ANP_FE技術(shù)在地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

李 輝，鄭余朝，李俊松

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(guān)注和重視。預(yù)計(jì)在2015年前后，我國(guó)將建設(shè)79條以地鐵為主的軌道交通線路，總長(zhǎng)約2 260 km，總投資近9 000億元。由于地鐵主要建設(shè)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(guò)程具有不確定性和模糊性影響因素多、施工工序復(fù)雜、安全控制標(biāo)準(zhǔn)高、社會(huì)影響巨大等特點(diǎn)，因此地鐵隧道近接施工是一類高風(fēng)險(xiǎn)的工程項(xiàng)目［2］。如何對(duì)地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、控制和管理，確保周圍建(構(gòu))筑物的安全，是廣大學(xué)者和科研工作者面臨的急需研究和亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。盡管風(fēng)險(xiǎn)管理引進(jìn)隧道施工中已有50余年，但對(duì)地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)的研究甚少，主要對(duì)近接施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)制、機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)保證體系進(jìn)行了研究，如黃宏偉［3］對(duì)城市隧道施工的復(fù)雜近接環(huán)境進(jìn)行了分類，并得到了軟土地層中盾構(gòu)隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理圖。駱建軍［4］等基于近接地面建筑物的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合施工中的監(jiān)控量測(cè)，對(duì)近接風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了控制。侯艷娟［5］等通過(guò)對(duì)城市隧道下穿建筑物施工，監(jiān)控量測(cè)，方案優(yōu)化等幾個(gè)方面研究和分析，建立了能夠指導(dǎo)實(shí)際近接施工的安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系。由此可見，地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)研究還停留在定性分析階段，缺乏有效的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制和管理。

現(xiàn)階段常用的半定量或者定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有層次分析法(AHP)、網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)、模糊綜合評(píng)價(jià)法(FE)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問(wèn)題，而逐漸被人們重視和推廣。而FE［7］能夠?qū)哂心：再|(zhì)的事物做出很好的評(píng)價(jià)。本文針對(duì)目前地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)研究中存在的問(wèn)題，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮到隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素具有相互依存、反饋和模糊性等特點(diǎn)，最終選擇將ANP與FE結(jié)合起來(lái)構(gòu)成ANP_FE作為主要的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。通過(guò)ANP的運(yùn)用求得底層因素的整體權(quán)重向量，再結(jié)合FE計(jì)算出地鐵隧道近接施工的風(fēng)險(xiǎn)度，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，最終實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)的定量控制和管理。最后，結(jié)合廣州地鐵某隧道的近接施工工程說(shuō)明了該法的具體實(shí)施過(guò)程，確保了施工的順利進(jìn)行和周圍結(jié)構(gòu)物的安全。

1 地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地鐵隧道近接施工中風(fēng)險(xiǎn)影響因素繁多，且各因素之間存在相互依存和反饋關(guān)系。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵隧道近接施工工程的調(diào)查和現(xiàn)有資料的研究分析，得到了地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)的主要控制因素有安全性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效應(yīng);其主要影響因素(元素組)有地質(zhì)情況、近接情況、設(shè)計(jì)、施工和安全控制標(biāo)準(zhǔn)等;然后對(duì)元素組進(jìn)行分解和歸類，即可得到21個(gè)底層因素，具體情況見表1。

表1 地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系不再是單純的遞階層次結(jié)構(gòu)［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(guān)系，最終形成了由控制因素層和網(wǎng)絡(luò)層［9］組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理基本理論

2.1 ANP_FE風(fēng)險(xiǎn)管理理念介紹

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)的相關(guān)理論和算法［10］求得針對(duì)于所有底層因素的整體權(quán)重向量。再憑借專家打分和隸屬向量的結(jié)合得到底層因素的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。然后利用模糊集合變換原理計(jì)算得到地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并查找出對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)目標(biāo)影響較大的那些因素，采取針對(duì)性較強(qiáng)的措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)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(dú)立，且只能上層支配下層的遞階層次結(jié)構(gòu)模型問(wèn)題，于是在1996年，Saaty［6］教授通過(guò)對(duì)AHP的總結(jié)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的方法——ANP。

