基于AHP-模糊综合评价法的特殊地层盾构始发安全风险评估*

曹 鹏，俞洪良，段军朝，孙 钊

(1.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310015； 2.中国电建集团湖北工程有限公司，湖北 武汉 430040；3.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058； 4.中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430064)

本文以成都轨道交通6号线三期工程观东站—新通大道站—新川路站区间盾构始发阶段为研究对象，首先利用WBS-RBS法对施工过程中的安全风险因素进行全面识别，再通过建立盾构始发阶段安全风险综合评价模型对安全风险定级，以供工程管理人员决策和参考。

1 安全风险识别模型建立

鉴于盾构始发阶段施工技术复杂、安全风险影响因素多，通过应用WBS-RBS法可全面识别出盾构始发阶段存在的各项安全风险因素。Hillson等最早运用此方法进行风险识别，WBS-RBS法是将工作分解结构WBS与风险分解结构RBS相结合，横纵交叉构成耦合矩阵的风险识别方法。

1.1 盾构始发阶段工作分解WBS

盾构始发阶段是盾构施工的首要步骤，根据其工艺流程进行WBS分解，如图1所示。

图1 盾构始发工作WBS分解树

1.2 盾构始发安全风险分解RBS

盾构始发阶段安全风险可按技术风险、环境风险、管理风险进行RBS分解，如图2所示。

图2 盾构始发安全风险RBS分解树

1.3 盾构始发阶段安全风险识别模型建立

将盾构始发阶段工作分解WBS和风险识别RBS最底层单元两两耦合，可得到基于WBS-RBS法建立的盾构始发阶段安全风险识别模型，具体如表1所示。

表1 盾构始发阶段安全风险WBS-RBS耦合矩阵

2 安全风险评价模型建立

2.1 盾构始发安全风险因素集U建立

以盾构始发阶段安全风险识别模型得出的风险指标体系为依据，建立各层级风险指标的因素集合，即U=[U1U2U3…Un]。

2.2 盾构始发阶段安全风险评语集V建立

对每个风险因素发生概率、损失量大小及盾构始发阶段风险综合等级均采用5个等级来描述。

1)风险概率评语集V=[ABCDE]=[不可能发生 很少发生 偶尔发生 可能发生 频繁发生]。

2)风险损失评语集V=[1 2 3 4 5]=[可忽略的 需考虑的 严重的 非常严重的 灾难性的]。

3)风险综合等级评语集V=[一级 二级 三级 四级 五级]=[可忽略的 可容许的 可接受的 不可接受的 拒绝接受的]。

2.3 盾构始发安全风险指标权重集W确定

指标权重集W是因素集的一个模糊向量，即W=[W1W2W3…Wn]，应用AHP法来确定各风险的权重。AHP是由美国Saaty教授提出的进行决策分析比较排序方法，其计算过程如下。

1)根据盾构始发安全风险指标体系构造各层级元素的两两判断矩阵，使用1～9标度来表示元素间的相对重要程度，重要性标度含义如表2所示。

2)计算元素相对权重。

计算相对权重一般采用和积法和方根法，以下介绍方根法计算步骤。

首先，将判断矩阵A的每一行元素相乘后求其1/n次根，即

(1)

然后，对矩阵进行归一化处理，即

(2)

最后，计算判断矩阵的最大特征根，即

(3)

3)一致性检验。

在计算得到λmax后，还需进行一致性检验，计算步骤如下。

首先，计算一致性指标CI，即

(4)

式中：n为判断矩阵的阶数。

然后，平均随机一致性指标RI通过查表可知，RI取值如表3所示。

表3 RI取值

最后，计算一致性指标CR，即

(5)

当CR<0.1时，则认为判断矩阵的一致性检验满足要求，反之则不满足要求，需重新建立判断矩阵，并进行权重计算。

2.4 模糊评判矩阵确定

通过对单个因素进行模糊评价，以确定评价对象j对评价集合Vj的隶属程度为rmn，得到第i个因素Ri的单因素评价向量，单因素评价集如下：

则模糊评价矩阵为：

(6)

