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級劃分；駱建軍等[3]針對地鐵施工對鄰近建筑物的安全影響，提出了安全管理的程序、方法和內(nèi)容以及建筑物的一般保護(hù)措施；吳賢國等[4]分析了地鐵隧道施工鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)，提出了安全風(fēng)險(xiǎn)等級的劃分方法和標(biāo)準(zhǔn)；王燁晟等[5]提出了利用模糊層次分析法，對地鐵工程周邊建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行半定量分析；張曉斌等[6]基于信息熵權(quán)理論，提出利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣法確定風(fēng)險(xiǎn)等級。然而，目前對工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定的相關(guān)討論和研究較少。筆者在靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估(即城市軌道交通工程施工圖設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評估)的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評定法，提出一種將工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合、綜合判定工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的方法。該方法能較為客觀地評定工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)的大小，能更有效地對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)控，為工程的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)管控工作提供參考。

2 施工圖設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評估

2.1 評估目的

施工圖設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評估，是在初步設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評估成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)和施工方案等資料，有針對性地開展安全風(fēng)險(xiǎn)辨識、分析，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源分類與風(fēng)險(xiǎn)分級，提出針對性的工程風(fēng)險(xiǎn)管控措施和建議，為施工階段科學(xué)化、系統(tǒng)化和規(guī)范化地動(dòng)態(tài)管控風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)和參考。

2.2 評估內(nèi)容

以《太原市軌道交通2 號線一期工程施工圖設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評估報(bào)告》為例，通過對工點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源的辨識，將工點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)類型分為自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)兩類，依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[7]，將工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 級，Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)等級最高，Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)等級最低。

地下工程自身風(fēng)險(xiǎn)是由于地下工程自身建設(shè)要求或施工活動(dòng)所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，如深大基坑工程風(fēng)險(xiǎn)和大斷面隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等。自身風(fēng)險(xiǎn)等級主要考慮地質(zhì)條件、工程結(jié)構(gòu)埋深、結(jié)構(gòu)特性(地下結(jié)構(gòu)層數(shù)、跨度、斷面形式、覆土厚度、開挖方式)等風(fēng)險(xiǎn)因素[7]。

地下工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是在建設(shè)活動(dòng)中導(dǎo)致周邊區(qū)域的建構(gòu)筑物受到影響或被破壞，其等級根據(jù)城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)與工程影響區(qū)范圍內(nèi)環(huán)境設(shè)施的重要性、位置關(guān)系、地下結(jié)構(gòu)類型與施工方法等因素劃分[7]。

3 工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定模型

3.1 影響因素

3.1.1 工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)因素

根據(jù)現(xiàn)有城市軌道交通工程風(fēng)險(xiǎn)評估和管控經(jīng)驗(yàn)，可對不同施工方法的工程自身風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分解。例如，可將明挖工程工點(diǎn)的自身風(fēng)險(xiǎn)分解為止水帷幕施工風(fēng)險(xiǎn)、圍護(hù)樁施工風(fēng)險(xiǎn)、地連墻施工風(fēng)險(xiǎn)、地下水控制施工風(fēng)險(xiǎn)、深基坑開挖施工風(fēng)險(xiǎn)、異形基坑施工風(fēng)險(xiǎn)、鋪蓋法施工風(fēng)險(xiǎn)、倒撐施工風(fēng)險(xiǎn)等。通過施工圖設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評估，對上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級評定，并匯總出工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)清單。將各等級自身風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量作為工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定的影響因素，工點(diǎn)各等級自身風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)例表 Table 1 Statistical example of risk sources of construction site

3.1.2 工點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素

根據(jù)現(xiàn)有城市軌道交通工程風(fēng)險(xiǎn)評估和管控經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)類型主要有各類管線、管廊、建筑物和構(gòu)筑物等。通過施工圖設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評估，對上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級評定，并匯總出工點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)清單。將各等級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量作為工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定的影響因素，工點(diǎn)各等級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 工點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)例表 Table 2 Statistical examples of environmental risk sources in construction sites

3.2 評定模型

工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的評定涉及多個(gè)影響因素，本研究基于施工圖設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評估成果，最終選取了8 個(gè)主要影響因素，即Ⅰ級自身風(fēng)險(xiǎn)、Ⅱ級自身風(fēng)險(xiǎn)、Ⅲ級自身風(fēng)險(xiǎn)、Ⅳ級自身風(fēng)險(xiǎn)、Ⅰ級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、Ⅱ級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、Ⅲ級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、Ⅳ級環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(見圖1)； 再利用模糊綜合評定法，通過隸屬度函數(shù)確定評判級別的隸屬度，進(jìn)而對工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行綜合判定。

圖1 工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)與影響因素關(guān)系 Figure 1 Relationship between overall risk and influencing factors of construction site

