基于組合賦權二維云模型的箱涵下穿既有鐵路施工風險評價

王景春，董妍妍，李欽，成躍利

基于組合賦權二維云模型的箱涵下穿既有鐵路施工風險評價

王景春1，董妍妍1，李欽2，成躍利2

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；2. 北京鐵建工程監理有限公司，北京 100860)

箱涵下穿既有運營鐵路施工過程中的各個因素具有不確定性，因此，本文運用組合賦權二維云模型的評價方法對其進行風險評價。從既有鐵路運營風險、工作坑開挖風險、箱涵頂進風險和設備風險4個方面展開研究，確定風險評價指標體系。運用層次分析法與熵權法組合賦權確定權重，將后果與概率作為二維云的2組基礎變量，最后通過輸出云圖以及相近度計算確定風險等級。將上述方法應用于天津北海路下穿進港鐵路二線地道工程，得出施工過程的風險等級為Ⅱ級，風險可接受，與該工程實際情況一致，表明建立的風險評價方法合理，可應用于工程實踐研究。

既有鐵路；箱涵施工；組合賦權；二維云模型；風險評價

隨著我國交通建設的快速發展，公路、鐵路交叉施工的情況逐漸增多，其中箱涵下穿既有運營鐵路施工尤為突出。箱涵下穿既有鐵路頂進施工的風險主要源于2個方面，一是既有鐵路的運營風險，二是箱涵施工本身的風險，為降低風險事故出現的頻率，對其進行系統地風險評價十分重要。國外學者從不同方面就頂管頂進施工進行了相關研究。Mitsutaka等[1]提出了堆管模型并進行仿真分析，得出頂管在頂進過程與土體的相互作用及受力情況；Senda等[2]通過三維數值模擬在較深土層中頂管施工過程，得出頂管頂進施工對周圍土體及地表變形的影響。國外相關學者對頂管頂進施工方面研究較多，對箱涵頂進方面研究較少，然而國內學者則對其進行了較為深入的探索。金繼偉[3]對頂進過程中的頂進設備、后背設計、施工條件和作業工序等進行了詳細闡述，得出了大跨度架空箱涵下穿運營鐵路的施工技術要點；ZHANG等[4]運用三維數值模擬研究了大截面人行通道的頂進施工對其下方隧道的變形影響；李家穩等[5]通過對箱涵施工不利點進行重點監測，分析其變形，得出施工風險等級。徐珂等[6]采用風險管理的方法，對箱涵施工過中的不同風險因素進行了辨識、分析和評價。國內相關學者對箱涵的施工方法，施工過程及變形監測研究較多，對箱涵下穿既有鐵路施工的風險評價研究較少。目前并未形成一套完備的箱涵下穿既有鐵路施工的風險評價體系，而且其相關指標因素具有模糊性與隨機性的特點，大部分評價方法無法反映其指標的真實性。云模型可實現對所選因素的模糊性與隨機性的綜合評定。近些年，二維云模型的評價方法初步運用于預測和風險評估等范疇。陳俊杰等[7]將二維云模型應用于短路電流峰值預測中；王景春等[8?9]將二維云模型應用于深基坑施工及煤礦瓦斯風險評價中。二維云模型在對各種指標的模糊性與隨機性問題的研究上取得一些成果，但目前并未對箱涵頂進施工范疇的風險評估進行詳細研究。本文將二維云模型應用于箱涵下穿既有鐵路施工風險評價中。為防止僅使用單一主觀或客觀賦權的局限性，本文選取組合賦權法得出風險指標權重，并且將組合賦權與二維云模型結合，提出基于組合賦權二維云模型的評價方法。通過構造恰當的風險評價指標體系，應用上述方法對箱涵下穿既有運營鐵路的施工過程進行風險評價，得到風險級別，降低事故發生概率。以期對類似工程提供可借鑒之處。

1 組合賦權二維云模型基本理論

1.1 組合賦權

1.1.1 層次分析法確定主觀權重

層次分析法常用來進行主觀賦權。本文ω為1級指標U(=1,2,…,)權重，為2級指標U(=1,2,…,；=1,2,…,)權重，其中即1級指標數量，即第個1級指標相應2級指標數量。

