ANP_FE技術在地鐵隧道近接施工風險評估中的應用

李 輝，鄭余朝，李俊松

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

地鐵作為緩解和改善城市地面交通擁堵情況的主要交通工具，開始得到前所未有的關注和重視。預計在2015年前后，我國將建設79條以地鐵為主的軌道交通線路，總長約2 260 km，總投資近9 000億元。由于地鐵主要建設在城市中心地帶，故不可避免地存在形形色色的地鐵隧道施工近接情況［1］。

地鐵隧道近接施工過程具有不確定性和模糊性影響因素多、施工工序復雜、安全控制標準高、社會影響巨大等特點，因此地鐵隧道近接施工是一類高風險的工程項目［2］。如何對地鐵隧道近接施工風險進行評價、控制和管理，確保周圍建(構)筑物的安全，是廣大學者和科研工作者面臨的急需研究和亟待解決的一個問題。盡管風險管理引進隧道施工中已有50余年，但對地鐵隧道近接施工風險的研究甚少，主要對近接施工風險發(fā)生機制、機理及風險保證體系進行了研究，如黃宏偉［3］對城市隧道施工的復雜近接環(huán)境進行了分類，并得到了軟土地層中盾構隧道近接施工風險發(fā)生機理圖。駱建軍［4］等基于近接地面建筑物的沉降控制標準，結合施工中的監(jiān)控量測，對近接風險進行了控制。侯艷娟［5］等通過對城市隧道下穿建筑物施工，監(jiān)控量測，方案優(yōu)化等幾個方面研究和分析，建立了能夠指導實際近接施工的安全風險管理體系。由此可見，地鐵隧道近接施工風險研究還停留在定性分析階段，缺乏有效的定量風險評估方法，難以實現(xiàn)對風險的控制和管理。

現(xiàn)階段常用的半定量或者定量的風險評價方法有層次分析法(AHP)、網(wǎng)絡層次分析法(ANP)、模糊綜合評價法(FE)、神經(jīng)網(wǎng)絡法等。其中，由于ANP［6］能夠解決事物影響因素之間存在相互依存和反饋情況的風險評價問題，而逐漸被人們重視和推廣。而FE［7］能夠對具有模糊性質的事物做出很好的評價。本文針對目前地鐵隧道近接施工風險研究中存在的問題，在已有研究成果的基礎上，綜合考慮到隧道近接施工風險影響因素具有相互依存、反饋和模糊性等特點，最終選擇將ANP與FE結合起來構成ANP_FE作為主要的風險評價方法。通過ANP的運用求得底層因素的整體權重向量，再結合FE計算出地鐵隧道近接施工的風險度，然后根據(jù)風險評價結果制定風險應對措施，最終實現(xiàn)了風險的定量控制和管理。最后，結合廣州地鐵某隧道的近接施工工程說明了該法的具體實施過程，確保了施工的順利進行和周圍結構物的安全。

1 地鐵隧道近接施工風險評價指標體系

地鐵隧道近接施工中風險影響因素繁多，且各因素之間存在相互依存和反饋關系。通過對國內地鐵隧道近接施工工程的調查和現(xiàn)有資料的研究分析，得到了地鐵隧道近接施工風險的主要控制因素有安全性、技術性、經(jīng)濟性和環(huán)境效應;其主要影響因素(元素組)有地質情況、近接情況、設計、施工和安全控制標準等;然后對元素組進行分解和歸類，即可得到21個底層因素，具體情況見表1。

表1 地鐵隧道近接施工風險評價指標體系

地鐵隧道近接施工風險指標體系不再是單純的遞階層次結構［8］，不僅元素組之間存在相互依存和反饋，而且各元素組下各因素之間也存在此關系，最終形成了由控制因素層和網(wǎng)絡層［9］組成的復雜網(wǎng)絡層次結構，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道近接施工風險網(wǎng)絡層次結構

2 風險評估與管理基本理論

2.1 ANP_FE風險管理理念介紹

運用網(wǎng)絡層次分析法(ANP)的相關理論和算法［10］求得針對于所有底層因素的整體權重向量。再憑借專家打分和隸屬向量的結合得到底層因素的模糊綜合評價矩陣。然后利用模糊集合變換原理計算得到地鐵隧道近接施工風險的風險等級，并查找出對風險評價目標影響較大的那些因素，采取針對性較強的措施對風險進行控制和管理。

