周前國(guó)，周鴻源

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2. 中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

近幾年，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)投資額度逐年攀升，已由2011年的1 628億元增加到2017年的5 083億元，預(yù)計(jì)2020年額度將達(dá)到7 072億元[1]。盾構(gòu)法施工具有不影響地面交通、施工相對(duì)安全性高等特點(diǎn)，因此城市地鐵隧道較為普遍的采用該方法建造。但是，由于眾多風(fēng)險(xiǎn)因素的存在，最終導(dǎo)致盾構(gòu)施工安全事故頻發(fā)，對(duì)社會(huì)影響及其惡劣。如何客觀評(píng)價(jià)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)、制定防控措施降低風(fēng)險(xiǎn)是工程技術(shù)人員面臨的難題之一。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了比較深入的研究，試圖尋求易于理解掌握、方便操作運(yùn)用，且對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)做出客觀評(píng)價(jià)方法。侯寒冰等[2]構(gòu)建了基于K-means聚類分析的地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并以南京地鐵2號(hào)線為例，論證了聚類分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的有效性；楊仙等[3]構(gòu)建了基于熵度量法的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，用該模型對(duì)沈陽(yáng)地鐵某盾構(gòu)工程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；陳美華等[4]采用有序加權(quán)平均算法(OWA算法)求解評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,通過(guò)計(jì)算各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)學(xué)期望值法對(duì)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；胡長(zhǎng)明等[5]針對(duì)軟土地層盾構(gòu)施工，運(yùn)用可拓學(xué)理論建立了風(fēng)險(xiǎn)可拓評(píng)估模型,運(yùn)用該模型對(duì)寧波軌道交通工程2號(hào)線盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，其結(jié)果較好地反映了工程的實(shí)際情況。

綜上所述，我國(guó)盡管在盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的研究取得了一定成果，然而，事實(shí)證明這些施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法運(yùn)用的數(shù)理知識(shí)太過(guò)深?yuàn)W不便于工程技術(shù)人員理解、掌握與運(yùn)用。鑒于此，本文以易理解掌握、方便運(yùn)用為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建了符合人的思維習(xí)慣的基于AHP的模糊綜合評(píng)判法，對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀科學(xué)地評(píng)價(jià)。

1 工程概況

成都地鐵4號(hào)線西延線位于成都市溫江區(qū),其中土建6標(biāo)段區(qū)間段隧道，全采用盾構(gòu)法施工。該區(qū)間段最深覆土厚度14.9 m，最淺覆土厚度9.9 m；線路平面曲線半徑最小處300 m，縱向坡度最大處28‰。

該區(qū)間段處在卵石最大含量達(dá)到85%、漂石粒徑20～70 cm、卵石單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)170 MPa的大粒徑、高強(qiáng)度、富水砂卵石的地層中。盾構(gòu)施工主要穿越密實(shí)卵石地層，地層中漂石含量為5%～20%，粒徑一般為200 mm×400 mm，破碎異常困難；除此之外，地層中大于20 mm粒徑的顆粒其質(zhì)量占比達(dá)70%～80%，因此該地層顆粒級(jí)配極其不良；并且高富水，其含水率介于5%～10%之間；地層透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)約為28 m/d。

2 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)

2.1 基于AHP的模糊綜合評(píng)判的原理與構(gòu)建步驟

基于AHP的模糊綜合評(píng)判，是層次分析法與模糊綜合評(píng)判法的有效結(jié)合，是一種定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則、多層次決策分析方法[6]。AHP是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Satty T L于20世紀(jì)70年代提出，利用AHP處理決策問(wèn)題時(shí)，先分析問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型(如圖1所示)，并用適當(dāng)?shù)臉?biāo)度對(duì)各個(gè)因素的重要度進(jìn)行量化比較，構(gòu)建出評(píng)判指標(biāo)判斷矩陣計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重得出權(quán)向量，并對(duì)評(píng)判指標(biāo)排序；然后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分層次進(jìn)行模糊綜合評(píng)判；最后綜合出總的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)。

