近距離下穿既有運營地鐵車站的換乘車站施工風險評價研究

李美欣,邵志國,于德湖

(1.中國海洋大學工程學院,青島 266100； 2.青島理工大學管理工程學院,青島 266520； 3.同濟大學可持續發展與新型城鎮化智庫,上海 200092)

引言

近年來，隨著我國城市化進程的進一步加速，國內已有36個城市建成并運營地鐵，而90%以上的城市推出了近期(2025年)、中期(2030年)地鐵線路建設規劃，以構建完善、高效的城市內部軌道交通網。城市地下交通隧道在逐漸網絡化的過程中，勢必導致多條線路交叉，從而在地鐵網絡中形成眾多換乘車站。作為地下交通樞紐，換乘車站不僅能有效滿足人們高效換乘的出行要求，而且能連接各個地鐵線路，優化地下交通網絡。但緊貼既有地鐵車站建設新的換乘車站一直都是地下穿越工程施工的重大技術難題，面臨確保既有地鐵站正常運營和新建地鐵車站安全施工的雙重考驗[1]。因此，當前亟需構建合理完善的近距離下穿既有地鐵站的新建地鐵站項目風險評價體系和評價方法，助力地鐵建設單位合理規劃、規避重大風險，提高城市內部交通網絡的效率和效益[2-3]。

由于地下工程具有復雜、模糊性強的特點，EINSTEIN[4]認為科學合理的風險分析方法對于地下隧道施工風險評估及決策至關重要。目前，國內外學者運用了多種針對性強、評估精確的方法對地鐵施工風險進行研究。如SOUSA[5]運用貝葉斯網絡預測工程領域知識與實際數據之間的依賴性，從不完全和不確定的信息中做出推理，為評估隧道施工風險提供決策支持；CLARKE[6]將經驗評估法和數值模擬結合，對地鐵施工周圍建筑物進行了易損性評估，提高了評估結果的可靠性；張飛燕[7]利用CIM-AHP模型和組合賦權方法，對鄭州地鐵施工實例進行風險評價，實現定量與定性結合、客觀權重與主觀權重結合的雙重保障，使評價結果更加科學合理；宗秋雷[8]運用C-OWA算子賦權法確定風險指標權重，引入模糊語言處理專家評價的不確定性；趙輝[9]運用Shapley值法去除地鐵盾構施工風險指標相關性，并采用灰色聚類對實際工程進行風險評估；胡眾[10]建立非線性模糊綜合評價模型對地鐵基坑施工進行風險評價，保留了評價工作的非線性特征。處理指標的模糊性和評價過程的灰色性是風險分析真實有效的前提。上述文獻中相關評價考慮了指標的模糊性或評價過程的灰色性，提升了風險評價結果的可靠性，但在科學、全面地處理評價系統不確定性上仍有改進空間。據統計，2002年至2016年期間有43%的地鐵施工安全事故發生在區間，而57%的事故發生在地鐵車站[11]。換乘車站通常緊鄰既有地鐵站，施工時需保障既有地鐵站正常運行和新建地鐵站順利施工，相較于常規地鐵車站施工難度大，且施工場所多為居民街區，周圍交通環境復雜，面臨眾多風險源，施工風險也相應增加。因此，此類工程風險評估過程的模糊性和灰色性作用更強，需采用更為客觀、精確的方法進行評價[12]。

鑒于此，依托北京16號線蘇州街站下穿既有10號線地鐵蘇州街車站工程實際，提出較為新穎的新建地鐵站下穿既有地鐵站的風險評估體系。將模糊最優最劣法運用到此工程的風險評估中，處理指標模糊性，有效降低指標間的不一致率；采用灰色聚類法解決指標與風險評價結果間的非線性、灰色性問題。相比于傳統方法，文中構建的基于模糊最優最劣法的灰色聚類風險評價模型能充分保留專家意見，在處理指標模糊性和評價過程的灰色性上性能良好，評價結果也更為科學、合理。研究成果可為地鐵車站下穿既有地鐵車站或構筑物工程施工提供新的風險評估方法和較大程度上的參考價值。

1 近距離下穿既有地鐵站的新建地鐵站項目風險指標體系構建

1.1 構建指標體系

地鐵工程的常規風險因素可從自然風險、環境風險、人為風險和技術與設備風險等方面進行分析，但對于地下穿越工程而言，新建工程的建造勢必會對已有建筑物的結構、功能產生一定影響[13]。在構建風險指標體系時，已有地鐵站面臨的風險與危害不容忽視。為能夠全面地選取風險評價指標，查閱并參考CJJ/T202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》、GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》等相關國家標準、行業標準和常見地下穿越工程風險因素，形成了基于文獻和國家標準研究的風險指標參考依據，如表1所示。

