基于层次-模糊评价法评判地铁车站地下水风险

上海国际旅游度假区建设工程指挥部办公室 上海 201205

0 引言

随着中国城市化进程的不断推进，城市人口急剧膨胀，交通压力日益凸显，地铁作为解决交通压力的重要途径之一，如雨后春笋般在各大城市铺开建设。由于地铁工程投资巨大，特别是地铁车站具有结构体量大、建设范围广、周边环境复杂、技术要求高、实施难度大、建设周期长等特点。因此，地铁车站的建设过程中不可预见因素多，最易发生工程事故，而地下水往往是事故发生的重要原因，需加以重点研究和控制。

近年来，国内外学者关于地铁工程的风险分析，主要集中在以下几个方面： Reilly 等[1,2]指出，隧道工程的建设过程是全面的风险管理和风险分担的过程，将地下隧道工程中的主要风险分为四类：造成人员受伤或死亡、财产和经济损失的风险，造成项目造价增加的风险，造成工期延误的风险，和造成不能满足设计、使用要求的风险。Cho&Choi 等[3,4]用专家调查与模糊数学相结合的方法对地下工程的风险进行评估，并开发了基于风险模糊不确定模型的风险评估软件。李兵[5]针对地铁地下车站的特点,提出了风险分析在车站施工中的重要性，从常见的几种地铁车站的施工方法入手，论述了地铁车站施工的风险源即为基坑工程风险源和结构工程风险源，并分别给出了这二者的具体风险源和风险防范对策。刘翔、罗俊国、王玉梅[6]介绍了地铁深基坑的主观风险源和客观风险源，并给出了相应的风险控制措施，强调了地铁施工过程中应对地铁深基坑风险充分重视并及时处理。朱征[7]以某轨道交通车站基坑为实例，介绍了风险管理过程，包括建立基于现有建设管理制度的参建各方共同参与的风险管理组织架构，根据风险识别、评估、预控和跟踪控制四大管理任务分别设计的相应工作流程和工作表格，以及工程监测和现场观测的风险跟踪工作方法。

本文以上海轨交11号线迪士尼车站为例，针对勘察、设计、施工、运营这四大地铁寿命周期阶段中所面临的地下水风险，我们运用层次-模糊评价法对地铁车站的地下水风险进行评判，并提出了相对应的风险控制措施，达到了预想的效果。

1 地铁车站概况及地下水风险

1.1 工程概况与地质条件

上海轨交11号线迪士尼车站位于上海国际旅游度假区核心区的中心位置，南侧为已建中心湖，其余为未建空地。车站为地下一层半、局部地面建筑，双岛四线，全长约640 m，宽约46 m，在地面东南西北设置4 个出入口，车站平面和典型横断面如图1、2所示。由于场地条件较好，施工采用明挖法，围护结构采用钻孔灌注桩排桩+止水帷幕的围护结构体系，设置2 道钢筋混凝土支撑，基坑开挖深度为9.8～11.0 m。由于工程南侧为已建中心湖，车站地下室外墙距离中心湖护岸边线为14.7～15.8 m，故在南侧临湖段局部区域作了特别加强，钻孔灌注桩为Φ900 mm@1 050 mm，局部坑边落深区域采用钻孔灌注桩Φ1 000 mm@1 150 mm，其余部分钻孔灌注桩采用Φ850 mm@1 000 mm；止水帷幕采用单排三轴水泥搅拌桩Φ850 mm@600 mm，水泥掺量不小于20%。

图1 迪士尼车站平面

图2 车站典型横断面

根据勘察院提供的勘察报告，该车站具体的工程地质条件情况如下：①素填土，以黏性土为主，含少量植物根茎和碎砖等；②褐黄-灰黄色粉质黏土，厚度0.2～2.8 m，可塑到软塑，中等压缩性；③灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土；④灰色淤泥质黏土，呈流塑状态，为高压缩性灵敏软土，分布稳定，厚约7.9 m；⑤1灰色黏土，呈流塑状，高压缩性，厚约9.40 m；⑥暗绿-草黄色粉质黏土，土质均匀致密，可塑状态，中压缩性，强度高，平均Ps为2.40 MPa左右；⑦1-1草黄-灰黄色黏质粉土与粉质黏土互层，层顶标高约－24.0 m，中密-稍密（可塑），平均Ps在4.70 MPa左右；⑦1-2灰色砂质粉土，层顶标高约－27.0 m，中密状，平均Ps在8.40 MPa左右；⑦2灰色粉砂，层顶标高约－31.0 m，密实，状态较好，未钻穿。

