李夢(mèng)笛，邵志國，于德湖

(1.青島理工大學(xué) a.管理工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設(shè)管理研究中心，青島 266525)

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)村人口大量涌入城市，城市交通擁堵、空氣污染及資源短缺等“城市病”問題不斷加重。為解決此類“城市病”，各國政府皆大力發(fā)展公共交通。城市軌道交通以其運(yùn)量大、節(jié)能環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，成為公共交通中的中流砥柱，很好地解決了城市交通擁堵及空氣污染問題。由于我國地鐵引進(jìn)較晚，目前比較重視施工建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)階段，而忽視了地鐵線路的超前規(guī)劃。另外，伴隨我國城市的快速發(fā)展，早期建設(shè)的部分地鐵線路已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的交通要求。由于缺乏超前規(guī)劃，部分城市亟需各種穿越現(xiàn)有運(yùn)營站的新地鐵站的建設(shè)。在換乘站下穿工程施工過程中，新地鐵建設(shè)與現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜作用，其施工將嚴(yán)重影響著既有車站運(yùn)營的安全，同時(shí)，既有車站的運(yùn)營也將影響新建地鐵站的施工安全[1]。因此，研究穿越現(xiàn)有運(yùn)營站的新地鐵站施工安全風(fēng)險(xiǎn)意義重大。

目前，大量國內(nèi)學(xué)者已對(duì)穿越現(xiàn)有運(yùn)營站的新地鐵站施工進(jìn)行了研究。LUO等將層次分析法和模糊物元法相結(jié)合，研究了新建地鐵車站下穿既有運(yùn)營站施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題，并將安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于成都軌道交通8號(hào)線東麓站項(xiàng)目[2]；楊軍等分析了暗挖地鐵站下穿既有車站存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)比分析了“PBA三導(dǎo)洞”和“CRD工法”，最終確定“PBA三導(dǎo)洞”對(duì)施工過程中地鐵站的變形有一定的控制效果[3]；嚴(yán)小衛(wèi)等以哈爾濱地鐵3號(hào)線為例，將BIM(Building Information Modeling)技術(shù)運(yùn)用于地鐵站下穿既有地道橋的施工中，提出一種新的設(shè)計(jì)管理方法[4]；翁木生對(duì)西安地鐵下穿鐵路重要部位進(jìn)行研究，采用了交叉中隔墻等方法進(jìn)行施工，既保證了原有鐵路的正常運(yùn)行，又保證了現(xiàn)有地鐵施工的安全順利進(jìn)行[5]；梁泊采用因果分析法和德爾菲法對(duì)新建地鐵站下穿運(yùn)營站的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，確定了49項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)，并將研究成果成功運(yùn)用到成都地鐵的施工建設(shè)中，得到有效的驗(yàn)證[6]；姬剛從不可抗力風(fēng)險(xiǎn)、周圍環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、管理及人員風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面對(duì)上海地鐵金沙江西路站存在的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究[7]；孫英偉在南寧地鐵H段地鐵站研究中發(fā)現(xiàn)造成地鐵施工安全的因素主要表現(xiàn)在工作人員缺乏安全意識(shí)、材料的質(zhì)量問題、機(jī)械的質(zhì)量問題、組織管理結(jié)構(gòu)不合理、施工環(huán)境等5個(gè)方面，并確定各因素對(duì)地鐵站施工安全的影響程度[8]；楊帥超對(duì)地鐵站施工中頻發(fā)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，并提出防控措施[9]。

綜合來看，目前我國學(xué)者在地鐵站的施工技術(shù)和地下工程的安全風(fēng)險(xiǎn)管理等方面已進(jìn)行大量研究，但對(duì)新建地鐵站穿越現(xiàn)有運(yùn)營地鐵站工程的安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究仍較少。由于施工單位既要維持既有車站的正常運(yùn)行，又要保證新車站的正常施工，使得施工單位進(jìn)行穿越工程的施工比普通地鐵工程更為復(fù)雜和危險(xiǎn)。因此，有必要提出一套適用于新地鐵車站下穿既有運(yùn)營車站的地鐵穿越工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。為此，本文提出改進(jìn)TOPSIS(Technique for Order Performance by Similarity to an Ideal Solution)方法，對(duì)新建地鐵站下穿既有運(yùn)營車站施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并提出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)防控措施，為地鐵站施工安全管理工作提供參考。

