王建波，黃文靜，秦 娜，張 薇

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525)

近年來，我國經(jīng)濟突飛猛進，城鎮(zhèn)化進程加快，城市人口與日俱增，城市交通堵塞，現(xiàn)有的交通工具已無法滿足人們的出行需求。地鐵以其高效、便捷的優(yōu)勢成為緩解城市交通壓力的理想選擇。然而，由于地鐵施工周期長、地質(zhì)條件和外部環(huán)境復雜、不可預見因素多等特點，導致盾構施工存在的各類風險一一凸顯，嚴重威脅公共安全。因此，對地鐵盾構施工風險進行科學合理的評估是風險管理的必要環(huán)節(jié)。只有科學有效的施工，才能更好地規(guī)避施工中存在的風險，提出有針對性的措施。

如何有效評估地鐵盾構施工風險已成為社會討論熱點。近年來，地鐵在我國發(fā)展迅猛，越來越多的學者對地鐵盾構施工風險進行研究。在處理指標權重層面，學者們采用網(wǎng)絡分析法[1]、層次分析法[2-4]、貝葉斯網(wǎng)絡法[5]、C-OWA法[6]、熵權法[7]等取得一定成果。但是，這些方法要么受決策者主觀意愿的影響，導致評價結果存在誤差；要么完全受數(shù)據(jù)本身決定，導致信息丟失。為了克服單一指標賦權的片面性，學者們更偏向于選擇組合賦權法對指標賦權。洪文霞等[8]采用DEMATEL和ANP相結合確定主觀權重，熵權法確定客觀權重，并引入vague集法進一步開展青島地鐵盾構施工風險評價，進而驗證工程項目的風險等級與實際相吻合。趙金先等[9]提出層次分析法和熵權法組合賦權，通過建立可拓評價模型對地鐵盾構施工安全風險進行評價。馮輝紅等[10]采用層次分析法(AHP)和熵權法組合賦權，建立水下隧道施工方案模型，并驗證該模型的適用性和可操作性。張?zhí)芈黐11]基于AHP和熵權法組合賦權對地鐵盾構施工風險進行分析，并進一步建立新的管理模式，為后續(xù)相關研究者提供幫助。上述組合賦權方法具有邏輯性，但在使用時，需要考慮一致性檢驗不通過的問題，計算繁瑣，同時，也未考慮到地鐵盾構施工風險評價過程中存在的不確定性和模糊性，以致評價結果不準確。

上述相關研究為地鐵盾構施工風險評價提供了理論基礎，但仍存在一些不足，在此基礎上，本文采用G1法(序關系分析法)和COWA算子博弈組合賦權，既不需要對數(shù)據(jù)進行一致性檢驗，也降低了主觀因素對計算結果的影響，同時考慮施工風險中的不確定性，引入云模型理論構建基于組合賦權云模型的地鐵盾構施工風險評價模型，并將此模型應用到青島地鐵1號線“安安”區(qū)段，以驗證模型的可行性和合理性。

1 地鐵盾構施工風險評價指標體系構建

地鐵盾構施工風險評價的首要任務是構建科學合理的評價指標體系。遵循科學性、合理性、可行性、全面性等評價指標的構建原則，通過對地鐵盾構施工風險相關文獻研究和項目實地考察，從“人、機械、技術、環(huán)境”四個角度對地鐵盾構施工風險進行評估?！叭恕钡慕嵌龋饕侵竻⑴c地鐵盾構施工的工作人員技術水平不合格、操作不當或經(jīng)驗不足以及風險意識不足；“機械”的角度，主要是指施工階段盾構設備、刀具、管片等在選取或使用過程中出現(xiàn)的各種故障；“技術”的角度，主要是指為了降低地鐵盾構施工風險，要遵循技術規(guī)范、操作規(guī)范等，可能存在密封裝置處理不合格、掘進速度控制不合理等問題；“環(huán)境”的角度，主要是指盾構始發(fā)、掘進、到達過程中地質(zhì)條件、照明、通風、地面沉降等因素可能導致的風險。