圖1 AHP遞階層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述的原理不難得出，基于AHP的模糊綜合評(píng)判法構(gòu)建的基本步驟如下。

1)明確問(wèn)題，構(gòu)建層次化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣并做一致性檢驗(yàn)。

①對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中同一層級(jí)的指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行比較判斷并運(yùn)用1～9標(biāo)度法進(jìn)行賦值，可得斷矩陣：

②計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率CR，檢驗(yàn)其一致性：

3)計(jì)算權(quán)向量，并依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值大小對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)排序，確定關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。

①計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

W=[W1,W2,…,Wn]T

4)依據(jù)模糊綜合評(píng)判理論確定評(píng)語(yǔ)集，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

①建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集，評(píng)級(jí)集是評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)可能出現(xiàn)的所有的評(píng)價(jià)集合的總體，即：

V={v1,v2,…,vn}

式中：vi(i=1,2,…,n)代表評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

②針對(duì)單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析其對(duì)評(píng)語(yǔ)集元素的隸屬度，即單因素模糊評(píng)價(jià)；

③運(yùn)用模糊綜合評(píng)判模型B=W°C，分層次對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。其中，°是模糊合成算子，W為權(quán)重向量，C為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)判矩陣。

5)依據(jù)最大隸屬度對(duì)評(píng)價(jià)做決策。

2.2 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)完整性、系統(tǒng)性、重要性、實(shí)用性、層次性準(zhǔn)則并結(jié)合工程概況，成都地鐵4號(hào)線西延線土建6標(biāo)區(qū)間段盾構(gòu)隧道工程的施工風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于人員、機(jī)械、材料、管理、自然和社會(huì)6方面[7]，按照層次分析法原理，構(gòu)建該工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣計(jì)算權(quán)向量

本文采用專家調(diào)查法對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行判斷并用1～9標(biāo)度法賦值，可得到評(píng)價(jià)所需要的7個(gè)比較判斷矩陣，目標(biāo)層(施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)目標(biāo))對(duì)一級(jí)指標(biāo)層1個(gè)記為A，一級(jí)指標(biāo)層對(duì)二級(jí)指標(biāo)層6個(gè)記為Bi(i=1∶6)。

根據(jù)專家調(diào)查法收集的數(shù)據(jù)資料分析構(gòu)建的一級(jí)指標(biāo)層對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的判斷矩陣A-B為：

為了計(jì)算方便，將判斷矩陣A-B簡(jiǎn)記為矩陣A：

同理可得：

同理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)體系各個(gè)判斷矩陣的權(quán)向量分別為：

WB1=(0.197 5,0.276 3,0.329 1,0.053 8,0.044 3,0.090 0)T；

WB2=(0.309 6,0.096 6,0.253 3,0.076 7,0.201 0,0.062 8)T；

WB3=(0.285 7,0.285 7,0.142 9,0.285 7)T；

WB4=(0.184 7,0.082 3,0.293 1,0.248 9,0.108 7)T；

WB5=(0.336 7,0.104 0,0.208 0,0.071 1,0.165 1,0.109 1)T；

WB6=(0.402 8,0.128 6,0.069 5,0.222 3,0.041 9,0.134 9)T；

且各個(gè)二級(jí)指標(biāo)體系各個(gè)判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)CR均小于0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

2.4 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)總排序

根據(jù)2.3節(jié)所計(jì)算得到的各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，計(jì)算組合權(quán)重，可得到表2所示的盾構(gòu)始發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重排序表。

表2 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重排序

從表2的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重排序表可知，權(quán)值最大的為0.128 3，其次分別為0.107 7、0.089 1、0.077 0，評(píng)價(jià)指標(biāo)中最大的風(fēng)險(xiǎn)因素為掘進(jìn)管理，其次分別為材料管理、水文地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)管理等因素，便于工程技術(shù)人員抓住關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素制定風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

2.5 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)模糊綜合評(píng)判理論的，確定盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判的評(píng)語(yǔ)集為：

V={低風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，一般風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，高風(fēng)險(xiǎn)}