1 研究方法

穿越現(xiàn)有運(yùn)營站的新地鐵站施工具有信息量大、技術(shù)高、施工復(fù)雜、規(guī)模巨大、不確定性風(fēng)險(xiǎn)多等特點(diǎn)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中，模糊綜合評(píng)價(jià)法在分析和處理多變量、多因素、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)中比較適用。其中，改進(jìn)TOPSIS方法避免了傳統(tǒng)的TOPSIS方法的不足，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在地鐵站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中廣泛應(yīng)用。本文采用的改進(jìn)TOPSIS方法相比于傳統(tǒng)TOPSIS方法主要進(jìn)行兩個(gè)方面的改進(jìn)：一是采用馬氏距離計(jì)算各評(píng)價(jià)方案到正理想解和負(fù)理想解的距離，此種計(jì)算距離的方法不同于傳統(tǒng)TOPSIS方法中歐式距離法，突出表現(xiàn)在可以擺脫各評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性帶來的影響，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確；二是改進(jìn)TOPSIS方法引入了CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)賦權(quán)法，該方法可確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，解決專家打分法產(chǎn)生的主觀性及標(biāo)準(zhǔn)離差法上的不足。

假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象B1,B2,…,Bn，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象都有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)xij為評(píng)價(jià)對(duì)象Bi在指標(biāo)xj下的指標(biāo)值(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)。計(jì)算步驟如下：

步驟1 由各方案原始數(shù)據(jù)構(gòu)建決策矩陣，所構(gòu)建的矩陣如下式所示：

步驟2 為消除不同指標(biāo)量綱的影響，對(duì)原始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化：

(1)

由以上公式得出原始矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為BN。

步驟3 估計(jì)指標(biāo)權(quán)重。CRITIC是一種對(duì)高相關(guān)性指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行評(píng)估的方法。標(biāo)準(zhǔn)化后矩陣BN的第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差為

(2)

(3)

其中

(4)

ρjk表示第j個(gè)指標(biāo)與第k個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，ρjk取值范圍從-1到1。ρjk的絕對(duì)值越大表示j與k這兩個(gè)指標(biāo)之間的正(負(fù))相關(guān)性越強(qiáng)。Rj越大表示第j個(gè)指標(biāo)對(duì)其他指標(biāo)的正相關(guān)性越弱。第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為

(5)

步驟4 根據(jù)原始數(shù)據(jù)求解各屬性指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)。由于各屬性指標(biāo)之間較強(qiáng)的相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致歐氏距離失效，此步通過求解各屬性指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)判斷各指標(biāo)之間是否相關(guān)。若相關(guān)，采用馬氏距離代替歐式距離進(jìn)行距離計(jì)算；否則，使用歐式距離進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，此步還可以得到相關(guān)系數(shù)矩陣C。

步驟5 求解加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。用權(quán)重矩陣乘以原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣從而得到一個(gè)新的矩陣，即為加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣W：

W=w×BN。

(6)

步驟6 確定正理想解(S+)和負(fù)理想解(S-)：

S+={maxwij|j=1,2,…,n} ，

(7)

S-={minwij|j=1,2,…,n} 。

(8)

步驟7 對(duì)象到正理想解和負(fù)理想解的馬氏距離：

(9)

(10)

式中：C-1為逆矩陣(C為相關(guān)系數(shù)矩陣即協(xié)方差矩陣)。

步驟8 運(yùn)用馬氏距離求解各指標(biāo)之間的相對(duì)貼近度：

(11)

2 案例分析

2.1 工程概況

將構(gòu)建的評(píng)估模型應(yīng)用于青島地鐵1號(hào)線下穿運(yùn)營的地鐵13號(hào)線井岡山路地鐵站施工過程中。青島地鐵1號(hào)線是貫穿主城區(qū)、黃島區(qū)和城陽區(qū)三大區(qū)的一條骨干線路。該線路最南端是峨眉山路站，最北端是興國路站，途經(jīng)黃島汽車站、青島火車站、火車北站、汽車北站等重要交通樞紐，總里程約59.97 km，其中地下29站，站間距約為1524 m，與11條地鐵線路交接。青島地鐵13號(hào)線起于嘉陵江路站，止于董家口火車站。井岡山路站是青島地鐵1號(hào)線與13號(hào)線的換乘站，其1號(hào)線部分正在建設(shè)中，是地下二層車站。13號(hào)線部分為已經(jīng)運(yùn)營的地下三層車站。井岡山路地鐵站地處上軟下硬的不良地質(zhì)，且地上周圍建筑物施工復(fù)雜，在施工過程中極易發(fā)生地表沉降、路面斷裂、坍塌等問題，施工難度相當(dāng)大。

