基于模糊綜合評判法的地鐵車站施工風(fēng)險評估

1、基于模糊綜合評判法的地鐵車站施工風(fēng)險評估摘要:針對地鐵車站工程施工影響因素的隨機(jī)性和模糊性特點,作者提出了風(fēng)險評估的模糊綜合評判法,其中采用了層次分析法確定影響因素的權(quán)重。文中通過算例來驗證所提方法的實用性,分析結(jié)果根本反映了實際情況。關(guān)鍵詞:地鐵車站;施工;風(fēng)險分析;失效形式;模糊綜合評判法1引言隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快,城市面臨的首要問題便是人口膨脹,交通擁擠等。很多大中型城市人均道路面積日漸減少1,如上海人均面積已降至僅2.22,而要增加地面道路面積是非常困難的。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)歷,建立地鐵是一種比較好的解決途徑。在地鐵建立的過程中,地鐵車站施工是一個重要的環(huán)節(jié)。地鐵車站一般設(shè)置在客流量

2、大的地點,如商業(yè)中心、文化娛樂中心及地面交通樞紐等地方,以便最大限度地吸引客流和方便乘客。因此,其施工條件相對復(fù)雜、困難,而且對地面環(huán)境及周圍建筑物容易產(chǎn)生較大的影響。在城市中心地區(qū)地鐵車站施工的過程中,為防止大量拆遷,減少對周圍環(huán)境的粉塵污染和噪聲影響,在對工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等方面評估的根底上,一般采用淺埋暗挖法施工2。由于淺埋暗挖法施工在地下內(nèi)部進(jìn)展,相對于地面施工來說主要有以下幾個特性:隱蔽性大,作業(yè)的循環(huán)性強(qiáng),作業(yè)空間有限,作業(yè)的綜合性高,施工過程中周圍土體的物理力學(xué)狀態(tài)是變化的,作業(yè)環(huán)境惡劣且危險性大。因此,對地鐵車站工程施工過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險進(jìn)展評估是很有必要的。2地鐵車站施工失

3、效形式及其評估方法選擇2.1施工中失效形式的分析在用淺埋暗挖法對地鐵車站施工過程中,可能會出現(xiàn)一些危險的影響因素。工程技術(shù)與管理人員應(yīng)該對這些影響因素產(chǎn)生的失效形式進(jìn)展分析,確定其相對重要度,然后合理地分配資源對其進(jìn)展不同程度的監(jiān)控和防范。根據(jù)已有工程經(jīng)歷和類似工程歷史記錄,在地鐵車站施工過程中可能會出現(xiàn)的危險部位如下:在修兩邊跨時可能會出現(xiàn)拱頂開裂,這主要是由于兩邊跨成拱后,開挖中跨臨時支護(hù)失效,兩邊跨擠向中跨,引起邊跨拱頂開裂;在修中跨時,可能出現(xiàn)中跨中柱根底下沉,這主要是由于仰拱未及時修筑,中柱根底承載力缺乏,繼而導(dǎo)致拱部襯砌開裂;在對拱部施工時,可能出現(xiàn)拱圈防水層質(zhì)量失效,主要原因是鋪

4、設(shè)拱部防水層工藝失當(dāng),接縫不良,從而引起拱部漏水;對立柱施工時,可能出現(xiàn)仰拱開裂,主要是由于仰拱施工未清底及混凝土質(zhì)量不佳,這也會引起底部翻漿冒泥;另外,在整個施工過程中可能會出現(xiàn)地表地層下沉,主要是由于施工工序展開過長,地層未作預(yù)加固而導(dǎo)致的后果是直接危及地下管線?？梢?影響地鐵車站施工平安的因素很多,不僅取決于地層內(nèi)部地質(zhì)條件,還取決于外部環(huán)境因素的影響。2.2風(fēng)險研究方法的選取地鐵車站工程處于地層之中,而地層的復(fù)雜性使得在地下施工過程中出現(xiàn)的一些風(fēng)險難以用非常準(zhǔn)確的、量化的數(shù)據(jù)加以表達(dá)。顯然,施工過程的風(fēng)險是不確定性的,不僅具有隨機(jī)性,還具有模糊性。目前已有的工程風(fēng)險評估方法如風(fēng)險乘數(shù)法

