基于層次-模糊評價法評判地鐵車站地下水風險

上海國際旅游度假區建設工程指揮部辦公室 上海 201205

0 引言

隨著中國城市化進程的不斷推進，城市人口急劇膨脹，交通壓力日益凸顯，地鐵作為解決交通壓力的重要途徑之一，如雨后春筍般在各大城市鋪開建設。由于地鐵工程投資巨大，特別是地鐵車站具有結構體量大、建設范圍廣、周邊環境復雜、技術要求高、實施難度大、建設周期長等特點。因此，地鐵車站的建設過程中不可預見因素多，最易發生工程事故，而地下水往往是事故發生的重要原因，需加以重點研究和控制。

近年來，國內外學者關于地鐵工程的風險分析，主要集中在以下幾個方面： Reilly 等[1,2]指出，隧道工程的建設過程是全面的風險管理和風險分擔的過程，將地下隧道工程中的主要風險分為四類：造成人員受傷或死亡、財產和經濟損失的風險，造成項目造價增加的風險，造成工期延誤的風險，和造成不能滿足設計、使用要求的風險。Cho&Choi 等[3,4]用專家調查與模糊數學相結合的方法對地下工程的風險進行評估，并開發了基于風險模糊不確定模型的風險評估軟件。李兵[5]針對地鐵地下車站的特點,提出了風險分析在車站施工中的重要性，從常見的幾種地鐵車站的施工方法入手，論述了地鐵車站施工的風險源即為基坑工程風險源和結構工程風險源，并分別給出了這二者的具體風險源和風險防范對策。劉翔、羅俊國、王玉梅[6]介紹了地鐵深基坑的主觀風險源和客觀風險源，并給出了相應的風險控制措施，強調了地鐵施工過程中應對地鐵深基坑風險充分重視并及時處理。朱征[7]以某軌道交通車站基坑為實例，介紹了風險管理過程，包括建立基于現有建設管理制度的參建各方共同參與的風險管理組織架構，根據風險識別、評估、預控和跟蹤控制四大管理任務分別設計的相應工作流程和工作表格，以及工程監測和現場觀測的風險跟蹤工作方法。

本文以上海軌交11號線迪士尼車站為例，針對勘察、設計、施工、運營這四大地鐵壽命周期階段中所面臨的地下水風險，我們運用層次-模糊評價法對地鐵車站的地下水風險進行評判，并提出了相對應的風險控制措施，達到了預想的效果。

1 地鐵車站概況及地下水風險

1.1 工程概況與地質條件

上海軌交11號線迪士尼車站位于上海國際旅游度假區核心區的中心位置，南側為已建中心湖，其余為未建空地。車站為地下一層半、局部地面建筑，雙島四線，全長約640 m，寬約46 m，在地面東南西北設置4 個出入口，車站平面和典型橫斷面如圖1、2所示。由于場地條件較好，施工采用明挖法，圍護結構采用鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕的圍護結構體系，設置2 道鋼筋混凝土支撐，基坑開挖深度為9.8～11.0 m。由于工程南側為已建中心湖，車站地下室外墻距離中心湖護岸邊線為14.7～15.8 m，故在南側臨湖段局部區域作了特別加強，鉆孔灌注樁為Φ900 mm@1 050 mm，局部坑邊落深區域采用鉆孔灌注樁Φ1 000 mm@1 150 mm，其余部分鉆孔灌注樁采用Φ850 mm@1 000 mm；止水帷幕采用單排三軸水泥攪拌樁Φ850 mm@600 mm，水泥摻量不小于20%。

圖1 迪士尼車站平面

圖2 車站典型橫斷面

根據勘察院提供的勘察報告，該車站具體的工程地質條件情況如下：①素填土，以黏性土為主，含少量植物根莖和碎磚等；②褐黃-灰黃色粉質黏土，厚度0.2～2.8 m，可塑到軟塑，中等壓縮性；③灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土；④灰色淤泥質黏土，呈流塑狀態，為高壓縮性靈敏軟土，分布穩定，厚約7.9 m；⑤1灰色黏土，呈流塑狀，高壓縮性，厚約9.40 m；⑥暗綠-草黃色粉質黏土，土質均勻致密，可塑狀態，中壓縮性，強度高，平均Ps為2.40 MPa左右；⑦1-1草黃-灰黃色黏質粉土與粉質黏土互層，層頂標高約－24.0 m，中密-稍密（可塑），平均Ps在4.70 MPa左右；⑦1-2灰色砂質粉土，層頂標高約－27.0 m，中密狀，平均Ps在8.40 MPa左右；⑦2灰色粉砂，層頂標高約－31.0 m，密實，狀態較好，未鉆穿。