1.1.2 熵權法確定客觀權重

式中：Q為第個指標下第個項目的評價值；H和W分別為第個指標的熵值、熵權。

1.1.3 線性加權法確定最終權重

線性加權法即按照各目標的重要程度給予其對應的權系數，繼而對其進行線性組合得到計算結果。線性賦權法的主要計算公式如下所示：

式中：′和分別為層次分析法和熵權法計算出的相同因素的權重向量；和分別為層次分析法和熵權法計算出權重的加權系數。

本文選取差異系數法進一步計算得出上述2種加權系數的值。

式中：為評價指標數量；P為主觀權重向量′中各評價指標由小到大排列后的權重值。

1.2 二維云模型

二維云模型可以解決2個要素協同影響下的隨機性和模糊性問題，其主要特征量為期望、熵和超熵。設為服從正態分布的二維隨機函數，和En為期望值，和En為標準差，則有

2 箱涵下穿既有運營鐵路施工風險評價模型

2.1 風險評價體系的建立

由于要在保證既有鐵路線的正常運營條件下施工，此類工程的施工現場存在較多的不確定因素。根據《鐵路營業線施工安全管理辦法》、《箱涵工程建設專用技術標準》，參考相關工程關于安全風險評估指標的研究[11?13]，結合箱涵下穿既有鐵路施工風險因素及實際工況，通過施工現場調研和相關專家反復論證，本文最后選取既有鐵路運營風險、工作坑開挖風險、箱涵頂進風險和設備風險4個方面展開研究，進行風險辨識，并將四大子類具體細分為個11安全風險評估指標。

2.1.1 既有鐵路運營風險

既有鐵路運營風險從軌道不平順方面考慮，軌道不平順一般分為5類，分別為軌距、軌向、水平、高低和扭曲，但是扭曲變形發生概率極小，所以只考慮前4個軌道變形因素。

2.1.2 工作坑開挖風險

工作坑開挖時常由于工作坑整體失穩(滑坡、隆起等)和支撐體系破壞導致塌方現象的發生。與此同時，工作坑開挖過程中也會對周圍附屬設施產生相應的影響。因此從工作坑塌方與施工引起的周圍附屬設施變形2方面分析其風險。

2.1.3 箱涵頂進風險

箱涵頂進過程中由于上方列車震動、頂進出土不當等因素，導致頂進方向最容易出現偏差，其次是箱涵開裂。于是從箱涵開裂、抬頭扎頭和蛇形3個方面考慮箱涵頂進過程中的風險。

2.1.4 設備風險

設備的選用也是箱涵施工過程中很重要的一個環節，設備用品若選用不當，將直接導致風險事故的發生。本文的設備風險從材料設備的選用、安全設施與防護用品選用2方面考慮。

綜上建立如圖1的箱涵下穿既有運營鐵路施工風險評價體系。

圖1 箱涵下穿既有運營鐵路施工風險評價體系

2.2 風險云

事故的風險等級可由事故的發生概率和后果共同決定，因此本文根據所選指標的發生概率和后果展開分析。通過邀請經驗豐富的專家對所選因素的發生概率和事故后果進行打分分析，計算得出指標的概率風險云和后果風險云。概率和后果風險云特征數字計算公式如下[14]：

式中：E為樣本期望；為樣本數量；x為第位專家的打分值；E為熵；H為超熵；S為樣本方差。

2.3 標準云

依據《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》，把評價指標的風險、后果和概率等級劃分4個級別，為Ⅰ～Ⅳ級，把分值[0,10]分成4個子區間，其中第個子區間表示為[Smin，Smax]。標準云的數字特征計算公式如下：

Ⅰ～Ⅳ級風險的分值區間、等級描述以及標準云數字特征見表1。

2.4 綜合風險云

1級風險云由2級風險云矩陣和2級權重矩陣合并計算得出。然后將1級風險云和1級權重矩陣合并計算出綜合風險云。運算公式如下：

式中：′，′和′為綜合風險云的期望值、熵和超熵。

2.5 綜合評價云圖

運用正向云發生器生成風險云圖，正向云發生器由Matlab編程得出。

2.6 相近度

由于評價結果可能具有相近性，只在結果云圖上不能直觀分辨出風險等級，運用二維云相近度計算方法確定風險等級。安全等級的相近度公式 如下：

表1 風險分級數字特征指標

3 實例分析

3.1 工程概況

天津市北海路下穿塘沽編組站。該地區表層土主要為人工填土，下層土中持力層為淤泥質黏土，分布較穩定。

本工程箱涵平面設計為直線，頂程總長117.788 m，采取南北兩側中繼間對頂法頂進。既有鐵路線路共10股道，貨運量大，施工過程中要求速度不高于45 km/h。線路加固長度60 m，選用3-5-3吊軌及縱橫梁工字鋼加固法。基坑共有2個，開挖深度均為9 m，采用井點降水法降水，兩側選用雙排Φ1 250 mm灌注樁圍護。南側基坑的東西兩側以及南北兩側基坑上方的鐵軌之間有部分建筑物。基坑開挖過程中未發生塌方現象，周圍附屬設施輕微變形，不影響正常使用。頂進步長1 m，采用QYS-100型千斤頂頂進，其他材料設備及安全設施及防護用品的選用基本符合要求。頂進施工過程中箱涵未開裂，但發生輕微扎頭現象。經監測報告可得既有鐵路軌距偏差5 mm，軌道水平偏差3 mm，軌道高低4 mm，軌向偏差3 mm。

