郭 庶,羅光財(cái),彭 丹

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

目前國(guó)內(nèi)地鐵工程規(guī)模日益增大,安全生產(chǎn)形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1-2],地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)不僅與地質(zhì)有關(guān),還涉及到施工管理、場(chǎng)地周邊環(huán)境以及施工技術(shù)應(yīng)用等方面因素。為了有效降低施工風(fēng)險(xiǎn),減小各類(lèi)安全事故發(fā)生,需要在施工前對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果在施工中采取應(yīng)對(duì)措施。這在施工管理中已經(jīng)成為不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3-4]。

本文融合專(zhuān)家打分法以及層次分析法在長(zhǎng)沙市地鐵4號(hào)線湘江新城站車(chē)站施工中的具體應(yīng)用,闡明該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在工程實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果,體現(xiàn)評(píng)估方法的科學(xué)性與實(shí)用性,為降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)提供一種有效的指引。

1 地鐵車(chē)站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選擇和確定是評(píng)價(jià)研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,直接影響到評(píng)價(jià)的精度和結(jié)果。地鐵車(chē)站施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,在不同的情況下,影響施工安全的因素會(huì)隨之變化,因此要時(shí)刻注意該體系的動(dòng)態(tài)性以及開(kāi)放性,體現(xiàn)體系的科學(xué)性和實(shí)用性[5-6]。

根據(jù)對(duì)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀的調(diào)查分析,以及相關(guān)法律法規(guī)、相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-8],考慮施工中各方面因素對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)狀況的影響,建立地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。

該體系分成4個(gè)層次,包含24個(gè)單因素：頂層為地鐵車(chē)站總系統(tǒng),而第二層為施工管理、周?chē)h(huán)境、施工技術(shù)3個(gè)子系統(tǒng);在第三層,施工管理和周?chē)h(huán)境為評(píng)價(jià)指標(biāo)層,也即底層;施工技術(shù)子系統(tǒng)再分為支撐失穩(wěn)、孔壁塌陷、坑底隆起、基坑滑移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流等5個(gè)部分;第四層為環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)層,也即底層。

表1 地鐵車(chē)站安全風(fēng)險(xiǎn)因素

2 地鐵車(chē)站施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

評(píng)價(jià)流程如圖1所示,其中專(zhuān)家自身的權(quán)重根據(jù)專(zhuān)家權(quán)重體系(見(jiàn)表2)來(lái)確定。評(píng)價(jià)過(guò)程首先由專(zhuān)家對(duì)系統(tǒng)各底層指標(biāo)進(jìn)行專(zhuān)家打分,結(jié)合權(quán)重因素確定底層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值;其次,根據(jù)熵度法和層次分析法計(jì)算各個(gè)層級(jí)的權(quán)重,逐步計(jì)算出各層指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值,最終可以從底層到頂層逐步推求地鐵車(chē)站施工系統(tǒng)的最終綜合風(fēng)險(xiǎn)值。

圖1 地鐵車(chē)站安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

2.1 確定專(zhuān)家權(quán)重

依據(jù)地鐵工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同的專(zhuān)家權(quán)重進(jìn)行了劃分,專(zhuān)家權(quán)重體系見(jiàn)表2。

表2 專(zhuān)家權(quán)重體系

2.2 熵權(quán)法確定底層指標(biāo)的權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是非常關(guān)鍵的參數(shù),本研究采用熵權(quán)法確定各底層指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)于施工管理指標(biāo),其熵權(quán)的計(jì)算如下[9-10]：

以施工管理指標(biāo)為例,采用公式(1)對(duì)V進(jìn)行歸一化處理：

式中,V′1imin為底層指標(biāo)c1i的最小風(fēng)險(xiǎn)值;V′1imax為底層指標(biāo)c1i的最大風(fēng)險(xiǎn)值。

