基于AHP-模糊綜合評價法的城際軌道交通工程施工風險研究

金起波， 劉 源

(1.湖南省交通運輸廳規劃與項目辦公室, 湖南 長沙 410000； 2.湖南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著社會經濟快速發展，城市化進程加快，規劃建設城際間快速軌道交通已經成為城市群城鎮體系發展的迫切需求。由于城際軌道交通工程投資大、工程量大、施工周期長且施工復雜[1]，施工安全事故時有發生。通過對城際軌道交通工程施工風險進行評估并采取有效控制措施，持續改進施工方法，可有效預防施工風險。本文將層次分析法(AHP)與模糊綜合評價法相結合，提出了基于模糊綜合評價的軌道交通風險評估數學模型，為軌道交通工程項目的風險評估提供一種定性與定量相結合的分析方法。

1 風險評估原理

1.1 風險的概念

風險可以表示為關于不確定性(風險概率)和損失(后果)二者的函數[2]：

R=f(P，C)

(1)

式中：R表示風險；P表示風險發生的概率或重現周期;C表示風險發生造成的破壞、損失。

根據《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》(GB 50652—2011)，結合現有的地質和工程經驗，風險評價等級集將由風險概率等級、風險損失等級、風險評估矩陣和風險等級接受準則構成。

1.2 確定評價指標權重

在風險因素識別的基礎上，建立風險因素集合U，U也是風險綜合評價指標的集合；采用Saaty 提出的 9 級標度法，構造判斷矩陣A，使用Matlab利用迭代法，可以根據判斷矩陣計算得到權重向量W及其最大特征值的近似值λmax。之后再進行判斷矩陣的一致性檢驗，以保證判斷矩陣的合理性。

1.3 構造判斷矩陣

1) 確定評價集V。

2) 根據模糊映射關系f∶U→F→f，其中f是單因素u的模糊評價向量，rij表示單因素ui在評價集V下的程度大小，可得各單因素ui的評價集Ri，從而得到模糊綜合評價矩陣：

(2)

1.4 模糊綜合評價

通過模糊變化，將模糊評價向量變為模糊綜合評價結果向量：

B=W×R=(b1，b2，…,bn)

(3)

式中： 元素b即為模糊綜合評價指標，簡稱為評價指標，它代表被評價對象從整體上看對評價集中第i個等級vi的隸屬程度。

為了精確評價軌道交通施工的風險，從綜合評價結果向量B中，挑選出最大值bi= max{bi}，則它所對應評價集V中的vi所代表的等級就是綜合評價的結果。

2 工程實例應用

2.1 項目概況

湖南某城際軌道交通工程線路全長17.29 km，其中地下段長7.36 km，高架線長9.47 km，過渡段長0.25 km，路基段長0.21 km，設站8座，其中地下站4座，高架站4座。

擬建工程呈帶狀，地形起伏總體較小，穿越城市道路、房屋等。地層穿越主要包括第四系覆蓋層及下伏基巖，其中：第四系覆蓋層包括人工填土、斷續分布的全新統淤泥質土、粉質粘性土，其下為第四系更新統粉質粘土、粉細砂、中粗砂、圓礫、局部粘土夾碎石角礫；下伏基巖為第三系、白堊系礫巖、泥質粉砂巖、泥巖，泥盆系石英砂巖、粉砂巖、泥灰巖、灰巖，寒武系頁巖，構造角礫巖等。主要斷裂發育帶5條，與線路相交的斷裂帶有4條，均為燕山晚期斷裂，非活動性斷裂。場地部分地段巖溶較發育，規模較大。工程場地近場區地震活動性較弱，地震頻度和強度均低，歷史無4%級以上破壞性地震記載。

2.2 風險指標體系的構建

湖南某城際軌道交通工程施工風險指標識別采用故障樹與專家咨詢相結合的識別方法，根據施工風險源辨識所得出的工程相關風險因素，總結類似線路施工風險處理的相關資料和相關信息數據，結合專家的經驗和集體智慧，再用德爾菲法進行修正，對本工程施工過程中潛在的風險因素進行系統辨析，并利用層次分析法建立風險評價指標體系(見表1)。

表1 施工風險評價指標體系總風險一級風險二級風險三級風險地鐵施工風險R車站工程(C1)區間隧道(C2)橋梁工程(C3)車站明挖(D1)車站結構(D2)盾構法(D3)明挖法(D4)橋基工程(D5)橋梁(D6)基坑坍塌(D11)基坑支護失效(D12)臨近建構筑物破壞(D13)排降水措施失效(D14)結構開裂(D21)高支模失穩(D22)掘進軸線偏離設計軸線(D31)引發地面沉降(D32)穿越既有構筑物安全風險(D33)盾構進出洞風險(D34)盾構涌土、流砂、漏水風險(D35)盾尾密封裝置泄露(D36)基坑坍塌(D41)支護結構破壞(D42)臨近建筑物破壞(D43)樁基礎塌孔(D51)橋基下沉(D52)橋臺及支座損壞(D53)基礎不均勻沉降(D54)預應力張拉不足(D61)高支模失穩(D62)掛籃結構失穩(D63)

將本線路施工風險評估指標體系分為四層。

第一層為目標層： 項目總風險R； 第二層為準則層：C1～C3；第三層為子準則：D1～D6；第四層為隸屬于第三層的風險因子：D11～D14， D21～D22， D31～D36， D41～D43， D51～D54， D61～D63。