本文施工工程概況如圖2所示。

圖2 北海路地道橋施工工程概況

3.2 分析過程

對11個2級風險指標實行量化，為降低量化流程的主觀性和隨機性，邀請6位經驗豐富的專家依次對該箱涵下穿既有鐵路施工風險評價體系中各個因素的事故后果以及發生概率等級進行打分，打分依據見表1，評價結果見表2。根據層次分析法確定風險指標的主觀權重，式(1)熵權法確定客觀權重，式(2)~(3)進行組合賦權求得最終權重，結果見表3。應用式(5)確定每個2級指標的風險云數字特征，式(6)求得標準云數字特征，式(7)得出綜合風險云數字特征，結果見表4。

運用正向云發生器得到綜合風險云與標準云的對比圖，見圖3；為了明確既有鐵路運營、工作坑開挖、箱涵頂進和設備4個1級指標的風險程度，得出1級風險云與標準云對比云圖，見圖4；再對2級指標的風險程度進行深度分析，本文列舉了4個1級指標中具有代表性的2級指標的風險程度，分別為11，21，32和42，得出2級風險云與標準云對比云圖，見圖5。

圖3 綜合風險云

圖4 1級風險云

圖5 U11，U21，U32和U42 2級風險云

3.3 分析結果

通過分析風險云圖，并且根據式(8)相似度計算可知，該箱涵下穿既有鐵路頂進施工總體風險為Ⅱ級。1級指標中，既有鐵路運營風險、工作坑開挖風險、設備風險可直接觀測出為Ⅱ級風險，箱涵頂進風險等級在Ⅱ級與Ⅲ級之間，經相似度計算可得風險等級接近Ⅱ級。4個風險級別較高的2級風險指標經相似度計算得出，軌距超過容許值風險、塌方風險、安全設施與防護用品選用不當風險等級均接近Ⅱ級，唯有抬頭扎頭風險等級為Ⅲ級，風險等級較高，需要采取相關措施規避風險。

由該箱涵下穿既有鐵路施工工程后續現場施工反饋監測信息可知，在整個頂進施工過程中基本沒有安全隱患，但是在箱涵頂進過程中出現輕微扎頭現象。經分析得出，出現扎頭現象的原因主要有3點：第一，工程地質條件差，主要為人工填土，以及淤泥質黏土，土質較軟，容易產生扎頭現象；第二，箱涵頂進過程中，由于操作不當，前端土體出現了超挖現象，直接導致扎頭現象的發生；第三，基坑降水采用井點降水法，但是降水結果未完全達到預期效果，間接導致了扎頭現象的發生。最后經過用千斤頂向上頂起箱涵，在箱涵兩邊打混凝土帶，中間換填碎石等現場補救措施，消除了箱涵扎頭現象，最終施工正常進行，未發生傷亡情況。其他指標的現場施工情況與最終評價等級基本吻合。可見本文建立的基于組合賦權二維云模型的箱涵下穿既有鐵路施工風險評價方法可用于工程實踐。

表2 后果等級和概率等級分值

注：,′分別為后果、概率等級分值。

表3 各級指標加權后權重

表4 后果等級和概率等級風險云數字特征

4 結論

1) 箱涵下穿既有鐵路施工風險評價指標具有不確定性與隨機性，本文采用二維云模型的風險評估方法，通過輸出云圖，更加直觀地得出箱涵施工過程的風險等級。

2) 采用線性加權法確定最終權重。該方法避免了僅使用單一方法確定權重的局限性，使風險評價結果更加貼近實際。

3) 基于組合賦權二維云模型對天津北海路下穿進港鐵路二線地道工程，即箱涵下穿既有鐵路施工過程進行風險評價，評價結果與實際工程契合，說明本文所提出的風險評價方法可行，可應用于實際工程中。

[1] Mitsutaka Sugimoto, Auttakit Asanprakit. Stack pipe model for pipe jacking method[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2010, 136(6): 683–692.

[2] Senda T, Shimada H, Sasaoka T, et al. Behavior of surrounding soil during construction and its countermeasures using pipe jacking method in deep strata[J]. Open Journal of Geology, 2013, 3(2): 44?48.

[3] 金繼偉. 下穿既有鐵路大跨度架空頂進箱涵的設計與施工關鍵技術[J]. 鄭州大學學報(工學版), 2012, 33(3): 28?32. JIN Jiwei. Key technique in the design and construction of large span overhead jacking culvert beneath the existing railway[J]. Journal of Zhengzhou University (Engineering Science), 2012, 33(3): 28?32.

[4] ZHANG Dingwen, LIU Bo, QIN Yujun. Construction of a large-section long pedestrian underpass using pipe jacking in muddy silty clay: A case study[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, 60: 151?164.

