基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法的城際軌道交通工程施工風(fēng)險(xiǎn)研究

金起波， 劉 源

(1.湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室, 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，規(guī)劃建設(shè)城際間快速軌道交通已經(jīng)成為城市群城鎮(zhèn)體系發(fā)展的迫切需求。由于城際軌道交通工程投資大、工程量大、施工周期長(zhǎng)且施工復(fù)雜[1]，施工安全事故時(shí)有發(fā)生。通過(guò)對(duì)城際軌道交通工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并采取有效控制措施，持續(xù)改進(jìn)施工方法，可有效預(yù)防施工風(fēng)險(xiǎn)。本文將層次分析法(AHP)與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)的軌道交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)學(xué)模型，為軌道交通工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種定性與定量相結(jié)合的分析方法。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理

1.1 風(fēng)險(xiǎn)的概念

風(fēng)險(xiǎn)可以表示為關(guān)于不確定性(風(fēng)險(xiǎn)概率)和損失(后果)二者的函數(shù)[2]：

R=fP，C

(1)

式中：R表示風(fēng)險(xiǎn)；P表示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率或重現(xiàn)周期;C表示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生造成的破壞、損失。

根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(GB 50652—2011)，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)和工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)集將由風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則構(gòu)成。

1.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

在風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險(xiǎn)因素集合U，U也是風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合；采用Saaty 提出的 9 級(jí)標(biāo)度法，構(gòu)造判斷矩陣A，使用Matlab利用迭代法，可以根據(jù)判斷矩陣計(jì)算得到權(quán)重向量W及其最大特征值的近似值λmax。之后再進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，以保證判斷矩陣的合理性。

1.3 構(gòu)造判斷矩陣

1) 確定評(píng)價(jià)集V。

2) 根據(jù)模糊映射關(guān)系f∶U→F→f，其中f是單因素u的模糊評(píng)價(jià)向量，rij表示單因素ui在評(píng)價(jià)集V下的程度大小，可得各單因素ui的評(píng)價(jià)集Ri，從而得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣：

(2)

1.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)模糊變化，將模糊評(píng)價(jià)向量變?yōu)槟：C合評(píng)價(jià)結(jié)果向量：

B=W×R=b1，b2，…,bn

(3)

式中： 元素b即為模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，簡(jiǎn)稱為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它代表被評(píng)價(jià)對(duì)象從整體上看對(duì)評(píng)價(jià)集中第i個(gè)等級(jí)vi的隸屬程度。

為了精確評(píng)價(jià)軌道交通施工的風(fēng)險(xiǎn)，從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B中，挑選出最大值bi= maxbi，則它所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集V中的vi所代表的等級(jí)就是綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

湖南某城際軌道交通工程線路全長(zhǎng)17.29 km，其中地下段長(zhǎng)7.36 km，高架線長(zhǎng)9.47 km，過(guò)渡段長(zhǎng)0.25 km，路基段長(zhǎng)0.21 km，設(shè)站8座，其中地下站4座，高架站4座。

擬建工程呈帶狀，地形起伏總體較小，穿越城市道路、房屋等。地層穿越主要包括第四系覆蓋層及下伏基巖，其中：第四系覆蓋層包括人工填土、斷續(xù)分布的全新統(tǒng)淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘性土，其下為第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、圓礫、局部粘土夾碎石角礫；下伏基巖為第三系、白堊系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，泥盆系石英砂巖、粉砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，寒武系頁(yè)巖，構(gòu)造角礫巖等。主要斷裂發(fā)育帶5條，與線路相交的斷裂帶有4條，均為燕山晚期斷裂，非活動(dòng)性斷裂。場(chǎng)地部分地段巖溶較發(fā)育，規(guī)模較大。工程場(chǎng)地近場(chǎng)區(qū)地震活動(dòng)性較弱，地震頻度和強(qiáng)度均低，歷史無(wú)4%級(jí)以上破壞性地震記載。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的構(gòu)建

湖南某城際軌道交通工程施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)識(shí)別采用故障樹(shù)與專家咨詢相結(jié)合的識(shí)別方法，根據(jù)施工風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)所得出的工程相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素，總結(jié)類(lèi)似線路施工風(fēng)險(xiǎn)處理的相關(guān)資料和相關(guān)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)和集體智慧，再用德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行修正，對(duì)本工程施工過(guò)程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)辨析，并利用層次分析法建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。

