基于AHP-Fuzzy法的地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

朱永祥,管紅兵,閆秀芳

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 滁州 239000)

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,城市化建設(shè)水平也日新月異,但城市人口的劇增,同時(shí)也帶來(lái)了繁重的交通擁堵問(wèn)題,一些大城市開始建設(shè)城市軌道交通項(xiàng)目來(lái)解決這一問(wèn)題[1]。在城市軌道交通項(xiàng)目中,地鐵是較為常見(jiàn)的軌道交通類型。地鐵具有運(yùn)距大、效率高、準(zhǔn)點(diǎn)率高以及載客量大的優(yōu)點(diǎn),但其建設(shè)難度卻遠(yuǎn)超一般建設(shè)項(xiàng)目。

地鐵的修建方法,有明挖法、盾構(gòu)法等,其中盾構(gòu)法是目前地鐵建設(shè)中地下隧道修建的常見(jiàn)方法。盾構(gòu)法是指利用大型盾構(gòu)機(jī)械,完成掘進(jìn)取土、隧道管環(huán)安裝、同步注漿等工序,并循環(huán)交替前進(jìn),直至隧道貫通[2]。盾構(gòu)法具有施工機(jī)械率高、施工效率高、對(duì)地面交通影響小的諸多優(yōu)點(diǎn),但施工風(fēng)險(xiǎn)高也不得不引起關(guān)注,近年來(lái),在國(guó)內(nèi)一些城市修建地鐵的過(guò)程中,出現(xiàn)了諸如地面塌陷、周邊建筑受損的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,一些問(wèn)題甚至導(dǎo)致了人員傷亡。

對(duì)盾構(gòu)施工開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),是實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理,并有效降低風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要通過(guò)運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,對(duì)影響盾構(gòu)施工安全的風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,再用這些指標(biāo)對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度進(jìn)行評(píng)估,最終確定出盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí),為采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)措施提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)在盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)方面的研究也已成為廣大研究人員關(guān)注的重要領(lǐng)域。如王勝楠(2021年)通過(guò)綜合采用專家調(diào)查、WBS、4M1E等方法,確定了具有一般通用性的盾構(gòu)施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)清單和盾構(gòu)施工設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)清單[3]。朱倩倩(2020年)在沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上構(gòu)建改進(jìn)的PSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,通過(guò)沉降預(yù)警閾值的設(shè)定達(dá)到施工過(guò)程中對(duì)地面沉降量進(jìn)行預(yù)警的目的[4]。趙雅云在(2017年)將可拓評(píng)價(jià)方法運(yùn)用于地鐵盾構(gòu)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,并結(jié)合工程案例予以驗(yàn)證[5]。趙珍妮(2021年)在模糊綜合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上對(duì)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)開展研究,取得了實(shí)際應(yīng)用效果[6]。趙輝等(2021年)構(gòu)建了基于PCA-Shapley值的地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)灰色聚類評(píng)價(jià)模型,通過(guò)實(shí)際案例得到應(yīng)用[7]。上述所提及的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,應(yīng)用過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,且對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求較高,相對(duì)而言,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題中的層次分析法及模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法,以及兼容了層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法優(yōu)點(diǎn)的AHP-Fuzzy,其應(yīng)用過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,評(píng)價(jià)結(jié)果具備足夠的準(zhǔn)確性,能滿足對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題的使用要求。

二、AHP-Fuzzy法概述

AHP-Fuzzy法即基于層次分析法的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法,其中AHP為層次分析法的英文簡(jiǎn)寫,Fuzzy則指模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法。模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)為模糊數(shù)學(xué),模糊數(shù)學(xué)的提出主要是基于客觀世界存在許多不確定性現(xiàn)象,無(wú)法給出具體的定值描述和邊界劃分;而風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題或風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)象,在對(duì)其評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)程度或風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率時(shí),無(wú)法用具體的語(yǔ)言表達(dá),而只能使用一些模糊性的語(yǔ)言表述,如表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)程度時(shí),用嚴(yán)重、輕微等語(yǔ)氣用詞,表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率時(shí),則使用可能、大概率等語(yǔ)氣用詞。其次,對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的形成,又直接或間接受到來(lái)自外界或自身多種因素的影響,存在多種性質(zhì)不同、程度不同、發(fā)生概率也不同的風(fēng)險(xiǎn)源。因此,對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題往往采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法。

