基于改進模糊層次分析法的地鐵車站施工風險評價

鄧沿生 梁士舉

(1.上海同是工程科技有限公司，上海 200001;2.洛陽師范學院，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著城市地鐵建設的迅速發展，地鐵施工引起的工程事故也越來越多，一旦工程事故發生，往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。由于地鐵車站工程具有技術復雜、不可預見風險因素多和社會影響大等特點，對其進行風險評價研究具有重要意義。

目前，對深基坑工程和地鐵盾構隧道施工風險分析的研究較多。周紅波提出基于貝葉斯網絡的深基坑風險模糊綜合評估方法［1］;張馳、黃廣龍等基于模糊數學的相關理論實現深基坑施工對周邊環境影響的模糊風險評估［2］;周紅波、姚浩等采用WBS方法對上海某軌道交通深基坑工程工作結構進行分解，采用故障樹法對風險事件以及風險因素進行識別，應用綜合集成風險評估方法進行風險評估［3］;周紅波、何錫興等將分解分析法和故障樹法結合使用，對地鐵盾構隧道施工進行風險分析［4］;劉凌云、楊德磊等采用層次分析法對隧道盾構進出洞進行風險分析［5］;陳自海、陳建軍等采用模糊層次分析法對盾構隧道施工進行風險分析［6］。鮑學英、王起才等根據《地鐵施工安全評價標準》，從施工安全組織管理評價、施工環境安全管理評價、施工安全監控預警管理評價以及施工安全技術管理評價4個方面對地鐵施工安全風險進行評價［7］。由此可以看出，對地鐵車站施工進行的風險分析相對較少。

本文針對地鐵車站施工進行風險識別，結合GB 50652-2011城市軌道交通地下工程建設風險管理規范［8］提出的工程建設風險等級標準，采用改進模糊層次分析法(FAHP)［9-11］進行風險評價，更加符合人類思維判斷的一致性，且不需進行判斷矩陣的一致性檢驗，簡化計算過程。此外，通過改換計算因素權值的公式，提高評價因素間相對重要程度的分辨率，最后對評價結果進行有效性驗證，為類似工程建設提供參考。

1 FAHP風險評價步驟

1.1 建立風險因素層次模型

根據地鐵車站工程地質特點和周圍建筑物情況對風險事件和風險因素進行識別，建立風險因素層次模型，形成中間因素集U和相對應的指標因素集ui:

1.2 確定風險因素發生可能性和損失等級

根據文獻［7］中給出的風險發生可能性等級標準和風險損失等級標準對指標因素集ui中各因素風險發生可能性(P)和損失(C)均劃分為5個等級進行估值，如表1和表2所示。

表1 風險發生可能性等級標準

表2 風險損失等級標準

由各指標因素的風險值R=P×C，建立指標因素集ui的風險值集Ri:

1.3 構建優先關系判斷矩陣

為了準確描述任意兩個風險因素的相對重要程度，采用表3所示0.1～0.9數量標度建立中間因素相對于總目標的優先關系判斷矩陣A和指標因素相對于中間因素的優先關系判斷矩陣M:

表3 0.1 ～0.9 數量標度

1.4 構建模糊一致矩陣

1.5 確定風險因素權重

根據式(3)計算目標層下各中間因素的權重B以及中間因素層下相對應的各指標因素的權重wi:

其中，參數α滿足α≥(n－1)/2。

1.6 構造隸屬函數

根據文獻［7］，工程建設風險等級標準宜分為四級，結合估值按梯形構造隸屬函數［2］。

Ⅰ級:

Ⅱ級:

Ⅲ級:

Ⅳ級:

1.7 確定風險等級

求中間因素層的評價向量Fi:

總目標評價向量Z:

將總目標風險值代入隸屬函數，得到隸屬向量，根據最大隸屬度原則，得到總目標的風險等級。

由于根據最大隸屬度原則確定總目標風險等級可能造成部分信息丟失，甚至得出不合理的結論。因此，應根據式(6)對最終的風險等級進行有效性驗證［12］。

式中:α——有效指數;

β，γ——隸屬向量中最大分量和次大分量占各分量總和的比例;

m——風險評價等級總等級的數目。

α值對應的有效性區間為:

當α=0時，隸屬度原則完全無效;當α∈(0，0.5)時，隸屬度原則低效;當 α∈［0.5，1)時，隸屬度原則比較有效;當 α∈(1，+∞)時，隸屬度原則非常有效;當α=+∞時，隸屬度原則則完全有效。

2 實例分析

某地鐵車站沿城市主干道南北向布置，為地下2層島式車站，基坑長255 m，寬 19.2 m，開挖深度約15.1 m ～21.8 m。圍護結構采用800 mm厚地下連續墻+內支撐支護，其中，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余均為鋼支撐。該車站基坑工程安全等級為一級，基坑保護等級為一級。基坑開挖所涉及地層上部主要為雜填土和淤泥;中部主要為粉(砂)質土;下部主要為殘積土和全風化巖。