用H表示熵,底層指標(biāo)c1i的熵H1i定義為：

用w表示熵權(quán),底層指標(biāo)c1i的熵w1i定義為：

式中,M為底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),也即矩陣的行數(shù)。

2.3 AHP確定其余層指標(biāo)的權(quán)重

2.3.1 確定指標(biāo)比較分值

層次分析法確定權(quán)重的原理是在評(píng)分時(shí)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,采用1～9標(biāo)度法,其認(rèn)為人們?cè)诠烙?jì)對(duì)事物的差別時(shí),可用5種判斷等級(jí)進(jìn)行描述,見(jiàn)表3。其中對(duì)一個(gè)指標(biāo)重要性給出評(píng)分同時(shí),另一個(gè)指標(biāo)評(píng)分為其倒數(shù)。

表3 指標(biāo)比較的分值

2.3.2 判斷矩陣計(jì)算權(quán)重

判斷矩陣中的數(shù)值是根據(jù)資料、專(zhuān)家評(píng)價(jià)及其對(duì)本問(wèn)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(biāo)權(quán)重,具體過(guò)程如下：

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

(2)計(jì)算判斷矩陣每行元素之積Mi：

(3)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)評(píng)價(jià)實(shí)例

3.1 依托工程概況

地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)實(shí)例以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線湘江新城站為例。長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線湘江新城站位于銀星路與銀杉路現(xiàn)狀道路“L”字路口的南側(cè),本站為單柱雙跨兩層站,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐的形式。車(chē)站有效站臺(tái)中心里程為YDK16＋236.000,全長(zhǎng)208.8 m。車(chē)站有效站臺(tái)中心里程處軌面高程(絕對(duì)值)為33.204 m,標(biāo)準(zhǔn)段線間距15 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度20.7 m,車(chē)站主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為2.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.13 m。本站為島式地下二層明挖車(chē)站,兩端接盾構(gòu)區(qū)間,車(chē)站覆土2.7 m。車(chē)站北端為盾構(gòu)始發(fā),車(chē)站南端為盾構(gòu)吊出。車(chē)站外包全長(zhǎng)208.8 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬20.7 m,車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.13 m,盾構(gòu)井段基坑深約17.7 m。

3.2 實(shí)例評(píng)價(jià)過(guò)程

3.2.1 確定專(zhuān)家權(quán)重

本工程邀請(qǐng)5位地鐵專(zhuān)家評(píng)價(jià)湘江新城站施工風(fēng)險(xiǎn)性,專(zhuān)家權(quán)重的確定根據(jù)表2的專(zhuān)家權(quán)重體系,得到5 位專(zhuān)家權(quán)重依 次為：0.217,0.206,0.185,0.206,0.186。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣判斷的原理[7],將風(fēng)險(xiǎn)分為四級(jí)：即極高風(fēng)險(xiǎn)(用4表示),高度風(fēng)險(xiǎn)(用3表示),中度風(fēng)險(xiǎn)(用2表示),低度風(fēng)險(xiǎn)(用1表示)。

3.2.2 確定底層綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本工程中施工管理底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值由5位專(zhuān)家打分確定得到如下的矩陣：