1.2 水文條件與地下水風險

本工程淺層主要含水層為②層褐黃-灰黃色粉質黏土、③層灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土。勘察期間測得潛水靜止水位埋深為0.5～1.0 m（相當于絕對標高2.2～4.0 m）。

由于上海地區的潛水水位隨季節和環境等因素變化，設計、施工時年平均水位分為：高水位埋深按0.5 m計，低水位埋深按1.5 m計。在基坑土方開挖過程中，由于③層灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土，其土體自立性差，易造成坡面的不穩定，危害到基坑安全，甚至是人員的安全，因此需要引起足夠重視。

該車站工程的承壓水主要埋藏于基坑底部，為⑦層粉土-粉砂承壓含水層，其最淺埋深僅為26.5 m，因此存在承壓水突涌的風險，需要進行基坑底板抗突涌驗算，以確定是否應設置減壓井降水。

2 地下水風險評價

2.1 地下水風險評估方法

根據風險管理的相關理論，風險評估方法有定性的和定量的分析方法，目前一般的研究都采用定量的分析方法。定量的分析方法，主要有專家打分法、蒙特卡洛法、故障樹分析法、敏感性分析法、風險評價矩陣法、層次分析法、模糊數學法等等，而各種方法都有各自的優缺點和適用范圍。對于地鐵工程，由于地鐵車站體系龐大，引起地下水危害的風險因子眾多，因此運用層次分析法能有效地將各風險因子進行有序的分層、分類，并確定各風險因子的權重。同時，由于地鐵車站的地下水風險往往具有不確定性和模糊性的特點。因此，運用模糊數學法，往往能較好地分析出地鐵車站地下水風險的真實情況和進行精確的評價。故這里結合2 種方法的優點，采用層次-模糊數學法，對地鐵車站的地下水風險進行分析。

2.2 地下水風險評估模型

為了進行地下水風險評價，需系統地將引起地下水風險的各種風險因子全面識別出來。在地鐵工程的壽命周期內，地下水時時刻刻影響著地鐵的安全，為了便于分析，我們將地鐵壽命周期劃分為勘察、設計、施工、運營四大主要階段。各階段的風險因子，根據歷史參考數據和專家經驗給出，主要有15 項風險因子（圖3）。

2.2.1 層次結構模型

層次分析法是美國著名運籌學家、匹茲堡大學教授T.L.Saaty 于20 世紀70年代中期提出的一種定性與定量相結合的決策分析方法，簡稱AHP 分析法。層次分析法是一種多準則決策分析方法，其基本思路為：多個單準則分層結果的綜合估計，分層一般包括：決策目標層、準則層、方案層。在風險分析中它有2 種用途：一是將影響項目的風險因素逐層歸類分解、識別，直到最基本的風險因素，稱為風險因素正向分解；二是兩兩比較同一層次風險因素的重要程度，列出該層風險因素的判斷矩陣（判斷矩陣可由專家調查法得出），每層判斷矩陣的特征根表明了該層次各個風險因素的權重，利用權重與同層次風險因素得分的組合，求得上一層風險的得分，直至求出總目標的得分，也稱反向合成，最后根據總目標風險得分的大小綜合判斷項目的整體風險。層次分析法具有適用、簡潔、實用和系統的特點。因此根據層次分析法的主要步驟，本工程建立了地鐵車站地下水風險分析的層次結構模型，如圖3所示。

根據已建立的層次結構模型，應用層次分析法的基本理論，首先由專家對每一層次的風險因子的重要性進行分析判斷，通過兩兩比較法，確定層次分析法的判斷矩陣，繼而計算出各因子的相對權重。其次，為了避免判斷失誤，需對構造的判斷矩陣進行一致性檢驗。權重計算的數學本質是計算判斷矩陣的最大特征根和特征向量，即求解方程RW=λmaxw。將λmax對應的特征向量歸一化，即：

圖3 地鐵工程地下水風險因子層次結構示意

記w=（w1，w2，wm），w為權重向量。如果判斷矩陣不具有完全一致性時，則λmax＞n。為了衡量不一致程度，引入一致性指標CI：

其次，引入隨機一致性比率CR，通常用隨機一致性比率CR來檢驗判斷矩陣一致性程度，當CR=CI/RI≤0.1時，可認為判斷矩陣的一致性程度滿足要求。式中RI為平均隨機一致性指標，其取值參見表1。

表1 平均隨機一致性指標

綜上所述，構造迪士尼地鐵車站地下水風險的兩兩比較判斷矩陣并計算總目標層的權重，如表2所示。

表2 地鐵工程地下水風險判斷矩陣A

由近似公式：

得到λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

同理，二層次的判斷矩陣如表3～表6所示。

表3 勘察判斷矩陣B1

λmax=4.078，CI=0.026，CR=0.029＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