式中：rij是评价i对j的相对隶属度。

2.5 模糊综合评判

由于每个安全风险因素对评价目标的重要程度各不相同，因此，针对安全风险发生概率和损失分别利用模糊合成算子将权重集W和评价矩阵R进行综合评判，若以B表示合成运算后的多因素模糊评价集矩阵，则有模糊集B，记为：

(7)

3 盾构始发阶段安全风险定级原则

根据住房和城乡建设部发布的《地铁及地下工程建设风险管理指南》，以及R=P×C原则，可建立如表4所示风险评价矩阵。

表4 风险评价矩阵

结合风险评价矩阵，针对不同等级风险的接受准则应采取不同的控制对策，具体如表5所示。

表5 风险等级及接受准则

4 案例分析

4.1 工程概况

成都轨道交通6号线三期工程区间单线全长约2.434km，其中观东站—新通大道站区间单线长度705m，新通大道站—新川路站区间单线长度469m。线路最大坡度1.660%，线路间距约15.2m。

观东站—新通大道站—新川路站范围上覆人工填土，其中表层多为杂填土、素填土，其下为砂岩，分为全风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩。在观东站和新通大道站间为一级阶地和低山浅丘的分界线。盾构穿越中风化泥岩、中风化砂岩、强风化砂岩。观东站—新通大道站为非瓦斯区域，新通大道站—新川路站地质含少量瓦斯为低瓦斯区域(见图3)。

图3 观东站—新通大道站—新川路站工程地质情况

4.2 盾构始发重难点

本工程盾构始发阶段重难点主要体现在：①盾构区间穿越地层中存在低瓦斯气体，在穿越过程中有可能发生起火、爆炸等危险；②在盾构区间中，观东路始发端头是砂卵石地层，砂卵石地层稳定性差，始发时易发生漏水、突漏、涌水涌砂或发生重大坍塌事故；③在盾构区间中，除观东路始发站端头为砂卵石地层外，其余区间端头均大部分为中风化泥岩地层，始发时易发生漏水、突漏或发生重大坍塌事故。

4.3 盾构始发安全风险指标体系建立

鉴于盾构施工工序多、技术复杂、安全风险影响因素，通过应用WBS-RBS法可全面识别出盾构始发阶段存在的各项风险因素。Hillson最早运用此方法进行风险识别，WBS-RBS法是将工作分解结构WBS与风险分解结构RBS相结合，横纵交叉构成耦合矩阵的风险识别方法。

4.3.1盾构始发阶段安全风险识别WBS-RBS耦合

将盾构始发阶段工作分解结构WBS和风险分解结构RBS最底层单元两两耦合，邀请专家对耦合矩阵元素值进行判别，对认为存在相关风险的耦合矩阵值打“1”，认为不相关的打“0”。具体耦合结合如表6所示。

