穿越現有運營站的新地鐵站施工安全風險評估研究

李夢笛，邵志國，于德湖

(1.青島理工大學 a.管理工程學院；b.土木工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

近年來，隨著我國城市化進程的加快，農村人口大量涌入城市，城市交通擁堵、空氣污染及資源短缺等“城市病”問題不斷加重。為解決此類“城市病”，各國政府皆大力發展公共交通。城市軌道交通以其運量大、節能環保、安全等優點，成為公共交通中的中流砥柱，很好地解決了城市交通擁堵及空氣污染問題。由于我國地鐵引進較晚，目前比較重視施工建設、運營和維護階段，而忽視了地鐵線路的超前規劃。另外，伴隨我國城市的快速發展，早期建設的部分地鐵線路已不能滿足人們日益增長的交通要求。由于缺乏超前規劃，部分城市亟需各種穿越現有運營站的新地鐵站的建設。在換乘站下穿工程施工過程中，新地鐵建設與現有地鐵結構具有復雜作用，其施工將嚴重影響著既有車站運營的安全，同時，既有車站的運營也將影響新建地鐵站的施工安全[1]。因此，研究穿越現有運營站的新地鐵站施工安全風險意義重大。

目前，大量國內學者已對穿越現有運營站的新地鐵站施工進行了研究。LUO等將層次分析法和模糊物元法相結合，研究了新建地鐵車站下穿既有運營站施工安全風險評估問題，并將安全風險評價模型應用于成都軌道交通8號線東麓站項目[2]；楊軍等分析了暗挖地鐵站下穿既有車站存在的安全風險，對比分析了“PBA三導洞”和“CRD工法”，最終確定“PBA三導洞”對施工過程中地鐵站的變形有一定的控制效果[3]；嚴小衛等以哈爾濱地鐵3號線為例，將BIM(Building Information Modeling)技術運用于地鐵站下穿既有地道橋的施工中，提出一種新的設計管理方法[4]；翁木生對西安地鐵下穿鐵路重要部位進行研究，采用了交叉中隔墻等方法進行施工，既保證了原有鐵路的正常運行，又保證了現有地鐵施工的安全順利進行[5]；梁泊采用因果分析法和德爾菲法對新建地鐵站下穿運營站的安全風險進行風險識別，確定了49項風險因素指標，并將研究成果成功運用到成都地鐵的施工建設中，得到有效的驗證[6]；姬剛從不可抗力風險、周圍環境風險、施工技術風險、管理及人員風險4個方面對上海地鐵金沙江西路站存在的施工風險進行了研究[7]；孫英偉在南寧地鐵H段地鐵站研究中發現造成地鐵施工安全的因素主要表現在工作人員缺乏安全意識、材料的質量問題、機械的質量問題、組織管理結構不合理、施工環境等5個方面，并確定各因素對地鐵站施工安全的影響程度[8]；楊帥超對地鐵站施工中頻發風險進行排序，并提出防控措施[9]。

綜合來看，目前我國學者在地鐵站的施工技術和地下工程的安全風險管理等方面已進行大量研究，但對新建地鐵站穿越現有運營地鐵站工程的安全風險管理研究仍較少。由于施工單位既要維持既有車站的正常運行，又要保證新車站的正常施工，使得施工單位進行穿越工程的施工比普通地鐵工程更為復雜和危險。因此，有必要提出一套適用于新地鐵車站下穿既有運營車站的地鐵穿越工程的風險評估體系。為此，本文提出改進TOPSIS(Technique for Order Performance by Similarity to an Ideal Solution)方法，對新建地鐵站下穿既有運營車站施工中存在的風險進行評估，并提出相應風險防控措施，為地鐵站施工安全管理工作提供參考。

1 研究方法

穿越現有運營站的新地鐵站施工具有信息量大、技術高、施工復雜、規模巨大、不確定性風險多等特點，是一項復雜的系統工程。在風險評估方法中，模糊綜合評價法在分析和處理多變量、多因素、多層次的復雜系統中比較適用。其中，改進TOPSIS方法避免了傳統的TOPSIS方法的不足，以其獨特的優勢在地鐵站風險評估中廣泛應用。本文采用的改進TOPSIS方法相比于傳統TOPSIS方法主要進行兩個方面的改進：一是采用馬氏距離計算各評價方案到正理想解和負理想解的距離，此種計算距離的方法不同于傳統TOPSIS方法中歐式距離法，突出表現在可以擺脫各評價指標相關性帶來的影響，從而使評價結果更加準確；二是改進TOPSIS方法引入了CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)賦權法，該方法可確定評價指標的權重，解決專家打分法產生的主觀性及標準離差法上的不足。

假設有n個評價對象B1,B2,…,Bn，每個評價對象都有m個評價指標xij為評價對象Bi在指標xj下的指標值(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)。計算步驟如下：

步驟1 由各方案原始數據構建決策矩陣，所構建的矩陣如下式所示：

步驟2 為消除不同指標量綱的影響，對原始矩陣標準化：

(1)

由以上公式得出原始矩陣的標準化矩陣為BN。

步驟3 估計指標權重。CRITIC是一種對高相關性指標權重進行評估的方法。標準化后矩陣BN的第j個指標的標準差為

(2)

(3)

其中

(4)

ρjk表示第j個指標與第k個指標之間的相關系數，ρjk取值范圍從-1到1。ρjk的絕對值越大表示j與k這兩個指標之間的正(負)相關性越強。Rj越大表示第j個指標對其他指標的正相關性越弱。第j個指標的權重為

(5)

