城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)

李英民，王貴珍，劉立平，楊 遠(yuǎn)

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 450045;2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045; 3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037;4.廣東省華城建筑設(shè)計(jì)有限公司重慶分公司，重慶 400034)

我國以城市地鐵、隧道和大面積地下建筑等為主的城市地下空間正處于大規(guī)模開發(fā)利用時(shí)期[1]，然而由于缺乏多災(zāi)種安全綜合評(píng)判，致使建設(shè)不合理甚至顧此失彼、先建后改、建后棄用的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生.隨著自然、社會(huì)條件的變化，災(zāi)害越來越多地以綜合形式出現(xiàn)[2]，一災(zāi)多果或多災(zāi)一果的現(xiàn)象日益增多，這些現(xiàn)象表明應(yīng)在建設(shè)之初對(duì)多災(zāi)種安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，做到統(tǒng)籌兼顧.如何科學(xué)、合理評(píng)價(jià)城市地下空間在自然災(zāi)害、各種人為和非人為事故，以及可能出現(xiàn)的恐怖事件等災(zāi)害影響下的安全程度，建立一套具有科學(xué)性、系統(tǒng)性及可操作性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，成為當(dāng)前迫切需要研究和解決的問題.

地下空間的內(nèi)部防災(zāi)與地面建筑的防災(zāi)，在原則上是基本一致的，但是不能不注意到，地下環(huán)境的一些特點(diǎn)使地下空間內(nèi)部防災(zāi)問題更復(fù)雜、更困難，因防災(zāi)不當(dāng)所造成的危害也就更嚴(yán)重.事實(shí)表明，災(zāi)害的發(fā)生一般都不是孤立的，大的方面如自然災(zāi)害和人為災(zāi)害、原生災(zāi)害和次生災(zāi)害、地面上部空間災(zāi)害和地下空間災(zāi)害等;具體如爆炸往往引起火災(zāi)，火災(zāi)引起爆炸并造成空氣污染，地震的發(fā)生易引起火災(zāi)和洪災(zāi)，施工事故引起火災(zāi)和爆炸，水災(zāi)破壞地下網(wǎng)線從而影響交通和通訊等，它們之間都存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，往往都是相伴發(fā)生的，所以僅考慮單災(zāi)種對(duì)地下空間安全的影響不能反映實(shí)際情況，是片面的、不科學(xué)的.

現(xiàn)行地下空間安全評(píng)價(jià)已有單災(zāi)種抗災(zāi)理論和設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)判可采用以下兩種思路:第一種是基于原因的綜合評(píng)判，有兩種途徑來實(shí)現(xiàn).其一是分別就每個(gè)災(zāi)種(火災(zāi)[3]、水災(zāi)、爆炸、地震等)進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，若有不滿足安全要求的因素，則需對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)和改進(jìn)，直至各災(zāi)種均滿足安全要求.此方法沒有考慮災(zāi)種間相關(guān)性，評(píng)判易顧此失彼，甚至彼此之間是矛盾的.其二是針對(duì)各災(zāi)種致災(zāi)因素，探索其致災(zāi)機(jī)制，考慮各災(zāi)種間的相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[4].此方法全面且能真實(shí)地反映地下空間安全狀況，但因其復(fù)雜性還有待研究.第二種是基于后果的綜合評(píng)判，即通過分析各災(zāi)種可能引起后果出現(xiàn)的頻率高低[5]，構(gòu)建城市地下空間多災(zāi)種安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

本文通過分析城市地下空間災(zāi)害特征和各災(zāi)種間相關(guān)性，提出了基于后果的的城市地下空間綜合評(píng)判思路，經(jīng)數(shù)據(jù)分析并就現(xiàn)有各災(zāi)種對(duì)城市地下空間安全造成影響的因子進(jìn)行整理和分析，得到地下空間多災(zāi)種安全評(píng)價(jià)指標(biāo)并最終構(gòu)建城市地下空間多災(zāi)種安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.此方法充分考慮了各災(zāi)種間的相關(guān)性，但避開了指標(biāo)對(duì)災(zāi)種間相關(guān)性的過分依賴，可操作性強(qiáng).

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

城市地下空間安全因素分為災(zāi)害本身危險(xiǎn)性和地下空間抗災(zāi)性能兩方面，因此對(duì)城市地下空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，其指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋這兩個(gè)方面的內(nèi)容.建立城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，需要對(duì)城市地下空間安全所涉及的各個(gè)方面進(jìn)行多層次的分析.

