基于CIM-AHP模型地铁深基坑施工风险研究

龚颖超, 路婉妮, 陶红雨

(绍兴文理学院 土木工程学院,浙江 绍兴 312000)

随着城市现代化发展和地下空间的开发利用,地铁项目建设发展迅猛,逐渐成为城市轨道交通的首要选择。截至2019年底,全国地铁运营里程占城市轨道交通运营里程的86.1%,累计达到5 942.7 km[1]。然而在地铁建设行业如火如荼发展的同时,地铁车站施工通常面临施工环境复杂、场地狭小、交叉作业多、不可预见性大等诸多问题,增加了项目施工过程中的危险性。且地铁施工过程中混凝土支撑结构变形开裂、地下连续墙渗水漏泥、基坑失稳、支架坍塌等一系列问题频繁发生,极易造成较为严重的人员伤亡与经济损失[2]。因此,构建一个科学有效的地铁深基坑施工安全风险评价体系,做好地铁施工风险管控至关重要。

近年来针对地铁深基坑施工安全风险问题,国内外专家学者进行了大量研究。文献[3]采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和模糊综合分析法确定地铁深基坑施工风险等级,通过实例论证了方案的可行性;文献[4]将集对分析法与模糊综合分析法计算所得的地铁风险级别进行比较,明确了重要风险源;文献[5]根据动态赋权的专家经验法结合模糊层次评估模型完成地铁深基坑风险预测;文献[6]提出将故障树的结构重要度引入层次分析模型,客观反映地铁基坑围护结构风险重要性;文献[7]考虑评价指标间的非线性关系,借助数据包络法与反向传播神经网络模型实施地铁深基坑施工安全评价。上述研究包含了目前地铁深基坑风险研究中较为常见的评价模型,但在风险评估时均存在一定局限性,并忽略了各风险因素间相互作用、相互关联的特点。例如AHP仅仅考虑了纵向风险因素的关联性,各层级间的风险因素关系没有体现;模糊分析法在实际过程中处理模糊、不确定的问题只能得到大致风险程度,很难直观理解;故障树法计算过程较为繁琐且过于依赖人的主观意识;神经网络分析法对样本数据要求较高、覆盖范围有限,容易造成局部误差。

为弥补这些不足,本文采用AHP辅以能够处理风险因素模糊性、独立性、相关性的控制区间与记忆模型(controlled interval and memory models,CIM),建立具有多样联动性的CIM-AHP地铁深基坑施工安全风险评价模型。在考虑风险因素的横纵向关系的同时,能够将定性与定量、主观与客观模型结合,进一步保障地铁施工安全。

1 基于CIM-AHP的风险评价模型

CIM模型最早是从经济学衍生而来的,目前CIM-AHP模型在地铁施工风险评估方面的研究仍不成熟,其成果主要集中在高速公路、建筑工程以及水电项目的投资风险管理。近年来,CIM-AHP模型在地铁隧道施工风险管理领域研究逐渐增多,但仍相对较少。文献[8]运用专家调查法和CIM模型研制出隧道风险施工管理软件,完成上海长江隧道风险评价;文献[9]率先在地铁施工安全风险中应用AHP结合CIM评价模型,验证该模型的适用性。本文以杭州某地铁车站为研究对象,引入CIM-AHP模型进行地铁施工安全风险评估,并将评价结果与单一的AHP模型相比较,对将来该模型普遍应用于地铁安全风险评价具有一定参考意义。

风险评价流程如图1所示。即采用偏定性分析的AHP从纵向上考虑层次关系,确定地铁深基坑施工安全风险评价体系和指标权重,然后通过侧重于定量分析的CIM模型从横向上考虑层间关系,逐层分析该项目最底层风险的施工安全风险概率分布,最后将先前AHP计算所得指标权重与各Ⅰ级指标的概率分布相乘,确定深基坑施工整体安全风险总概率分布等级。

CIM-AHP模型是现代风险管理中一种较为全新地结合定性与定量方法的风险评价模型,具有精准解决实际问题的能力。针对地铁深基坑施工过程中风险因素复杂多变、环环相扣的特点,CIM-AHP模型能够将较为复杂的评价对象从左到右、自上而下地分解,厘清风险因素间错综复杂的关系。同时,通过层间经验分布的循环叠加,能够缩小直方图区间来减少风险叠加误差,并将上一风险结果记忆叠加至下一风险,弱化专家在AHP评价中主观性过强的问题,使得数据处理结果更加科学合理、真实有效。

1.1 AHP评估步骤

AHP是一种专门研究定性问题的多准则决策评价方法,具体操作步骤如下:

(1) 构造判断矩阵A(aij),引入1～9 级评判标度[10],确定两两元素相对重要性。

(1)

