基于模糊數(shù)學(xué)的地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)
——以F市某地鐵項(xiàng)目為例

楊 蘇，霍巧芬

(安徽建筑大學(xué) a.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院；b.安徽省建筑經(jīng)濟(jì)與房地產(chǎn)管理研究中心，合肥 230000)

0 引言

城市地鐵大多在地下運(yùn)行，可以有效減少地面擁堵，因此近年來在我國大城市地鐵得到了迅猛發(fā)展。城市地鐵一般位于城市人口密集區(qū)，具有工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度系數(shù)大以及潛在風(fēng)險(xiǎn)種類多等特點(diǎn)[1]。在施工過程中，若風(fēng)險(xiǎn)控制環(huán)節(jié)做得不到位，就會(huì)帶來很多的安全問題。近年來全國各地地鐵建設(shè)施工過程中事故頻發(fā)，造成了不可挽回的損失，并在社會(huì)上產(chǎn)生了惡劣的影響，因此對地鐵施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理和控制是非常必要和緊迫的。

地下結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)研究是從20世紀(jì)50年代末開始的，直到70年代后才取得重大突破。美國的Einstein H.H.[2]最先提出了地下隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)和所遵循的理念。Duddeck H.[3]在風(fēng)險(xiǎn)評估方面提出了多項(xiàng)意見，其中涵蓋對國際隧道工程協(xié)會(huì)就合同風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)的建議。Smith R.J.[4]在分析了地下工程中的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)之后，提出了風(fēng)險(xiǎn)分配的理念和原則，并且在此基礎(chǔ)上提出了一套具有8個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)分配流程。Choi H.H.[5]等人在分析了地鐵建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評估方法之后，提出了一套標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)程序。相較于國外，我國在風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域的研究起步較晚，于20世紀(jì)中期才開始進(jìn)行。1987年，清華大學(xué)郭仲偉教授編著的《風(fēng)險(xiǎn)分析與決策》一書出版，標(biāo)志著我國風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)入了新紀(jì)元，自此越來越多的專家學(xué)者開始重視這個(gè)研究領(lǐng)域，風(fēng)險(xiǎn)管理逐漸成為我國學(xué)術(shù)界的重點(diǎn)研究對象。

本文以F市某地鐵項(xiàng)目為評價(jià)對象，列舉出對整個(gè)工程項(xiàng)目可能造成影響的各類風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，利用OWA算法[6-8]確定指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合模糊集合計(jì)算數(shù)學(xué)期望值[9-10]，根據(jù)期望值的大小來評定地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)等級，并將此作為地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)管理的理論依據(jù)，提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理控制措施。

1 地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)選定原則

地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)選定應(yīng)遵循如下原則[11]：(1)典型性原則。要保證評價(jià)指標(biāo)具有一定的典型代表性，地鐵施工的風(fēng)險(xiǎn)因素多、雜，這些因素不可能全部列舉出來，所以評價(jià)指標(biāo)要盡可能選取具有代表性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。(2)綜合性原則。選擇的評價(jià)指標(biāo)要盡可能體現(xiàn)綜合性，需全面深入了解整個(gè)地鐵工程建設(shè)項(xiàng)目，以求所選的指標(biāo)能全面綜合地反映整體項(xiàng)目工程的風(fēng)險(xiǎn)特征要求。(3)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的原則。選取指標(biāo)時(shí)還要考慮所選定的指標(biāo)是否能夠量化處理，以便于進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和分析。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的確立

通過文獻(xiàn)研究法[12-14]，總結(jié)出歷年在我國各地發(fā)生的地鐵施工事故中環(huán)境因素、施工管理、施工技術(shù)、施工人員是主要的施工風(fēng)險(xiǎn)類型，因此，將這4個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)類型作為一級指標(biāo)，并細(xì)分為15個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，作為二級指標(biāo)，建立地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

1.3 風(fēng)險(xiǎn)因素分析

1.3.1 環(huán)境因素

外界環(huán)境處于不確定的動(dòng)態(tài)變化之中，所以其對地鐵施工造成的影響是不確定的。常見的環(huán)境因素主要包括：地質(zhì)條件，如地質(zhì)災(zāi)害以及巖土體情況不穩(wěn)定等；地下管線，如燃?xì)狻⑽鬯芫€較多、分布錯(cuò)綜復(fù)雜等；氣候條件，如遇風(fēng)力過大或降雨量過多等惡劣天氣；施工現(xiàn)場環(huán)境，如照明不良、現(xiàn)場安全防護(hù)不達(dá)標(biāo)、設(shè)備器材擺放雜亂無章等；周邊建筑環(huán)境，如地鐵臨近建筑物地基、臨近江河道路橋梁等。

