郭 庶,羅光財,彭 丹

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004)

目前國內(nèi)地鐵工程規(guī)模日益增大,安全生產(chǎn)形勢十分嚴(yán)峻[1-2],地鐵施工風(fēng)險不僅與地質(zhì)有關(guān),還涉及到施工管理、場地周邊環(huán)境以及施工技術(shù)應(yīng)用等方面因素。為了有效降低施工風(fēng)險,減小各類安全事故發(fā)生,需要在施工前對施工風(fēng)險進行科學(xué)的評估,并根據(jù)評估結(jié)果在施工中采取應(yīng)對措施。這在施工管理中已經(jīng)成為不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3-4]。

本文融合專家打分法以及層次分析法在長沙市地鐵4號線湘江新城站車站施工中的具體應(yīng)用,闡明該風(fēng)險評估方法在工程實際應(yīng)用中具有良好的效果,體現(xiàn)評估方法的科學(xué)性與實用性,為降低工程施工風(fēng)險提供一種有效的指引。

1 地鐵車站風(fēng)險評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系的選擇和確定是評價研究內(nèi)容的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,直接影響到評價的精度和結(jié)果。地鐵車站施工風(fēng)險評價是一個動態(tài)過程,在不同的情況下,影響施工安全的因素會隨之變化,因此要時刻注意該體系的動態(tài)性以及開放性,體現(xiàn)體系的科學(xué)性和實用性[5-6]。

根據(jù)對地鐵施工安全風(fēng)險現(xiàn)狀的調(diào)查分析,以及相關(guān)法律法規(guī)、相關(guān)文獻資料[7-8],考慮施工中各方面因素對施工風(fēng)險狀況的影響,建立地鐵施工風(fēng)險的評價指標(biāo)體系(見表1)。

該體系分成4個層次,包含24個單因素：頂層為地鐵車站總系統(tǒng),而第二層為施工管理、周圍環(huán)境、施工技術(shù)3個子系統(tǒng);在第三層,施工管理和周圍環(huán)境為評價指標(biāo)層,也即底層;施工技術(shù)子系統(tǒng)再分為支撐失穩(wěn)、孔壁塌陷、坑底隆起、基坑滑移、圍護結(jié)構(gòu)滲流等5個部分;第四層為環(huán)境的評價指標(biāo)層,也即底層。

表1 地鐵車站安全風(fēng)險因素

2 地鐵車站施工風(fēng)險評價流程

評價流程如圖1所示,其中專家自身的權(quán)重根據(jù)專家權(quán)重體系(見表2)來確定。評價過程首先由專家對系統(tǒng)各底層指標(biāo)進行專家打分,結(jié)合權(quán)重因素確定底層指標(biāo)風(fēng)險值;其次,根據(jù)熵度法和層次分析法計算各個層級的權(quán)重,逐步計算出各層指標(biāo)的風(fēng)險值,最終可以從底層到頂層逐步推求地鐵車站施工系統(tǒng)的最終綜合風(fēng)險值。

圖1 地鐵車站安全風(fēng)險評價流程

2.1 確定專家權(quán)重

依據(jù)地鐵工程經(jīng)驗,對不同的專家權(quán)重進行了劃分,專家權(quán)重體系見表2。

表2 專家權(quán)重體系

2.2 熵權(quán)法確定底層指標(biāo)的權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是非常關(guān)鍵的參數(shù),本研究采用熵權(quán)法確定各底層指標(biāo)的權(quán)重,對于施工管理指標(biāo),其熵權(quán)的計算如下[9-10]：