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)分級和影響因素

影響因素的選取直接關(guān)系到評定模型的分析和計(jì)算。根據(jù)工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定模型，選取了工點(diǎn)不同風(fēng)險(xiǎn)類型、不同風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)量作為影響因素。同時(shí)，根據(jù)國內(nèi)多個(gè)城市的安全風(fēng)險(xiǎn)評估經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)事件案例[8-10]，統(tǒng)計(jì)分析了工點(diǎn)不同風(fēng)險(xiǎn)類型、不同風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)量對應(yīng)的工點(diǎn)土建施工階段的整體風(fēng)險(xiǎn)狀況，最終選取以風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量作為單一影響因素來判定工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的依據(jù)，綜合匯總編制了工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的評判標(biāo)準(zhǔn)，如表3 所示。

表3 影響因素及評判等級 Table 3 Influe ncing factors and evaluation grade

3.2.2 隸屬函數(shù)及權(quán)重確定

從表3 可以看出，所選取的影響因素指標(biāo)均為定量指標(biāo)，參考目前國內(nèi)對隸屬函數(shù)的應(yīng)用[3-5,11-12]，選擇基于二次拋物線型隸屬函數(shù)來表述影響因素指標(biāo)，即

以自身風(fēng)險(xiǎn)中的Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)影響因素為例，其隸屬函數(shù)為

由于不同的影響因素對工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的影響程度不同，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和各類風(fēng)險(xiǎn)事件案例[8-10]，分別對影響因素賦予不同的權(quán)重，即B={γ1，γ2，γ3，γ4，γ5，γ6，γ7，γ8}，其中γ1～γ8分別對應(yīng)自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的Ⅰ～Ⅳ級風(fēng)險(xiǎn)影響因素的權(quán)值，如表4所示。

3.2.3 總體風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

依據(jù)表3 所示的8 個(gè)影響因素和4 類風(fēng)險(xiǎn)等級，可得到評判集(即等級論域)，有

通過隸屬函數(shù)A(x)，可計(jì)算出影響因素的模糊評判矩陣，即

表4 各影響因素權(quán)值對應(yīng)表 Table 4 Corresponding table of weight of each influencing factor

式中，uij為第i 項(xiàng)影響因素指標(biāo)對第j 等級(工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級)的隸屬度。

將權(quán)重向量與模糊評判矩陣相乘，進(jìn)而得出工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的模糊判斷，即A=BC，計(jì)算出評判集U 的模糊子集A={a1，a2，a3，a4}，再根據(jù)最大隸屬度原則，選取最大值對應(yīng)A 中的位置來作為工點(diǎn)的總體風(fēng)險(xiǎn)等級。

4 工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定實(shí)例

以太原軌道交通2 號線一期工程車站工點(diǎn)為例，對車站工點(diǎn)的總體風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評定。先根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評估，統(tǒng)計(jì)出工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的各等級風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量；再將統(tǒng)計(jì)結(jié)果代入評定模型，計(jì)算出工點(diǎn)的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級。

以大南門站為例，該車站的各類風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)情況如表5 所示。

表5 大南門站風(fēng)險(xiǎn)情況統(tǒng)計(jì) Table 5 Statistics on risk sources of Dananmen station

將表5 數(shù)據(jù)代入表3 和隸屬函數(shù)A(x)，得出評價(jià)因素的模糊評判矩陣，即

將權(quán)重向量與模糊評判矩陣相 乘 ， 即 A = B C ， 計(jì)算出評判集的模糊子集A={0.167，0.195，0.113，0.095}，根據(jù)最大隸屬度原則，得出大南門站的工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅱ級。

根據(jù)《太原市軌道交通2 號線一期工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理與監(jiān)控實(shí)施項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告》，大南門站在土建施工階段風(fēng)險(xiǎn)事件頻發(fā)，使工期延長，同時(shí)給安全施工帶來諸多不確定因素，該站的主要風(fēng)險(xiǎn)事件如表6 所示。

由大南門站在整個(gè)土建施工階段發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件及周邊環(huán)境變形情況(見圖2、3)可知，該站的工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級評定為Ⅱ級是合理的。

因此，對太原軌道交通2 號線一期工程的其余22個(gè)車站進(jìn)行工點(diǎn)的總體風(fēng)險(xiǎn)評定，得出全線23 個(gè)車站工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的分級情況，如表7 所示。

表6 大南門站的主要風(fēng)險(xiǎn)事件統(tǒng)計(jì) Table 6 Statistics on main risk events in Dananmen station

圖2 地連墻接縫滲水并攜泥帶砂 Figure 2 Ground wall joints see water and carry mud and sand

圖3 基坑周邊地表塌陷 Figure 3 Surface collapse around foundation pit

表7 全線車站工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級 Table 7 Comprehensive risk levels of station sites across the line

5 結(jié)語

筆者對地鐵工程總體風(fēng)險(xiǎn)等級的評定方法進(jìn)行研究，在施工圖設(shè)計(jì)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評估基礎(chǔ)上，充分考慮工點(diǎn)自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)對工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級的影響，研究制定了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級評判標(biāo)準(zhǔn)，建立了工點(diǎn)綜合風(fēng)險(xiǎn)等級的模糊評判方法及流程，并通過實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法能夠較為客觀地確定工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)的等級，便于對工點(diǎn)總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級管控，同時(shí)為后續(xù)城市軌道交通工程安全風(fēng)險(xiǎn)評估提供重要參考。