基于熵權(quán)法-CIM模型的高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙挺生， 任玲玲， 周　煒，劉　文

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0　引言

高速公路施工不可避免會(huì)對(duì)臨近房屋的安全造成影響。施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)或由地質(zhì)災(zāi)害與氣象災(zāi)害導(dǎo)致的高速公路事故會(huì)影響周邊一定范圍內(nèi)房屋的安全。如位于四川北部山區(qū)的達(dá)陜高速公路在施工過(guò)程中曾發(fā)生邊坡崩塌落石事故，場(chǎng)地路肩處出現(xiàn)崩塌，對(duì)臨近建(構(gòu))筑物和行車(chē)安全造成嚴(yán)重威脅。甘肅平定高速公路在施工過(guò)程中，壓路機(jī)的多次施工振動(dòng)， 引起臨近部分房屋的原有裂縫加寬加長(zhǎng)，個(gè)別房屋或圍墻倒塌[1]。

目前，有不少關(guān)于施工對(duì)臨近建筑安全影響的研究。吳賢國(guó)，張立茂等人建立了基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的地鐵盾構(gòu)隧道施工環(huán)境下鄰近建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)決策模型，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道施工誘發(fā)鄰近建筑物破壞的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]；吳賢國(guó)，丁烈云等人基于建筑物與隧道的鄰近等級(jí)劃分、建筑物現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、隧道工程條件等，提出了地鐵施工鄰近建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法和標(biāo)準(zhǔn)[3]；于丹丹，雙晴建立了基于可變模糊集理論的地鐵施工鄰近建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)排序模型及鄰近建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)地鐵施工引起的臨近建筑物的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。然而，針對(duì)高速公路施工對(duì)臨近建筑的安全影響的研究較少。鑒于此，本文結(jié)合某高速公路施工臨近10處房屋，采用基于熵權(quán)法和控制區(qū)間與記憶模型(Controlled Interval and Memory，CIM模型)的混合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法分析高速公路施工對(duì)臨近房屋安全的影響。

1　高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文借鑒已有施工對(duì)臨近建筑安全影響因素分類(lèi)[5]，考慮高速公路施工的特異性，構(gòu)建如下安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　Safety risk assessment indexes system for buildings near expressway construction site

房屋因素(B1)：房屋承受高速公路施工導(dǎo)致的外部荷載而不破壞，與房屋自身?xiàng)l件有很大關(guān)系，如房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型(B11)、損傷狀況(B12)、使用類(lèi)型(B13)、地基基礎(chǔ)狀況(B14)等。

房屋結(jié)構(gòu)(B11)包括土窯洞、土坯房、毛石類(lèi)房屋結(jié)構(gòu)，磚木結(jié)構(gòu)，磚混結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)，框架混凝土結(jié)構(gòu)等[6]。房屋損傷狀況(B12) 指房屋在高速公路施工前和施工中的裂縫、沉降等發(fā)育情況。房屋的使用類(lèi)型(B13)不一，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的接受程度各有差異。比如公路在臨近近現(xiàn)代保護(hù)建筑或歷史古跡施工時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)接受程度較為嚴(yán)格。高速公路臨近房屋多為農(nóng)村自建，地基基礎(chǔ)形式(B14)多為條形基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。從受力性能而言，樁基礎(chǔ)房屋抵抗變形性能明顯優(yōu)于條形基礎(chǔ)[7]。

施工技術(shù)與管理因素(B2)：施工方法(B21)指在高速公路施工階段采用的各種技術(shù)方案，包括施工工序、施工材料、施工機(jī)械等。施工方法的合理性是保障高速公路施工及臨近房屋安全的重要影響因素。監(jiān)測(cè)機(jī)制(B22)主要指高速公路施工管理人員對(duì)臨近房屋的監(jiān)控量測(cè)方法。監(jiān)測(cè)方法的科學(xué)性與可行性對(duì)監(jiān)測(cè)臨近房屋在高速公路施工階段的沉降、裂縫等狀況，以便施工方及時(shí)采取控制措施具有重要作用。