[5] 李家穩, 孫先委, 王峰峰. 框架橋下穿既有鐵路施工風險監控研究[J]. 鐵道標準設計, 2019(1): 86?91. LI Jiawen, SUN Xianwei, WANG Fengfeng. Research on the risk monitoring of frame bridge construction under existing railway[J]. Railway Standard Design, 2019(1): 86?91.

[6] 徐珂, 金豪. 高速公路穿越鐵路頂進施工風險評價及控制[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(3): 680?685. XU Ke, JIN Hao. Risk evaluation and control of jacking construction for highway across railway[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(3): 680?685.

[7] 陳俊杰, 繆希仁. 基于二維云模型的短路電流峰值預測[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(23): 94?101. CHEN Junjie, MIAO Xiren. Short circuit current peak prediction based on two-dimensional cloud model[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(23): 94? 101.

[8] 王景春, 張法. 基于熵權二維云模型的深基坑施工風險評價[J]. 安全與環境學報, 2018, 18(3): 849?853. WANG Jingchun, ZHANG Fa. Risk assessment of the deep foundation pit based on the entropy weight and 2-dimensional cloud model[J]. Journal of Safety and Environment, 2018, 18(3): 849?853.

[9] 王景春, 張法. 基于熵權二維云模型的煤礦瓦斯爆炸評價研究[J]. 煤礦機械, 2017, 38(9): 166?168. WANG Jingchun, ZHANG Fa. Study on evaluation of gas explosion based on entropy right and two-dimensional cloud model in coal mine[J]. Coal Mine Machinery, 2017, 38(9): 166?168.

[10] 李眾, 楊一棟. 一種新的基于二維云模型不確定性推理的智能控制器[J]. 控制與決策, 2005, 20(8): 866?872, 877. LI Zhong, YANG Yidong. A novel intelligent controller based on uncertainty reasoning of two-dimension cloud model[J]. Control and Decision, 2005, 20(8): 866?872, 877.

[11] CHENG Min, LU Yujie. Developing a risk assessment method for complex pipe jacking construction projects[J]. Automation in Construction, 2015, 58: 48?59.

[12] 鄭余朝, 周賢舜, 李俊松. 盾構隧道下穿高速鐵路站場安全風險評估管理方法[J]. 地下空間與工程學報, 2018, 14(2): 523?529, 557. ZHENG Yuchao, ZHOU Xianshun, LI Junsong. Security risk assessment management on shield tunnel under-crossing high-speed railway station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(2): 523?529, 557.

[13] 康祖瑋, 楊偉超, 尹榮申, 等. 超大矩形斷面淺覆土盾構頂管施工風險識別及風險評估[J]. 鐵道科學與工程學報, 2017, 14(5): 1105?1112. KANG Zuwei, YANG Weichao, YIN Rongshen, et al. Construction risk identification and risk assessment of large rectangular shallow embedded shield pipe jacking tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(5): 1105?1112.

[14] 葉瓊, 李紹穩, 張友華, 等. 云模型及應用綜述[J]. 計算機工程與設計, 2011, 32(12): 4198?4201. YE Qiong, LI Shaowen, ZHANG Youhua, et al. Cloud model and application overview[J]. Computer Engineering and Design, 2011, 32(12): 4198?4201.

Risk assessment of box culverts construction under existing railway based on combined weighted two-dimensional cloud model

WANG Jingchun1, DONG Yanyan1, LI Qin2, CHENG Yueli2

(1. College of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. Beijing Tiejian Engineering Supervision Co., Ltd, Beijing 100860, China)

The risk factors in the box culvert construction under the existing railway are uncertain. Therefore, this paper used the method of the combined weighted two-dimensional cloud model to evaluate the risk. The risk assessment index system was established from four aspects of existing railway operation risk, working pit excavation risk, box culvert jacking risk and equipment risk. The analytic hierarchy process and entropy weight method were used to determine weights. The consequences and probabilities were taken as two sets of basic variables of the two-dimensional cloud. Finally, the risk level was determined by the output cloud map and the risk cloud closeness calculation. The above method was used to evaluate the risk of Tianjin-Beihai Road under-crossing the second-line tunnel project of the inbound railway, and the risk level of the construction process is grade II. The risk is acceptable and consistent with the actual situation of the project, indicating that the risk assessment method established in this paper is reasonable and can be used in engineering practice.

existing railway; box culvert construction; combined weight; two-dimensional cloud model; risk assessment

U215.8

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0516 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190375

2019?05?05

國家自然科學基金資助項目(51608336)；北京鐵建工程監理有限公司專項研究課題(2018001)

王景春(1968?)，男，河北隆堯人，教授，博士，從事土木工程與安全工程教學與研究工作；E?mail：wjc36295@163.com

(編輯 陽麗霞)