以施工管理指標(biāo)為例,采用公式(1)對V進行歸一化處理：

式中,V′1imin為底層指標(biāo)c1i的最小風(fēng)險值;V′1imax為底層指標(biāo)c1i的最大風(fēng)險值。

用H表示熵,底層指標(biāo)c1i的熵H1i定義為：

用w表示熵權(quán),底層指標(biāo)c1i的熵w1i定義為：

式中,M為底層評價指標(biāo)的個數(shù),也即矩陣的行數(shù)。

2.3 AHP確定其余層指標(biāo)的權(quán)重

2.3.1 確定指標(biāo)比較分值

層次分析法確定權(quán)重的原理是在評分時對指標(biāo)進行兩兩比較,采用1～9標(biāo)度法,其認(rèn)為人們在估計對事物的差別時,可用5種判斷等級進行描述,見表3。其中對一個指標(biāo)重要性給出評分同時,另一個指標(biāo)評分為其倒數(shù)。

表3 指標(biāo)比較的分值

2.3.2 判斷矩陣計算權(quán)重

判斷矩陣中的數(shù)值是根據(jù)資料、專家評價及其對本問題的了解狀況等加以綜合平衡后給出的。本研究采用方根法求解指標(biāo)權(quán)重,具體過程如下：

(1)假定一指標(biāo)層元素c1,c2,…,cn對于上一指標(biāo)層T的判斷矩陣為B,表示為：

(2)計算判斷矩陣每行元素之積Mi：

(3)計算Mi的n次方根

所得向量W＝ [ w1,w2,…,wn]T便為所求的特征向量。

3 施工風(fēng)險人機環(huán)境系統(tǒng)評價實例

3.1 依托工程概況

地鐵施工風(fēng)險實例以長沙地鐵4號線湘江新城站為例。長沙地鐵4號線湘江新城站位于銀星路與銀杉路現(xiàn)狀道路“L”字路口的南側(cè),本站為單柱雙跨兩層站,支護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐的形式。車站有效站臺中心里程為YDK16＋236.000,全長208.8 m。車站有效站臺中心里程處軌面高程(絕對值)為33.204 m,標(biāo)準(zhǔn)段線間距15 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度20.7 m,車站主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為2.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.13 m。本站為島式地下二層明挖車站,兩端接盾構(gòu)區(qū)間,車站覆土2.7 m。車站北端為盾構(gòu)始發(fā),車站南端為盾構(gòu)吊出。車站外包全長208.8 m,標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬20.7 m,車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.13 m,盾構(gòu)井段基坑深約17.7 m。

3.2 實例評價過程

3.2.1 確定專家權(quán)重

本工程邀請5位地鐵專家評價湘江新城站施工風(fēng)險性,專家權(quán)重的確定根據(jù)表2的專家權(quán)重體系,得到5 位專家權(quán)重依 次為：0.217,0.206,0.185,0.206,0.186。

根據(jù)風(fēng)險矩陣判斷的原理[7],將風(fēng)險分為四級：即極高風(fēng)險(用4表示),高度風(fēng)險(用3表示),中度風(fēng)險(用2表示),低度風(fēng)險(用1表示)。