決定風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)是指影響風(fēng)險(xiǎn)程度或風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的各種風(fēng)險(xiǎn)因素,這些因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的形成有著不同的影響權(quán)重,權(quán)重代表了該指標(biāo)在整體中的相對(duì)重要程度,因此,賦權(quán)也是評(píng)價(jià)方法中的核心問(wèn)題之一,模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法在對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析時(shí),需要將各類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)按照隸屬層級(jí)關(guān)系,劃分指標(biāo)層次,再對(duì)各層級(jí)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重,權(quán)重的確定除了可以通過(guò)專家主觀判斷法,更為客觀的方法主要使用層次分析法。層次分析法(AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于上世紀(jì)70年代初,為美國(guó)國(guó)防部研究“根據(jù)各個(gè)工業(yè)部門對(duì)國(guó)家福利的貢獻(xiàn)大小而進(jìn)行電力分配”課題時(shí),應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法,提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[8]。該方法將半定型、半定量的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量計(jì)算,確保了指標(biāo)賦權(quán)的客觀性和準(zhǔn)確性。

AHP-Fuzzy法將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法有機(jī)結(jié)合起來(lái),利用AHP法,完成評(píng)價(jià)問(wèn)題的層次劃分以及各層次指標(biāo)因素權(quán)重賦值;再利用Fuzzy模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法,通過(guò)構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣,計(jì)算出綜合隸屬度,定量確定出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

三、AHP-Fuzzy法在盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題的應(yīng)用

本文所探究的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題,具有模糊評(píng)價(jià)性質(zhì)。從影響盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)因素分析看,盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)源較多,如施工資源要素的風(fēng)險(xiǎn)源、施工技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)源、施工管理的風(fēng)險(xiǎn)源、施工環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)源等,且這些風(fēng)險(xiǎn)源互相影響和干擾。對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)源的描述,也無(wú)法用具體的語(yǔ)言表達(dá),而只能用模糊性的語(yǔ)言表達(dá),因此,用AHP-Fuzzy法不失為一種用于解決盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題的方法。

(一)AHP-Fuzzy法的評(píng)價(jià)步驟[1]

1.構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集合

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集合是將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題,按照風(fēng)險(xiǎn)形成的若干因素,分類形成不同類別因素所構(gòu)成的數(shù)集。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題較為復(fù)雜時(shí),風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素按風(fēng)險(xiǎn)屬性在一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分基礎(chǔ)上,還可以進(jìn)一步細(xì)化為若干層次的子因素?cái)?shù)集。

即

U={U1,U2,…,Un}

其中U1還可進(jìn)一步細(xì)分出相應(yīng)的子因素集合。

Ui={ui1,ui2,…,uim}

這里定義U為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集合,Ui為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集合,uim為所識(shí)別出的具體因素。

2.計(jì)算出各層次風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重

在確定各層次風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重時(shí),采用層次分析法進(jìn)行計(jì)算。

在應(yīng)用層次分析法時(shí),先構(gòu)建完成各層次風(fēng)險(xiǎn)因素相互比較判斷矩陣,其次,再利用根法求解出風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重,最后還需要進(jìn)行一致性驗(yàn)證,確定權(quán)重的可用性,盡可能排除判斷偏差。

3.建立評(píng)價(jià)等級(jí)集

評(píng)價(jià)等級(jí)為專家針對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度,給出不同等級(jí)的評(píng)價(jià)語(yǔ)句,如對(duì)某一類風(fēng)險(xiǎn)因素,專家的評(píng)價(jià)等級(jí)可以用輕微、中等、較大、嚴(yán)重、重大等五個(gè)等次表示,當(dāng)用數(shù)值量化后,則形成如下評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)集,即V={1,2,3,4,5},1對(duì)應(yīng)輕微評(píng)價(jià)語(yǔ)句,依次類推。

