基于AHP-模糊综合评价法的城际轨道交通工程施工风险研究

金起波， 刘 源

(1.湖南省交通运输厅规划与项目办公室, 湖南 长沙 410000； 2.湖南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410000)

0 引言

随着社会经济快速发展，城市化进程加快，规划建设城际间快速轨道交通已经成为城市群城镇体系发展的迫切需求。由于城际轨道交通工程投资大、工程量大、施工周期长且施工复杂[1]，施工安全事故时有发生。通过对城际轨道交通工程施工风险进行评估并采取有效控制措施，持续改进施工方法，可有效预防施工风险。本文将层次分析法(AHP)与模糊综合评价法相结合，提出了基于模糊综合评价的轨道交通风险评估数学模型，为轨道交通工程项目的风险评估提供一种定性与定量相结合的分析方法。

1 风险评估原理

1.1 风险的概念

风险可以表示为关于不确定性(风险概率)和损失(后果)二者的函数[2]：

R=f(P，C)

(1)

式中：R表示风险；P表示风险发生的概率或重现周期;C表示风险发生造成的破坏、损失。

根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652—2011)，结合现有的地质和工程经验，风险评价等级集将由风险概率等级、风险损失等级、风险评估矩阵和风险等级接受准则构成。

1.2 确定评价指标权重

在风险因素识别的基础上，建立风险因素集合U，U也是风险综合评价指标的集合；采用Saaty 提出的 9 级标度法，构造判断矩阵A，使用Matlab利用迭代法，可以根据判断矩阵计算得到权重向量W及其最大特征值的近似值λmax。之后再进行判断矩阵的一致性检验，以保证判断矩阵的合理性。

1.3 构造判断矩阵

1) 确定评价集V。

2) 根据模糊映射关系f∶U→F→f，其中f是单因素u的模糊评价向量，rij表示单因素ui在评价集V下的程度大小，可得各单因素ui的评价集Ri，从而得到模糊综合评价矩阵：

(2)

1.4 模糊综合评价

通过模糊变化，将模糊评价向量变为模糊综合评价结果向量：

B=W×R=(b1，b2，…,bn)

(3)

式中： 元素b即为模糊综合评价指标，简称为评价指标，它代表被评价对象从整体上看对评价集中第i个等级vi的隶属程度。

为了精确评价轨道交通施工的风险，从综合评价结果向量B中，挑选出最大值bi= max{bi}，则它所对应评价集V中的vi所代表的等级就是综合评价的结果。

2 工程实例应用

2.1 项目概况

湖南某城际轨道交通工程线路全长17.29 km，其中地下段长7.36 km，高架线长9.47 km，过渡段长0.25 km，路基段长0.21 km，设站8座，其中地下站4座，高架站4座。

拟建工程呈带状，地形起伏总体较小，穿越城市道路、房屋等。地层穿越主要包括第四系覆盖层及下伏基岩，其中：第四系覆盖层包括人工填土、断续分布的全新统淤泥质土、粉质粘性土，其下为第四系更新统粉质粘土、粉细砂、中粗砂、圆砾、局部粘土夹碎石角砾；下伏基岩为第三系、白垩系砾岩、泥质粉砂岩、泥岩，泥盆系石英砂岩、粉砂岩、泥灰岩、灰岩，寒武系页岩，构造角砾岩等。主要断裂发育带5条，与线路相交的断裂带有4条，均为燕山晚期断裂，非活动性断裂。场地部分地段岩溶较发育，规模较大。工程场地近场区地震活动性较弱，地震频度和强度均低，历史无4%级以上破坏性地震记载。

2.2 风险指标体系的构建

湖南某城际轨道交通工程施工风险指标识别采用故障树与专家咨询相结合的识别方法，根据施工风险源辨识所得出的工程相关风险因素，总结类似线路施工风险处理的相关资料和相关信息数据，结合专家的经验和集体智慧，再用德尔菲法进行修正，对本工程施工过程中潜在的风险因素进行系统辨析，并利用层次分析法建立风险评价指标体系(见表1)。

表1 施工风险评价指标体系总风险一级风险二级风险三级风险地铁施工风险R车站工程(C1)区间隧道(C2)桥梁工程(C3)车站明挖(D1)车站结构(D2)盾构法(D3)明挖法(D4)桥基工程(D5)桥梁(D6)基坑坍塌(D11)基坑支护失效(D12)临近建构筑物破坏(D13)排降水措施失效(D14)结构开裂(D21)高支模失稳(D22)掘进轴线偏离设计轴线(D31)引发地面沉降(D32)穿越既有构筑物安全风险(D33)盾构进出洞风险(D34)盾构涌土、流砂、漏水风险(D35)盾尾密封装置泄露(D36)基坑坍塌(D41)支护结构破坏(D42)临近建筑物破坏(D43)桩基础塌孔(D51)桥基下沉(D52)桥台及支座损坏(D53)基础不均匀沉降(D54)预应力张拉不足(D61)高支模失稳(D62)挂篮结构失稳(D63)

将本线路施工风险评估指标体系分为四层。

第一层为目标层： 项目总风险R； 第二层为准则层：C1～C3；第三层为子准则：D1～D6；第四层为隶属于第三层的风险因子：D11～D14， D21～D22， D31～D36， D41～D43， D51～D54， D61～D63。