施工管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，是人-機(jī)-料等元素有機(jī)融合的系統(tǒng)工程[8]。其中，現(xiàn)場(chǎng)管理機(jī)構(gòu)(B23)設(shè)置的完整性、可執(zhí)行性以及管理機(jī)構(gòu)人員的社會(huì)責(zé)任感(B24)都是保障高速公路施工臨近房屋安全的重要因素。

高速公路施工紅線范圍以外一定距離的房屋雖然不是強(qiáng)制拆除的范圍，但在公路施工過(guò)程中或多或少會(huì)受到影響。對(duì)于部門(mén)完整、執(zhí)行力強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)管理機(jī)構(gòu)，應(yīng)針對(duì)施工臨近房屋的調(diào)查、保護(hù)工作設(shè)置專(zhuān)門(mén)的部門(mén)并配備專(zhuān)門(mén)的管理人員做好臨近房屋的安全監(jiān)測(cè)工作。對(duì)于社會(huì)責(zé)任感較強(qiáng)的施工企業(yè)，保障施工沿線房屋與人員安全是必要的，有利于提升公司形象，提高工程的社會(huì)效益。

房屋周邊環(huán)境因素(B3)：環(huán)境對(duì)臨近房屋的變形及破壞具有直接或間接的作用，包括自然環(huán)境與施工環(huán)境。其中，地質(zhì)條件(B32)與氣候環(huán)境條件(B34)是描述自然環(huán)境的2個(gè)常見(jiàn)因素，公路平面線型(B31)與臨近工程距離(B33)是描述施工環(huán)境的2個(gè)常見(jiàn)因素。

地質(zhì)條件(B32)與氣候環(huán)境條件(B34)指高速公路施工及周邊房屋所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境與氣候環(huán)境各項(xiàng)因素的綜合，包括巖溶、滑坡、泥石流等和洪水、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)暴雨雪、臺(tái)風(fēng)等。公路平面線型(B31)與交通安全有直接關(guān)系。據(jù)調(diào)查有10%～20% 的公路交通事故發(fā)生在平曲線上，并且在半徑愈小的曲線路段上，發(fā)生的交通事故愈多，即曲率愈大，事故率愈大[9]。臨近工程距離(B33)包括房屋距高速公路工程的水平距離和垂直距離。

2　基于熵權(quán)法-CIM模型的混合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

熵權(quán)法是基于信息熵原理，利用各指標(biāo)值提供的信息量大小確定指標(biāo)權(quán)重的一種客觀賦權(quán)法[10]。熵權(quán)法的基本思想是系統(tǒng)中的信息量越大，不確定性越小，熵也越小，權(quán)重越大，反之權(quán)重越小[11]。控制區(qū)間與記憶模型(Controlld Interval and Memory，CIM模型)是進(jìn)行概率分布疊加的有效方法之一。此方法用相同寬度區(qū)間的直方圖替代了變量的概率分布，用和代替了概率函數(shù)的積分，使概率分布的疊加計(jì)算得以簡(jiǎn)化[12]。CIM模型分為“串聯(lián)響應(yīng)模型”和“并聯(lián)響應(yīng)模型”[13]，它既能處理變量相互獨(dú)立的情況，又能處理變量相關(guān)的問(wèn)題，是現(xiàn)代風(fēng)險(xiǎn)分析方法中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素組合、量化評(píng)價(jià)的一種新技術(shù)。

本文提出一種基于熵權(quán)法和CIM模型的混合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，借助主客觀指標(biāo)的指標(biāo)值確定指標(biāo)權(quán)重，并將指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為分級(jí)的安全風(fēng)險(xiǎn)概率，通過(guò)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的組合計(jì)算，最終形成分級(jí)式的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。該方法基于專(zhuān)家群體決策產(chǎn)生的同組指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，集成了指標(biāo)權(quán)重變權(quán)和安全風(fēng)險(xiǎn)因素組合分級(jí)評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了安全評(píng)價(jià)過(guò)程中的客觀，準(zhǔn)確和易操作性。其具體分析步驟如下：