表1 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系總風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)R車(chē)站工程(C1)區(qū)間隧道(C2)橋梁工程(C3)車(chē)站明挖(D1)車(chē)站結(jié)構(gòu)(D2)盾構(gòu)法(D3)明挖法(D4)橋基工程(D5)橋梁(D6)基坑坍塌(D11)基坑支護(hù)失效(D12)臨近建構(gòu)筑物破壞(D13)排降水措施失效(D14)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂(D21)高支模失穩(wěn)(D22)掘進(jìn)軸線偏離設(shè)計(jì)軸線(D31)引發(fā)地面沉降(D32)穿越既有構(gòu)筑物安全風(fēng)險(xiǎn)(D33)盾構(gòu)進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)(D34)盾構(gòu)涌土、流砂、漏水風(fēng)險(xiǎn)(D35)盾尾密封裝置泄露(D36)基坑坍塌(D41)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞(D42)臨近建筑物破壞(D43)樁基礎(chǔ)塌孔(D51)橋基下沉(D52)橋臺(tái)及支座損壞(D53)基礎(chǔ)不均勻沉降(D54)預(yù)應(yīng)力張拉不足(D61)高支模失穩(wěn)(D62)掛籃結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(D63)

將本線路施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系分為四層。

第一層為目標(biāo)層： 項(xiàng)目總風(fēng)險(xiǎn)R； 第二層為準(zhǔn)則層：C1～C3；第三層為子準(zhǔn)則：D1～D6；第四層為隸屬于第三層的風(fēng)險(xiǎn)因子：D11～D14， D21～D22， D31～D36， D41～D43， D51～D54， D61～D63。

2.3 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

在施工風(fēng)險(xiǎn)分析中，每個(gè)因素的影響重要性程度不同，因素權(quán)重集的建立就是為了描述各個(gè)因素的重要性程度。本次評(píng)估采用層次分析法，運(yùn)用 1-9 標(biāo)度法及根法近似計(jì)算得到各風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，請(qǐng)專家對(duì)因素之間兩兩進(jìn)行比較打分，定義1為兩者同等重要，3為前者比后者略微重要，5為前者比后者明顯重要，7為前者比后者強(qiáng)烈重要，9為前者比后者絕對(duì)重要。根據(jù)打分評(píng)判結(jié)果，構(gòu)造因素的判斷矩陣，并根據(jù)判斷矩陣計(jì)算因素權(quán)重，計(jì)算得到該矩陣最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，將該特征向量標(biāo)準(zhǔn)化，使其和為1，則標(biāo)準(zhǔn)化后的特征向量代表了因素權(quán)重。所得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系及風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重總風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)R車(chē)站工程(C1)WC1=0.3區(qū)間隧道(C2)WC2=0.4橋梁工程(C3)WC3=0.3車(chē)站明挖(D1)WD1=0.7車(chē)站結(jié)構(gòu)(D2)WD2=0.3盾構(gòu)法(D3)WD3=0.7明挖法(D4)WD4=0.3橋基工程(D5)WD5=0.6橋梁(D6)WD6=0.4基坑坍塌(D11)WD11=0.3基坑支護(hù)失效(D12)WD12=0.3臨近建構(gòu)筑物破壞(D13)WD13=0.15排降水措施失效(D14)WD14=0.25結(jié)構(gòu)開(kāi)裂(D21)WD21=0.5高支模失穩(wěn)(D22)WD22=0.5掘進(jìn)軸線偏離設(shè)計(jì)軸線(D31)WD31=0.1引發(fā)地面沉降(D32)WD32=0.2穿越既有構(gòu)筑物安全風(fēng)險(xiǎn)(D33)WD33=0.2盾構(gòu)進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)(D34)WD34=0.2盾構(gòu)涌土、流砂、漏水風(fēng)險(xiǎn)(D35)WD35=0.1盾尾密封裝置泄露(D36)WD36=0.2基坑坍塌(D41)WD41=0.4支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞(D42)WD42=0.35臨近建筑物破壞(D43)WD43=0.25樁基礎(chǔ)塌孔(D51)WD51=0.25橋基下沉(D52)WD52=0.35橋臺(tái)及支座損壞(D53)WD53=0.1基礎(chǔ)不均勻沉降(D54)WD54=0.3預(yù)應(yīng)力張拉不足(D61)WD61=0.3高支模失穩(wěn)(D62)WD62=0.4掛籃結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(D63)WD63=0.3