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選和篩選

指標(biāo)體系能否全面、真實(shí)、準(zhǔn)確地描述和反映城市地下空間多災(zāi)種安全的整體情況，關(guān)鍵因素在于所選取的指標(biāo)是否全面、真實(shí)、準(zhǔn)確地反映了城市地下空間安全各方面的要求[6].根據(jù)城市地下空間的特性，運(yùn)用頻度統(tǒng)計(jì)法和理論分析法，選擇在地下空間安全評(píng)價(jià)體系中使用頻度較高的指標(biāo)，構(gòu)成預(yù)選指標(biāo)集.再對(duì)預(yù)選指標(biāo)的特性進(jìn)行分析，按照指標(biāo)出現(xiàn)的頻度和對(duì)城市地下空間安全影響程度的大小，篩選出數(shù)目足夠少但卻能表征對(duì)城市地下空間安全影響最具重要性的指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)體系，為下一步城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立提供參考.

把城市地下空間作為一個(gè)系統(tǒng)來看，各災(zāi)種之間的關(guān)聯(lián)性，是多災(zāi)種評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中不可缺少的部分，又由于地下空間災(zāi)害的復(fù)雜性和多樣性，安全評(píng)價(jià)中很難包含所有災(zāi)害種類.從各災(zāi)種出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)和災(zāi)害事故對(duì)比可以看出，火災(zāi)[7]、空氣污染[8]、施工事故、爆炸事故和水災(zāi)[9]是最常發(fā)生且損失最嚴(yán)重的災(zāi)害事故，占所有災(zāi)害事故的76.4%，足可以反映整個(gè)城市地下空間的安全情況，因此本文初步設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系僅包含上述地下空間發(fā)生次數(shù)多、破壞程度嚴(yán)重的主要災(zāi)害.

其次是評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選.項(xiàng)目咨詢了25位地下空間防災(zāi)和評(píng)價(jià)方面的專家，請(qǐng)他們對(duì)指標(biāo)體系的研究提供建議，并對(duì)上述指標(biāo)體系填寫問卷，對(duì)指標(biāo)的重要程度做出判斷.咨詢的專家都曾主持或參與過地下交通、地下商場或人防工程的建設(shè)，來自高校、施工單位、設(shè)計(jì)單位和監(jiān)理單位等.

專家意見咨詢表分為兩個(gè)部分:第一部分是對(duì)上述初步建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用利克特(Likert)量表將指標(biāo)分為很重要、重要、一般重要、不太重要和不重要5個(gè)等級(jí)，分別賦予5，4，3，2，1分值，請(qǐng)專家對(duì)指標(biāo)的重要性進(jìn)行量化打分.第二部分有兩個(gè)開放性問題，一是請(qǐng)專家對(duì)不合理的指標(biāo)提出修改意見，二是請(qǐng)專家對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行補(bǔ)充，增加他們認(rèn)為重要的指標(biāo).

采用各指標(biāo)所得分值的算術(shù)平均值表示專家的“意見集中度”，用變異系數(shù)表示專家的“意見協(xié)調(diào)度”.變異系數(shù)越小，指標(biāo)的專家意見協(xié)調(diào)程度越高，并以算術(shù)平均值大于3.5和變異系數(shù)小于0.25為篩選標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合專家的具體意見對(duì)指標(biāo)框架及指標(biāo)內(nèi)涵進(jìn)一步加以篩選和修正，以此來檢驗(yàn)指標(biāo)體系的效度和信度[10].根據(jù)以上方法對(duì)專家問卷所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算上述各個(gè)指標(biāo)的“意見集中度”和“意見協(xié)調(diào)度”.

通過調(diào)查問卷，多位專家建議，雖然地下結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力，但是近二三十年來全球范圍內(nèi)發(fā)生的幾次強(qiáng)烈地震特別是阪神地震，地下結(jié)構(gòu)均有明顯破壞，這對(duì)以往“地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)是安全的”這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，所以本文最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系里增加了地震這一破壞能力極強(qiáng)的災(zāi)害.

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的提出

地下空間防災(zāi)與地面建筑的防災(zāi)，在原則上是基本一致的，但地下空間由于其自身的特點(diǎn)使防災(zāi)問題更復(fù)雜、更困難.因此進(jìn)行城市地下空間多災(zāi)種安全評(píng)價(jià)必須從其特征出發(fā)，在借鑒地面建筑和地下空間單災(zāi)種安全指標(biāo)體系[11]的基礎(chǔ)上，建立符合城市地下空間多災(zāi)種安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.通過專家咨詢，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分析、篩選和補(bǔ)充，結(jié)合城市地下空間特點(diǎn)，最終確立了由“災(zāi)害本身危險(xiǎn)性”、“地下空間抗災(zāi)性能”2個(gè)一級(jí)指標(biāo)、12個(gè)二級(jí)指標(biāo)(即因素層)、43個(gè)三級(jí)指標(biāo)(即指標(biāo)層)組成的城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1).

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)權(quán)重的確定

由于城市地下空間潛在的危險(xiǎn)和有害因素的不確定性、隨機(jī)性和相關(guān)性，因此城市地下空間多災(zāi)種安全評(píng)價(jià)是一個(gè)多準(zhǔn)則多目標(biāo)的復(fù)雜問題.采用層次分析法[12]通過定量和定性的分析，對(duì)影響城市地下空間安全的各個(gè)因素層次化，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值.