4.構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊判斷矩陣

模糊判斷矩陣R表達(dá)因素集U和評(píng)價(jià)集V之間的模糊關(guān)系,采用統(tǒng)計(jì)對(duì)某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素持某等次評(píng)語(yǔ)的專家人數(shù)占專家總?cè)藬?shù)之比的數(shù)值表示模糊判斷矩陣中的各個(gè)元素。

則風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊判斷矩陣可表示為

5.模糊綜合評(píng)價(jià),計(jì)算隸屬度值

將風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊判斷矩陣與風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重向量進(jìn)行合成,再通過(guò)對(duì)矩陣計(jì)算分析,確定出各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

B=WR=

|b1,b2,b3,…bm|

如果B中各組成元素總和不等于1,還需要對(duì)B進(jìn)行歸一化處理,形成歸一化后的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B0=|b10,b20,b30,…bm0|。

對(duì)于多級(jí)因素構(gòu)成的評(píng)價(jià)體系,需要進(jìn)行多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià),并計(jì)算出綜合隸屬度。

(二)案例應(yīng)用

下面通過(guò)某盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題,使用AHP-Fuzzy法開展評(píng)價(jià)分析,說(shuō)明該評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用過(guò)程。

本案例以滁寧城際鐵路二期工程為依托,該工程自滁州高鐵站起至鳳陽(yáng)北路站,全長(zhǎng)13.276千米,其中花博園站至市政府站區(qū)間沿線為該市主干道,周邊建筑及地下管線較為密集,施工條件復(fù)雜,隱藏著較多的施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),該區(qū)間施工采用盾構(gòu)法完成隧道開挖。雖然盾構(gòu)法具有機(jī)械化程度高、對(duì)地面交通影響小、施工效率高的諸多優(yōu)點(diǎn),但由于暗挖作業(yè),推進(jìn)過(guò)程對(duì)地層擾動(dòng),不可避免誘發(fā)地層變形和周邊建筑管線變位,從而可能造成一定的施工安全風(fēng)險(xiǎn),甚至引發(fā)事故災(zāi)害。因此,為正確評(píng)價(jià)該盾構(gòu)區(qū)間施工安全風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取必要的防控措施非常有必要。

1.施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別并構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)集合

首先根據(jù)所要開展的研究問(wèn)題,采取征詢專家意見(jiàn)、查閱相關(guān)案例資料等方式,將本項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題,按照影響施工安全的風(fēng)險(xiǎn)因素的組成,構(gòu)建遞階層次。影響施工安全的因素包括4M1E,即人的因素、機(jī)械設(shè)備因素、施工材料因素、施工技術(shù)因素以及施工環(huán)境因素五個(gè)方面。每類影響因素又可以細(xì)分為若干項(xiàng)子因素,最終構(gòu)建出如下多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

其中人員、機(jī)械、材料、施工方法、施工環(huán)境構(gòu)成了盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題的二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素。每個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素之下又細(xì)分出若干個(gè)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素。以下用數(shù)學(xué)的方式構(gòu)建出盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集合。

U={U1,U2,…,Un}=

{人員,機(jī)械,材料,施工方法,施工環(huán)境}

人員={人員能力水平,人員職業(yè)素養(yǎng),

人員身體狀況,現(xiàn)場(chǎng)管理制度}

其他二級(jí)因素的細(xì)分,可參考人員風(fēng)險(xiǎn)因素的分解,這里限于篇幅,不再詳細(xì)列出。

2.構(gòu)建判斷矩陣,完成各層次風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重計(jì)算

判斷矩陣的構(gòu)建,采用0～9標(biāo)度法,通過(guò)向?qū)＜艺髟円庖?jiàn)的方式,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果,賦予風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的分值,最后通過(guò)yaaha軟件完成各指標(biāo)權(quán)重輔助計(jì)算。限于篇幅,這里僅舉例一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素以及二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素中人員風(fēng)險(xiǎn)的判斷矩陣構(gòu)建、各風(fēng)險(xiǎn)因素的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果。