根據(jù)上述四個角度的評估指標進行細化、歸納，構建基于“人、機械、技術和環(huán)境”等因素的地鐵盾構施工風險評價指標體系，該體系選取4個二級指標和16個三級指標，見表1。

2 地鐵盾構施工風險評價指標權重確定

計算指標權重的方法有主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法。為了避免受單一指標的影響，本文采用G1法與COWA算子相結合的組合賦權法，力求發(fā)揮各自最大的優(yōu)勢。G1法是通過對選取的指標進行專家打分計算權重值；COWA法是對收集到的數(shù)據(jù)通過專家賦值計算權重值，并建立最優(yōu)化組合賦權模型，以實現(xiàn)主客觀權重利益最大。

2.1 G1法確定評價指標主觀權重

G1法是由郭亞軍教授提出并在層次分析法(AHP)的基礎上進行改進的一種主觀賦權方法，與AHP相比，G1法的優(yōu)勢是計算方法簡單，并且不需要進行一致性檢驗[12]。

表1 地鐵盾構施工風險評價指標體系

1) 確定評價指標的序關系。從評價指標集中先選取一個最重要的指標X1，然后從剩下的指標中選取相對重要性指標X2，依次類推，確定序關系：

X1>X2>X3>…>Xn。

(1)

2) 判斷各指標的相對重要程度比。邀請專家判斷相鄰兩個評價指標Xk-1和Xk的重要程度比，記為rk：

(2)

式中：k=n,n-1,…,3,2；rk的賦值見表2。

表2 rk的賦值

3) 確定評價指標權重系數(shù)，并根據(jù)以上步驟，即可求得wk的賦值：

(3)

由式(2)，有

wk-1=rkwk，k=n,n-1,…,3,2。

(4)

2.2 COWA法確定評價指標客觀權重

有序加權平均算子(OWA)是由Yager提出的，是對所選取的數(shù)據(jù)排序，并對新序列進行加權，進而降低極端值對結果的影響。國內(nèi)研究者提出的COWA算子是對OWA的改進，降低了決策者自身主觀因素對權重計算的影響。具體步驟如下[13]：

1) 評價指標A的決策數(shù)集結為(a1,a2,…,an)，對所選的數(shù)據(jù)從大到小排列，得到新的集結數(shù)據(jù)b0≥b1≥…≥bj≥…≥bn-1。

2) 利用組合數(shù)方法對數(shù)據(jù)bj進行加權，得到加權向量值：

(5)

3) 對排序后的數(shù)據(jù)經(jīng)專家打分，計算指標的絕對權重值：

(6)

4) 計算指標的相對權重值：

(7)

2.3 博弈論組合賦權

博弈論組合賦權的思想是在不同的權重之間尋求一致和協(xié)調(diào)，使最小化組合權重和各個權重之間的偏差之和達到最小，以期實現(xiàn)各主客觀權重利益最大化。組合賦權步驟如下[14]：

1) 使用G1法和COWA算子2種方法計算地鐵施工風險指標權重，其基本權重向量集為wi={wi1,wi2,…,win}，(i=1,2,…,L)，L個權重向量任意線性組合為

(8)

2) 依據(jù)博弈思想，為尋求各指標權重之間的一致化、協(xié)調(diào)化，實現(xiàn)w和wk離差最小化，有目標函數(shù)：

(9)

3) 對式(9)最優(yōu)化的一階導數(shù)條件用方程組表示為

(10)

(11)

3 地鐵盾構施工風險評價模型

3.1 云模型

云模型是由李德毅院士以概率論和模糊數(shù)學理論為基礎提出的，用于處理定量概念和定性數(shù)值之間相互轉換的不確定性模型，并研究了模糊性和隨機性之間的關聯(lián)性[15]。云模型的基本定義：設U是一個定量論域，C是論域U中的一個定性概念，定量值x∈U在定性概念C中隨機出現(xiàn)，且x對于C的隸屬度u(x)∈[0,1]。定性概念C在論域U上的分布定義為云，每個定量值x定義為云滴，成千上萬個云滴堆積成云。