1.2 水文条件与地下水风险

本工程浅层主要含水层为②层褐黄-灰黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土。勘察期间测得潜水静止水位埋深为0.5～1.0 m（相当于绝对标高2.2～4.0 m）。

由于上海地区的潜水水位随季节和环境等因素变化，设计、施工时年平均水位分为：高水位埋深按0.5 m计，低水位埋深按1.5 m计。在基坑土方开挖过程中，由于③层灰色淤泥质粉质黏土夹黏质粉土，其土体自立性差，易造成坡面的不稳定，危害到基坑安全，甚至是人员的安全，因此需要引起足够重视。

该车站工程的承压水主要埋藏于基坑底部，为⑦层粉土-粉砂承压含水层，其最浅埋深仅为26.5 m，因此存在承压水突涌的风险，需要进行基坑底板抗突涌验算，以确定是否应设置减压井降水。

2 地下水风险评价

2.1 地下水风险评估方法

根据风险管理的相关理论，风险评估方法有定性的和定量的分析方法，目前一般的研究都采用定量的分析方法。定量的分析方法，主要有专家打分法、蒙特卡洛法、故障树分析法、敏感性分析法、风险评价矩阵法、层次分析法、模糊数学法等等，而各种方法都有各自的优缺点和适用范围。对于地铁工程，由于地铁车站体系庞大，引起地下水危害的风险因子众多，因此运用层次分析法能有效地将各风险因子进行有序的分层、分类，并确定各风险因子的权重。同时，由于地铁车站的地下水风险往往具有不确定性和模糊性的特点。因此，运用模糊数学法，往往能较好地分析出地铁车站地下水风险的真实情况和进行精确的评价。故这里结合2 种方法的优点，采用层次-模糊数学法，对地铁车站的地下水风险进行分析。

2.2 地下水风险评估模型

为了进行地下水风险评价，需系统地将引起地下水风险的各种风险因子全面识别出来。在地铁工程的寿命周期内，地下水时时刻刻影响着地铁的安全，为了便于分析，我们将地铁寿命周期划分为勘察、设计、施工、运营四大主要阶段。各阶段的风险因子，根据历史参考数据和专家经验给出，主要有15 项风险因子（图3）。

2.2.1 层次结构模型

层次分析法是美国著名运筹学家、匹兹堡大学教授T.L.Saaty 于20 世纪70年代中期提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法，简称AHP 分析法。层次分析法是一种多准则决策分析方法，其基本思路为：多个单准则分层结果的综合估计，分层一般包括：决策目标层、准则层、方案层。在风险分析中它有2 种用途：一是将影响项目的风险因素逐层归类分解、识别，直到最基本的风险因素，称为风险因素正向分解；二是两两比较同一层次风险因素的重要程度，列出该层风险因素的判断矩阵（判断矩阵可由专家调查法得出），每层判断矩阵的特征根表明了该层次各个风险因素的权重，利用权重与同层次风险因素得分的组合，求得上一层风险的得分，直至求出总目标的得分，也称反向合成，最后根据总目标风险得分的大小综合判断项目的整体风险。层次分析法具有适用、简洁、实用和系统的特点。因此根据层次分析法的主要步骤，本工程建立了地铁车站地下水风险分析的层次结构模型，如图3所示。

根据已建立的层次结构模型，应用层次分析法的基本理论，首先由专家对每一层次的风险因子的重要性进行分析判断，通过两两比较法，确定层次分析法的判断矩阵，继而计算出各因子的相对权重。其次，为了避免判断失误，需对构造的判断矩阵进行一致性检验。权重计算的数学本质是计算判断矩阵的最大特征根和特征向量，即求解方程RW=λmaxw。将λmax对应的特征向量归一化，即：

图3 地铁工程地下水风险因子层次结构示意

记w=（w1，w2，wm），w为权重向量。如果判断矩阵不具有完全一致性时，则λmax＞n。为了衡量不一致程度，引入一致性指标CI：

其次，引入随机一致性比率CR，通常用随机一致性比率CR来检验判断矩阵一致性程度，当CR=CI/RI≤0.1时，可认为判断矩阵的一致性程度满足要求。式中RI为平均随机一致性指标，其取值参见表1。