1.3.2 施工人員

施工人員是工程項(xiàng)目的實(shí)施者，在施工過程中起著至關(guān)重要的作用。常見的施工人員風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括工作態(tài)度、安全意識、工作技能，比如施工人員注意力不集中、酒后作業(yè)、存在僥幸心理冒險(xiǎn)作業(yè)、精神狀態(tài)不佳、安全意識薄弱、缺乏應(yīng)變能力、不遵守安全操作、無證上崗、技術(shù)不熟練、經(jīng)驗(yàn)不足、操作失誤等。

1.3.3 施工管理

常見的施工管理風(fēng)險(xiǎn)因素包括安全管理制度、施工組織、管理人員能力、安全檢查及監(jiān)測，比如存在安全管理制度不合理、安全責(zé)任情況落實(shí)不到位、施工組織混亂、管理人員能力低下、現(xiàn)場沒有有效進(jìn)行檢查及監(jiān)督、作業(yè)人員施工質(zhì)量與安全檢查不到位等方面的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.4 施工技術(shù)

常見的施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要包括降排水情況、爆破、支護(hù)等，比如，防排水工藝質(zhì)量沒有保障，導(dǎo)致發(fā)生滲水事件；地鐵隧道爆破導(dǎo)致周邊近建筑物裂開或損毀；支護(hù)措施不到位發(fā)生塌方等。

2 地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重的確定是決策過程中重要的環(huán)節(jié)之一，目前關(guān)于權(quán)重確定的方法有很多，常用的賦權(quán)方法有層次分析法(AHP)、專家打分法、二項(xiàng)系數(shù)法以及熵權(quán)法等，但此類方法的評價(jià)結(jié)果往往具有較強(qiáng)的主觀隨意性。Yager提出的OWA算子賦權(quán)方法(次序權(quán)重平均法)是一種可以動(dòng)態(tài)選擇決策風(fēng)險(xiǎn)的方法，它的顯著特點(diǎn)是首先對所給的數(shù)據(jù)信息按照從大到小的順序進(jìn)行重新排序，然后再對新的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行集結(jié)，可以結(jié)合準(zhǔn)則權(quán)重和次序權(quán)重來進(jìn)行綜合評價(jià)。本文采用OWA法來確定F市某地鐵項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

2.1.1 決策數(shù)據(jù)集結(jié)

以向量的形式表示評價(jià)指標(biāo)所給出的決策數(shù)據(jù)，并記向量a=(a1，a2，…，an)，對向量a的分量重新排列，按從大到小的順序得到向量b=(b1，b2，…，bn)。

2.1.2 權(quán)重向量的確定

對向量b的每一個(gè)分量進(jìn)行賦權(quán)，運(yùn)用組合數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算，向量b的權(quán)重向量記為?=(?1，?2，…，?n)，其中，第j個(gè)分量為：

(1)

通過權(quán)重向量?對向量b加權(quán)，求出評價(jià)指標(biāo)的絕對權(quán)重值wi：

(2)

其中，?∈[0，1]，j=1，2，…，n。

計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際權(quán)重值wj：

(3)

2.2 模糊集合與數(shù)學(xué)期望值

2.2.1 評估因素集的建立

評估因素集向量B=[B1，B2，…，Bn]T，其中，Bi=[bi1，bi2，…，bij]T(i，j=1，2，…，n)。

2.2.2 評估等級的確定

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系中定性和定量因素的性質(zhì)，綜合考慮后確定風(fēng)險(xiǎn)評估等級。將其劃分為5個(gè)等級，即[v1，v2)[v2，v3)[v3，v4)[v4，v5)[v5，0)，分別代表高、較高、中等、較低、低5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級。

2.2.3 模糊集合的獲取

采用專家打分法獲取模糊集合。依據(jù)上述地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系制定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)表，發(fā)放給F市某地鐵項(xiàng)目的專家以及技術(shù)骨干。專家們根據(jù)對該建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)的了解和以往經(jīng)驗(yàn)對各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行打分(總分記為10分)。設(shè)評估對象為二級指標(biāo)中的要素Cij(i，j=1，2，…，n)，評估集中第k(k∈[1，N])個(gè)元素的隸屬度為rijk，由此可以構(gòu)建由二級指標(biāo)單因素組成的模糊集矩陣Aijk。

2.2.4 數(shù)學(xué)期望值的計(jì)算

數(shù)學(xué)期望計(jì)算公式為：

Ei=(aij1v1+aij2v2+…+aijkvk)/N，

(4)

其中aijk是對Cij給出評價(jià)結(jié)果(vs)的專家人數(shù)，N為專家總?cè)藬?shù)。

根據(jù)公式(4)得到Ci的相應(yīng)分向量為：

E=[E1，E2，…，Ei]T。

3 實(shí)證分析

邀請5位專家采用十分制對F市某地鐵項(xiàng)目各級指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重評分，運(yùn)用OWA算法進(jìn)行計(jì)算，求得各級指標(biāo)的權(quán)重，并結(jié)合模糊集合計(jì)算數(shù)學(xué)期望值，求得綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果。

