融合專家法與層次分析法的地鐵車站風險評估

郭 庶,羅光財,彭 丹

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004)

目前國內地鐵工程規模日益增大,安全生產形勢十分嚴峻[1-2],地鐵施工風險不僅與地質有關,還涉及到施工管理、場地周邊環境以及施工技術應用等方面因素。為了有效降低施工風險,減小各類安全事故發生,需要在施工前對施工風險進行科學的評估,并根據評估結果在施工中采取應對措施。這在施工管理中已經成為不可或缺的重要環節[3-4]。

本文融合專家打分法以及層次分析法在長沙市地鐵4號線湘江新城站車站施工中的具體應用,闡明該風險評估方法在工程實際應用中具有良好的效果,體現評估方法的科學性與實用性,為降低工程施工風險提供一種有效的指引。

1 地鐵車站風險評價指標體系

評價指標體系的選擇和確定是評價研究內容的基礎和關鍵,直接影響到評價的精度和結果。地鐵車站施工風險評價是一個動態過程,在不同的情況下,影響施工安全的因素會隨之變化,因此要時刻注意該體系的動態性以及開放性,體現體系的科學性和實用性[5-6]。

根據對地鐵施工安全風險現狀的調查分析,以及相關法律法規、相關文獻資料[7-8],考慮施工中各方面因素對施工風險狀況的影響,建立地鐵施工風險的評價指標體系(見表1)。

該體系分成4個層次,包含24個單因素：頂層為地鐵車站總系統,而第二層為施工管理、周圍環境、施工技術3個子系統;在第三層,施工管理和周圍環境為評價指標層,也即底層;施工技術子系統再分為支撐失穩、孔壁塌陷、坑底隆起、基坑滑移、圍護結構滲流等5個部分;第四層為環境的評價指標層,也即底層。

表1 地鐵車站安全風險因素

2 地鐵車站施工風險評價流程

評價流程如圖1所示,其中專家自身的權重根據專家權重體系(見表2)來確定。評價過程首先由專家對系統各底層指標進行專家打分,結合權重因素確定底層指標風險值;其次,根據熵度法和層次分析法計算各個層級的權重,逐步計算出各層指標的風險值,最終可以從底層到頂層逐步推求地鐵車站施工系統的最終綜合風險值。

圖1 地鐵車站安全風險評價流程

2.1 確定專家權重

依據地鐵工程經驗,對不同的專家權重進行了劃分,專家權重體系見表2。

表2 專家權重體系

2.2 熵權法確定底層指標的權重

權重系數是非常關鍵的參數,本研究采用熵權法確定各底層指標的權重,對于施工管理指標,其熵權的計算如下[9-10]：

以施工管理指標為例,采用公式(1)對V進行歸一化處理：

式中,V′1imin為底層指標c1i的最小風險值;V′1imax為底層指標c1i的最大風險值。

用H表示熵,底層指標c1i的熵H1i定義為：

用w表示熵權,底層指標c1i的熵w1i定義為：

式中,M為底層評價指標的個數,也即矩陣的行數。

2.3 AHP確定其余層指標的權重

2.3.1 確定指標比較分值

層次分析法確定權重的原理是在評分時對指標進行兩兩比較,采用1～9標度法,其認為人們在估計對事物的差別時,可用5種判斷等級進行描述,見表3。其中對一個指標重要性給出評分同時,另一個指標評分為其倒數。

表3 指標比較的分值

2.3.2 判斷矩陣計算權重

判斷矩陣中的數值是根據資料、專家評價及其對本問題的了解狀況等加以綜合平衡后給出的。本研究采用方根法求解指標權重,具體過程如下：

(1)假定一指標層元素c1,c2,…,cn對于上一指標層T的判斷矩陣為B,表示為：

(2)計算判斷矩陣每行元素之積Mi：

(3)計算Mi的n次方根

所得向量W＝ [ w1,w2,…,wn]T便為所求的特征向量。

3 施工風險人機環境系統評價實例

3.1 依托工程概況

地鐵施工風險實例以長沙地鐵4號線湘江新城站為例。長沙地鐵4號線湘江新城站位于銀星路與銀杉路現狀道路“L”字路口的南側,本站為單柱雙跨兩層站,支護結構采用地下連續墻＋內支撐的形式。車站有效站臺中心里程為YDK16＋236.000,全長208.8 m。車站有效站臺中心里程處軌面高程(絕對值)為33.204 m,標準段線間距15 m,標準段基坑寬度20.7 m,車站主體結構頂板覆土厚度為2.7 m,標準段基坑深約16.13 m。本站為島式地下二層明挖車站,兩端接盾構區間,車站覆土2.7 m。車站北端為盾構始發,車站南端為盾構吊出。車站外包全長208.8 m,標準段外包總寬20.7 m,車站標準段基坑深約16.13 m,盾構井段基坑深約17.7 m。

