基于CRITIC法與TOPSIS地鐵車站施工安全評價

胥 明，許 杰，萬友生，覃 君，吳 波，謝云杰

（1.南昌軌道交通集團有限公司，江西南昌 330038；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530004；3.中鐵二局第六工程有限公司，四川成都 610036）

引言

隨著我國經濟的發展和城市人口的劇增，越來越多的城市興建地鐵以緩解日益增長的交通壓力。地鐵車站一般修建在城市繁華地區，且具有“深、大、近、難”的特征［1］，往往遇到周邊環境復雜的情況：工程地質條件復雜、施工范圍內管線眾多、周圍房屋密集、交通繁忙、周圍居民較多，造成不確定因素多，風險大，施工困難的問題，需要對地鐵車站施工安全做出科學合理的評價。

地鐵車站施工安全評價一般使用的方法為故障樹法、模糊理論、熵權法、灰色關聯度法、層次分析法和其他方法［2］。薛模美等［3］、周紅波等［4］采用故障樹法對基坑施工風險進行分析，得出施工各階段的風險等級與風險控制措施。Guohua Zhang等［5］、李朝陽等［6］、吳波等［7］基于模糊理論確定施工風險因素的權重，建立了深基坑風險評估體系。Zhenhua Luo等［8］、陳蓉芳等［9］、王景春等［10］利用熵權法對評價指標進行加權處理，構建地鐵深基坑的風險評價體系。郎秋玲等［11］利用現場數據和灰色關聯度法建立評價模型，對地鐵深基坑開挖穩定安全性進行評價。Yuanshun Shen等［12］、李鳳偉等［13］、聶菁等［14］采用層次分析法對地鐵車站風險元素進行排序，進行安全風險分析。Ping Liu等［15］使用粒子群優化算法（PSO）的支持向量機（SVM）模型，對地鐵車站施工的安全風險進行預測。Luyuan Wu等［16］將網絡分析法（ANP）和模糊綜合評判法（FCE）結合，可對地鐵車站總風險等級進行評價。顧雷雨等［17］基于風險概率統計分析的理論，對復雜環境中基坑施工安全預警標準研究，提出了一種預警標準設計方法。姜安民等［18］基于突變級數法構建了地鐵車站施工風險預測模型。上述方法雖能較好地對地鐵車站基坑施工安全評價，但是卻均有一些局限性，如故障樹法計算復雜，且需事先知道所有基本事件發生的概率，否則無法進行定量分析；模糊綜合評判法對指標權重矢量的確定主觀性較強，結果可能會出現超模糊現象，分辨率差；熵權法僅依靠數據分析，客觀性過強，計算結果常與工程實際有較大的偏差，無法體現決策者對各個安全評價指標的重視程度；灰色關聯度法無法解決評價指標間相關造成的評價信息重復問題，對指標的最優值難以確定；層次分析法和模糊層次分析法過于依賴決策者的主觀判斷，可能受到主觀偏好的不利影響。

由此可見，國內外在分析復雜環境地鐵車站施工安全性的研究較少，如何綜合考慮安全評價指標的主、客觀性，對其量化并確定權重是進行安全評價的關鍵。文中將CRITIC法與TOPSIS理論結合，綜合考慮安全評價指標的主、客觀性，并能將安全評價結果量化，形成一套地鐵車站施工安全評價模型：CRITIC法可以綜合評價指標間的對比強度與沖突性，對評價指標進行客觀賦權，將CRITIC法與TOPSIS理論相結合，可以克服采用傳統的定性分析或經驗模糊數學理論存在主觀性大、可靠性不高的缺點，而TOPSIS理論則可以對多評價指標進行合理排序、綜合決策并求得具體的隸屬度。經實例驗證，將CRITIC法與TOPSIS理論兩者結合能在地鐵車站施工安全評價中得到較好的應用，評價結果較科學、準確，符合工程實際。

1 地鐵車站施工安全評價流程

1.1 安全評價指標體系

根據地鐵車站施工情況和事故發生的機理，依據相關法律法規［19］和相關文獻［20－24］，參考行業專家意見與類似工程案例，對地鐵車站安全性評估系統進行全面分析，建立一套科學合理、操作性強的安全指標體系：建立4個二級指標，20個三級指標，如圖1所示。

圖1 地鐵車站施工安全性評價指標體系Fig.1 Safety evaluation index system for subway station construction in complex environment