2.1 建立風險因素層次模型并估值

根據地鐵車站工程概況、地質、水文和周邊環境，建立風險因素層次模型，并組織專家根據表1和表2對各指標因素進行估值，如表4所示。

表4 風險因素層次模型及指標因素估值

2.2 構建優先關系判斷矩陣并計算權重

根據表4風險因素層次模型結合表3構建中間因素相對于總目標的優先關系判斷矩陣A:

指標因素相對于中間因素的優先關系判斷矩陣M:

根據式(1)和式(2)把優先關系矩陣轉換為模糊一致矩陣，再根據式(3)計算目標層下各中間因素的權重向量B:

中間因素層下相對應的各指標因素的權重向量wi:

將權值歸一即可得到風險因素C1～C28相對總目標的綜合權重向量為:

(0.065 7，0.046 5，0.052 0，0.034 4，0.038 1，0.029 5，0.045 5，0.029 6，0.024 3，0.025 4，0.018 2，0.018 6，0.025 1，0.018 2，0.054 1，0.045 2，0.049 2，0.032 5，0.028 0，0.024 4，0.025 1，0.037 6，0.039 7，0.033 7，0.045 6，0.047 6，0.038 1，0.028 6)。

2.3 確定風險等級

根據式(4)和式(5)，得出該地鐵車站施工風險值為6.791 3，代入隸屬函數，得到隸屬向量為:(0，0.465 2，0.534 8，0)。根據最大隸屬度原則，該地鐵車站施工風險應為Ⅲ級，屬于可接受的風險。

將隸屬向量代入式(6)進行結果有效性驗證，求得有效指數α=0.408＜0.5，所以隸屬度原則低效。結合隸屬向量可以得出，雖然該地鐵車站施工風險為Ⅲ級，但接近Ⅱ級，屬于Ⅲ級中風險偏上的水平，應加強日常管理與監測。

3 結語

根據地鐵施工特點對風險進行識別，采用改進模糊層次分析法建立風險因素層次模型并進行風險評價，得出以下結論:

1)建立的風險因素層次模型結構合理，清晰易懂，改進模糊層次分析法更加符合人類思維判斷的一致性，可以減少主觀因素對評價結果的影響。模糊一致判斷矩陣無需進行一致性檢驗，簡化了計算過程。

2)采用改進模糊層次分析法得出該地鐵車站施工風險等級為Ⅲ級，屬于可接受的風險。通過最大隸屬度原則有效性驗證發現評價結果為低效，最后對隸屬向量進行分析表明:該地鐵車站施工風險等級屬于Ⅲ級中風險偏上的水平，決策者應予以關注。

［1］ 周紅波.基于貝葉斯網絡的深基坑風險模糊綜合評估方法［J］.上海交通大學學報，2009，43(9):1473-1479.

［2］ 張 馳，黃廣龍，李 娟.深基坑施工環境影響的模糊風險分析［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(S1):2669-2675.

［3］ 周紅波，姚 浩，盧劍華.上海某軌道交通深基坑工程施工風險評估［J］.巖土工程學報，2006，28(sup):1902-1906.

［4］ 周紅波，何錫興，蔣建軍，等.地鐵盾構法隧道工程建設風險識別與應對［J］.地下空間與工程學報，2006，2(3):475-479.

［5］ 劉凌云，楊德磊，郭海柱.隧道盾構進出洞施工風險分析［J］.低溫建筑技術，2010(8):51-53.

［6］ 陳自海，陳建軍，楊建輝.基于模糊層次分析法的盾構隧道施工風險分析［J］.地下空間與工程學報，2013，9(6):1427-1432.

［7］ 鮑學英，王起才，宮文昌.基于模糊層次分析法的地鐵工程施工安全評價［J］.中國安全生產科學技術，2013，9(1):136-139.

［8］ GB 50652-2011，城市軌道交通地下工程建設風險管理規范［S］.

［9］ 張吉軍.模糊層次分析法(FAHP)［J］.模糊系統與數學，2000，14(2):80-88.

［10］ 陶余會.如何構造模糊層次分析法中模糊一致判斷矩陣［J］.四川師范學院學報(自然科學版)，2002，23(3):282-285.

［11］ 張吉軍.模糊一致判斷矩陣3種排序方法的比較研究［J］.系統工程與電子技術，2003，25(11):1370-1372.

［12］ 韓 利，梅 強，陸玉梅，等.AHP——模糊綜合評價方法的分析與研究［J］.中國安全科學學報，2004，14(7):86-89.