基于AHP-模糊綜合評價法的特殊地層盾構始發安全風險評估*

曹 鵬，俞洪良，段軍朝，孫 釗

(1.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310015； 2.中國電建集團湖北工程有限公司，湖北 武漢 430040；3.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058； 4.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

本文以成都軌道交通6號線三期工程觀東站—新通大道站—新川路站區間盾構始發階段為研究對象，首先利用WBS-RBS法對施工過程中的安全風險因素進行全面識別，再通過建立盾構始發階段安全風險綜合評價模型對安全風險定級，以供工程管理人員決策和參考。

1 安全風險識別模型建立

鑒于盾構始發階段施工技術復雜、安全風險影響因素多，通過應用WBS-RBS法可全面識別出盾構始發階段存在的各項安全風險因素。Hillson等最早運用此方法進行風險識別，WBS-RBS法是將工作分解結構WBS與風險分解結構RBS相結合，橫縱交叉構成耦合矩陣的風險識別方法。

1.1 盾構始發階段工作分解WBS

盾構始發階段是盾構施工的首要步驟，根據其工藝流程進行WBS分解，如圖1所示。

圖1 盾構始發工作WBS分解樹

1.2 盾構始發安全風險分解RBS

盾構始發階段安全風險可按技術風險、環境風險、管理風險進行RBS分解，如圖2所示。

圖2 盾構始發安全風險RBS分解樹

1.3 盾構始發階段安全風險識別模型建立

將盾構始發階段工作分解WBS和風險識別RBS最底層單元兩兩耦合，可得到基于WBS-RBS法建立的盾構始發階段安全風險識別模型，具體如表1所示。

表1 盾構始發階段安全風險WBS-RBS耦合矩陣

2 安全風險評價模型建立

2.1 盾構始發安全風險因素集U建立

以盾構始發階段安全風險識別模型得出的風險指標體系為依據，建立各層級風險指標的因素集合，即U=[U1U2U3…Un]。

2.2 盾構始發階段安全風險評語集V建立

對每個風險因素發生概率、損失量大小及盾構始發階段風險綜合等級均采用5個等級來描述。

1)風險概率評語集V=[ABCDE]=[不可能發生 很少發生 偶爾發生 可能發生 頻繁發生]。

2)風險損失評語集V=[1 2 3 4 5]=[可忽略的 需考慮的 嚴重的 非常嚴重的 災難性的]。

3)風險綜合等級評語集V=[一級 二級 三級 四級 五級]=[可忽略的 可容許的 可接受的 不可接受的 拒絕接受的]。

2.3 盾構始發安全風險指標權重集W確定

指標權重集W是因素集的一個模糊向量，即W=[W1W2W3…Wn]，應用AHP法來確定各風險的權重。AHP是由美國Saaty教授提出的進行決策分析比較排序方法，其計算過程如下。

1)根據盾構始發安全風險指標體系構造各層級元素的兩兩判斷矩陣，使用1～9標度來表示元素間的相對重要程度，重要性標度含義如表2所示。

2)計算元素相對權重。

計算相對權重一般采用和積法和方根法，以下介紹方根法計算步驟。

首先，將判斷矩陣A的每一行元素相乘后求其1/n次根，即

(1)

然后，對矩陣進行歸一化處理，即

(2)

最后，計算判斷矩陣的最大特征根，即

(3)

3)一致性檢驗。

在計算得到λmax后，還需進行一致性檢驗，計算步驟如下。

首先，計算一致性指標CI，即

(4)

式中：n為判斷矩陣的階數。

然后，平均隨機一致性指標RI通過查表可知，RI取值如表3所示。

表3 RI取值

最后，計算一致性指標CR，即

(5)

當CR<0.1時，則認為判斷矩陣的一致性檢驗滿足要求，反之則不滿足要求，需重新建立判斷矩陣，并進行權重計算。

2.4 模糊評判矩陣確定

通過對單個因素進行模糊評價，以確定評價對象j對評價集合Vj的隸屬程度為rmn，得到第i個因素Ri的單因素評價向量，單因素評價集如下：

則模糊評價矩陣為：

(6)

