李美欣,邵志國,于德湖

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,青島 266100； 2.青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院,青島 266520； 3.同濟(jì)大學(xué)可持續(xù)發(fā)展與新型城鎮(zhèn)化智庫,上海 200092)

引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加速，國內(nèi)已有36個(gè)城市建成并運(yùn)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(shè)規(guī)劃，以構(gòu)建完善、高效的城市內(nèi)部軌道交通網(wǎng)。城市地下交通隧道在逐漸網(wǎng)絡(luò)化的過程中，勢必導(dǎo)致多條線路交叉，從而在地鐵網(wǎng)絡(luò)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(gè)地鐵線路，優(yōu)化地下交通網(wǎng)絡(luò)。但緊貼既有地鐵車站建設(shè)新的換乘車站一直都是地下穿越工程施工的重大技術(shù)難題，面臨確保既有地鐵站正常運(yùn)營和新建地鐵車站安全施工的雙重考驗(yàn)[1]。因此，當(dāng)前亟需構(gòu)建合理完善的近距離下穿既有地鐵站的新建地鐵站項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系和評價(jià)方法，助力地鐵建設(shè)單位合理規(guī)劃、規(guī)避重大風(fēng)險(xiǎn)，提高城市內(nèi)部交通網(wǎng)絡(luò)的效率和效益[2-3]。

由于地下工程具有復(fù)雜、模糊性強(qiáng)的特點(diǎn)，EINSTEIN[4]認(rèn)為科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)分析方法對于地下隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估及決策至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用了多種針對性強(qiáng)、評估精確的方法對地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。如SOUSA[5]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測工程領(lǐng)域知識與實(shí)際數(shù)據(jù)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(fēng)險(xiǎn)提供決策支持；CLARKE[6]將經(jīng)驗(yàn)評估法和數(shù)值模擬結(jié)合，對地鐵施工周圍建筑物進(jìn)行了易損性評估，提高了評估結(jié)果的可靠性；張飛燕[7]利用CIM-AHP模型和組合賦權(quán)方法，對鄭州地鐵施工實(shí)例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，實(shí)現(xiàn)定量與定性結(jié)合、客觀權(quán)重與主觀權(quán)重結(jié)合的雙重保障，使評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理；宗秋雷[8]運(yùn)用C-OWA算子賦權(quán)法確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，引入模糊語言處理專家評價(jià)的不確定性；趙輝[9]運(yùn)用Shapley值法去除地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)相關(guān)性，并采用灰色聚類對實(shí)際工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估；胡眾[10]建立非線性模糊綜合評價(jià)模型對地鐵基坑施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，保留了評價(jià)工作的非線性特征。處理指標(biāo)的模糊性和評價(jià)過程的灰色性是風(fēng)險(xiǎn)分析真實(shí)有效的前提。上述文獻(xiàn)中相關(guān)評價(jià)考慮了指標(biāo)的模糊性或評價(jià)過程的灰色性，提升了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果的可靠性，但在科學(xué)、全面地處理評價(jià)系統(tǒng)不確定性上仍有改進(jìn)空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年至2016年期間有43%的地鐵施工安全事故發(fā)生在區(qū)間，而57%的事故發(fā)生在地鐵車站[11]。換乘車站通常緊鄰既有地鐵站，施工時(shí)需保障既有地鐵站正常運(yùn)行和新建地鐵站順利施工，相較于常規(guī)地鐵車站施工難度大，且施工場所多為居民街區(qū)，周圍交通環(huán)境復(fù)雜，面臨眾多風(fēng)險(xiǎn)源，施工風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。因此，此類工程風(fēng)險(xiǎn)評估過程的模糊性和灰色性作用更強(qiáng)，需采用更為客觀、精確的方法進(jìn)行評價(jià)[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(shí)際，提出較為新穎的新建地鐵站下穿既有地鐵站的風(fēng)險(xiǎn)評估體系。將模糊最優(yōu)最劣法運(yùn)用到此工程的風(fēng)險(xiǎn)評估中，處理指標(biāo)模糊性，有效降低指標(biāo)間的不一致率；采用灰色聚類法解決指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果間的非線性、灰色性問題。相比于傳統(tǒng)方法，文中構(gòu)建的基于模糊最優(yōu)最劣法的灰色聚類風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型能充分保留專家意見，在處理指標(biāo)模糊性和評價(jià)過程的灰色性上性能良好，評價(jià)結(jié)果也更為科學(xué)、合理。研究成果可為地鐵車站下穿既有地鐵車站或構(gòu)筑物工程施工提供新的風(fēng)險(xiǎn)評估方法和較大程度上的參考價(jià)值。

1 近距離下穿既有地鐵站的新建地鐵站項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

地鐵工程的常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)因素可從自然風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、人為風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)與設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行分析，但對于地下穿越工程而言，新建工程的建造勢必會(huì)對已有建筑物的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生一定影響[13]。在構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系時(shí)，已有地鐵站面臨的風(fēng)險(xiǎn)與危害不容忽視。為能夠全面地選取風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，查閱并參考CJJ/T202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和常見地下穿越工程風(fēng)險(xiǎn)因素，形成了基于文獻(xiàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)研究的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)參考依據(jù)，如表1所示。