步驟4 根據原始數據求解各屬性指標之間的相關系數。由于各屬性指標之間較強的相關性會導致歐氏距離失效，此步通過求解各屬性指標之間的相關系數判斷各指標之間是否相關。若相關，采用馬氏距離代替歐式距離進行距離計算；否則，使用歐式距離進行計算。同時，此步還可以得到相關系數矩陣C。

步驟5 求解加權標準化矩陣。用權重矩陣乘以原始數據標準化后的矩陣從而得到一個新的矩陣，即為加權標準化矩陣W：

W=w×BN。

(6)

步驟6 確定正理想解(S+)和負理想解(S-)：

S+={maxwij|j=1,2,…,n} ，

(7)

S-={minwij|j=1,2,…,n} 。

(8)

步驟7 對象到正理想解和負理想解的馬氏距離：

(9)

(10)

式中：C-1為逆矩陣(C為相關系數矩陣即協方差矩陣)。

步驟8 運用馬氏距離求解各指標之間的相對貼近度：

(11)

2 案例分析

2.1 工程概況

將構建的評估模型應用于青島地鐵1號線下穿運營的地鐵13號線井岡山路地鐵站施工過程中。青島地鐵1號線是貫穿主城區、黃島區和城陽區三大區的一條骨干線路。該線路最南端是峨眉山路站，最北端是興國路站，途經黃島汽車站、青島火車站、火車北站、汽車北站等重要交通樞紐，總里程約59.97 km，其中地下29站，站間距約為1524 m，與11條地鐵線路交接。青島地鐵13號線起于嘉陵江路站，止于董家口火車站。井岡山路站是青島地鐵1號線與13號線的換乘站，其1號線部分正在建設中，是地下二層車站。13號線部分為已經運營的地下三層車站。井岡山路地鐵站地處上軟下硬的不良地質，且地上周圍建筑物施工復雜，在施工過程中極易發生地表沉降、路面斷裂、坍塌等問題，施工難度相當大。

2.2 確定評價指標

地鐵站風險評價指標能充分反映工程風險的影響因素，在選取風險評價指標時一定要嚴格按照相關原則進行，綜合考慮風險評價指標的科學性、客觀性、可行性，使選取的評價指標更好地反映工程項目中存在的風險[10]。本文通過對大量地鐵站施工風險管理指標相關文獻的統計分析，初步確定從既有車站軌道變形、既有車站沉降、既有車站坍塌、新建車站裂縫、新建車站基坑坍塌、新建車站涌水涌砂等六項風險進行評估，從而確定風險的大小。下穿既有地鐵站風險指標見表1。

表1 下穿既有地鐵站風險指標

2.3 風險指標評估

1) 處理原始數據，進行指標評分。采用問卷調查法邀請了10位熟悉本工程的專家對風險指標進行打分，風險指標評價值見表2。

表2 風險指標評價值

2) 構建決策矩陣：

3) 求標準化矩陣BN。由式(1)求解原始矩陣標準化后的矩陣BN：

4) 使用CRITIC估計指標權重。由式(2)—(5)計算標準差σj、量化沖突Rj和相關系數ρjk，從而得到指標權重wj。各指標的標準差、量化沖突和權重見表3。

5)求解各屬性指標之間的相關系數矩陣C。

表3 各指標的標準差、量化沖突和權重

表4 各屬性指標之間的相關系數矩陣

由表4可以看出，某些指標之間存在較強的相關性，如X1與X4相關系數為-0.571，X1與X2相關系數為-0.554。若各指標之間相關系數的絕對值大于0.5，將導致歐式距離失效，而馬氏距離的協方差矩陣反映了決策指標之間的相關性，同時降低指標的數據要求，提高決策結果的可信度，所以此案例采用馬氏距離代替歐式距離，使得計算結果更加準確。

6) 求解加權標準化矩陣。由式(6)可得：

表5 各指標相對貼近度

7) 求解正理想解(S+)和負理想解(S-)。由式(7)(8)可得：

S+=(0.176,0.140,0.109,0.109),

S-=(0.072,0.057,0.037,0.044)。

8) 計算評估對象到正理想解和負理想解的距離。根據式(9)—(11)分別求出各指標到正負理想點的馬氏距離，各指標相對貼近度見表5。

由表5可見，各指標風險大小的排序為：B6>B4>B2>B5>B3>B1，即新建車站涌水涌砂風險>新建車站裂縫風險>既有車站沉降風險>新建車站基坑坍塌風險>既有車站坍塌風險>既有車站軌道變形風險。

鑒于風險評估結果，施工單位應提前做好新建車站涌水涌砂、新建車站裂縫風險和既有車站沉降風險防控措施，新建車站在施工過程中要加大涌水涌砂和裂縫的監控，并不定期監測既有車站的沉降情況，做到事前根據地質條件，預估這三種風險發生的概率，確定相應的防控等級，事中勤于監測，事后做好防護。相比于以上三種風險，新建車站基坑坍塌風險、既有車站坍塌風險和既有車站軌道變形風險較低。因此，施工單位在施工中應定期監測，發現問題及時處理，并做好定期養護和檢修工作，降低風險發生的可能性和損失。

3 結論

1) 將改進TOPSIS方法應用于青島地鐵1號線穿越正在運營的青島地鐵13號線的井岡山路地鐵站施工風險評估中，對施工中可能發生的風險進行排序，可為施工單位提供一定的參考，有助于提高施工的安全性。

2) 通過計算結果得出新建車站涌水涌砂風險、新建車站裂縫風險和既有車站沉降風險較大，施工單位可以預先制定相應的防控措施，盡可能降低風險發生概率。

雖然本文對TOPSIS方法做了兩方面的改進，但是此次改進并不全面。同時，構建的評價指標體系仍有待進一步豐富完善，這將是未來研究的重點。