考慮專(zhuān)家權(quán)重(評(píng)價(jià)值乘專(zhuān)家自身權(quán)重),則得：

施工管理底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值：

同理,對(duì)于周?chē)h(huán)境：

對(duì)于支撐失穩(wěn)：

對(duì)于孔壁塌陷：

對(duì)于坑底隆起：

對(duì)于基坑滑移：

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流：

3.2.3 確定底層指標(biāo)權(quán)重

現(xiàn)在確定施工管理底層指標(biāo)的權(quán)重,根據(jù)熵度法,將V1′結(jié)果代入公式(1),則得：

將V1″代入公式(2),計(jì)算各底層指標(biāo)熵得：

將H1i代入公式(3),計(jì)算得各底層指標(biāo)熵權(quán)得：

其中,指標(biāo)熵越大,則指標(biāo)的熵權(quán)越小,意味著專(zhuān)家對(duì)該指標(biāo)的把握性越小,不確定性越大[6]。

同理可得：

周?chē)h(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

支撐失穩(wěn)評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

孔壁塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

坑底隆起評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

基坑滑移評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)：

3.2.4 確定其余層指標(biāo)權(quán)重

第二層次的風(fēng)險(xiǎn)源判斷矩陣見(jiàn)表4。

計(jì)算出wi＝[0.258 0.105 0.637]。

施工技術(shù)的第三層次的判斷矩陣見(jiàn)表5。

表4 第二層次風(fēng)險(xiǎn)源判斷矩陣

表5 第三層次風(fēng)險(xiǎn)源的判斷矩陣

計(jì)算 出 w3i＝ [0.039 0.283 0.427 0.142 0.109]。

3.2.5 人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)的綜合評(píng)估

對(duì)于施工管理風(fēng)險(xiǎn)：R1′＝w1i×R1＝1.345,周?chē)h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：R2′＝w2i×R2＝2.723,支撐失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)：R31′＝w31i×R31＝1.573,孔壁塌陷風(fēng)險(xiǎn)：R32′＝w32i×R32＝1.646,坑底隆起風(fēng)險(xiǎn)：R33′＝w33i×R33＝2.039,基坑滑移風(fēng)險(xiǎn)：R34′＝w34i×R34＝1.598,圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險(xiǎn)：R35′＝w35i×R35＝1.946,施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：R3＝∑5i＝1w3i×R3i′＝1.656,則整體安全風(fēng)險(xiǎn) 系統(tǒng)：R＝ ∑3i＝1wi×Ri′＝1.621。

3.2.6 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

(1)車(chē)站施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估結(jié)果屬于中度風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)在第二層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中,施工管理和施工技術(shù)指標(biāo)為低度風(fēng)險(xiǎn),而周?chē)h(huán)境指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值明顯大于這兩項(xiàng),達(dá)到2.723,風(fēng)險(xiǎn)值較高,采取必要的措施保證周邊鄰近結(jié)構(gòu)物的安全。

(3)在第三層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中,即施工技術(shù)方面,湘江新城站坑底隆起風(fēng)險(xiǎn)為2.039,屬于中度風(fēng)險(xiǎn),其余指標(biāo)為低度風(fēng)險(xiǎn)。

(4)底層評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的風(fēng)險(xiǎn)如下：施工管理底層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值均低于1.6,為低度風(fēng)險(xiǎn);周?chē)h(huán)境的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)中施工降水引起地表沉降導(dǎo)致管線破壞風(fēng)險(xiǎn)最大;坑底隆起風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)當(dāng)中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度不足的風(fēng)險(xiǎn)最大,為中度風(fēng)險(xiǎn),要采取相應(yīng)監(jiān)控措施進(jìn)行改善;孔壁塌陷指標(biāo)中側(cè)向土壓力過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)最大,為中度風(fēng)險(xiǎn),需要加強(qiáng)監(jiān)控;從熵權(quán)結(jié)果看出,支撐失穩(wěn)是施工技術(shù)中最重要指標(biāo),其中支撐結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)最大,達(dá)到2.185,選擇不當(dāng)易造成較大風(fēng)險(xiǎn);基坑滑移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險(xiǎn)中都要注意處理好降水不力的問(wèn)題,另外主要改善和監(jiān)控地連墻質(zhì)量,尤其是裂縫問(wèn)題。

4 結(jié) 論

(1)融合專(zhuān)家法和層次分析法,構(gòu)建了科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為地鐵車(chē)站施工提供了評(píng)價(jià)模型,指導(dǎo)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

(2)將模型應(yīng)用到湘江新城地鐵車(chē)站中,得到車(chē)站綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果是中度風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)施工各層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果表明施工場(chǎng)地周?chē)h(huán)境對(duì)地鐵車(chē)站施工的風(fēng)險(xiǎn)最大,施工中需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表沉降以及土體變形情況,確保周?chē)ㄖ镆约肮芫€的安全。