其中:aij为风险因素Xi、Xj依据评判标度比较后的数值;1、3、5、7、9表示因素Xi比因素Xj同等、稍微、明显、强烈、极端、重要; 2、4、6、8表示重要性介于相邻标度之间;倒数表示上述情况的相反情况,即因素Xj比因素Xi重要,aji=1/aij。 (2) 确定各层指标因素权重W。计算公式为:

(2)

(3) 进行一致性检验。计算判断矩阵A的最大特征值λmax和一致性比率CR,保证各因素合理分配权重。

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

CR=CI/RI

(5)

其中:(AW)i为判断矩阵A的第i行元素与权重W的乘积之和;n为矩阵阶数;CI为一致性指标;RI为随机性指标;CR为一致性比率。

当CR<0.1 时,认为判断矩阵满足条件,否则将重新组织专家对各元素进行评估;当CR=0 时,同样认为判断矩阵具有完全一致性。随机性指标参数见表1所列。

表1 随机性指标RI取值

1.2 CIM模型评估步骤

CIM模型用直方图来表示变量的概率分布,即将前一个变量的计算结果与后一个变量相叠加,循环叠加至最底层风险变量,进而确定该风险层的最终风险概率。根据变量之间的相关性和独立性关系,类比物理学知识将CIM模型划分为串联响应模型和并联响应模型。由于地铁施工现场风险的发生具有随机性,这符合并联响应模型中任意风险的发生都会对项目实现造成影响的规律，因此可以把地铁施工同层级间的风险因素以并联关系代入模型,确定其风险等级概率分布。深基坑施工风险等级概率分布并联叠加[11]如图2所示。

(1) 建立风险等级评价集V={风险高,风险较高,风险适中,风险较低,风险低},邀请专家对Ⅱ级指标风险元素进行打分,获取初步数据。

(2) 处理数据。Ⅱ级指标风险因素概率Pij=Nj/N,其中:Nj为同一风险要素在相同风险等级下专家打分的人数；N为专家总人数。

(3) 通过并联响应模型逐层计算各Ⅰ级指标风险等级概率。计算公式为:

(6)

其中:X1、X2为不同的风险因素;xa为被划分的概率区间。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

杭州某地铁车站深基坑工程为地下3层岛式车站,主体结构采用半幅盖挖顺筑法施工。施工基坑周边存在较多新建改迁管线和原状管线,并紧邻大量建(构)筑物,最近的建筑物距离基坑仅2.5 m。拟建场地承压水主要分布在浅层的⑤2层砂质粉土和深部的2层中砂、3层砾砂、4层圆砾中,水量较丰富。其隔水层为上部的淤泥质土和黏性土层,在基坑影响范围内的⑥2层淤泥质粉质黏土开挖过程中易发生坍塌。

此外,该车站部分施工区域与既有车站(地下二层岛式车站)平面重叠,即新建车站需要下穿既有车站暗挖施工。由于受施工扰动影响,既有车站可能面临车站沉降加剧、车站结构变形扩大等不利影响。

地铁车站工程平面位置图如图3所示。

2.2 层次结构模型计算风险因素权重

考虑到地铁深基坑工程具有多维不确定性和模糊性,本工程借鉴类似工程经验,邀请专家对施工风险因素进行分析调研,最终确定本工程的施工安全风险划分为施工技术风险U1、机械设备风险U2、施工管理风险U3、环境风险U4和其他风险U5共5个Ⅰ级风险。其风险指标评价体系如图4所示。

此处以Ⅰ级风险指标为例,采用AHP构建Ⅰ级指标风险层判断矩阵,确定各自的风险指标权重。判断矩阵见表2所列。

表2 Ⅰ 级指标风险层判断矩阵

根据(2)～(5)式对风险判断矩阵归一化处理,得到Ⅰ级指标风险层权重W=(0.479 1,0.062 6,0.096 0,0.324 7,0.037 7),最大特征值λmax=5.377 4,一致性比率CR=0.084 2<0.1,通过一致性检验。

以此类推,地铁车站深基坑施工安全风险评价指标体系权重见表3所列。

表3 地铁车站深基坑施工安全风险评价指标体系

2.3 CIM-AHP模型计算风险分布概率

由于地铁深基坑风险因素发生概率不确定,本文邀请12位专家通过风险评价集V={风险高,风险较高,风险适中,风险较低,风险低}对Ⅱ级指标风险因素进行量化,得到各Ⅱ级指标风险概率分布结果Pij,见表4所列。

横向考虑风险因素相关性和独立性关系,通过CIM并联响应模型将层间风险因素依次叠加,直到确定该指标最底层风险因素概率。由于计算过程繁琐,本文仅以施工管理风险U3为例。