2.2 ANP理論

由于層次分析法(AHP)［11］只能解決那些要求同層元素相互獨立，且只能上層支配下層的遞階層次結構模型問題，于是在1996年，Saaty［6］教授通過對AHP的總結和提煉，提出一種適宜解決各元素之間存在相互依存和反饋的復雜網(wǎng)絡結構模型的方法——ANP。

(1)計算權重向量，合成超矩陣和加權矩陣。

由于網(wǎng)絡層次結構模型中各元素之間并不相互獨立，而是存在相互依存與反饋關系。因而需要利用1－9比例標度法，以Ti為準則，以Tij為次準則，對Tk下各因素進行間接優(yōu)勢度比較。通過比較得到判斷矩陣B，然后運用根法求得各判斷矩陣對應的特征向量=(w1，w2，…，wn)T，(i，j，k=1，2，…，n)，計算式如下

式中，bij為位于判斷矩陣中第i行第j列的元素，是bi與 bj的重要性比較結果，并且存在關系bij=1/bji。

將所有的特征向量進行合成，便可構成超矩陣。對于元素組，采用和上述相同的計算方式可以求得加權矩陣K。

(2)求解加權超矩陣，得到底層因素對應的整體權重向量。

由上面得到的超矩陣和加權矩陣，通過加權運算，便可求得加權超矩陣?？紤]到求解精度的要求，本文采用特征向量法對加權超矩陣進行求解。首先由式(2)求得加權超矩陣模最大的特征根λmax。

然后利用式(3)計算出最大特征根對應的特征向量w，歸一化處理之后即為底層因素的整體權重向量。

式中，E為單位矩陣;λ為矩陣W的特征根;α為特征根λ對應的特征向量。

2.3 FE理論

模糊綜合評判方法(FE)是基于模糊數(shù)學理論，由L.A.Zadeh［7］教授于 1965 年提出的針對于事物影響因素多，且因素不確定性和模糊性較強的一種評價方法，其關鍵在于模糊綜合評價矩陣的運算。通過評語集的建立，將定性評價轉換為定量評價，構成模糊評價矩陣。結合上文中求得的權重向量，選擇合適的模糊算子進行計算，最終可得到事物的評價結果。

(1)評語集的建立

評語集是由針對評價對象的所有評價結果所組成的集合，評語集的級數(shù)需根據(jù)評價對象的復雜程度而定，一般取為4 到6 級，即 V=(V1，V2，…，Vn)T，(4≤n≤6)。

(2)模糊綜合評價矩陣的建立

利用專家調查法求得各底層因素的評價結果。根據(jù)評語集，對評價結果進行統(tǒng)計分析，可以計算得到各底層因素的隸屬向量。最后綜合合成所有隸屬向量，便可得到模糊綜合評價矩陣。

(3)模糊評價

模糊算子的選擇有多種，這里選用“乘與和模糊算子”構成模糊綜合評價模型

式中，P為評價對象的隸屬向量;w為權重向量;R為模糊綜合評價矩陣。

最終的評價結果可以根據(jù)式(5)求得

3 案例分析

本文以廣州地鐵某隧道近接施工工程為例，說明了該風險管理理念和方法的具體實施過程。

3.1 工程概況

廣州地鐵6號線某區(qū)段地層與周圍水系相連，地下水較豐富;巖層自上而下40 m范圍內依次為雜填土、淤泥質土、粉質細砂、粉質黏土、中風化砂巖層。隧道拱頂埋深在25～30 m，隧道主要從中風化砂巖層中穿過。根據(jù)設計方案，該區(qū)段隧道涉及盾構法和礦山法兩種施工方法;且存在單線小斷面和雙線、三線大斷面等多種斷面形式，隧道最大凈跨為19.6 m。

本區(qū)段的規(guī)劃設計中存在多類隧道工程近接情況，既包含間距僅為11 m的兩暗挖隧道自身在先后施工過程中的近接，又存在大斷面隧道與倉庫A1、車間及住宅樓A2的近接(圖2)，其中隧道拱頂與A1樁基間的最小距離僅為1.7 m。因此，無論從工程近接復雜程度還是綜合施工難度方面考慮，都存在較高的工程風險。

圖2 隧道近接關系平面示意(單位:m)

3.2 ANP計算權重

超矩陣都是在考慮元素組之間各元素的相互關聯(lián)性之后，在準則Ti與次準則Tij下通過間接優(yōu)勢度比較后得到各比較判斷矩陣，進而求得特征向量，然后由特征向量綜合合成得到的。如以T3為準則，T31為次準則，對元素組T1中各元素作兩兩比較，得到判斷矩陣，然后利用式(1)求得其特征向量