表4 設計判斷矩陣B2

λmax=4.066，CI=0.022，CR=0.024＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

表5 施工判斷矩陣B3

λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

表6 運營判斷矩陣B4

λmax=3.007，CI=0.003 5，CR=0.006＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

2.2.2 模糊綜合評判

模糊數學的創始人是美國自動控制專家 Zadeh 教授。模糊數學是用數學方法研究和處理具有“模糊性”現象的數學。它為現實世界中普遍存在的模糊、不清晰的問題提供了一種充分的概念化結構，并以數學的語言去分析和解決它們。地鐵實施過程中存在的各種風險因素大部分難以用數字來準確地加以定量描述，卻都可以根據歷史經驗或專家知識用語言生動地描述出它們的性質及其可能的影響結果，模糊數學模型正適合解決這類問題。模糊層次評估法經過建立評估對象的因素集和評判集，用專家評定或其他方法生成評判矩陣，再通過適當的模糊算子進行綜合評估。

首先，建立因素集和評判集。迪士尼車站案例中因素集B={B1，B2，B3，B4}，二級因素集C={C1，C2，…，C15}，評判集V={V1，V2，V3，V4}={很安全，安全，不是很安全，不安全}，并對評判集的語言變量進行賦值V={4，3，2，1}。

其次，建立模糊評判矩陣。通常情況下，用專家評定、打分、統計或者建立模糊隸屬函數的方法生成判斷矩陣R=（rij）n×m。其中，rij表示因素ui對決斷vj的隸屬度，ri=（ri1，ri2，…，rim）表示因素ui對評判集V的隸屬向量，由n個隸屬向量生成判斷矩陣R=（r1，r2，…，rn）T。這里采用專家打分法來獲得評判矩陣。經過計算并歸一化，可得到如下評判矩陣。

其三，計算綜合評估向量。Bi=wioRi，式中“o”為模糊算子。對于案例中模糊算子采用加權平均型，以突出各影響因子的共同貢獻。對于加權平均型模糊算子，可由公式B=A×R，即：

因此B1=w1×R1，即：

B1=（0.462 0.381 0.100 0.057），IB1=B1×VT=3.248，同理可得B2=（0.567 0.300 0.100 0.032），IB2=3.400，B3=（0.430 0.297 0.194 0.079），IB3=3.078，B4=（0.542 0.267 0.100 0.091），IB4=3.26。

根據上述計算分析，可知施工階段的得分最低，其值為3.078，因此，施工階段的地下水風險最大。

最后，進行二級模糊評判，根據一級模糊評判得到的結果，可得二級模糊評價集為：

IB＝VT＝2.958。由此可見，上海迪士尼車站的地下水風險評價接近于評判值3，因此總體近于安全。

3 主要預防控制措施

綜合上述建立的層次—模糊評估模型和分析計算結果，迪士尼地鐵車站地下水風險的影響排序依次為施工階段、勘察階段、設計階段、運營階段。在施工階段，地下水的風險巨大，稍有不慎，便會釀成重大事故。因此，應嚴格按照設計圖紙和施工規范施工，杜絕偷工減料、違反施工工序等作業，加強施工期間的監測和動態管理，將施工中出現的危險苗頭及時上報勘察設計進行處理，并建立應急預案，防止事故發生。另外，在勘察階段，應嚴格按照勘察方案進行勘察，重視實驗室的分析數據，重視地下水的特性。工程實施過程中，如發現異常情況，堅持補勘，重新試驗確定計算參數，以便動態化設計和施工。

在設計階段，應重視地下水的處理，重視計算模型的選取，嚴格按照勘察成果提供的參數進行設計，切不可憑個人主觀經驗進行設計。同時，應加強坑底抗突涌的驗算，提供切實可行的降壓措施。

在運營階段，應建立完善的地鐵監測體系，加大監測頻率，加強列車動荷載的控制，建立應急預案，一旦出現問題，應及時與有關部門進行處理。

4 結語

通過運用層次-模糊評價法，對上海軌交11號線迪士尼車站的地下水風險進行了分析，得出的評價為安全。同時，地鐵車站全壽命周期中地下水的風險往往集中在施工階段，因此施工階段是最為重要的環節，需予以高度重視，其次，也要重視勘察階段，因為勘察成果影響著設計和施工，是非常重要的環節。本文采用的層次-模糊評價法，對地鐵工程的地下水風險分析是切實可行的，具有一定的借鑒意義。