表1 城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)的權(quán)重Table 1 Comprehensive multi-disaster safety evaluation index system for urban underground space and weights of various indices

2.1 確定判斷矩陣并作一致性檢驗(yàn)

根據(jù)以上思路，在參考專家意見的基礎(chǔ)上，確定各因素之間的相對(duì)重要性并賦以相應(yīng)的分值，構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，利用Matlab計(jì)算權(quán)向量并作一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表1.

2.2 層次總排序

計(jì)算指標(biāo)層和因素層對(duì)準(zhǔn)則層的組合權(quán)重.指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的組合權(quán)重為

式中:wij——組合權(quán)重;wi，wj——對(duì)應(yīng)于各準(zhǔn)則的分權(quán)重.

則式(1)得到指標(biāo)層對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)則層的權(quán)重[13].利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，計(jì)算出針對(duì)上一層次而言的本層次所有元素的重要性權(quán)重值，得到層次總排序.指標(biāo)層中有些指標(biāo)具有交叉性，如“空氣污染”、“引起爆炸”、“引起火災(zāi)”、“人員傷亡”、“施工質(zhì)量”等，層次總排序中對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行了匯總.

3 評(píng)價(jià)方法的選定

根據(jù)上述選擇的依據(jù)，即充分考慮操作的可行性、信息可得性和時(shí)間3個(gè)方面，對(duì)城市地下空間多災(zāi)種安全進(jìn)行評(píng)價(jià).本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法[14]，這樣既可以避免過分依賴專家，又可以避免過分依賴現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果盡可能地接近真實(shí)情況.

4 實(shí)例分析

對(duì)某新建的地鐵，應(yīng)用現(xiàn)有城市地下空間各單災(zāi)種指標(biāo)體系，對(duì)該工程各系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)、有害因素進(jìn)行辨識(shí)和分析，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià).通過對(duì)各單災(zāi)種指標(biāo)體系的應(yīng)用分析，表明該地鐵嚴(yán)格執(zhí)行了相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)滿足功能要求，遵循了安全使用、經(jīng)濟(jì)合理原則;火災(zāi)、地震、洪水、爆炸等各危險(xiǎn)因素均得到有效控制，且在線路走向選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、運(yùn)行模式及安全管理等方面采取了安全應(yīng)對(duì)措施.針對(duì)各單災(zāi)種，該工程的建設(shè)在安全上是可行的，建成投入運(yùn)營后可以保證系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行.

下面應(yīng)用本文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和選取的評(píng)價(jià)方法對(duì)該地鐵進(jìn)行多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià).通過構(gòu)建該地鐵多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度，進(jìn)行模糊綜合判斷，可得總目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià):Z= (0.013，0.143，0.312，0.396，0.136).

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法，為了對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量分析需要確定各指標(biāo)的評(píng)價(jià)集，采用5級(jí)百分制評(píng)價(jià)把評(píng)價(jià)集V劃分5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，即V={v1，v2，v3，v4，v5}={極小，很小，小，較大，大}，其中v1為城市地下空間多災(zāi)種危險(xiǎn)性“極小”，評(píng)分區(qū)間為90～100，中值為95;v2為危險(xiǎn)性“很小”，評(píng)分區(qū)間為80～89，中值為84.5;依此類推.選擇各區(qū)間的中值作為等級(jí)的參數(shù)，則5個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為95，84.5，74.5，64.5，49.5，其參數(shù)列向量為v=(95，84.5，74.5，64.5，49.5)T，將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分別乘以相應(yīng)的決策分值，即得該地鐵安全評(píng)級(jí)分?jǐn)?shù)為68.84分，得分處在60～69區(qū)間，所以該地鐵危險(xiǎn)性“較大”，該地鐵的安全水平為“較差”，即安全狀況較差，安全措施需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善.

4 結(jié) 語

由實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果可知，用單災(zāi)種評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)該地鐵進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明該地鐵安全狀況是良好的;用本文建立的地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)則得出不一樣的結(jié)論，認(rèn)為此地鐵安全狀況較差，需要改進(jìn)和完善.這就表明對(duì)地下空間安全的評(píng)價(jià)，若分開考慮各個(gè)災(zāi)種對(duì)地下空間安全的影響，則忽略了各災(zāi)種間的相關(guān)性，與真實(shí)情況不符.一種災(zāi)害往往導(dǎo)致另外災(zāi)害的發(fā)生，各災(zāi)害并不都是彼此獨(dú)立的，有的是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的.實(shí)例分析還表明，對(duì)地下空間安全的評(píng)價(jià)，僅考慮單災(zāi)種對(duì)其安全的影響是不全面、不科學(xué)的，驗(yàn)證了本文建立的城市地下空間多災(zāi)種安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和選取的評(píng)價(jià)方法是可行且有效的，達(dá)到了預(yù)期的目的.

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