同理可得w321，w331，w341，w351，便可合成子矩陣

重復上面的步驟，可計算得到其余24個子矩陣W11，W12，W14，W15，W21，W22，…，W55，最終合成超矩陣

同樣，利用間接優(yōu)勢度對各元素組進行兩兩比較，求得特征向量后便可合成加權矩陣

然后利用加權矩陣對超矩陣做加權，即得加權超矩陣ˉW。最后根據(jù)式(2)計算得到加權超矩陣模最大的特征根λmax=1。再將其代入式(3)求得特征向量w，歸一化處理后即為底層因素的整體權重向量，各權重值如表2所示。

3.3 FE計算風險

評語集是模糊綜合評價法的基礎，是定性評價向定量評價轉換的關鍵?？紤]到該工程的實際情況，將評語集設定為4 級，即 V=(4，3，2，1)T，分別代表(風險高，風險較高，風險一般，風險小)。

然后邀請20個對相關工程比較熟悉的技術人員、科研工作者、學者組成專家組，對所有底層因素打分，求得各底層因素針對于評語集的隸屬向量。再將所有隸屬向量綜合合成，即可構成模糊綜合評價矩陣(表2)。

表2 底層因素的權重值及模糊綜合評價矩陣

根據(jù)表2，將權重向量和模糊綜合評價矩陣的具體值代入式(4)，計算得到地鐵隧道近接施工風險的隸屬向量

最后可根據(jù)式(5)求得地鐵隧道近接施工的評分S=2.368∈［2，3］。由評語集可知，地鐵隧道近接施工風險較高，需采取有效措施對風險進行控制和管理。

3.4 風險應對措施

由底層因素的整體權重向量可知，對地鐵隧道近接施工風險影響最大的前4個因素依次為建筑物沉降及傾斜度、地表沉降、施工工藝合理性、支護設計。而從模糊綜合評價矩陣中可以看出隧道高跨比、近接距離、巖體完整性、施工安全管理也會給工程帶來較高的風險。其中主要風險為由于隧道開挖引起建筑物沉降及傾斜度過大而造成周圍建筑物開裂、破壞甚至坍塌。為了有效地規(guī)避和降低施工風險，決定選擇采取以下措施對風險實施控制和管理:

(1)以管棚和超前小導管預注漿作為主要超前支護手段［12］，改善和提高隧道周邊的圍巖穩(wěn)定性。在大跨斷面隧道拱頂150°范圍內沿開挖輪廓線平行設置φ89 mm，厚5 mm，長8 m的短管棚;在一般斷面處采用φ42 mm，厚3.5 mm，長3 m的超前小導管，以15°外插角，沿隧道拱頂120°范圍內打入巖層并注漿;同時對建筑物周圍地表實施預注漿處理;

(2)礦山法施工隧道以鋼筋網(wǎng)、錨桿、格柵鋼架作為主要的圍巖支護體系，在多線交匯的大跨斷面處，采用雙側壁導坑法施工;一般斷面則采用CRD法施工;

(3)對隧道上方的人流和車流進行疏導與控制，減少施工隧道的地面載荷。

4 結論

地鐵隧道近接施工風險影響因素相互依存和關聯(lián)性較大，且不確定性和模糊性較強，如何對工程風險進行評估和管理，關系到整個工程的成敗。

通過對地鐵隧道近接建筑物施工階段的風險評估與管理研究，可以得到以下結論。

(1)在對國內諸多類似工程調研和相關資料統(tǒng)計、分析的基礎上，建立了能夠有效辨識與評價該類工程主要風險影響因素的指標體系。

(2)ANP_FE建立在科學的數(shù)學理論基礎之上，能夠將地鐵隧道近接施工風險影響因素的不確定性和模糊性轉化為確定的數(shù)值，最終使定性描述過渡到定量分析，確保了風險評價過程和評價結果的科學、可靠，也為采取有效的施工措施提供合理的理論依據(jù)。

(3)實踐證明，利用ANP_FE對地鐵隧道近接施工風險進行評價，然后根據(jù)評價結果制定風險控制對策，能夠有效控制和降低地鐵隧道工程近接施工風險，使風險保持在允許范圍之內，確保了工程及近接建筑物的安全。

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