表1 一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素判斷矩陣表及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表2 二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素(人員風(fēng)險(xiǎn)因素)判斷矩陣表及權(quán)重計(jì)算結(jié)果

圖1 案例工程盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素層次結(jié)構(gòu)圖

3.建立評(píng)價(jià)等級(jí)集,并構(gòu)建各層次風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊判斷矩陣

采取征詢專家意見(jiàn)的方法構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)所需的專家學(xué)識(shí)、特長(zhǎng)等條件,邀請(qǐng)了10名專家組建專家小組,這些專家包括盾構(gòu)施工方的工程技術(shù)人員、從事盾構(gòu)施工教學(xué)和研究的高校教師以及盾構(gòu)施工監(jiān)理方、項(xiàng)目建設(shè)單位方等專家,由他們對(duì)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

經(jīng)過(guò)專家的綜合評(píng)價(jià),認(rèn)為本項(xiàng)目盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)可以劃分為五個(gè)級(jí)別,依次為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、較輕風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、重大風(fēng)險(xiǎn)、極大風(fēng)險(xiǎn)。于是,形成了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集如下:

評(píng)語(yǔ)集=(無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、較輕風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、重大風(fēng)險(xiǎn)、極大風(fēng)險(xiǎn)),用具體數(shù)值量化為V ={1,2,3,4,5}。其次可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素類別,按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí),10名專家分別對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行不同等級(jí)評(píng)價(jià),按照對(duì)同一因素持不同評(píng)價(jià)等級(jí)的專家人數(shù)構(gòu)建模糊判斷矩陣,并歸一化處理后如下:

這里以人員風(fēng)險(xiǎn)因素為例,說(shuō)明模糊判斷矩陣的構(gòu)建方法。

表3 人員風(fēng)險(xiǎn)因素專家評(píng)價(jià)情況表

將上面的專家打分情況,歸一化處理形成模糊判斷矩陣如下:

人員風(fēng)險(xiǎn)因素B1模糊判斷矩陣

其他因素按照同樣方法,形成相應(yīng)的模糊判斷矩陣。

4.模糊綜合評(píng)價(jià),計(jì)算隸屬度值

首先進(jìn)行二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)隸屬度計(jì)算:

人員風(fēng)險(xiǎn)因素B1評(píng)價(jià)隸屬度

S1=W·R=

其他二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素,按照同樣的方法依次完成評(píng)價(jià)隸屬度計(jì)算。

在二級(jí)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)如下

S=

已知一級(jí)指標(biāo)層中各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重集向量如下:

W=

于是,一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣構(gòu)建如下

U=W·S=

在此基礎(chǔ)上,一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)得分計(jì)算如下:

F=U/·VT=

在對(duì)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)時(shí),這里只給出人員風(fēng)險(xiǎn)因素B1的評(píng)價(jià)得分計(jì)算過(guò)程,其他二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素可按此方法計(jì)算,這里不再贅述。

F1=S1·VT=

綜上,該盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)下表4。

表4 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

四、結(jié)論

AHP-Fuzzy法在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題評(píng)價(jià)方面有較好的應(yīng)用。研究依托某地鐵工程盾構(gòu)施工實(shí)例,應(yīng)用該方法完成盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的評(píng)價(jià)分析,在確定風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)權(quán)重值時(shí),則采用層次分析法完成其不同風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算。

研究的最終結(jié)論表明:對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果影響的五類一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為中等,在此基礎(chǔ)上,對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總體結(jié)果也為中等,表明了各類現(xiàn)狀風(fēng)險(xiǎn)因素均具有可控性。在實(shí)際施工中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)異?，F(xiàn)象并予以控制,從而保障該盾構(gòu)施工預(yù)期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。