施工管理风险U3包含3个Ⅱ级指标:技术交底不到位U31、工人违章作业U32、管理人员专业知识缺乏U33。首先将U31和U32进行并联叠加得到U312,再将计算结果U312与U33并联叠加得到最终施工管理风险U3的风险概率。

U31与U32风险概率分布如下。

高风险的概率分布为:0×0=0;

较高风险的概率分布为:2/12×(0+2/12)+2/12×0=0.027 8;

适中风险的概率分布为:4/12×(0+2/12+2/12)+2/12×(0+2/12)=0.138 9;

较低风险的概率分布为:4/12×(0+2/12+2/12+5/12)+5/12×(0+2/12+4/12)=0.458 3;

低风险的概率分布为:2/12×(0+2/12+2/12+5/12+3/12)+3/12×(0+2/12+4/12+4/12)=0.375 0。

U3风险概率分布如下。

高风险的概率分布为:0×0=0;

较高风险的概率分布为:0.027 8×(1/12+3/12)+3/12×0=0.009 3;

适中风险的概率分布为:0.138 9×(1/12+3/12+4/12)+4/12×(0+0.027 8)=0.101 9;

较低风险的概率分布为:0.458 3×(1/12+3/12+4/12+2/12)+2/12×(0+0.027 8+0.138 9)=0.409 7;

低风险的概率分布为:0.375 0×(1/12+3/12+4/12+2/12+2/12)+2/12×(0+0.207 8+0.138 9+0.458 3)=0.479 2。

以此类推,分别并联叠加计算U1、U2、U4、U5的风险概率分布,该地铁车站Ⅰ级指标风险概率分布见表5所列。

将表5中Ⅰ级指标风险概率与AHP计算所得权重相乘,得到地铁车站施工安全风险总概率分布如下。

高风险的概率分布为:0.479 1×0.000 4+0.324 7×0.000 6=0.000 4;

较高风险的概率分布为:0.479 1×0.078 4+0.096×0.009 3+0.324 7×0.068 8=0.060 8;

适中风险的概率分布为:0.4791×0.504 8+0.062 6×0.020 8+0.096×0.101 9+0.324 7×0.236 9+0.037 7×0.062 5=0.332 2;

较低风险的概率分布为:0.479 1×0.416 5+0.062 6×0.479 2+0.096×0.409 7+0.324 7×0.533 9+0.037 7×0.437 5=0.458 7;

低风险的概率分布为:0.062 6×0.5+0.096×0.479 2+0.324 7×0.159 7+0.037 7×0.5=0.148 0。

根据CIM-AHP模型计算结果可知,该地铁车站深基坑施工总体安全风险属于较低风险等级的可能性较大,概率为45.87%,发生施工技术风险等级的可能性适中,发生环境风险等级的可能性较低。

2.4 风险评价结果分析

为了论证CIM-AHP模型的可信度和准确度,将单一AHP模型与CIM-AHP模型计算结果进行对比,结果见表6所列。

表6 不同评价方法风险结果比对

从表6可以看出,上述2种求解地铁安全风险评价方法的理论结果相近,技术风险U1和环境风险U4的风险程度明显高于另外3类风险,这与项目实际情况相符。但从CIM-AHP模型中可以看出，U1的风险发生概率大于U4,单一的AHP模型中却较难体现。其主要原因在于单一的AHP模型风险评价取决于决策者的主观经验,且侧重从纵向考虑风险层间关系,很大程度上忽略了风险因素间的随机性和关联性,从而降低风险概率精度。CIM-AHP模型则全面考虑到层与层之间、同层级之间的深基坑风险关系,通过反复记忆叠加的方式融合风险、细化风险。总而言之,优化的CIM-AHP模型能够更好地评价风险。且该地铁深基坑整体安全性较高,在施工中需重点关注暗挖段地层加固情况、既有车站区间隧道稳定性以及周边建(构)筑物沉降变化量,采取有效的管控措施保障施工安全。

3 结 论

本文以杭州某地铁车站为研究对象,首先采用专家调查法和AHP确定风险指标权重,再结合CIM-AHP模型构建地铁深基坑施工安全风险评价模型,得到以下结论。

(1) 根据计算结果,该地铁车站整体施工安全风险为较低等级,其中施工技术风险需要重点考虑。对于所有风险高发区域,应加强巡视,制定详尽的风险管控措施,减少事故发生的可能性,有效地保障基坑开挖时的施工安全。

(2) CIM-AHP模型的风险评价模式与单一的AHP相比,从横、纵方向上充分解决了风险因素在层与层间、同层级间的独立性和相关性问题,减少了人为主观意识随机性和客观数据偏离实际情况的出现,避免了风险评价中定性与定量相脱节的不足,进而提高了风险分析的真实性和可靠性。