表1 基于國家標準及文獻研究的風險指標選取參考

考慮換乘地鐵車站施工的特殊性和表2中的風險指標選取參考依據，建立了包含水文地質條件、新建地鐵站、既有地鐵站、地下市政既有管線以及地下軌道等風險層面的評價指標框架。同時，結合實際工程從以上5個風險層面篩選甄別二級指標。特別地，運用德爾菲法得到10位工程風險評估專家對于指標選取的意見，對評價指標體系進行二次確定，明確指標涵義及獨立性，刪除重復或無用指標，最終獲得風險指標體系，如表2所示。

表2 評價指標體系

1.2 確定指標風險等級

從以上指標體系可看出，本文選取的新建地鐵站下穿既有地鐵站施工風險評價指標包含定量和定性兩種類型[19]。定量評價指標數值由實際工程監測數據與相關國家技術規范要求所得，如軌道水平位移、豎直位移等；定性評價指標由專家打分獲得，如材料管理、安全演習等。工程風險等級采用國家標準、行業標準和類似工程實際數據將指標風險等級劃分為5級，便于相關領域的專家對風險指標進行評價。風險等級與對應數值如表3所示。

表3 新建地鐵站下穿既有地鐵站施工項目風險等級

2 基于模糊最優最劣法的指標權重計算

2.1 模糊思想

模糊理論是以模糊集合和隸屬度函數為主要工具表述模糊性事值的理論，它幫助人們處理自然科學、生化工程等領域所涉及的定性、不精確問題[20]。在工程實踐中，面對復雜多變的決策環境，決策者喪失了依靠精確數據和大量參考資料做出決策的條件。因此，想要得到定量精確的決策方案也變得十分困難。這種特殊環境下，將模糊理論應用于此類工程實踐案例可有效減少錯誤決策，提高決策精確度。

三角模糊數可以量化決策對象提供的模糊信息，還能將模糊信息限制在一定范圍內。為最大程度保留專家意見，采用三角模糊數搜集決策信息。接下來對三角模糊數的性質及運算法則進行詳細介紹。

(1)隸屬度函數

(1)

(2)運算法則

(2)

(3)去模糊化

(3)

2.2 基于模糊理論的最優最劣法

模糊最優最劣法，即FBWM(Fuzzy Best Worst Method)，由GUO S于2017年提出，是一種將研究對象中其他指標與最優指標、最劣指標進行比較，利用約束建立目標規劃，得到各指標權重的方法[21]。利用FBWM計算指標的權重，獲得重要度較高的風險評價指標，是評估風險的關鍵步驟。

地鐵穿越工程風險評估共包括n個風險指標，工程實踐領域的決策專家根據自身實際經驗和專業知識對評估指標之間的重要程度進行比較，依據表4的語言評估等級作出判斷，并轉化為三角模糊數。

表4 語言尺度轉化

評估具體步驟如下。

Step 1：判定出最優指標和最劣指標。在這一步中，專家需對風險指標的重要程度進行比較，決定出最優指標B和最劣指標W。

Step 2：將各個評價指標與最優指標B、最劣指標W進行模糊比較。根據專家語言，確定各指標比最劣指標W重要的程度、最優指標B比各指標重要的程度，記為重要度aBW。

(4)

(5)

(6)

根據上文中三角模糊數的運算規則對式(6)進行計算，可分別得到最優指標、最劣指標及其他指標的最優模糊權重值。

(7)

(8)

通過以上計算步驟，可以得到各風險指標的權重。

3 新建換乘站下穿既有地鐵站施工風險的灰色聚類評價模型

灰色聚類評估方法是利用灰色關聯矩陣或白化權函數將各個評價對象的眾多評價指標進行分類的方法。根據灰類劃分出評價指標的風險等級，運用灰色聚類法計算出定權決策系數即可得到整個工程風險評估等級。

結合換乘車站施工特點，基于三角白化權函數，建立灰色聚類風險評估模型，具體步驟如下[22-23]。

Step 1：獲取指標的評估值。由m位專家確定致因因素，即評價對象i(i=1，2，…，n)的風險大小，得到指標評估值xim。

表5 灰類等級取值范圍

根據所劃分的灰類等級和灰類取值，建立三角白化權函數如下

(9)