3.1 OWA法確定權(quán)重

因篇幅所限，以一級指標(biāo)為例，5位相關(guān)專家采用十分制打分，如表2所示。

表2 權(quán)重評分決策數(shù)據(jù)

以指標(biāo)B1的權(quán)重計(jì)算為例，首先對決策數(shù)據(jù)按照從大到小的順序進(jìn)行排序得到(9，9，9，8.5，8.5)。評價(jià)者的個(gè)數(shù)n=5，則由公式(1)求得賦權(quán)向量?j=(0.06，0.25，0.38，0.25，0.06)，則B1的權(quán)重為：

同理可計(jì)算出w2至w4，依次為8.25，9.44，8.91。

各二級指標(biāo)權(quán)重向量的計(jì)算與一級指標(biāo)的計(jì)算過程相同，計(jì)算結(jié)果如下：

3.2 模糊理論結(jié)合數(shù)學(xué)期望進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

利用該建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)二級指標(biāo)的權(quán)重和期望值來計(jì)算一級指標(biāo)的期望值，在模糊集矩陣中將二級指標(biāo)的評估值劃分為5個(gè)等級，令v1，v2，v3，v4，v5分別為10，8，6，4，2，則[10，8)[8，6)[6，4)[4，2)[2，0)分別表示高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)。選取20名專家對各二級指標(biāo)進(jìn)行評估，結(jié)果如表3所示。

表3 F市某地鐵項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

經(jīng)公式(4)計(jì)算，F(xiàn)市某地鐵項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)總數(shù)學(xué)期望值為6.17，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知該項(xiàng)目處于“較高風(fēng)險(xiǎn)”級別，對此，施工管理人員要及時(shí)制定改進(jìn)措施來防范風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。將風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)按數(shù)學(xué)期望值由高到低排序，排在前兩位的定為主要風(fēng)險(xiǎn)因素，則F市某地鐵項(xiàng)目施工一級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中主要風(fēng)險(xiǎn)因素為環(huán)境因素和施工技術(shù)，其中，地質(zhì)條件和周邊建筑環(huán)境是環(huán)境因素二級指標(biāo)中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，支護(hù)和降排水情況是施工技術(shù)二級指標(biāo)中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.3 地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工主要風(fēng)險(xiǎn)因素控制措施

針對F市某地鐵項(xiàng)目施工過程中地質(zhì)條件、周邊建筑環(huán)境、降排水情況、支護(hù)4個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)加以重點(diǎn)防范，制定詳細(xì)的控制措施。

地質(zhì)條件措施：在進(jìn)行地鐵基坑開挖工程時(shí)，不僅應(yīng)注意基坑側(cè)壁的巖土材料復(fù)雜性，而且對其他各種偶然因素的作用也要進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。基坑在支護(hù)時(shí)應(yīng)針對其特性采用“短開挖、快封閉、強(qiáng)措施、防滲入、留基土”施工方法，盡可能地減少膨脹土的危害。

周邊建筑環(huán)境措施：在基坑開挖的過程中，應(yīng)運(yùn)用土的時(shí)空效應(yīng)原理，即在基坑內(nèi)土方開挖后，利用土體變形在時(shí)間上和空間上的滯后性，及時(shí)架設(shè)支撐和預(yù)加軸力來平衡圍護(hù)內(nèi)外土的壓力差，防止圍護(hù)變形和周邊建筑物沉降，以保障周圍建筑物的安全，同時(shí)也要保障市政管線設(shè)施的正常使用。

支護(hù)措施：基坑支護(hù)施工管理是一項(xiàng)復(fù)雜而且重要的管理工作，首先要加強(qiáng)對施工人員的管理，嚴(yán)格按照施工工藝順序及技術(shù)要求進(jìn)行施工，在基坑開挖的過程中，要及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測來獲得支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變化的動(dòng)態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整施工方案。

降排水情況措施：及時(shí)記錄氣候條件，防止下雨天雨水浸入，定期進(jìn)行水位觀察，加強(qiáng)對基坑周圍地表沉降以及建筑物的位移監(jiān)測，實(shí)施信息化施工管理，及時(shí)上報(bào)監(jiān)測數(shù)據(jù)，嚴(yán)格控制降水對基坑的影響。

4 結(jié)語

在構(gòu)建地鐵施工項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型分析地鐵施工的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，專家給出的決策數(shù)據(jù)極端值可能會(huì)對風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的確定帶來不利影響，利用OWA算法可以在一定范圍內(nèi)削弱這種影響，使確定的指標(biāo)權(quán)重相對合理。地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的各評價(jià)指標(biāo)多具有一定的模糊性，基于模糊數(shù)學(xué)的地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)能夠?qū)Φ罔F施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，得到具體的地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)數(shù)學(xué)期望值，按照此值的大小可以判斷風(fēng)險(xiǎn)的高低，從而及時(shí)采取有效預(yù)防措施來控制風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。本研究采用的方法對地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)具有一定的參考價(jià)值。