基于AHP-Fuzzy法的地鐵盾構施工風險評價

朱永祥,管紅兵,閆秀芳

(滁州職業技術學院 建筑工程學院,安徽 滁州 239000)

一、引言

隨著我國經濟社會的發展,城市化建設水平也日新月異,但城市人口的劇增,同時也帶來了繁重的交通擁堵問題,一些大城市開始建設城市軌道交通項目來解決這一問題[1]。在城市軌道交通項目中,地鐵是較為常見的軌道交通類型。地鐵具有運距大、效率高、準點率高以及載客量大的優點,但其建設難度卻遠超一般建設項目。

地鐵的修建方法,有明挖法、盾構法等,其中盾構法是目前地鐵建設中地下隧道修建的常見方法。盾構法是指利用大型盾構機械,完成掘進取土、隧道管環安裝、同步注漿等工序,并循環交替前進,直至隧道貫通[2]。盾構法具有施工機械率高、施工效率高、對地面交通影響小的諸多優點,但施工風險高也不得不引起關注,近年來,在國內一些城市修建地鐵的過程中,出現了諸如地面塌陷、周邊建筑受損的風險問題,一些問題甚至導致了人員傷亡。

對盾構施工開展風險評價,是實施風險管理,并有效降低風險的基礎。風險評價主要通過運用風險評價方法,對影響盾構施工安全的風險因素指標進行識別,再用這些指標對施工安全風險的影響程度進行評估,最終確定出盾構施工的風險安全等級,為采取相應的風險措施提供依據。國內在盾構施工風險識別、評價及預測方面的研究也已成為廣大研究人員關注的重要領域。如王勝楠(2021年)通過綜合采用專家調查、WBS、4M1E等方法,確定了具有一般通用性的盾構施工過程風險清單和盾構施工設備風險清單[3]。朱倩倩(2020年)在沉降風險預評價的基礎上構建改進的PSO-RBF神經網絡預測模型,通過沉降預警閾值的設定達到施工過程中對地面沉降量進行預警的目的[4]。趙雅云在(2017年)將可拓評價方法運用于地鐵盾構施工的安全風險評價中,并結合工程案例予以驗證[5]。趙珍妮(2021年)在模糊綜合貝葉斯網絡法的基礎上對地鐵盾構施工風險評價開展研究,取得了實際應用效果[6]。趙輝等(2021年)構建了基于PCA-Shapley值的地鐵盾構施工風險灰色聚類評價模型,通過實際案例得到應用[7]。上述所提及的風險評價方法,應用過程相對復雜,且對專業知識的要求較高,相對而言,近年來被廣泛應用到風險評價問題中的層次分析法及模糊數學評價法,以及兼容了層次分析法和模糊數學評價方法優點的AHP-Fuzzy,其應用過程相對簡單,評價結果具備足夠的準確性,能滿足對風險評價問題的使用要求。

二、AHP-Fuzzy法概述

AHP-Fuzzy法即基于層次分析法的模糊數學綜合評價方法,其中AHP為層次分析法的英文簡寫,Fuzzy則指模糊數學評價法。模糊數學評價法的基礎為模糊數學,模糊數學的提出主要是基于客觀世界存在許多不確定性現象,無法給出具體的定值描述和邊界劃分;而風險問題或風險現象,在對其評價風險程度或風險發生概率時,無法用具體的語言表達,而只能使用一些模糊性的語言表述,如表達風險程度時,用嚴重、輕微等語氣用詞,表達風險發生概率時,則使用可能、大概率等語氣用詞。其次,對應風險問題的形成,又直接或間接受到來自外界或自身多種因素的影響,存在多種性質不同、程度不同、發生概率也不同的風險源。因此,對應風險評價問題往往采用模糊數學評價方法。

決定風險問題評價等級的指標是指影響風險程度或風險發生概率的各種風險因素,這些因素對風險的形成有著不同的影響權重,權重代表了該指標在整體中的相對重要程度,因此,賦權也是評價方法中的核心問題之一,模糊數學評價法在對各種風險指標分析時,需要將各類風險指標按照隸屬層級關系,劃分指標層次,再對各層級指標賦予不同的權重,權重的確定除了可以通過專家主觀判斷法,更為客觀的方法主要使用層次分析法。層次分析法(AHP)是美國運籌學家薩蒂于上世紀70年代初,為美國國防部研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時,應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法,提出的一種層次權重決策分析方法[8]。該方法將半定型、半定量的問題轉化為定量計算,確保了指標賦權的客觀性和準確性。