式中：rij是評價i對j的相對隸屬度。

2.5 模糊綜合評判

由于每個安全風險因素對評價目標的重要程度各不相同，因此，針對安全風險發生概率和損失分別利用模糊合成算子將權重集W和評價矩陣R進行綜合評判，若以B表示合成運算后的多因素模糊評價集矩陣，則有模糊集B，記為：

(7)

3 盾構始發階段安全風險定級原則

根據住房和城鄉建設部發布的《地鐵及地下工程建設風險管理指南》，以及R=P×C原則，可建立如表4所示風險評價矩陣。

表4 風險評價矩陣

結合風險評價矩陣，針對不同等級風險的接受準則應采取不同的控制對策，具體如表5所示。

表5 風險等級及接受準則

4 案例分析

4.1 工程概況

成都軌道交通6號線三期工程區間單線全長約2.434km，其中觀東站—新通大道站區間單線長度705m，新通大道站—新川路站區間單線長度469m。線路最大坡度1.660%，線路間距約15.2m。

觀東站—新通大道站—新川路站范圍上覆人工填土，其中表層多為雜填土、素填土，其下為砂巖，分為全風化砂巖、強風化砂巖、中風化砂巖。在觀東站和新通大道站間為一級階地和低山淺丘的分界線。盾構穿越中風化泥巖、中風化砂巖、強風化砂巖。觀東站—新通大道站為非瓦斯區域，新通大道站—新川路站地質含少量瓦斯為低瓦斯區域(見圖3)。

圖3 觀東站—新通大道站—新川路站工程地質情況

4.2 盾構始發重難點

本工程盾構始發階段重難點主要體現在：①盾構區間穿越地層中存在低瓦斯氣體，在穿越過程中有可能發生起火、爆炸等危險；②在盾構區間中，觀東路始發端頭是砂卵石地層，砂卵石地層穩定性差，始發時易發生漏水、突漏、涌水涌砂或發生重大坍塌事故；③在盾構區間中，除觀東路始發站端頭為砂卵石地層外，其余區間端頭均大部分為中風化泥巖地層，始發時易發生漏水、突漏或發生重大坍塌事故。

4.3 盾構始發安全風險指標體系建立

鑒于盾構施工工序多、技術復雜、安全風險影響因素，通過應用WBS-RBS法可全面識別出盾構始發階段存在的各項風險因素。Hillson最早運用此方法進行風險識別，WBS-RBS法是將工作分解結構WBS與風險分解結構RBS相結合，橫縱交叉構成耦合矩陣的風險識別方法。

4.3.1盾構始發階段安全風險識別WBS-RBS耦合

將盾構始發階段工作分解結構WBS和風險分解結構RBS最底層單元兩兩耦合，邀請專家對耦合矩陣元素值進行判別，對認為存在相關風險的耦合矩陣值打“1”，認為不相關的打“0”。具體耦合結合如表6所示。