為保證評價指標的一致性，結合概率論理論和專家評分習慣，參照相關規范標準［25］中風險發生可能性與損失等級，將地鐵車站施工安全等級和安全性接受準則劃分為5個級別，并按［0，1］區間取值，數值越大表示安全性越高，數值越小表示安全性越低，如表1和表2所示。

表1 地鐵車站施工安全等級Table 1 Safety level of subway station construction

表2 地鐵車站施工安全接受準則Table 2 Safety acceptance criteria of subway station construction

根據相關規范標準［25］與相關文獻［22，27－28］，可以得到三級安全評價指標的量化范圍，如表3所示。

表3 地鐵車站施工安全指標量化范圍Table 3 Quantitative scope of construction safety index for subway station

1.2 構建評價矩陣

為綜合考慮決策者對各個安全評價指標的重視程度，根據已建立的安全評價指標體系，邀請專家小組對評價指標進行量化打分，取專家評分平均值構成矩陣S1，將此專家評分結果用于構成評價矩陣，步驟如下：

（1）將各專家對每個評價指標的賦值平均，建立一組評價矩陣S1；

（2）將表示專家主觀因素的評價矩陣S1與表示指標客觀因素的地鐵車站施工安全等級節點構成評價決策矩陣D；

（3）將評價決策矩陣進行標準化，并通過初等變換得到標準化評價決策矩陣Q，標準化評價決策矩陣Q是CRITIC法綜合賦權的基礎矩陣。

1.3 CRITIC法綜合賦權

Diakoulaki提出CRITIC法，該方法用于處理多屬性決策的綜合賦權問題，將CRITIC法應用于安全評價時，可對多個安全評價指標進行綜合賦權，不僅能考慮安全評價指標間的對比強度，更能考慮其沖突性，綜合衡量評價指標的客觀權重［29］。

CRITIC法計算評價指標組合權重步驟如下：D=（dij）m×n為評價決策矩陣，d ij為評價矩陣S1的元素與地鐵車站施工安全等級節點共同組成，若原始評價指標的量綱和數量級不一致，為消除其影響，需對其進行標準化處理，得到標準化評價決策矩陣Q，再求出評價指標間的相關系數rtj，構建相關系數矩陣R=（rtj）m×n，其中rtj為：

求各評估屬性的信息量與權重。各評價指標的客觀權重以評價指標間的對比強度和沖突性來綜合衡量，設Cj表示第j個評價指標所包含的信息量：

σj為第j個評價指標的標準差，rtj為評價指標間的相關系數。CRITIC法的客觀性通過評價指標間的對比強度與沖突性來體現，其中對比強度表示同一個評價指標各在各方案中取值差距的大小，以標準差的形式來表現，標準差越大，說明該評價指標在各方案之間的差距越大，數據反映的信息量越大；沖突性是以評價指標間的相關性為基礎，計算評價指標間的沖突性，如2個評價指標存在較強的正相關，則這2個指標沖突性較低［29］。式（1）體現了CRITIC法的賦權綜合了評價指標的對比強度與沖突性，顯然Cj越大，第j個評價指標所包含的信息量越大，該指標的相對重要性也就越大，故權重wj為：

構建標準化加權評價決策矩陣V=（vij）m×n。

1.4 TOPSIS理論

1981年C.L.Hwang和K.P.Yoon提出了一種解決單一型或混合型多評價指標決策問題的方法——逼近理想解排序方法TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Solution）［31－32］，其具有易于理解、計算簡單、適用范圍廣、幾何意義直觀、結果合理等優點［33］。將TOPSIS應用于安全評價中，具有以下優點：TOPSIS理論則可以對多評價指標進行合理排序、綜合決策，并求得評價指標具體的隸屬度。但該方法需要評價指標的量化數據，且采用各方案與理想解和負理想解的距離來計算，故受指標的離散程度影響較大。故文中將其與CRITIC法相結合，以減小上述不足，使其可應用于地鐵車站施工安全評價。

TOPSIS計算原理為：基于標準化加權評價決策矩陣，定義多評價指標決策問題的正理想解和負理想解，分別計算各方案與理想解和負理想解的距離，然后計算各方案的綜合評價值（即各評價方案與最優方案的相對接近距離），最后根據綜合評價值對各方案進行排序。綜合評價指標距離正理想解越近，而距離負理想解越遠，評價結果越優，其方案越好。具體計算如下：