2.4 AHP結(jié)合模糊綜合法的整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

運(yùn)用專家調(diào)查法通過(guò) 10 位專家對(duì)每一指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)概率(P)及風(fēng)險(xiǎn)損失(C)進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，獲得每一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)下的風(fēng)險(xiǎn)概率隸屬度向量Pij，以及每一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)下的風(fēng)險(xiǎn)損失隸屬度向量Cij(其中i代表第i層，j代表第i層第j指標(biāo))，按照矩陣R=P×C工程定級(jí)法獲得每一指標(biāo)的R矩陣。根據(jù)工程風(fēng)險(xiǎn)P×C組合分級(jí)原則得出風(fēng)險(xiǎn)事件X等級(jí)隸屬度分別為：

一級(jí)：R=SUM(1A，1B，1C，2A)

二級(jí)：R=SUM(1D，1E，2B，2C，2A)

三級(jí)：R=SUM(2D，2E，3B，3C，4A，4B)

四級(jí)：R=SUM(3D，3E，4C，4D，5A，5B)

五級(jí)：R=SUM(4E，5C，5D，5E)

等級(jí)隸屬度組成的行向量與各自對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)值組成的列向量相乘即等于每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值Rij。結(jié)合上述計(jì)算原理，獲得每一層次的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，目標(biāo)層R指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)計(jì)算，得出施工安全總風(fēng)險(xiǎn)為0.415 7。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)控制建議

計(jì)算得到施工安全總風(fēng)險(xiǎn)為0.415 7，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，施工安全屬于可接受的范圍；除常規(guī)檢查外，應(yīng)對(duì)安全有所重視并采取一些預(yù)防與檢測(cè)措施。結(jié)合對(duì)擬建工程及周邊環(huán)境的調(diào)研可以得出，在后續(xù)工程施工中可能出現(xiàn)的主要危險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)控制建議如下：

1) 在地質(zhì)條件方面，沿線存在有人工填土、殘積土及全風(fēng)化巖與巖土地層，土質(zhì)不均，地層穩(wěn)定性差，在施工前應(yīng)采用注漿等預(yù)加固技術(shù)對(duì)其性質(zhì)改良后再進(jìn)行施工。同時(shí)線路穿越區(qū)承壓的基巖裂隙水、巖溶裂隙水，水壓高，水量大，在施工前應(yīng)采取必要的工程降、排水措施；盾構(gòu)掘進(jìn)施工前須對(duì)影響范圍內(nèi)巖溶進(jìn)行有效加固，并檢測(cè)加固效果;還應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化，并進(jìn)行試掘進(jìn)測(cè)試。

2) 線路經(jīng)過(guò)區(qū)大量地穿越既有建構(gòu)筑物，其中超小凈距穿越某站臺(tái)、站房工程，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，應(yīng)加強(qiáng)施工控制，并輔助地層加固等安全控制措施，確保隧道安全穿越既有建構(gòu)筑物。

3) 本項(xiàng)目多個(gè)車(chē)站采用明挖法施工，周邊環(huán)境復(fù)雜，地層條件工程性質(zhì)差，應(yīng)嚴(yán)格控制基坑開(kāi)挖施工，減小對(duì)周邊管線與建構(gòu)筑物影響。

3 結(jié)論

以湖南某城際軌道交通工程為研究對(duì)象，在對(duì)地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，將層次分析法(AHP)與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)的軌道交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)學(xué)模型。借助模糊識(shí)別方法，在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，分析各種不同類(lèi)型的地質(zhì)特征、施工方法和自然災(zāi)害發(fā)生的概率，以及一旦發(fā)生后對(duì)施工設(shè)備、環(huán)境及人身安全、工程質(zhì)量等造成的影響程度。建立了一套風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系與研究模型，對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析與評(píng)價(jià)，為軌道交通工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種定性與定量相結(jié)合的分析方法。