AHP-Fuzzy法將層次分析法和模糊數學評價法有機結合起來,利用AHP法,完成評價問題的層次劃分以及各層次指標因素權重賦值;再利用Fuzzy模糊數學評價方法,通過構建模糊評價矩陣,計算出綜合隸屬度,定量確定出風險等級。

三、AHP-Fuzzy法在盾構施工風險評價問題的應用

本文所探究的盾構施工風險評價問題,具有模糊評價性質。從影響盾構施工的風險因素分析看,盾構施工的風險源較多,如施工資源要素的風險源、施工技術的風險源、施工管理的風險源、施工環境的風險源等,且這些風險源互相影響和干擾。對這些風險源的描述,也無法用具體的語言表達,而只能用模糊性的語言表達,因此,用AHP-Fuzzy法不失為一種用于解決盾構施工風險評價問題的方法。

(一)AHP-Fuzzy法的評價步驟[1]

1.構建風險評價因素集合

風險評價因素集合是將風險評價問題,按照風險形成的若干因素,分類形成不同類別因素所構成的數集。當風險評價問題較為復雜時,風險評價因素按風險屬性在一級風險因素劃分基礎上,還可以進一步細化為若干層次的子因素數集。

即

U={U1,U2,…,Un}

其中U1還可進一步細分出相應的子因素集合。

Ui={ui1,ui2,…,uim}

這里定義U為一級風險評價因素集合,Ui為二級風險評價因素集合,uim為所識別出的具體因素。

2.計算出各層次風險因素的權重

在確定各層次風險因素權重時,采用層次分析法進行計算。

在應用層次分析法時,先構建完成各層次風險因素相互比較判斷矩陣,其次,再利用根法求解出風險因素的權重,最后還需要進行一致性驗證,確定權重的可用性,盡可能排除判斷偏差。

3.建立評價等級集

評價等級為專家針對各類風險因素對風險評價結果的影響程度,給出不同等級的評價語句,如對某一類風險因素,專家的評價等級可以用輕微、中等、較大、嚴重、重大等五個等次表示,當用數值量化后,則形成如下評價等級數集,即V={1,2,3,4,5},1對應輕微評價語句,依次類推。

4.構建風險因素的模糊判斷矩陣

模糊判斷矩陣R表達因素集U和評價集V之間的模糊關系,采用統計對某個風險因素持某等次評語的專家人數占專家總人數之比的數值表示模糊判斷矩陣中的各個元素。

則風險因素的模糊判斷矩陣可表示為

5.模糊綜合評價,計算隸屬度值

將風險因素的模糊判斷矩陣與風險因素權重向量進行合成,再通過對矩陣計算分析,確定出各風險因素對應的風險等級。

B=WR=

|b1,b2,b3,…bm|

如果B中各組成元素總和不等于1,還需要對B進行歸一化處理,形成歸一化后的模糊綜合評價矩陣B0=|b10,b20,b30,…bm0|。

對于多級因素構成的評價體系,需要進行多級模糊綜合評價,并計算出綜合隸屬度。

(二)案例應用

下面通過某盾構施工安全風險評價問題,使用AHP-Fuzzy法開展評價分析,說明該評價方法的應用過程。

本案例以滁寧城際鐵路二期工程為依托,該工程自滁州高鐵站起至鳳陽北路站,全長13.276千米,其中花博園站至市政府站區間沿線為該市主干道,周邊建筑及地下管線較為密集,施工條件復雜,隱藏著較多的施工環境風險,該區間施工采用盾構法完成隧道開挖。雖然盾構法具有機械化程度高、對地面交通影響小、施工效率高的諸多優點,但由于暗挖作業,推進過程對地層擾動,不可避免誘發地層變形和周邊建筑管線變位,從而可能造成一定的施工安全風險,甚至引發事故災害。因此,為正確評價該盾構區間施工安全風險,根據評價結果采取必要的防控措施非常有必要。