表1 平均随机一致性指标

综上所述，构造迪士尼地铁车站地下水风险的两两比较判断矩阵并计算总目标层的权重，如表2所示。

表2 地铁工程地下水风险判断矩阵A

由近似公式：

得到λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，满足一致性检验要求。

同理，二层次的判断矩阵如表3～表6所示。

表3 勘察判断矩阵B1

λmax=4.078，CI=0.026，CR=0.029＜0.1，满足一致性检验要求。

表4 设计判断矩阵B2

λmax=4.066，CI=0.022，CR=0.024＜0.1，满足一致性检验要求。

表5 施工判断矩阵B3

λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，满足一致性检验要求。

表6 运营判断矩阵B4

λmax=3.007，CI=0.003 5，CR=0.006＜0.1，满足一致性检验要求。

2.2.2 模糊综合评判

模糊数学的创始人是美国自动控制专家 Zadeh 教授。模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学。它为现实世界中普遍存在的模糊、不清晰的问题提供了一种充分的概念化结构，并以数学的语言去分析和解决它们。地铁实施过程中存在的各种风险因素大部分难以用数字来准确地加以定量描述，却都可以根据历史经验或专家知识用语言生动地描述出它们的性质及其可能的影响结果，模糊数学模型正适合解决这类问题。模糊层次评估法经过建立评估对象的因素集和评判集，用专家评定或其他方法生成评判矩阵，再通过适当的模糊算子进行综合评估。

首先，建立因素集和评判集。迪士尼车站案例中因素集B={B1，B2，B3，B4}，二级因素集C={C1，C2，…，C15}，评判集V={V1，V2，V3，V4}={很安全，安全，不是很安全，不安全}，并对评判集的语言变量进行赋值V={4，3，2，1}。

其次，建立模糊评判矩阵。通常情况下，用专家评定、打分、统计或者建立模糊隶属函数的方法生成判断矩阵R=（rij）n×m。其中，rij表示因素ui对决断vj的隶属度，ri=（ri1，ri2，…，rim）表示因素ui对评判集V的隶属向量，由n个隶属向量生成判断矩阵R=（r1，r2，…，rn）T。这里采用专家打分法来获得评判矩阵。经过计算并归一化，可得到如下评判矩阵。

其三，计算综合评估向量。Bi=wioRi，式中“o”为模糊算子。对于案例中模糊算子采用加权平均型，以突出各影响因子的共同贡献。对于加权平均型模糊算子，可由公式B=A×R，即：

因此B1=w1×R1，即：

B1=（0.462 0.381 0.100 0.057），IB1=B1×VT=3.248，同理可得B2=（0.567 0.300 0.100 0.032），IB2=3.400，B3=（0.430 0.297 0.194 0.079），IB3=3.078，B4=（0.542 0.267 0.100 0.091），IB4=3.26。

根据上述计算分析，可知施工阶段的得分最低，其值为3.078，因此，施工阶段的地下水风险最大。

最后，进行二级模糊评判，根据一级模糊评判得到的结果，可得二级模糊评价集为：

IB＝VT＝2.958。由此可见，上海迪士尼车站的地下水风险评价接近于评判值3，因此总体近于安全。

3 主要预防控制措施

综合上述建立的层次—模糊评估模型和分析计算结果，迪士尼地铁车站地下水风险的影响排序依次为施工阶段、勘察阶段、设计阶段、运营阶段。在施工阶段，地下水的风险巨大，稍有不慎，便会酿成重大事故。因此，应严格按照设计图纸和施工规范施工，杜绝偷工减料、违反施工工序等作业，加强施工期间的监测和动态管理，将施工中出现的危险苗头及时上报勘察设计进行处理，并建立应急预案，防止事故发生。另外，在勘察阶段，应严格按照勘察方案进行勘察，重视实验室的分析数据，重视地下水的特性。工程实施过程中，如发现异常情况，坚持补勘，重新试验确定计算参数，以便动态化设计和施工。

在设计阶段，应重视地下水的处理，重视计算模型的选取，严格按照勘察成果提供的参数进行设计，切不可凭个人主观经验进行设计。同时，应加强坑底抗突涌的验算，提供切实可行的降压措施。

在运营阶段，应建立完善的地铁监测体系，加大监测频率，加强列车动荷载的控制，建立应急预案，一旦出现问题，应及时与有关部门进行处理。

4 结语

通过运用层次-模糊评价法，对上海轨交11号线迪士尼车站的地下水风险进行了分析，得出的评价为安全。同时，地铁车站全寿命周期中地下水的风险往往集中在施工阶段，因此施工阶段是最为重要的环节，需予以高度重视，其次，也要重视勘察阶段，因为勘察成果影响着设计和施工，是非常重要的环节。本文采用的层次-模糊评价法，对地铁工程的地下水风险分析是切实可行的，具有一定的借鉴意义。