基于標準化加權評價決策矩陣，計算正理想解V+和負理想解V－。

計算各方案的相對貼近度。

1.5 安全評價流程圖

將CRITIC法與TOPSIS結合用于評價地鐵車站施工安全評價主要流程如下：首先根據安全評價體系，邀請業內專家對評價工程按評價指標進行打分，再將專家打分結果與安全等級節點構成評價決策矩陣，利用CRITIC法綜合考慮主、客觀因素，計算指標權重，再采用TOPSIS計算評價指標具體的隸屬度，確定施工安全等級，最后根據評價結果，參考安全接受準則，實施相應的安全對策，安全評價流程如圖2所示。

圖2 地鐵車站施工安全評價流程圖Fig.2 Flow chart of construction safety assessment of subway station

2 案例分析

2.1 工程概況

施堯站為南昌市軌道交通3號線工程的第8座車站，車站位于江鈴六路與迎賓北大道交匯處，車站總長約197.6 m，標準段寬22.7 m，端頭井處寬26.8 m，底板埋深約為16.7 m，端頭井處底板埋深約為18.1 m。本車站采用半蓋挖法施工，車站主體圍護結構采用800 mm地下連續墻，內設3道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，支撐一端與冠梁連接，另一端與蓋板縱向連系梁連接，第二道至第三道支撐為鋼支撐，在連系梁位置用鋼筋抱箍固定并預加軸力。車站標準斷面圖如圖3所示。

圖3 地鐵車站標準斷面圖Fig.3 Standard section of the subway station

施堯站位于贛撫沖積平原區的二級階地，地處鄱陽湖濱湖前后緣地帶，地表水系發育，且降雨量多集中在4～6月，約占全年降雨量的51%，常有暴雨洪澇災害。地層自上而下依次為0.6～0.7 m厚的雜填土、0.6～4.0 m厚的素填土、0.8～7.8 m厚的粉質黏土、2.0～11.5 m厚的中砂、1.4～7.5 m厚的粗砂、4.5～12.2 m厚的礫砂、圓礫、0.5～1.2 m厚的強風化泥質粉砂巖、往下為中風化泥質粉砂巖和鈣質泥巖。

場地周邊環境主要為居民區、城市道路，道路兩邊地下管線復雜。車站周邊建筑有汽車玻璃廠（距車站約10 m）、超市（距車站約11 m）、藥房（距車站約14 m）、醫院綜合樓（距車站約16 m）等，建筑較多、較近和密集；周邊城市道路主要為雙向4車道的迎賓北大道和江鈴六路；周邊管線多且密集，見表4。

表4 地鐵車站管線情況Table 4 Pipeline condition of subway station

2.2 確定評價指標權重

根據已建立的安全評價指標體系，邀請5位專家對評價指標進行量化打分，評分情況匯總于表5。

表5 專家小組評分匯總表Table 5 Summary table of expert panel scores

將代表主觀因素的專家評分平均值與代表客觀因素的安全等級節點構建評價決策矩陣，并進行標準化處理，得到標準化評價決策矩陣Q如下。

利用CRITIC法可計算得各評價指標的權重如表6所示。

表6 評價指標權重Table 6 Weight of evaluation index

由此可知，三級評價指標中最重要是C3（周邊建筑）、C6（周邊人員密集）、C5（周邊管線），二級評價指標的重要性排序為C＞B＞A＞D。

根據CRITIC法計算得到的客觀權重，分別將此權重賦予標準化決策矩陣Q，可以得到標準化加權決策矩陣I。

2.3 地鐵車站安全性評價

依據圖1所示的地鐵車站施工安全評價指標體系和通過CRITIC法得到的標準化加權決策矩陣Q，利用TOPSIS理論進行安全性評價。利用式（8）、（9）計算各指標到正理想解和負理想解距離、，對評價指標進行綜合決策，利用式（10）計算相對貼近度C*i，進行合理排序，結果如表7所示。

表7 各評價指標的距離及相對貼近度Table 7 The distance and relative closeness of each evaluation index

二級評價指標人員、施工、環境、管理的隸屬度分別為：0.550、0.605、0.504、0.572，其中人員、環境、管理均對應于安全接受準則Ⅲ級，即安全性中等，施工對應于安全接受準則Ⅱ級，即安全性較高。