2.3 指標權重的計算

在施工風險分析中，每個因素的影響重要性程度不同，因素權重集的建立就是為了描述各個因素的重要性程度。本次評估采用層次分析法，運用 1-9 標度法及根法近似計算得到各風險因子的權重，根據風險指標體系，請專家對因素之間兩兩進行比較打分，定義1為兩者同等重要，3為前者比后者略微重要，5為前者比后者明顯重要，7為前者比后者強烈重要，9為前者比后者絕對重要。根據打分評判結果，構造因素的判斷矩陣，并根據判斷矩陣計算因素權重，計算得到該矩陣最大特征值所對應的特征向量，將該特征向量標準化，使其和為1，則標準化后的特征向量代表了因素權重。所得結果見表2。

表2 施工風險指標體系及風險因素權重總風險一級風險二級風險三級風險地鐵施工風險R車站工程(C1)WC1=0.3區間隧道(C2)WC2=0.4橋梁工程(C3)WC3=0.3車站明挖(D1)WD1=0.7車站結構(D2)WD2=0.3盾構法(D3)WD3=0.7明挖法(D4)WD4=0.3橋基工程(D5)WD5=0.6橋梁(D6)WD6=0.4基坑坍塌(D11)WD11=0.3基坑支護失效(D12)WD12=0.3臨近建構筑物破壞(D13)WD13=0.15排降水措施失效(D14)WD14=0.25結構開裂(D21)WD21=0.5高支模失穩(D22)WD22=0.5掘進軸線偏離設計軸線(D31)WD31=0.1引發地面沉降(D32)WD32=0.2穿越既有構筑物安全風險(D33)WD33=0.2盾構進出洞風險(D34)WD34=0.2盾構涌土、流砂、漏水風險(D35)WD35=0.1盾尾密封裝置泄露(D36)WD36=0.2基坑坍塌(D41)WD41=0.4支護結構破壞(D42)WD42=0.35臨近建筑物破壞(D43)WD43=0.25樁基礎塌孔(D51)WD51=0.25橋基下沉(D52)WD52=0.35橋臺及支座損壞(D53)WD53=0.1基礎不均勻沉降(D54)WD54=0.3預應力張拉不足(D61)WD61=0.3高支模失穩(D62)WD62=0.4掛籃結構失穩(D63)WD63=0.3

2.4 AHP結合模糊綜合法的整體風險評價

運用專家調查法通過 10 位專家對每一指標的風險概率(P)及風險損失(C)進行評價打分，獲得每一級風險下的風險概率隸屬度向量Pij，以及每一級風險下的風險損失隸屬度向量Cij(其中i代表第i層，j代表第i層第j指標)，按照矩陣R=P×C工程定級法獲得每一指標的R矩陣。根據工程風險P×C組合分級原則得出風險事件X等級隸屬度分別為：

一級：R=SUM(1A，1B，1C，2A)

二級：R=SUM(1D，1E，2B，2C，2A)

三級：R=SUM(2D，2E，3B，3C，4A，4B)

四級：R=SUM(3D，3E，4C，4D，5A，5B)

五級：R=SUM(4E，5C，5D，5E)

等級隸屬度組成的行向量與各自對應風險等級值組成的列向量相乘即等于每個風險因子的風險值Rij。結合上述計算原理，獲得每一層次的風險指標值及風險等級，目標層R指標模糊評價計算，得出施工安全總風險為0.415 7。

2.5 風險控制建議

計算得到施工安全總風險為0.415 7，對應風險等級為三級，施工安全屬于可接受的范圍；除常規檢查外，應對安全有所重視并采取一些預防與檢測措施。結合對擬建工程及周邊環境的調研可以得出，在后續工程施工中可能出現的主要危險源及風險控制建議如下：

1) 在地質條件方面，沿線存在有人工填土、殘積土及全風化巖與巖土地層，土質不均，地層穩定性差，在施工前應采用注漿等預加固技術對其性質改良后再進行施工。同時線路穿越區承壓的基巖裂隙水、巖溶裂隙水，水壓高，水量大，在施工前應采取必要的工程降、排水措施；盾構掘進施工前須對影響范圍內巖溶進行有效加固，并檢測加固效果;還應對盾構機的盾構掘進參數進行計算與優化，并進行試掘進測試。

2) 線路經過區大量地穿越既有建構筑物，其中超小凈距穿越某站臺、站房工程，環境風險大，應加強施工控制，并輔助地層加固等安全控制措施，確保隧道安全穿越既有建構筑物。

3) 本項目多個車站采用明挖法施工，周邊環境復雜，地層條件工程性質差，應嚴格控制基坑開挖施工，減小對周邊管線與建構筑物影響。

3 結論

以湖南某城際軌道交通工程為研究對象，在對地鐵工程風險源進行識別的基礎上，將層次分析法(AHP)與模糊綜合評價法相結合，提出了基于模糊綜合評價的軌道交通風險評估數學模型。借助模糊識別方法，在風險辨識的基礎上，分析各種不同類型的地質特征、施工方法和自然災害發生的概率，以及一旦發生后對施工設備、環境及人身安全、工程質量等造成的影響程度。建立了一套風險指標體系與研究模型，對各種風險進行量化分析與評價，為軌道交通工程項目的風險評估提供一種定性與定量相結合的分析方法。