(1)計(jì)算權(quán)重向量，合成超矩陣和加權(quán)矩陣。

由于網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型中各元素之間并不相互獨(dú)立，而是存在相互依存與反饋關(guān)系。因而需要利用1－9比例標(biāo)度法，以Ti為準(zhǔn)則，以Tij為次準(zhǔn)則，對(duì)Tk下各因素進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較。通過(guò)比較得到判斷矩陣B，然后運(yùn)用根法求得各判斷矩陣對(duì)應(yīng)的特征向量=(w1，w2，…，wn)T，(i，j，k=1，2，…，n)，計(jì)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(jié)果，并且存在關(guān)系bij=1/bji。

將所有的特征向量進(jìn)行合成，便可構(gòu)成超矩陣。對(duì)于元素組，采用和上述相同的計(jì)算方式可以求得加權(quán)矩陣K。

(2)求解加權(quán)超矩陣，得到底層因素對(duì)應(yīng)的整體權(quán)重向量。

由上面得到的超矩陣和加權(quán)矩陣，通過(guò)加權(quán)運(yùn)算，便可求得加權(quán)超矩陣。考慮到求解精度的要求，本文采用特征向量法對(duì)加權(quán)超矩陣進(jìn)行求解。首先由式(2)求得加權(quán)超矩陣模最大的特征根λmax。

然后利用式(3)計(jì)算出最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量w，歸一化處理之后即為底層因素的整體權(quán)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(duì)應(yīng)的特征向量。

2.3 FE理論

模糊綜合評(píng)判方法(FE)是基于模糊數(shù)學(xué)理論，由L.A.Zadeh［7］教授于 1965 年提出的針對(duì)于事物影響因素多，且因素不確定性和模糊性較強(qiáng)的一種評(píng)價(jià)方法，其關(guān)鍵在于模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣的運(yùn)算。通過(guò)評(píng)語(yǔ)集的建立，將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量評(píng)價(jià)，構(gòu)成模糊評(píng)價(jià)矩陣。結(jié)合上文中求得的權(quán)重向量，選擇合適的模糊算子進(jìn)行計(jì)算，最終可得到事物的評(píng)價(jià)結(jié)果。

(1)評(píng)語(yǔ)集的建立

評(píng)語(yǔ)集是由針對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的所有評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，評(píng)語(yǔ)集的級(jí)數(shù)需根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的復(fù)雜程度而定，一般取為4 到6 級(jí)，即 V=(V1，V2，…，Vn)T，(4≤n≤6)。

(2)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣的建立

利用專家調(diào)查法求得各底層因素的評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)評(píng)語(yǔ)集，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以計(jì)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(píng)價(jià)矩陣。

(3)模糊評(píng)價(jià)

模糊算子的選擇有多種，這里選用“乘與和模糊算子”構(gòu)成模糊綜合評(píng)價(jià)模型

式中，P為評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬向量;w為權(quán)重向量;R為模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

最終的評(píng)價(jià)結(jié)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(shuō)明了該風(fēng)險(xiǎn)管理理念和方法的具體實(shí)施過(guò)程。

3.1 工程概況

廣州地鐵6號(hào)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(nèi)依次為雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化砂巖層。隧道拱頂埋深在25～30 m，隧道主要從中風(fēng)化砂巖層中穿過(guò)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該區(qū)段隧道涉及盾構(gòu)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(shè)計(jì)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(guò)程中的近接，又存在大斷面隧道與倉(cāng)庫(kù)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(wú)論從工程近接復(fù)雜程度還是綜合施工難度方面考慮，都存在較高的工程風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 隧道近接關(guān)系平面示意(單位:m)