1)設(shè)系統(tǒng)有n個(gè)待評(píng)價(jià)對(duì)象,每一個(gè)對(duì)象有m個(gè)底層評(píng)價(jià)指標(biāo),在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)取值范圍確定的基礎(chǔ)上，邀請(qǐng)k個(gè)專(zhuān)家對(duì)n個(gè)對(duì)象的各個(gè)底層指標(biāo)評(píng)分，將k個(gè)專(zhuān)家的評(píng)分進(jìn)行簡(jiǎn)單平均，構(gòu)造初始數(shù)據(jù)矩陣Xij：

(1)

2)計(jì)算指標(biāo)值Xij在指標(biāo)i下的權(quán)重值p(xij)：

(2)

3)計(jì)算指標(biāo)i的熵值ei：

(3)

式中：k>0,ei≥0，若k=1/lnn，則0≤ei≤1。

4)計(jì)算指標(biāo)i的差異性系數(shù)gi：

gi=1-ei

(4)

5)指標(biāo)i的權(quán)重系數(shù)：

(5)

6)確定評(píng)價(jià)對(duì)象各個(gè)底層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率：

依據(jù)步驟(1)中的專(zhuān)家評(píng)分，統(tǒng)計(jì)評(píng)分在同一取值范圍的專(zhuān)家數(shù)量，得出對(duì)應(yīng)同一上層指標(biāo)的底層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率分布Pid：

(6)

式中：Kd為把風(fēng)險(xiǎn)因素i(指標(biāo)i)歸為同一風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)d的專(zhuān)家人數(shù)，即某一指標(biāo)評(píng)分在同一取值范圍的專(zhuān)家數(shù)量，K為專(zhuān)家總數(shù)[14]。

7)運(yùn)用CIM并聯(lián)響應(yīng)模型，確定評(píng)價(jià)對(duì)象各級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率：

(7)

式中：M1，M2為2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素；si為概率區(qū)間的組中值；q為分組數(shù)。

在實(shí)際計(jì)算中，先將2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率曲線相乘, 然后再與第三者相乘，如此下去，確定各級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率。

8)根據(jù)各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，確定高速公路施工臨近房屋安全總風(fēng)險(xiǎn)概率分布。

3　工程實(shí)例

3.1　工程概況

某高速公路第二標(biāo)段和第三標(biāo)段屬長(zhǎng)江流域，沿線水系發(fā)達(dá)，為亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候。第二標(biāo)段地質(zhì)屬長(zhǎng)江沖擊平原，土地平坦開(kāi)闊。第三標(biāo)段屬壟崗地貌區(qū)，土層系人工類(lèi)填土層、第四系全新統(tǒng)沖湖積層(Q4al+l)、中更新統(tǒng)沖洪積層(Q2al+Pl)、下更新統(tǒng)殘積層(Qel)以及侏羅系(J)巖層。施工單位為一級(jí)資質(zhì)企業(yè)，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)豐富。本文選取該高速公路施工臨近10處房屋作為指標(biāo)權(quán)重計(jì)算對(duì)象，房屋編號(hào)為1～10號(hào)，并選取10號(hào)房屋作為評(píng)價(jià)對(duì)象，計(jì)算其安全風(fēng)險(xiǎn)概率。經(jīng)調(diào)查，10處房屋均為民房。

3.2　指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

對(duì)于底層定性指標(biāo)的定量化，本文采用百分制對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦值，將各個(gè)指標(biāo)導(dǎo)致臨近房屋的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)描述為風(fēng)險(xiǎn)較低(0，10)、風(fēng)險(xiǎn)低(11，40)、風(fēng)險(xiǎn)適中(41，60)、風(fēng)險(xiǎn)較高(61，80)、風(fēng)險(xiǎn)高(81，100)或風(fēng)險(xiǎn)低(0，33)、風(fēng)險(xiǎn)適中(34，67)、風(fēng)險(xiǎn)高(68，100)。各個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[2-4,7,15]。