云模型的數(shù)字特征有：期望值Ex、熵En和超熵He。期望值Ex表示n個云滴在論域中的期望，體現(xiàn)的盾構施工風險等級分類的點；熵En是一個定性的概念，衡量事物的模糊程度，在云圖上反映云滴的聚攏程度；超熵He在云圖上體現(xiàn)云的厚度和離散程度，反映的盾構施工風險指標的模糊性和隨機性。

云發(fā)生器包括正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器，是定性概念和定量數(shù)值之間相互轉換的有效途徑。正向云發(fā)生器是將云的三個數(shù)字特征(Ex，En，He)輸入，生成云圖的過程(圖1)；逆向云發(fā)生器是將選取的符合要求的樣本數(shù)據(jù)輸入，轉化為云模型數(shù)字特征的過程(圖2)。

圖1 正向云發(fā)生器

圖2 逆向云發(fā)生器

3.2 基于地鐵盾構施工風險評價步驟

3.2.1 確定風險指標評價標準云參數(shù)

地鐵盾構項目屬于隱蔽工程，存在地質(zhì)條件復雜、不可預見因素多等問題，在進行風險評估的過程中不可避免地存在很多不確定性因素，導致評估結果存在一定的模糊性和不確定性。本文采用云模型確定評價指標的風險等級，并引用李娟提出的黃金分割法[16]，將給定的定性語言變量用云模型來表達，越靠近論域中心，反映在云圖上的熵和超熵越小，反之，則越大，相鄰云的熵和超熵的較小者是較大者的0.618倍。針對地鐵盾構施工風險危險程度，將指標語言評價等級劃分為“極高風險”“較高風險”“中等風險”“較低風險”和“極低風險”，取中等風險對應的數(shù)字特征為(0.500，0.039，0.005)，指標語言在論域[0,1]上相對應的云模型的結果見表3。通過正向云發(fā)生器得到風險評價標準云圖如圖3所示。

3.2.2 確定三級指標風險評價云

邀請若干名盾構施工的相關專家對三級評價指標進行打分，并采用逆向云發(fā)生器對相關專家的打分結果進行綜合，得到各指標評價云。運用綜合云發(fā)生器計算的單個評價指標整合為綜合云模型。

表3 各指標語言等級標準云

圖3 風險評價標準云圖

(12)

3.2.3 確定二級指標風險綜合云

根據(jù)式(12)計算得出的三級指標云模型的數(shù)字特征和式(11)得到的組合權重加權運算，得到地鐵盾構施工風險綜合評價云的數(shù)字特征(Ex，En，He)，計算公式如下：

(13)

式中：n為三級指標的個數(shù)；wi為各指標對應的權重值。

3.2.4 計算相似度

(14)

4 實例分析

4.1 工程概況

青島地鐵1號線“安安”區(qū)間(安子東站—安子站)是1號線西海岸新區(qū)貫通的首個盾構區(qū)間，采用盾構法施工，1號線全線總長60.05 km，其中安安區(qū)間段921.7 m，掘進時間累計8個月，盾構從安子東站出發(fā)，沿長江東路下方敷設，穿過中冶愛彼岸北側地塊后轉入新港山路，最終到達安子站。盾構機每天以9.0～10.5 m的速度向安子站掘進，車站距海邊大約200 m，地下水位-3.6 m，車站地質(zhì)條件復雜，區(qū)間存在重要帶壓市政管線、巖層上軟下硬等問題，邀請參與該地鐵項目的行業(yè)專家對“安安”區(qū)間盾構施工風險進行評價。

4.2 確定風險指標的權重

1) 邀請10位從事該項目的施工單位、建設單位、設計單位以及高校專家等組成評分小組，依據(jù)G1法原理，對二級風險指標的重要程度進行排序，整理10位專家的問卷調(diào)查反饋，得到二級風險評價指標的序關系和相鄰指標的重要程度，見表4。