2.4 多種方法對比分析

為驗證本文方法的準確性與實用性，分別采用層次分析法和灰色關聯度法，對本地鐵車站施工安全性進行評價，其中灰色關聯度無法計算權重，故采用1/n權重和CRITIC法權重分別計算，限于篇幅此2種方法計算過程不做具體說明。所得結果如圖4所示，其中方法1為層次分析法計算結果，方法2為1/n權重的灰色關聯度法計算結果，方法3為CRITIC法權重的灰色關聯度計算結果，方法4為本文CRITIC法－TOPSIS計算結果。

圖4 多種方法對比分析結果Fig.4 Comparison and analysis of results by multiple methods

由圖4可得：層次分析法確實過度依賴決策者的主觀判斷，導致各二級評價指標差異過大，對人員、施工、管理的安全評價過于冒險。灰色關聯度法存在無法計算評價指標權重的缺陷，需與其他權重計算方法結合使用，當采用CRITIC法權重計算所得隸屬度與本文方法大致相同，但確實可能存在前文所提的超模糊現象，分辨率差的問題，如人員指標與施工指標、環境指標與管理指標的隸屬度大小較接近，結果無法很好地區分。文中的CRITIC法結合TOPSIS進行地鐵施工安全評價，所得結果與本工程驗收專家得出的結果一致，與該復雜環地鐵車站的實際情況相符，且綜合考慮了評價指標的主、客觀因素，不會過分依賴決策者的主觀判斷，不存在分辨率差的問題，由此可見本方法是可行且較準確的。

3 地鐵車站施工安全措施分析

根據上述地鐵車站施工安全性分析，結合施堯站實際情況，得出以下安全措施與施工建議。

（1）通過上述安全性評價結果可知：指標人員、施工、環境、管理的隸屬度分別為：0.550、0.605、0.504、0.572，其中環境的安全性最低，因此在施工過程中需要加強對周邊復雜環境的安全管控，否則一旦發生安全事故，將會在很大范圍內造成人員傷亡與財產損失。

（2）在施堯站施工中，周邊環境的權重占46.03%，且其安全性程度最低。為保證復雜周邊環境地鐵車站的施工安全，可采取以下措施：1）由于地層為富水砂層，且地下水豐富，因此要做好基坑降水工作，承壓水必須控制到確保不發生基底管涌的水位以下；2）加強周邊道路、建筑、管線的監控量測，用監測數據指導施工，特別是對距離基坑較近的重要管線，可以遷移的盡量遷移，對于不能遷移的管線，應對其變形進行監測，保證不會因基坑施工而破壞；3）開挖基坑是引起道路、建筑、管線等變形的主要原因，在施工過程中，盡量縮短圍護結構暴露時間，土方開挖滿足混凝土結構施作條件后，立即展開混凝土結構的施工。

（3）二級指標人員與施工安全性評價為中等，因此需要對施工人員進行相應的技術培訓與安全培訓，保證其施工作業規范。在土方開挖、圍護結構、主體結構等施工過程中，應注意施工工序的合理規范。

4 結論

文中采用CRITIC法與TOPSIS理論，依托南昌軌道交通3號線施堯站項目，對地鐵車站施工進行安全性評價，主要結論如下：

（1）考慮工程實際的不確定性和復雜性，在調研國內外相關學者研究的基礎上，較完整合理地建立了地鐵車站施工安全性評價指標體系。將影響地鐵車站施工的安全性因素劃分為人員因素、環境因素、施工因素和管理因素，再細分為20個三級指標，既把握全面又突出重點，能為類似工程項目安全評價提供參考。

（2）在影響地鐵車站施工安全的人員、環境、施工和環境因素中，采用CRITIC法對其進行權重分析，可知環境的權重較大，且環境的安全評價指標較小，原因是施工現場的建筑、道路、管線等因素對施工安全影響很大，因此在施工過程中，需要對周邊環境給予足夠的重視，采取相應保護措施是十分重要的。

（3）將CRITIC法與TOPSIS理論有效結合，建立了地鐵車站施工安全評價模型：采用CRITIC對各安全性評價指標進行客觀賦權，再利用TOPSIS理論計算本工程的安全評價等級為Ⅲ級，安全性為中等，復雜的環境是導致本工程安全性較低的主要因素，與工程實際情況一致，證明了本評價模型是合理適用的，可為類似具有復雜環境的工程提供一種科學合理的安全性評價方法，為后續施工安全保證提供理論支持。