表6 盾構始發階段安全風險WBS-RBS耦合矩陣

4.3.2盾構始發階段安全風險評價指標體系建立

針對耦合結果為“1”的危險單元進行分析，可得出盾構始發階段安全風險評價指標體系，如表7所示。

4.4 確定盾構始發安全風險權重

4.4.1建立因素集

根據表7建立盾構始發階段準則層因素集U=[U1U2U3]，建立指標層因素集：

表7 盾構始發階段安全風險評價指標體系

4.4.2確定權重集

為確定準則層和指標層中各元素的權重大小，邀請專家進行問卷打分，以技術風險U1為例進行

權重計算，構造U11～U15對U1的兩兩判斷矩陣，然后進行打分，如表8所示。

表8 U11～U15對U1兩兩判斷矩陣打分

4.4.3確定指標相對權重

針對上節所構造的兩兩比較判斷矩陣，采用方根法計算相關風險指標的權重值。首先對準則層的權重值進行計算，計算過程如下。

首先，應用式(1)將判斷矩陣按行相乘，再將結果開5次方，即

然后，應用式(2)對方根進行歸一化處理得出：W1=0.120，W2=0.069，W3=0.513，W4=0.265，W5=0.033。

4.4.4一致性檢驗

鑒于專家打分具有一定的主觀性，因此需對其計算結果進行一致性檢驗，計算過程如下。

第1步，應用式(4)計算一致性指標CI：

第2步，應用式(5)計算一致性比率CR：

其中，RI取值通過查表3可知，當n=5時，RI=1.12。

故CR=0.048/1.12=0.043<0.1。

通過一致性檢驗，計算權重滿足要求。

因此，可得出準則層U1中U11，U12，U13，U14，U15的權重依次為0.120，0.069，0.513，0.265，0.033。

同理可計算出其他因素的權重，具體如表9所示。

表9 盾構始發安全風險權重集

4.5 盾構始發階段安全風險模糊綜合評價

4.5.1指標層模糊綜合評價

4.5.1.1計算風險發生概率和發生損失隸屬度

邀請15位專家對指標層風險發生概率和風險損失等級分別打分，然后按風險不同等級匯總每位專家打分結果作加權平均處理，可得到指標層風險發生概率和發生損失的隸屬度，如表10，11所示。

表10 指標層風險發生概率隸屬度

表11 指標層風險發生損失隸屬度

4.5.1.2構建R=P×C評價模型

根據R=P×C風險評價矩陣原理，以端頭土體加固及降水不當U11為例，構造其風險評價矩陣為：

4.5.1.3計算風險等級隸屬度

根據表4所示風險矩陣表中分級原則，可計算出端頭土體加固及降水不當U11的風險等級隸屬度：

一級=1A+1B+1C+2A=

0.002+0.004+0.004+0.016=0.026

二級=1D+1E+2B+2C+3A=

0.007+0.001+0.029+0.034+0.036=0.107

三級=2D+2E+3B+3C+4A+4B=

0.058+0.008+0.065+0.077+0.042+0.076=0.327

四級=3D+3E+4C+4D+5A+5B=

0.131+0.018+0.090+0.153+0.014+

0.025=0.431

五級=4E+5C+5D+5E=

0.021+0.030+0.051+0.007=0.109

所以U11風險等級隸屬度為：

V(U11)=[0.026 0.107 0.327 0.431

0.109]

4.5.1.4計算風險等級模糊評價值

根據表5所示風險等級及接受準則中風險模糊評價值范圍定義，可判斷U11風險等級為四級。

同理，可計算得出指標層其他各項因素的風險等級模糊評價值，并判斷出風險等級，如表12所示。

表12 指標層風險模糊評價值計算匯總

4.5.2準則層模糊綜合評價

運用式(7)將指標層的評價矩陣與權重向量進行模糊變換，即可得到準則層的風險等級模糊評價值，以技術風險U1為例，計算過程如下：

根據表5所示風險等級及接受準則中風險模糊評價值范圍定義，可判斷U1風險等級為三級。

同理，可計算得出準則層其他各項因素的風險等級模糊評價值，并判斷出風險等級，如表13所示。

表13 準則層風險模糊評價值計算匯總

4.5.3目標層模糊綜合評價

運用式(7)將準則層的評價矩陣與權重向量進行模糊變換，即可得到目標層的風險等級模糊評價值，計算過程如下：

根據表5所示風險等級及接受準則中風險值指針范圍定義，可判斷目標層風險等級為三級。接受準則為可接受的，但需項目部引起重視，加強防范，制定監控措施。

4.6 盾構始發階段安全風險大小排序

根據上節對盾構始發階段安全風險因素模糊綜合評價結果，按風險模糊評價值大小進行排序，有利于有主次地采取風險應對策略，如表14所示。

表14 盾構始發階段安全風險因素大小排序

5 結語

1)本文基于WBS-RBS法對研究對象中盾構始發階段進行安全風險識別，能較全面地識別出各類施工安全風險。

2)本文通過構建R=P×C風險評價矩陣模型，然后基于AHP-模糊綜合評價法對研究對象盾構始發階段安全風險進行計算定級，確定了研究對象盾構始發階段安全風險級別為三級，接受準則為可接受的，但需項目部引起重視，加強防范，制定監控措施。并且根據風險模糊評價值大小進行排序，有利于有主次地采取風險應對策略。

3)本文僅對特殊地層即富水砂卵石地層同時地層中含有少量瓦斯的盾構始發階段安全風險進行了評估，后續還將對其他特殊地層和其他施工階段風險評估做進一步探究。