(10)

灰類k的定權決策系數越大，評價對象所面臨的風險在灰類k中的隸屬度越大，從而評估對象的風險等級就越高。

4 實例分析

4.1 工程概況

北京地鐵16號線蘇州街站位于蘇州街和海淀南路交叉口，周邊分布有八一中學、稻香園居住區和中關村西區等，交通情況較為復雜。蘇州街站沿蘇州街南北方向敷設，為兩端雙層、中間單層的端頭廳車站，通過通道連接實現既有地鐵10號線和新建地鐵16號線的雙向換乘。蘇州街站站臺寬14 m、站廳寬21.3 m，在路口四角均設置出入口，與既有地鐵10號線蘇州街站呈十字交叉連接，施工難度大。蘇州街地鐵站結構平面布局簡化示意如圖1所示。

圖1 地鐵蘇州街站平面位置示意

4.2 計算風險評價指標權重

依據文中建立的風險評價指標體系，共邀請了來自國內高校、中國鐵建股份有限公司和中國建筑股份有限公司的15位施工風險評估專家對文中的5個一級指標、31個二級指標進行模糊最優最劣比較，根據專家們比較的結果，選取得到最優主指標。新建地鐵站最優子指標分別為：含水量、結構裂縫寬度、主體結構加固、給排水管道、道床脫空量。其他主指標與最優主指標模糊比較的重要度見表6，水文地質條件各子指標與最優子指標模糊比較結果見表7。限于篇幅，其余指標模糊比較結果不再逐一列出。

表6 主指標重要度比較

表7 水文地質條件子指標重要度比較

得到以上模糊比較等級之后，將子指標與最優指標、最劣指標進行模糊比較的結果轉換為三角模糊數。以同一主指標下子指標權重和為1作為約束條件建立非線性目標規劃，計算每個指標的權重。

同理，針對主指標權重的計算依然利用已有條件建立非線性約束問題進行求解，得到模糊權重比較如圖2所示。

圖2 二級指標模糊權重比較

根據以上結果，由公式(11)計算各指標綜合模糊權重

Wj=Ai×Bj

(11)

式中，i=1，2，…，5；j=1，2，…，31。運用GMIR法將綜合模糊權重轉化為精確數值，計算結果如表8所示。

表8 指標綜合模糊權重

4.3 工程風險評估

表9 主指標各灰類隸屬值

圖3 二級指標各灰類隸屬值

對31個二級指標在同一灰類的隸屬度進行加總，可知工程實例的風險評價結果=[3.616，7.693，8.645，0.568，0]，在灰類k=3、k=2、k=1中的隸屬度分別為8.645、7.693、3.616，則此工程風險等級為Ⅲ，處于中等水平。由圖3可知，當k=3時，新建地鐵站風險高于既有地鐵站，而當k=2時，新建地鐵站的風險低于既有地鐵站，綜合看來新建地鐵站風險等級為Ⅲ，既有地鐵站風險等級為Ⅱ。本文研究結果與2016年彭于寒得出此工程總體風險介于一級風險和二級風險之間，處于中等水平的結果可相互驗證[24]。因此，本文方法可有效處理指標模糊性和風險判別灰色性，為評估此類工程風險提供科學、可靠的方法支撐。

研究中變形縫差異沉降和結構裂縫寬度2個二級指標重要度凸顯，是下穿地鐵工程施工中需重點關注和控制的對象。混凝土剝落程度、工程降水深度及主體結構加固3個評價指標權重均超過0.05，因此，在新建地鐵站的施工中需加強對各項指標的監測，做好工程降水，注重主體結構加固和混凝土保養。

5 結論

(1)結合現有國家交通軌道建設規范和文獻資料，構建包括水文地質條件、新建地鐵站、既有地鐵站、地下市政既有管線以及地下軌道等風險層面的評價指標體系，保證了指標選取的全面性和評價結果的真實有效。

(2)換乘車站建設相比常規地鐵線路施工的風險更大、不確定因素更多。運用模糊最優最劣法精確計算了此類工程風險指標權重，有效保留了專家意見，降低了主觀性誤差，對于地下穿越工程施工風險管控具有重要的現實意義。

(3)利用灰色聚類法建立了每個灰類對應的白化權函數，消除了評價過程因信息不充分而導致的灰色性。通過計算實際案例風險等級，充分證明了本文模型在地鐵下穿工程風險評估中良好的適應性和準確性，所得結果科學合理、符合實際。