3.2 實例評價過程

3.2.1 確定專家權重

本工程邀請5位地鐵專家評價湘江新城站施工風險性,專家權重的確定根據表2的專家權重體系,得到5 位專家權重依 次為：0.217,0.206,0.185,0.206,0.186。

根據風險矩陣判斷的原理[7],將風險分為四級：即極高風險(用4表示),高度風險(用3表示),中度風險(用2表示),低度風險(用1表示)。

3.2.2 確定底層綜合風險評價

本工程中施工管理底層評價指標的風險值由5位專家打分確定得到如下的矩陣：

考慮專家權重(評價值乘專家自身權重),則得：

施工管理底層評價指標的風險值：

同理,對于周圍環境：

對于支撐失穩：

對于孔壁塌陷：

對于坑底隆起：

對于基坑滑移：

對于圍護結構滲流：

3.2.3 確定底層指標權重

現在確定施工管理底層指標的權重,根據熵度法,將V1′結果代入公式(1),則得：

將V1″代入公式(2),計算各底層指標熵得：

將H1i代入公式(3),計算得各底層指標熵權得：

其中,指標熵越大,則指標的熵權越小,意味著專家對該指標的把握性越小,不確定性越大[6]。

同理可得：

周圍環境評價指標熵權：

支撐失穩評價指標熵權：

孔壁塌陷評價指標熵權：

坑底隆起評價指標熵權：

基坑滑移評價指標熵權：

圍護結構滲流評價指標熵權：

3.2.4 確定其余層指標權重

第二層次的風險源判斷矩陣見表4。

計算出wi＝[0.258 0.105 0.637]。

施工技術的第三層次的判斷矩陣見表5。

表4 第二層次風險源判斷矩陣

表5 第三層次風險源的判斷矩陣

計算 出 w3i＝ [0.039 0.283 0.427 0.142 0.109]。

3.2.5 人－機－環境系統的綜合評估

對于施工管理風險：R1′＝w1i×R1＝1.345,周圍環境風險：R2′＝w2i×R2＝2.723,支撐失穩風險：R31′＝w31i×R31＝1.573,孔壁塌陷風險：R32′＝w32i×R32＝1.646,坑底隆起風險：R33′＝w33i×R33＝2.039,基坑滑移風險：R34′＝w34i×R34＝1.598,圍護結構滲流風險：R35′＝w35i×R35＝1.946,施工技術風險：R3＝∑5i＝1w3i×R3i′＝1.656,則整體安全風險 系統：R＝ ∑3i＝1wi×Ri′＝1.621。

3.2.6 評價結果分析

(1)車站施工安全風險綜合評估結果屬于中度風險,需要對整個系統進行監測。

(2)在第二層風險指標中,施工管理和施工技術指標為低度風險,而周圍環境指標風險值明顯大于這兩項,達到2.723,風險值較高,采取必要的措施保證周邊鄰近結構物的安全。

(3)在第三層風險指標中,即施工技術方面,湘江新城站坑底隆起風險為2.039,屬于中度風險,其余指標為低度風險。

(4)底層評價指標因子的風險如下：施工管理底層指標風險值均低于1.6,為低度風險;周圍環境的底層評價指標中施工降水引起地表沉降導致管線破壞風險最大;坑底隆起風險指標當中,圍護結構入土深度不足的風險最大,為中度風險,要采取相應監控措施進行改善;孔壁塌陷指標中側向土壓力過大的風險最大,為中度風險,需要加強監控;從熵權結果看出,支撐失穩是施工技術中最重要指標,其中支撐結構的失穩破壞的風險最大,達到2.185,選擇不當易造成較大風險;基坑滑移和圍護結構滲流風險中都要注意處理好降水不力的問題,另外主要改善和監控地連墻質量,尤其是裂縫問題。

4 結 論

(1)融合專家法和層次分析法,構建了科學的評價指標體系,為地鐵車站施工提供了評價模型,指導施工風險評價。

(2)將模型應用到湘江新城地鐵車站中,得到車站綜合風險評估結果是中度風險,應對整個系統進行監測。

(3)施工各層指標風險結果表明施工場地周圍環境對地鐵車站施工的風險最大,施工中需要重點監測地表沉降以及土體變形情況,確保周圍建筑物以及管線的安全。