表1 基于國家標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)研究的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取參考

考慮換乘地鐵車站施工的特殊性和表2中的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取參考依據(jù)，建立了包含水文地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)層面的評價(jià)指標(biāo)框架。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程從以上5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)層面篩選甄別二級指標(biāo)。特別地，運(yùn)用德爾菲法得到10位工程風(fēng)險(xiǎn)評估專家對于指標(biāo)選取的意見，對評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行二次確定，明確指標(biāo)涵義及獨(dú)立性，刪除重復(fù)或無用指標(biāo)，最終獲得風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，如表2所示。

表2 評價(jià)指標(biāo)體系

1.2 確定指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級

從以上指標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)包含定量和定性兩種類型[19]。定量評價(jià)指標(biāo)數(shù)值由實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)國家技術(shù)規(guī)范要求所得，如軌道水平位移、豎直位移等；定性評價(jià)指標(biāo)由專家打分獲得，如材料管理、安全演習(xí)等。工程風(fēng)險(xiǎn)等級采用國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和類似工程實(shí)際數(shù)據(jù)將指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為5級，便于相關(guān)領(lǐng)域的專家對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)等級與對應(yīng)數(shù)值如表3所示。

表3 新建地鐵站下穿既有地鐵站施工項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級

2 基于模糊最優(yōu)最劣法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.1 模糊思想

模糊理論是以模糊集合和隸屬度函數(shù)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(xué)、生化工程等領(lǐng)域所涉及的定性、不精確問題[20]。在工程實(shí)踐中，面對復(fù)雜多變的決策環(huán)境，決策者喪失了依靠精確數(shù)據(jù)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(huán)境下，將模糊理論應(yīng)用于此類工程實(shí)踐案例可有效減少錯(cuò)誤決策，提高決策精確度。

三角模糊數(shù)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(nèi)。為最大程度保留專家意見，采用三角模糊數(shù)搜集決策信息。接下來對三角模糊數(shù)的性質(zhì)及運(yùn)算法則進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)隸屬度函數(shù)

(1)

(2)運(yùn)算法則

(2)

(3)去模糊化

(3)

2.2 基于模糊理論的最優(yōu)最劣法

模糊最優(yōu)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(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)、最劣指標(biāo)進(jìn)行比較，利用約束建立目標(biāo)規(guī)劃，得到各指標(biāo)權(quán)重的方法[21]。利用FBWM計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，獲得重要度較高的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，是評估風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵步驟。

地鐵穿越工程風(fēng)險(xiǎn)評估共包括n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，工程實(shí)踐領(lǐng)域的決策專家根據(jù)自身實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識對評估指標(biāo)之間的重要程度進(jìn)行比較，依據(jù)表4的語言評估等級作出判斷，并轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)。

表4 語言尺度轉(zhuǎn)化

評估具體步驟如下。

Step 1：判定出最優(yōu)指標(biāo)和最劣指標(biāo)。在這一步中，專家需對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較，決定出最優(yōu)指標(biāo)B和最劣指標(biāo)W。

Step 2：將各個(gè)評價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)B、最劣指標(biāo)W進(jìn)行模糊比較。根據(jù)專家語言，確定各指標(biāo)比最劣指標(biāo)W重要的程度、最優(yōu)指標(biāo)B比各指標(biāo)重要的程度，記為重要度aBW。

(4)

(5)

(6)

根據(jù)上文中三角模糊數(shù)的運(yùn)算規(guī)則對式(6)進(jìn)行計(jì)算，可分別得到最優(yōu)指標(biāo)、最劣指標(biāo)及其他指標(biāo)的最優(yōu)模糊權(quán)重值。

(7)

(8)

通過以上計(jì)算步驟，可以得到各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。

3 新建換乘站下穿既有地鐵站施工風(fēng)險(xiǎn)的灰色聚類評價(jià)模型

灰色聚類評估方法是利用灰色關(guān)聯(lián)矩陣或白化權(quán)函數(shù)將各個(gè)評價(jià)對象的眾多評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類的方法。根據(jù)灰類劃分出評價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級，運(yùn)用灰色聚類法計(jì)算出定權(quán)決策系數(shù)即可得到整個(gè)工程風(fēng)險(xiǎn)評估等級。

結(jié)合換乘車站施工特點(diǎn)，基于三角白化權(quán)函數(shù)，建立灰色聚類風(fēng)險(xiǎn)評估模型，具體步驟如下[22-23]。

Step 1：獲取指標(biāo)的評估值。由m位專家確定致因因素，即評價(jià)對象i(i=1，2，…，n)的風(fēng)險(xiǎn)大小，得到指標(biāo)評估值xim。

表5 灰類等級取值范圍

根據(jù)所劃分的灰類等級和灰類取值，建立三角白化權(quán)函數(shù)如下

(9)