表6 盾构始发阶段安全风险WBS-RBS耦合矩阵

4.3.2盾构始发阶段安全风险评价指标体系建立

针对耦合结果为“1”的危险单元进行分析，可得出盾构始发阶段安全风险评价指标体系，如表7所示。

4.4 确定盾构始发安全风险权重

4.4.1建立因素集

根据表7建立盾构始发阶段准则层因素集U=[U1U2U3]，建立指标层因素集：

表7 盾构始发阶段安全风险评价指标体系

4.4.2确定权重集

为确定准则层和指标层中各元素的权重大小，邀请专家进行问卷打分，以技术风险U1为例进行

权重计算，构造U11～U15对U1的两两判断矩阵，然后进行打分，如表8所示。

表8 U11～U15对U1两两判断矩阵打分

4.4.3确定指标相对权重

针对上节所构造的两两比较判断矩阵，采用方根法计算相关风险指标的权重值。首先对准则层的权重值进行计算，计算过程如下。

首先，应用式(1)将判断矩阵按行相乘，再将结果开5次方，即

然后，应用式(2)对方根进行归一化处理得出：W1=0.120，W2=0.069，W3=0.513，W4=0.265，W5=0.033。

4.4.4一致性检验

鉴于专家打分具有一定的主观性，因此需对其计算结果进行一致性检验，计算过程如下。

第1步，应用式(4)计算一致性指标CI：

第2步，应用式(5)计算一致性比率CR：

其中，RI取值通过查表3可知，当n=5时，RI=1.12。

故CR=0.048/1.12=0.043<0.1。

通过一致性检验，计算权重满足要求。

因此，可得出准则层U1中U11，U12，U13，U14，U15的权重依次为0.120，0.069，0.513，0.265，0.033。

同理可计算出其他因素的权重，具体如表9所示。

表9 盾构始发安全风险权重集

4.5 盾构始发阶段安全风险模糊综合评价

4.5.1指标层模糊综合评价

4.5.1.1计算风险发生概率和发生损失隶属度

邀请15位专家对指标层风险发生概率和风险损失等级分别打分，然后按风险不同等级汇总每位专家打分结果作加权平均处理，可得到指标层风险发生概率和发生损失的隶属度，如表10，11所示。

表10 指标层风险发生概率隶属度

表11 指标层风险发生损失隶属度

4.5.1.2构建R=P×C评价模型

根据R=P×C风险评价矩阵原理，以端头土体加固及降水不当U11为例，构造其风险评价矩阵为：

4.5.1.3计算风险等级隶属度

根据表4所示风险矩阵表中分级原则，可计算出端头土体加固及降水不当U11的风险等级隶属度：

一级=1A+1B+1C+2A=

0.002+0.004+0.004+0.016=0.026

二级=1D+1E+2B+2C+3A=

0.007+0.001+0.029+0.034+0.036=0.107

三级=2D+2E+3B+3C+4A+4B=

0.058+0.008+0.065+0.077+0.042+0.076=0.327

四级=3D+3E+4C+4D+5A+5B=

0.131+0.018+0.090+0.153+0.014+

0.025=0.431

五级=4E+5C+5D+5E=

0.021+0.030+0.051+0.007=0.109

所以U11风险等级隶属度为：

V(U11)=[0.026 0.107 0.327 0.431

0.109]

4.5.1.4计算风险等级模糊评价值

根据表5所示风险等级及接受准则中风险模糊评价值范围定义，可判断U11风险等级为四级。

同理，可计算得出指标层其他各项因素的风险等级模糊评价值，并判断出风险等级，如表12所示。

表12 指标层风险模糊评价值计算汇总

4.5.2准则层模糊综合评价

运用式(7)将指标层的评价矩阵与权重向量进行模糊变换，即可得到准则层的风险等级模糊评价值，以技术风险U1为例，计算过程如下：

根据表5所示风险等级及接受准则中风险模糊评价值范围定义，可判断U1风险等级为三级。

同理，可计算得出准则层其他各项因素的风险等级模糊评价值，并判断出风险等级，如表13所示。

表13 准则层风险模糊评价值计算汇总

4.5.3目标层模糊综合评价

运用式(7)将准则层的评价矩阵与权重向量进行模糊变换，即可得到目标层的风险等级模糊评价值，计算过程如下：

根据表5所示风险等级及接受准则中风险值指针范围定义，可判断目标层风险等级为三级。接受准则为可接受的，但需项目部引起重视，加强防范，制定监控措施。

4.6 盾构始发阶段安全风险大小排序

根据上节对盾构始发阶段安全风险因素模糊综合评价结果，按风险模糊评价值大小进行排序，有利于有主次地采取风险应对策略，如表14所示。

表14 盾构始发阶段安全风险因素大小排序

5 结语

1)本文基于WBS-RBS法对研究对象中盾构始发阶段进行安全风险识别，能较全面地识别出各类施工安全风险。

2)本文通过构建R=P×C风险评价矩阵模型，然后基于AHP-模糊综合评价法对研究对象盾构始发阶段安全风险进行计算定级，确定了研究对象盾构始发阶段安全风险级别为三级，接受准则为可接受的，但需项目部引起重视，加强防范，制定监控措施。并且根据风险模糊评价值大小进行排序，有利于有主次地采取风险应对策略。

3)本文仅对特殊地层即富水砂卵石地层同时地层中含有少量瓦斯的盾构始发阶段安全风险进行了评估，后续还将对其他特殊地层和其他施工阶段风险评估做进一步探究。