地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)集的含義如表3所示。

表3 地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)集的含義

本文采用專家調(diào)查法對(duì)成都地鐵4號(hào)線西延線6標(biāo)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)進(jìn)行評(píng)判，整理反饋有效信息的20位專家的數(shù)據(jù)，可得到二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)判矩陣分別為：

依據(jù)模糊綜合評(píng)判模型“B=W°C”，為便于工程技術(shù)人員理解與接受，本文的模糊合成算子采用加權(quán)平均M(·，⊕)模糊合成算子進(jìn)行合成，確定盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量。如確定“管理風(fēng)險(xiǎn)(B1)”的評(píng)價(jià)向量：

B1=WB1°CB1=

=(0.042 4,0.062 1,0.157 2,0.364 3,0.374 0)；

同理，計(jì)算可得：

“人工風(fēng)險(xiǎn)(B2)”的評(píng)價(jià)向量：

B2=(0.143 1,0.234 3,0.315 3,0.218 5,0.088 8)；

“材料風(fēng)險(xiǎn)(B3)”的評(píng)價(jià)向量：B3=(0.164 3,0.207 1,0.264 3,0.242 9,0.121 4)；

“機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)(B4)”的評(píng)價(jià)向量：B4=(0.078 8,0.211 1,0.300 2,0.295 2,0.114 7)；

“社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)(B5)”的評(píng)價(jià)向量：

B5=(0.138 5,0.210 2,0.273 7,0.263 6,0.113 9)；

“自然風(fēng)險(xiǎn)(B6)”的評(píng)價(jià)向量：

B6=(0.004 2,0.035 0,0.152 8,0.376 7,0.431 3)。

由上述6個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量，即可得到盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)判矩陣：

評(píng)判矩陣C再與權(quán)向量W進(jìn)行模糊合成，可得成都地鐵4號(hào)線西延線盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量：

B=W°C=

=(0.069 1,0.117 6,0.209 8,0.321 8,0.281 8)

根據(jù)最大隸屬度原則可得bmax=b4=0.321 8，該值對(duì)應(yīng)于較高風(fēng)險(xiǎn)，說(shuō)明成都地鐵4號(hào)線西延線6標(biāo)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較大、風(fēng)險(xiǎn)控制難度亦較大；如果風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生在經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、工期等方面產(chǎn)生較大的損失，但不可逆的災(zāi)難性后果(如人員傷亡等)不會(huì)發(fā)生，此類風(fēng)險(xiǎn)必須重視。

3 結(jié) 論

眾多風(fēng)險(xiǎn)因素客觀存在，導(dǎo)致盾構(gòu)施工安全事故頻發(fā)，為客觀評(píng)價(jià)施工風(fēng)險(xiǎn)且便于工程技術(shù)人員理解掌握與運(yùn)用，本文構(gòu)建了基于AHP的模糊綜合評(píng)判方法，并以成都地鐵4號(hào)線西延線6標(biāo)盾構(gòu)隧道工程為載體驗(yàn)證了方法的科學(xué)合理、方便適用性，為該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理決策提供了依據(jù)。

1)本文分析了地鐵盾構(gòu)施工潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，并以人員、機(jī)械、材料、管理、自然和社會(huì)6個(gè)一級(jí)指標(biāo)以及與之相關(guān)的34個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)結(jié)合層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了基于AHP的模糊綜合評(píng)判模型，應(yīng)用該評(píng)判模型對(duì)成都地鐵4號(hào)線西延線6標(biāo)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，找出了該工程的安全隱患和薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際基本相符。

3)利用基于AHP的模糊綜合評(píng)判，對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)的作用降低主觀因素對(duì)評(píng)判帶來(lái)的偏差，使評(píng)判結(jié)果更為客觀、更趨于實(shí)際。

4)基于AHP的模糊綜合評(píng)判法符合人的思維習(xí)慣并具有嚴(yán)密的邏輯性，且該方法僅用到最基礎(chǔ)的矩陣?yán)碚?，易理解掌握、方便運(yùn)用，所以該方法對(duì)于工程技術(shù)人員具有很強(qiáng)的實(shí)用性。