(10)

灰類k的定權(quán)決策系數(shù)越大，評價(jià)對象所面臨的風(fēng)險(xiǎn)在灰類k中的隸屬度越大，從而評估對象的風(fēng)險(xiǎn)等級就越高。

4 實(shí)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(xué)、稻香園居住區(qū)和中關(guān)村西區(qū)等，交通情況較為復(fù)雜。蘇州街站沿蘇州街南北方向敷設(shè)，為兩端雙層、中間單層的端頭廳車站，通過通道連接實(shí)現(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

依據(jù)文中建立的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，共邀請了來自國內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)評估專家對文中的5個(gè)一級指標(biāo)、31個(gè)二級指標(biāo)進(jìn)行模糊最優(yōu)最劣比較，根據(jù)專家們比較的結(jié)果，選取得到最優(yōu)主指標(biāo)。新建地鐵站最優(yōu)子指標(biāo)分別為：含水量、結(jié)構(gòu)裂縫寬度、主體結(jié)構(gòu)加固、給排水管道、道床脫空量。其他主指標(biāo)與最優(yōu)主指標(biāo)模糊比較的重要度見表6，水文地質(zhì)條件各子指標(biāo)與最優(yōu)子指標(biāo)模糊比較結(jié)果見表7。限于篇幅，其余指標(biāo)模糊比較結(jié)果不再逐一列出。

表6 主指標(biāo)重要度比較

表7 水文地質(zhì)條件子指標(biāo)重要度比較

得到以上模糊比較等級之后，將子指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)、最劣指標(biāo)進(jìn)行模糊比較的結(jié)果轉(zhuǎn)換為三角模糊數(shù)。以同一主指標(biāo)下子指標(biāo)權(quán)重和為1作為約束條件建立非線性目標(biāo)規(guī)劃，計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

同理，針對主指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算依然利用已有條件建立非線性約束問題進(jìn)行求解，得到模糊權(quán)重比較如圖2所示。

圖2 二級指標(biāo)模糊權(quán)重比較

根據(jù)以上結(jié)果，由公式(11)計(jì)算各指標(biāo)綜合模糊權(quán)重

Wj=Ai×Bj

(11)

式中，i=1，2，…，5；j=1，2，…，31。運(yùn)用GMIR法將綜合模糊權(quán)重轉(zhuǎn)化為精確數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 指標(biāo)綜合模糊權(quán)重

4.3 工程風(fēng)險(xiǎn)評估

表9 主指標(biāo)各灰類隸屬值

圖3 二級指標(biāo)各灰類隸屬值

對31個(gè)二級指標(biāo)在同一灰類的隸屬度進(jìn)行加總，可知工程實(shí)例的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)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(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅲ，處于中等水平。由圖3可知，當(dāng)k=3時(shí)，新建地鐵站風(fēng)險(xiǎn)高于既有地鐵站，而當(dāng)k=2時(shí)，新建地鐵站的風(fēng)險(xiǎn)低于既有地鐵站，綜合看來新建地鐵站風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅲ，既有地鐵站風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅱ。本文研究結(jié)果與2016年彭于寒得出此工程總體風(fēng)險(xiǎn)介于一級風(fēng)險(xiǎn)和二級風(fēng)險(xiǎn)之間，處于中等水平的結(jié)果可相互驗(yàn)證[24]。因此，本文方法可有效處理指標(biāo)模糊性和風(fēng)險(xiǎn)判別灰色性，為評估此類工程風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)、可靠的方法支撐。

研究中變形縫差異沉降和結(jié)構(gòu)裂縫寬度2個(gè)二級指標(biāo)重要度凸顯，是下穿地鐵工程施工中需重點(diǎn)關(guān)注和控制的對象?；炷羷兟涑潭?、工程降水深度及主體結(jié)構(gòu)加固3個(gè)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重均超過0.05，因此，在新建地鐵站的施工中需加強(qiáng)對各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測，做好工程降水，注重主體結(jié)構(gòu)加固和混凝土保養(yǎng)。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合現(xiàn)有國家交通軌道建設(shè)規(guī)范和文獻(xiàn)資料，構(gòu)建包括水文地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)層面的評價(jià)指標(biāo)體系，保證了指標(biāo)選取的全面性和評價(jià)結(jié)果的真實(shí)有效。

(2)換乘車站建設(shè)相比常規(guī)地鐵線路施工的風(fēng)險(xiǎn)更大、不確定因素更多。運(yùn)用模糊最優(yōu)最劣法精確計(jì)算了此類工程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)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(fēng)險(xiǎn)管控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(3)利用灰色聚類法建立了每個(gè)灰類對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)，消除了評價(jià)過程因信息不充分而導(dǎo)致的灰色性。通過計(jì)算實(shí)際案例風(fēng)險(xiǎn)等級，充分證明了本文模型在地鐵下穿工程風(fēng)險(xiǎn)評估中良好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，所得結(jié)果科學(xué)合理、符合實(shí)際。