1.施工風險識別并構建風險因素評價集合

首先根據所要開展的研究問題,采取征詢專家意見、查閱相關案例資料等方式,將本項目施工安全風險評價問題,按照影響施工安全的風險因素的組成,構建遞階層次。影響施工安全的因素包括4M1E,即人的因素、機械設備因素、施工材料因素、施工技術因素以及施工環境因素五個方面。每類影響因素又可以細分為若干項子因素,最終構建出如下多層次評價指標體系。

其中人員、機械、材料、施工方法、施工環境構成了盾構施工風險評價問題的二級風險因素。每個二級風險因素之下又細分出若干個三級風險因素。以下用數學的方式構建出盾構施工風險評價因素集合。

U={U1,U2,…,Un}=

{人員,機械,材料,施工方法,施工環境}

人員={人員能力水平,人員職業素養,

人員身體狀況,現場管理制度}

其他二級因素的細分,可參考人員風險因素的分解,這里限于篇幅,不再詳細列出。

2.構建判斷矩陣,完成各層次風險因素的權重計算

判斷矩陣的構建,采用0～9標度法,通過向專家征詢意見的方式,對風險評價指標進行兩兩對比,根據對比結果,賦予風險評價指標相應的分值,最后通過yaaha軟件完成各指標權重輔助計算。限于篇幅,這里僅舉例一級風險因素以及二級風險因素中人員風險的判斷矩陣構建、各風險因素的計算過程和結果。

表1 一級風險因素判斷矩陣表及權重計算結果

表2 二級風險因素(人員風險因素)判斷矩陣表及權重計算結果

圖1 案例工程盾構施工風險因素層次結構圖

3.建立評價等級集,并構建各層次風險因素的模糊判斷矩陣

采取征詢專家意見的方法構建評語集,根據風險評價所需的專家學識、特長等條件,邀請了10名專家組建專家小組,這些專家包括盾構施工方的工程技術人員、從事盾構施工教學和研究的高校教師以及盾構施工監理方、項目建設單位方等專家,由他們對項目的風險情況進行評價。

經過專家的綜合評價,認為本項目盾構施工的風險評價等級可以劃分為五個級別,依次為無風險、較輕風險、中等風險、重大風險、極大風險。于是,形成了風險評價評語集如下:

評語集=(無風險、較輕風險、中等風險、重大風險、極大風險),用具體數值量化為V ={1,2,3,4,5}。其次可根據風險因素類別,按照風險評價等級,10名專家分別對這些風險因素進行不同等級評價,按照對同一因素持不同評價等級的專家人數構建模糊判斷矩陣,并歸一化處理后如下:

這里以人員風險因素為例,說明模糊判斷矩陣的構建方法。

表3 人員風險因素專家評價情況表

將上面的專家打分情況,歸一化處理形成模糊判斷矩陣如下:

人員風險因素B1模糊判斷矩陣

其他因素按照同樣方法,形成相應的模糊判斷矩陣。

4.模糊綜合評價,計算隸屬度值

首先進行二級風險因素評價隸屬度計算:

人員風險因素B1評價隸屬度

S1=W·R=

其他二級風險因素,按照同樣的方法依次完成評價隸屬度計算。

在二級評價基礎上,進行一級評價如下

S=

已知一級指標層中各風險因素的權重集向量如下:

W=

于是,一級模糊評價矩陣構建如下

U=W·S=

在此基礎上,一級風險因素的評價得分計算如下:

F=U/·VT=

在對二級風險因素評價時,這里只給出人員風險因素B1的評價得分計算過程,其他二級風險因素可按此方法計算,這里不再贅述。

F1=S1·VT=

綜上,該盾構施工風險評價結果見下表4。

表4 盾構施工風險評價結果

四、結論

AHP-Fuzzy法在風險問題評價方面有較好的應用。研究依托某地鐵工程盾構施工實例,應用該方法完成盾構施工風險問題的評價分析,在確定風險因素指標權重值時,則采用層次分析法完成其不同風險指標的權重計算。

研究的最終結論表明:對盾構施工風險評價結果影響的五類一級指標風險等級均為中等,在此基礎上,對盾構施工風險評價總體結果也為中等,表明了各類現狀風險因素均具有可控性。在實際施工中,應加強對風險因素的監測,及時發現風險異?，F象并予以控制,從而保障該盾構施工預期目標實現。