3.2 ANP計(jì)算權(quán)重

超矩陣都是在考慮元素組之間各元素的相互關(guān)聯(lián)性之后，在準(zhǔn)則Ti與次準(zhǔn)則Tij下通過(guò)間接優(yōu)勢(shì)度比較后得到各比較判斷矩陣，進(jìn)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(zhǔn)則，T31為次準(zhǔn)則，對(duì)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(fù)上面的步驟，可計(jì)算得到其余24個(gè)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(shì)度對(duì)各元素組進(jìn)行兩兩比較，求得特征向量后便可合成加權(quán)矩陣

然后利用加權(quán)矩陣對(duì)超矩陣做加權(quán)，即得加權(quán)超矩陣ˉW。最后根據(jù)式(2)計(jì)算得到加權(quán)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(quán)重向量，各權(quán)重值如表2所示。

3.3 FE計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)

評(píng)語(yǔ)集是模糊綜合評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)，是定性評(píng)價(jià)向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。考慮到該工程的實(shí)際情況，將評(píng)語(yǔ)集設(shè)定為4 級(jí)，即 V=(4，3，2，1)T，分別代表(風(fēng)險(xiǎn)高，風(fēng)險(xiǎn)較高，風(fēng)險(xiǎn)一般，風(fēng)險(xiǎn)小)。

然后邀請(qǐng)20個(gè)對(duì)相關(guān)工程比較熟悉的技術(shù)人員、科研工作者、學(xué)者組成專家組，對(duì)所有底層因素打分，求得各底層因素針對(duì)于評(píng)語(yǔ)集的隸屬向量。再將所有隸屬向量綜合合成，即可構(gòu)成模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣(表2)。

表2 底層因素的權(quán)重值及模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)表2，將權(quán)重向量和模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣的具體值代入式(4)，計(jì)算得到地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)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(píng)分S=2.368∈［2，3］。由評(píng)語(yǔ)集可知，地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)較高，需采取有效措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制和管理。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

由底層因素的整體權(quán)重向量可知，對(duì)地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)影響最大的前4個(gè)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(hù)設(shè)計(jì)。而從模糊綜合評(píng)價(jià)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(huì)給工程帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)。其中主要風(fēng)險(xiǎn)為由于隧道開挖引起建筑物沉降及傾斜度過(guò)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(fēng)險(xiǎn)，決定選擇采取以下措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施控制和管理:

(1)以管棚和超前小導(dǎo)管預(yù)注漿作為主要超前支護(hù)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(nèi)沿開挖輪廓線平行設(shè)置φ89 mm，厚5 mm，長(zhǎng)8 m的短管棚;在一般斷面處采用φ42 mm，厚3.5 mm，長(zhǎng)3 m的超前小導(dǎo)管，以15°外插角，沿隧道拱頂120°范圍內(nèi)打入巖層并注漿;同時(shí)對(duì)建筑物周圍地表實(shí)施預(yù)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(hù)體系，在多線交匯的大跨斷面處，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;一般斷面則采用CRD法施工;

(3)對(duì)隧道上方的人流和車流進(jìn)行疏導(dǎo)與控制，減少施工隧道的地面載荷。

4 結(jié)論

地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素相互依存和關(guān)聯(lián)性較大，且不確定性和模糊性較強(qiáng)，如何對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和管理，關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。

通過(guò)對(duì)地鐵隧道近接建筑物施工階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理研究，可以得到以下結(jié)論。

(1)在對(duì)國(guó)內(nèi)諸多類似工程調(diào)研和相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)上，建立了能夠有效辨識(shí)與評(píng)價(jià)該類工程主要風(fēng)險(xiǎn)影響因素的指標(biāo)體系。

(2)ANP_FE建立在科學(xué)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上，能夠?qū)⒌罔F隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素的不確定性和模糊性轉(zhuǎn)化為確定的數(shù)值，最終使定性描述過(guò)渡到定量分析，確保了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程和評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)、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(shí)踐證明，利用ANP_FE對(duì)地鐵隧道近接施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制定風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策，能夠有效控制和降低地鐵隧道工程近接施工風(fēng)險(xiǎn)，使風(fēng)險(xiǎn)保持在允許范圍之內(nèi)，確保了工程及近接建筑物的安全。

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