表4 二級評價指標序關系和相對程度

w4=(1+r2r3r4+r3r4+r4)-1=

(1+2.145+1.43+1.1)-1=0.176。

同理，可計算得：w3=0.247，w2=0.4。

重復以上步驟，可計算出三級指標的主觀權重值，計算結果見表5。

表5 各風險評價指標的權重

2) 再通過已經(jīng)組成的評分專家小組對選取該項目的盾構風險指標根據(jù)實際情況進行打分，運用G1法，以二級指標為例，專家打分情況見表6。

表6 專家打分

以二級指標M1的數(shù)據(jù)為例，應用COWA進行指標客觀權重計算，步驟如下：

首先對指標M1的數(shù)據(jù)按照從大到小排序，得到新的數(shù)據(jù)b=(8.0，8.0，7.5，7.0，7.0，7.0，6.5，6.5，6.0，6.0)；通過式(5)計算得到加權向量(0.00195，0.01758，0.07031，0.16406，0.24609，0.24609，0.16406，0.07031，0.01758，0.00195)，根據(jù)式(6)計算得到M1的絕對權重：

3) 將計算得到的主觀權重和客觀權重通過式(8)—(11)進行組合賦權，計算結果見表5。

4.3 確定施工風險綜合評價

邀請地鐵盾構相關專家在[0,1]區(qū)間內(nèi)對該項目的施工風險情況進行打分，結合式(11)計算各評價指標的數(shù)字特征，計算結果見表7。并運用式(12)綜合評價云指標求得綜合評價云(0.4170，0.0736，0.0174)，利用MATLAB繪制項目綜合評價云圖，如圖4所示。

表7 各評價指標的數(shù)字特征

圖4 風險評價綜合云圖

4.4 評價結果分析

通過式(14)計算綜合云對各二級指標風險云的相似度為0.148，0.416，0.285，0.085，0.000，綜合云與較低風險等級的相似度最貼近。同時由圖4可知，青島地鐵1號線“安安”區(qū)間施工風險等級介于“較低風險”和“中等風險”之間，更偏向于較低風險，則此項目的風險等級為“較低風險”，并由圖4可以看出，綜合風險評價云滴較集中，反映評價結果比較穩(wěn)定。與項目的實際監(jiān)測結果一致，驗證此模型是合理的和可靠的。進一步分析表7可以得出，各二級指標風險等級從大到小依次是環(huán)境風險、人的風險、機械風險、技術風險，其中，環(huán)境風險等級為“較低風險”，地面沉降和地質(zhì)條件復雜的風險等級較高；人的風險、機械風險和技術風險等級均為極低風險，施工人員操作不當或經(jīng)驗不足、管片安裝操作不當和密封裝置處理不當?shù)娘L險等級相對較高。

針對風險評估結果分析，車站距海邊距離較近，水位-3.6 m，地質(zhì)條件復雜，環(huán)境風險相對較高，在地鐵施工時應用盾構法需密切注意地面沉降、鄰近建筑物的結構及管線老化程度等。為降低各風險因素對地鐵盾構施工風險的影響，理應對參與項目的施工人員和操作人員等進行技術培訓，嚴格要求管片質(zhì)量并規(guī)范管片安裝的操作技能，選擇密封性好的防水裝置。

5 結論

1) 通過文獻研究法和問卷調(diào)查法，從人的風險、機械設備風險、技術風險和環(huán)境風險等四個方面分析，建立16個地鐵盾構施工風險評價指標體系，以保證系統(tǒng)更加全面、完整；

2) 地鐵盾構施工風險評價過程中存在一定的模糊性和隨機性，構建了G1-COWA組合賦權并引用云理論的地鐵盾構施工風險評價模型，彌補了單一指標賦權的片面性，實現(xiàn)了組合賦權值離差平方和最大原則，使得計算結果更加客觀和合理；

3) 在本文實例中，采用MATLAB繪制綜合評價云圖，得出該項目的盾構施工風險為較低風險，人的風險、機械風險和技術風險均偏向于極低風險，環(huán)境風險為較低風險，與項目的實際監(jiān)測結果一致，驗證了該評價方法在地鐵盾構施工風險評價中的可行性和適用性。