基于AHP的模糊综合评判在盾构施工风险评价中的应用

周前国，周鸿源

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000； 2. 中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

近几年，我国城市轨道交通建设投资额度逐年攀升，已由2011年的1 628亿元增加到2017年的5 083亿元，预计2020年额度将达到7 072亿元[1]。盾构法施工具有不影响地面交通、施工相对安全性高等特点，因此城市地铁隧道较为普遍的采用该方法建造。但是，由于众多风险因素的存在，最终导致盾构施工安全事故频发，对社会影响及其恶劣。如何客观评价盾构施工风险、制定防控措施降低风险是工程技术人员面临的难题之一。

目前，国内学者对盾构施工风险管理进行了比较深入的研究，试图寻求易于理解掌握、方便操作运用，且对盾构施工风险做出客观评价方法。侯寒冰等[2]构建了基于K-means聚类分析的地铁施工风险评价方法，并以南京地铁2号线为例，论证了聚类分析风险评价方法的有效性；杨仙等[3]构建了基于熵度量法的盾构施工风险评价模型，用该模型对沈阳地铁某盾构工程进行了风险评价；陈美华等[4]采用有序加权平均算法(OWA算法)求解评价指标的权重,通过计算各级风险评价指标的数学期望值法对地铁施工风险进行评价；胡长明等[5]针对软土地层盾构施工，运用可拓学理论建立了风险可拓评估模型,运用该模型对宁波轨道交通工程2号线盾构施工风险进行了评估，其结果较好地反映了工程的实际情况。

综上所述，我国尽管在盾构施工风险评价领域的研究取得了一定成果，然而，事实证明这些施工风险评价方法运用的数理知识太过深奥不便于工程技术人员理解、掌握与运用。鉴于此，本文以易理解掌握、方便运用为出发点，构建了符合人的思维习惯的基于AHP的模糊综合评判法，对盾构施工风险进行客观科学地评价。

1 工程概况

成都地铁4号线西延线位于成都市温江区,其中土建6标段区间段隧道，全采用盾构法施工。该区间段最深覆土厚度14.9 m，最浅覆土厚度9.9 m；线路平面曲线半径最小处300 m，纵向坡度最大处28‰。

该区间段处在卵石最大含量达到85%、漂石粒径20～70 cm、卵石单轴抗压强度超过170 MPa的大粒径、高强度、富水砂卵石的地层中。盾构施工主要穿越密实卵石地层，地层中漂石含量为5%～20%，粒径一般为200 mm×400 mm，破碎异常困难；除此之外，地层中大于20 mm粒径的颗粒其质量占比达70%～80%，因此该地层颗粒级配极其不良；并且高富水，其含水率介于5%～10%之间；地层透水性强，渗透系数约为28 m/d。

2 盾构施工风险分析评价

2.1 基于AHP的模糊综合评判的原理与构建步骤

基于AHP的模糊综合评判，是层次分析法与模糊综合评判法的有效结合，是一种定性与定量分析相结合的多准则、多层次决策分析方法[6]。AHP是由美国运筹学家Satty T L于20世纪70年代提出，利用AHP处理决策问题时，先分析问题的本质、影响因素及内在关系，构造层次结构模型(如图1所示)，并用适当的标度对各个因素的重要度进行量化比较，构建出评判指标判断矩阵计算各指标的权重得出权向量，并对评判指标排序；然后对风险评价指标体系分层次进行模糊综合评判；最后综合出总的评价结构。

图1 AHP递阶层次结构

根据前述的原理不难得出，基于AHP的模糊综合评判法构建的基本步骤如下。

1)明确问题，构建层次化的评价指标体系。

2)构建评价指标判断矩阵并做一致性检验。

①对评价指标体系中同一层级的指标相对重要性进行比较判断并运用1～9标度法进行赋值，可得断矩阵：

②计算判断矩阵的随机一致性比率CR，检验其一致性：

3)计算权向量，并依据评价指标权值大小对盾构施工风险评价指标排序，确定关键风险因素。

①计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi：

W=[W1,W2,…,Wn]T

4)依据模糊综合评判理论确定评语集，并对风险评价指标进行模糊综合评价。

①建立评价指标的评语集，评级集是评价对象对可能出现的所有的评价集合的总体，即：

V={v1,v2,…,vn}

式中：vi(i=1,2,…,n)代表评级标准；

②针对单个评价指标分析其对评语集元素的隶属度，即单因素模糊评价；

③运用模糊综合评判模型B=W∘C，分层次对各级评价指标进行模糊综合评价。其中，∘是模糊合成算子，W为权重向量，C为评价指标的评判矩阵。

5)依据最大隶属度对评价做决策。

2.2 盾构施工风险评价指标体系构建

依据完整性、系统性、重要性、实用性、层次性准则并结合工程概况，成都地铁4号线西延线土建6标区间段盾构隧道工程的施工风险主要来自于人员、机械、材料、管理、自然和社会6方面[7]，按照层次分析法原理，构建该工程施工风险评价指标体系如表1所示。