2.3 指标权重的计算

在施工风险分析中，每个因素的影响重要性程度不同，因素权重集的建立就是为了描述各个因素的重要性程度。本次评估采用层次分析法，运用 1-9 标度法及根法近似计算得到各风险因子的权重，根据风险指标体系，请专家对因素之间两两进行比较打分，定义1为两者同等重要，3为前者比后者略微重要，5为前者比后者明显重要，7为前者比后者强烈重要，9为前者比后者绝对重要。根据打分评判结果，构造因素的判断矩阵，并根据判断矩阵计算因素权重，计算得到该矩阵最大特征值所对应的特征向量，将该特征向量标准化，使其和为1，则标准化后的特征向量代表了因素权重。所得结果见表2。

表2 施工风险指标体系及风险因素权重总风险一级风险二级风险三级风险地铁施工风险R车站工程(C1)WC1=0.3区间隧道(C2)WC2=0.4桥梁工程(C3)WC3=0.3车站明挖(D1)WD1=0.7车站结构(D2)WD2=0.3盾构法(D3)WD3=0.7明挖法(D4)WD4=0.3桥基工程(D5)WD5=0.6桥梁(D6)WD6=0.4基坑坍塌(D11)WD11=0.3基坑支护失效(D12)WD12=0.3临近建构筑物破坏(D13)WD13=0.15排降水措施失效(D14)WD14=0.25结构开裂(D21)WD21=0.5高支模失稳(D22)WD22=0.5掘进轴线偏离设计轴线(D31)WD31=0.1引发地面沉降(D32)WD32=0.2穿越既有构筑物安全风险(D33)WD33=0.2盾构进出洞风险(D34)WD34=0.2盾构涌土、流砂、漏水风险(D35)WD35=0.1盾尾密封装置泄露(D36)WD36=0.2基坑坍塌(D41)WD41=0.4支护结构破坏(D42)WD42=0.35临近建筑物破坏(D43)WD43=0.25桩基础塌孔(D51)WD51=0.25桥基下沉(D52)WD52=0.35桥台及支座损坏(D53)WD53=0.1基础不均匀沉降(D54)WD54=0.3预应力张拉不足(D61)WD61=0.3高支模失稳(D62)WD62=0.4挂篮结构失稳(D63)WD63=0.3

2.4 AHP结合模糊综合法的整体风险评价

运用专家调查法通过 10 位专家对每一指标的风险概率(P)及风险损失(C)进行评价打分，获得每一级风险下的风险概率隶属度向量Pij，以及每一级风险下的风险损失隶属度向量Cij(其中i代表第i层，j代表第i层第j指标)，按照矩阵R=P×C工程定级法获得每一指标的R矩阵。根据工程风险P×C组合分级原则得出风险事件X等级隶属度分别为：

一级：R=SUM(1A，1B，1C，2A)

二级：R=SUM(1D，1E，2B，2C，2A)

三级：R=SUM(2D，2E，3B，3C，4A，4B)

四级：R=SUM(3D，3E，4C，4D，5A，5B)

五级：R=SUM(4E，5C，5D，5E)

等级隶属度组成的行向量与各自对应风险等级值组成的列向量相乘即等于每个风险因子的风险值Rij。结合上述计算原理，获得每一层次的风险指标值及风险等级，目标层R指标模糊评价计算，得出施工安全总风险为0.415 7。

2.5 风险控制建议

计算得到施工安全总风险为0.415 7，对应风险等级为三级，施工安全属于可接受的范围；除常规检查外，应对安全有所重视并采取一些预防与检测措施。结合对拟建工程及周边环境的调研可以得出，在后续工程施工中可能出现的主要危险源及风险控制建议如下：

1) 在地质条件方面，沿线存在有人工填土、残积土及全风化岩与岩土地层，土质不均，地层稳定性差，在施工前应采用注浆等预加固技术对其性质改良后再进行施工。同时线路穿越区承压的基岩裂隙水、岩溶裂隙水，水压高，水量大，在施工前应采取必要的工程降、排水措施；盾构掘进施工前须对影响范围内岩溶进行有效加固，并检测加固效果;还应对盾构机的盾构掘进参数进行计算与优化，并进行试掘进测试。

2) 线路经过区大量地穿越既有建构筑物，其中超小净距穿越某站台、站房工程，环境风险大，应加强施工控制，并辅助地层加固等安全控制措施，确保隧道安全穿越既有建构筑物。

3) 本项目多个车站采用明挖法施工，周边环境复杂，地层条件工程性质差，应严格控制基坑开挖施工，减小对周边管线与建构筑物影响。

3 结论

以湖南某城际轨道交通工程为研究对象，在对地铁工程风险源进行识别的基础上，将层次分析法(AHP)与模糊综合评价法相结合，提出了基于模糊综合评价的轨道交通风险评估数学模型。借助模糊识别方法，在风险辨识的基础上，分析各种不同类型的地质特征、施工方法和自然灾害发生的概率，以及一旦发生后对施工设备、环境及人身安全、工程质量等造成的影响程度。建立了一套风险指标体系与研究模型，对各种风险进行量化分析与评价，为轨道交通工程项目的风险评估提供一种定性与定量相结合的分析方法。