3.2.2 確定底層綜合風(fēng)險評價

本工程中施工管理底層評價指標(biāo)的風(fēng)險值由5位專家打分確定得到如下的矩陣：

考慮專家權(quán)重(評價值乘專家自身權(quán)重),則得：

施工管理底層評價指標(biāo)的風(fēng)險值：

同理,對于周圍環(huán)境：

對于支撐失穩(wěn)：

對于孔壁塌陷：

對于坑底隆起：

對于基坑滑移：

對于圍護結(jié)構(gòu)滲流：

3.2.3 確定底層指標(biāo)權(quán)重

現(xiàn)在確定施工管理底層指標(biāo)的權(quán)重,根據(jù)熵度法,將V1′結(jié)果代入公式(1),則得：

將V1″代入公式(2),計算各底層指標(biāo)熵得：

將H1i代入公式(3),計算得各底層指標(biāo)熵權(quán)得：

其中,指標(biāo)熵越大,則指標(biāo)的熵權(quán)越小,意味著專家對該指標(biāo)的把握性越小,不確定性越大[6]。

同理可得：

周圍環(huán)境評價指標(biāo)熵權(quán)：

支撐失穩(wěn)評價指標(biāo)熵權(quán)：

孔壁塌陷評價指標(biāo)熵權(quán)：

坑底隆起評價指標(biāo)熵權(quán)：

基坑滑移評價指標(biāo)熵權(quán)：

圍護結(jié)構(gòu)滲流評價指標(biāo)熵權(quán)：

3.2.4 確定其余層指標(biāo)權(quán)重

第二層次的風(fēng)險源判斷矩陣見表4。

計算出wi＝[0.258 0.105 0.637]。

施工技術(shù)的第三層次的判斷矩陣見表5。

表4 第二層次風(fēng)險源判斷矩陣

表5 第三層次風(fēng)險源的判斷矩陣

計算 出 w3i＝ [0.039 0.283 0.427 0.142 0.109]。

3.2.5 人－機－環(huán)境系統(tǒng)的綜合評估

對于施工管理風(fēng)險：R1′＝w1i×R1＝1.345,周圍環(huán)境風(fēng)險：R2′＝w2i×R2＝2.723,支撐失穩(wěn)風(fēng)險：R31′＝w31i×R31＝1.573,孔壁塌陷風(fēng)險：R32′＝w32i×R32＝1.646,坑底隆起風(fēng)險：R33′＝w33i×R33＝2.039,基坑滑移風(fēng)險：R34′＝w34i×R34＝1.598,圍護結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險：R35′＝w35i×R35＝1.946,施工技術(shù)風(fēng)險：R3＝∑5i＝1w3i×R3i′＝1.656,則整體安全風(fēng)險 系統(tǒng)：R＝ ∑3i＝1wi×Ri′＝1.621。

3.2.6 評價結(jié)果分析

(1)車站施工安全風(fēng)險綜合評估結(jié)果屬于中度風(fēng)險,需要對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測。

(2)在第二層風(fēng)險指標(biāo)中,施工管理和施工技術(shù)指標(biāo)為低度風(fēng)險,而周圍環(huán)境指標(biāo)風(fēng)險值明顯大于這兩項,達到2.723,風(fēng)險值較高,采取必要的措施保證周邊鄰近結(jié)構(gòu)物的安全。

(3)在第三層風(fēng)險指標(biāo)中,即施工技術(shù)方面,湘江新城站坑底隆起風(fēng)險為2.039,屬于中度風(fēng)險,其余指標(biāo)為低度風(fēng)險。

(4)底層評價指標(biāo)因子的風(fēng)險如下：施工管理底層指標(biāo)風(fēng)險值均低于1.6,為低度風(fēng)險;周圍環(huán)境的底層評價指標(biāo)中施工降水引起地表沉降導(dǎo)致管線破壞風(fēng)險最大;坑底隆起風(fēng)險指標(biāo)當(dāng)中,圍護結(jié)構(gòu)入土深度不足的風(fēng)險最大,為中度風(fēng)險,要采取相應(yīng)監(jiān)控措施進行改善;孔壁塌陷指標(biāo)中側(cè)向土壓力過大的風(fēng)險最大,為中度風(fēng)險,需要加強監(jiān)控;從熵權(quán)結(jié)果看出,支撐失穩(wěn)是施工技術(shù)中最重要指標(biāo),其中支撐結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞的風(fēng)險最大,達到2.185,選擇不當(dāng)易造成較大風(fēng)險;基坑滑移和圍護結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險中都要注意處理好降水不力的問題,另外主要改善和監(jiān)控地連墻質(zhì)量,尤其是裂縫問題。

4 結(jié) 論

(1)融合專家法和層次分析法,構(gòu)建了科學(xué)的評價指標(biāo)體系,為地鐵車站施工提供了評價模型,指導(dǎo)施工風(fēng)險評價。

(2)將模型應(yīng)用到湘江新城地鐵車站中,得到車站綜合風(fēng)險評估結(jié)果是中度風(fēng)險,應(yīng)對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測。

(3)施工各層指標(biāo)風(fēng)險結(jié)果表明施工場地周圍環(huán)境對地鐵車站施工的風(fēng)險最大,施工中需要重點監(jiān)測地表沉降以及土體變形情況,確保周圍建筑物以及管線的安全。