表1 盾构施工风险评价指标体系

2.3 构建评价指标判断矩阵计算权向量

本文采用专家调查法对盾构施工风险评价指标体系中各指标相对重要性进行判断并用1～9标度法赋值，可得到评价所需要的7个比较判断矩阵，目标层(施工风险评价目标)对一级指标层1个记为A，一级指标层对二级指标层6个记为Bi(i=1∶6)。

根据专家调查法收集的数据资料分析构建的一级指标层对于评价目标的判断矩阵A-B为：

为了计算方便，将判断矩阵A-B简记为矩阵A：

同理可得：

同理风险评价二级指标体系各个判断矩阵的权向量分别为：

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；

且各个二级指标体系各个判断矩阵的随机一致性指标CR均小于0.1，满足一致性检验要求。

2.4 盾构施工风险评价指标总排序

根据2.3节所计算得到的各级评价指标的相对权重，计算组合权重，可得到表2所示的盾构始发施工风险因素权重排序表。

表2 盾构施工风险因素权重排序

从表2的盾构施工风险因素权重排序表可知，权值最大的为0.128 3，其次分别为0.107 7、0.089 1、0.077 0，评价指标中最大的风险因素为掘进管理，其次分别为材料管理、水文地质、现场管理等因素，便于工程技术人员抓住关键风险因素制定风险防控措施。

2.5 盾构施工风险模糊综合评价

依据模糊综合评判理论的，确定盾构施工风险评判的评语集为：

V={低风险，较低风险，一般风险，较高风险，高风险}

地铁隧道施工风险评价的评价集的含义如表3所示。

表3 地铁隧道施工风险评价的评价集的含义

本文采用专家调查法对成都地铁4号线西延线6标盾构施工风险评价指标等级进行评判，整理反馈有效信息的20位专家的数据，可得到二级风险评价指标评判矩阵分别为：

依据模糊综合评判模型“B=W∘C”，为便于工程技术人员理解与接受，本文的模糊合成算子采用加权平均M(·，⊕)模糊合成算子进行合成，确定盾构施工风险评价指标的评价向量。如确定“管理风险(B1)”的评价向量：

B1=WB1∘CB1=

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

同理，计算可得：

“人工风险(B2)”的评价向量：

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

“材料风险(B3)”的评价向量：B3=(0.164 3,0.207 1,0.264 3,0.242 9,0.121 4)；

“机械风险(B4)”的评价向量：B4=(0.078 8,0.211 1,0.300 2,0.295 2,0.114 7)；

“社会风险(B5)”的评价向量：

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

“自然风险(B6)”的评价向量：

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

由上述6个施工风险二级指标的评价向量，即可得到盾构施工风险一级评价指标的评判矩阵：

评判矩阵C再与权向量W进行模糊合成，可得成都地铁4号线西延线盾构施工风险综合评价向量：

B=W∘C=

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

根据最大隶属度原则可得bmax=b4=0.321 8，该值对应于较高风险，说明成都地铁4号线西延线6标盾构施工风险发生的概率较大、风险控制难度亦较大；如果风险事故发生在经济、质量、工期等方面产生较大的损失，但不可逆的灾难性后果(如人员伤亡等)不会发生，此类风险必须重视。

3 结 论

众多风险因素客观存在，导致盾构施工安全事故频发，为客观评价施工风险且便于工程技术人员理解掌握与运用，本文构建了基于AHP的模糊综合评判方法，并以成都地铁4号线西延线6标盾构隧道工程为载体验证了方法的科学合理、方便适用性，为该项目风险管理决策提供了依据。

1)本文分析了地铁盾构施工潜在的风险因素，并以人员、机械、材料、管理、自然和社会6个一级指标以及与之相关的34个二级指标构建了风险评价指标体系。

2)结合层次分析法和模糊综合评价法的优点，构建了基于AHP的模糊综合评判模型，应用该评判模型对成都地铁4号线西延线6标盾构施工风险进行了评价，找出了该工程的安全隐患和薄弱环节，评价结果与实际基本相符。

3)利用基于AHP的模糊综合评判，对盾构施工风险进行评价，能发挥专家经验的作用降低主观因素对评判带来的偏差，使评判结果更为客观、更趋于实际。

4)基于AHP的模糊综合评判法符合人的思维习惯并具有严密的逻辑性，且该方法仅用到最基础的矩阵理论，易理解掌握、方便运用，所以该方法对于工程技术人员具有很强的实用性。