表1　評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，獲取資料，10處房屋的具體情況如表2所示。本文邀請(qǐng)了相關(guān)領(lǐng)域12位專(zhuān)家對(duì)選取的10處房屋依據(jù)表1所示評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與取值及房屋具體情況進(jìn)行評(píng)分，將評(píng)分進(jìn)行簡(jiǎn)單平均，構(gòu)造初始數(shù)據(jù)矩陣，即Xij。根據(jù)初始數(shù)據(jù)矩陣Xij，按照式(2)計(jì)算可得Pij。依照式(3)，式(4)和式(5)的計(jì)算方法與程序可得底層指標(biāo)權(quán)重。各個(gè)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重由其包括的底層指標(biāo)權(quán)重疊加所得，如表3所示。

表2　臨近房屋相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)

注：表中，Z表示直線路段，Q表示曲線橋梁路段。

表3　指標(biāo)權(quán)重

依表3可得，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)臨近房屋安全影響程度大小排序?yàn)椋悍课菀蛩?房屋周邊環(huán)境因素>施工技術(shù)與管理因素。其中，房屋損傷狀況、地基基礎(chǔ)狀況、臨近工程距離對(duì)房屋安全的影響尤為顯著。

房屋與高速公路工程之間的水平距離越小或垂直距離越大，房屋損傷程度越大，地基基礎(chǔ)狀況越差，對(duì)房屋的安全影響就越大，可能加劇房屋沉降，裂縫，導(dǎo)致房屋局部損壞加重或倒塌。

3.3　10號(hào)房屋安全風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

本文采用上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集{高、較高、適中、低、較低}對(duì)10號(hào)房屋各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。10號(hào)房屋具體情況如圖2所示。

圖2　10號(hào)房屋Fig.2　The tenth building near expressway construction site

依據(jù)權(quán)重計(jì)算調(diào)查問(wèn)卷和式(6)得出底層風(fēng)險(xiǎn)因素概率分布Pid。各個(gè)底層風(fēng)險(xiǎn)因素概率分布如表5所示。依據(jù)式(7)計(jì)算二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率分布。以施工技術(shù)與管理因素下的B21與B22為例，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率疊加，計(jì)算過(guò)程如表6所示。同理，可以求出其他二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因素的概率分布，如表7所示。高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)總概率分布如表8所示。

表5　風(fēng)險(xiǎn)因素概率分布

表6　B21與B22風(fēng)險(xiǎn)概率疊加計(jì)算

表7　一級(jí)指標(biāo)概率分布

表8　高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)總概率分布

由表8可知，該高速公路臨近10號(hào)房屋安全風(fēng)險(xiǎn)總體較高，應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)工作，必要情況下可做拆除處理。

4　結(jié)論

1)構(gòu)建了基于房屋因素，施工技術(shù)與管理因素和房屋周邊環(huán)境因素的高速公路施工臨近房屋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以某高速公路施工臨近10處房屋為例，采用基于熵權(quán)法-CIM模型的混合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，首先確定了各層指標(biāo)權(quán)重，明確了對(duì)臨近房屋安全影響較大的因素。

2)以權(quán)重調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定了10號(hào)房屋底層指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率分布，采用CIM并聯(lián)響應(yīng)模型逐層計(jì)算得出：該高速公路施工臨近10號(hào)房屋安全風(fēng)險(xiǎn)總體較高，基本符合工程施工中的監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠?yàn)槭┕て髽I(yè)在施工過(guò)程中對(duì)臨近房屋的安全保護(hù)工作提供依據(jù)。

3)目前關(guān)于高速公路施工臨近房屋的安全研究較少，因此對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)與取值范圍確定需進(jìn)行深入調(diào)研和咨詢(xún)，保障其科學(xué)性與可行性。

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