2.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

地鐵站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)能充分反映工程風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，在選取風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)一定要嚴(yán)格按照相關(guān)原則進(jìn)行，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、客觀性、可行性，使選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)更好地反映工程項(xiàng)目中存在的風(fēng)險(xiǎn)[10]。本文通過對(duì)大量地鐵站施工風(fēng)險(xiǎn)管理指標(biāo)相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，初步確定從既有車站軌道變形、既有車站沉降、既有車站坍塌、新建車站裂縫、新建車站基坑坍塌、新建車站涌水涌砂等六項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，從而確定風(fēng)險(xiǎn)的大小。下穿既有地鐵站風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)見表1。

表1 下穿既有地鐵站風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)估

1) 處理原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分。采用問卷調(diào)查法邀請(qǐng)了10位熟悉本工程的專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行打分，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)值見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)值

2) 構(gòu)建決策矩陣：

3) 求標(biāo)準(zhǔn)化矩陣BN。由式(1)求解原始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣BN：

4) 使用CRITIC估計(jì)指標(biāo)權(quán)重。由式(2)—(5)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差σj、量化沖突Rj和相關(guān)系數(shù)ρjk，從而得到指標(biāo)權(quán)重wj。各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差、量化沖突和權(quán)重見表3。

5)求解各屬性指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣C。

表3 各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差、量化沖突和權(quán)重

表4 各屬性指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

由表4可以看出，某些指標(biāo)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，如X1與X4相關(guān)系數(shù)為-0.571，X1與X2相關(guān)系數(shù)為-0.554。若各指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于0.5，將導(dǎo)致歐式距離失效，而馬氏距離的協(xié)方差矩陣反映了決策指標(biāo)之間的相關(guān)性，同時(shí)降低指標(biāo)的數(shù)據(jù)要求，提高決策結(jié)果的可信度，所以此案例采用馬氏距離代替歐式距離，使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

6) 求解加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。由式(6)可得：

表5 各指標(biāo)相對(duì)貼近度

7) 求解正理想解(S+)和負(fù)理想解(S-)。由式(7)(8)可得：

S+=(0.176,0.140,0.109,0.109),

S-=(0.072,0.057,0.037,0.044)。

8) 計(jì)算評(píng)估對(duì)象到正理想解和負(fù)理想解的距離。根據(jù)式(9)—(11)分別求出各指標(biāo)到正負(fù)理想點(diǎn)的馬氏距離，各指標(biāo)相對(duì)貼近度見表5。

由表5可見，各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)大小的排序?yàn)椋築6>B4>B2>B5>B3>B1，即新建車站涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)>新建車站裂縫風(fēng)險(xiǎn)>既有車站沉降風(fēng)險(xiǎn)>新建車站基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)>既有車站坍塌風(fēng)險(xiǎn)>既有車站軌道變形風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，施工單位應(yīng)提前做好新建車站涌水涌砂、新建車站裂縫風(fēng)險(xiǎn)和既有車站沉降風(fēng)險(xiǎn)防控措施，新建車站在施工過程中要加大涌水涌砂和裂縫的監(jiān)控，并不定期監(jiān)測(cè)既有車站的沉降情況，做到事前根據(jù)地質(zhì)條件，預(yù)估這三種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，確定相應(yīng)的防控等級(jí)，事中勤于監(jiān)測(cè)，事后做好防護(hù)。相比于以上三種風(fēng)險(xiǎn)，新建車站基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)、既有車站坍塌風(fēng)險(xiǎn)和既有車站軌道變形風(fēng)險(xiǎn)較低。因此，施工單位在施工中應(yīng)定期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，并做好定期養(yǎng)護(hù)和檢修工作，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性和損失。

3 結(jié)論

1) 將改進(jìn)TOPSIS方法應(yīng)用于青島地鐵1號(hào)線穿越正在運(yùn)營的青島地鐵13號(hào)線的井岡山路地鐵站施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，對(duì)施工中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，可為施工單位提供一定的參考，有助于提高施工的安全性。

2) 通過計(jì)算結(jié)果得出新建車站涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)、新建車站裂縫風(fēng)險(xiǎn)和既有車站沉降風(fēng)險(xiǎn)較大，施工單位可以預(yù)先制定相應(yīng)的防控措施，盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

雖然本文對(duì)TOPSIS方法做了兩方面的改進(jìn)，但是此次改進(jìn)并不全面。同時(shí)，構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系仍有待進(jìn)一步豐富完善，這將是未來研究的重點(diǎn)。