5、3、故障樹法4等難以對此予以準(zhǔn)確地表達(dá)。此外,風(fēng)險乘數(shù)法沒有考慮失效指標(biāo)之間的互相關(guān)系,而故障樹的建立是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程,對其進(jìn)展定量分析也比較困難。對于具有不確定性和模糊性事件,其分析可以采用模糊數(shù)學(xué)的方法。模糊綜合評判法就是從多目的決策中劃分出來的一種新的數(shù)學(xué)方法,當(dāng)影響事物因素較多又有很強(qiáng)的不確定性和模糊性時,采用此方法進(jìn)展量化分析具有明顯的優(yōu)越性5,6,7。3建立模糊綜合評判法模型模糊綜合評判法用于評估工程的風(fēng)險性時,一般包括如下四項工作8,9。3.1建立綜合評價集合設(shè)著眼因素集為=12,抉擇評語集為=12,它們均為有限集。在地鐵車站工程施工過程中,本文暫只考慮3種失效指標(biāo)因素:1為

6、各因素失效發(fā)生的頻率,2為各因素失效后果的嚴(yán)重程度,3為各因素失效原因被檢測出的程度(簡稱檢測度)?？紤]的抉擇評語集合即為本文前面失效形式分析中提到的5種失效因素:拱頂開裂,中柱沉降,防水層漏水,仰拱開裂以及地層下沉等。3.2確定被評價事物相關(guān)各因素的隸屬度隸屬函數(shù)是模糊綜合評判方法的關(guān)鍵之一,它是一種對不能準(zhǔn)確定量表述的事物現(xiàn)象、規(guī)律及進(jìn)程的模糊陳述的表達(dá)式,由此確定的隸屬度是對模糊概念貼近程度的度量。因此,隸屬函數(shù)確定得是否符合實際情況,會直接影響到分析結(jié)果的正確性。目前,確定隸屬函數(shù)的方法通常用模糊統(tǒng)計方法或者是憑實際經(jīng)歷,而本文后續(xù)算例將針對地鐵車站施工過程中所考慮的幾個影響因素,根據(jù)

7、隸屬函數(shù)構(gòu)造方法及原那么10,取定本文所需要的隸屬函數(shù)。為對著眼因素集中的(=1,2,)作單因素評判,從因素著眼確定該事物對抉擇等級(=1,2,)的隸屬度,并由此得出的單因素評判集=12,它是抉擇評語集合上的模糊子集。由個著眼因素的評價集可構(gòu)造出模糊關(guān)系矩陣:它反映了集合與之間存在的相關(guān)關(guān)系,其中表示因素對抉擇等級的隸屬程度。3.3確定各評價因素對評價對象的權(quán)重對于被評判的事物,由于從不同的著眼因素可能會得出絕然不同的結(jié)論,而且在諸多著眼因素中,對總評價的影響程度不一,存在著模糊擇優(yōu)因素。因此,評價的著眼點可看成著眼因素集上的一個模糊子集。在模型中,稱為輸入模糊向量,記成=12。式中(01)為

8、對的隸屬度且規(guī)定它是單因素在總評價中影響程度的一種度量。中的分向量稱為因素的重要程度系數(shù),或稱權(quán)重。目前有多種方法用于確定權(quán)重值。為獲得合理的結(jié)果,本文后續(xù)算例將先模擬專家打分,然后采用求層次分析法()中正互反矩陣特征向量的方法來確定權(quán)值。3.4綜合評價在確定了模糊矩陣和模糊向量后,可作如下模糊變換來進(jìn)展綜合評判:=12(2)式中稱為輸出模糊向量,=,=1,2,。由此得到評價集的模糊子集,即輸出模糊向量,其分向量的數(shù)值大小將相對地反映了在地下工程施工中有關(guān)因素的風(fēng)險程度。4工程應(yīng)用算例某暗挖地鐵車站3是雙層三跨二柱連拱構(gòu)造(如圖1)。施工方法采用先修兩邊跨,后修中跨的方案,施工中在拱部、立柱、

9、地基等處。在施工中,有可能出現(xiàn)開裂,下沉、防水層失效等風(fēng)險。對該地鐵車站施工中的潛在風(fēng)險,文獻(xiàn)3已按風(fēng)險乘數(shù)法做過分析,本文在此擬采用其根本資料按上述模糊綜合評判法進(jìn)展評估和比較。4.1選定失效分析指標(biāo)在施工風(fēng)險分析時,要考慮工程系統(tǒng)中存在哪些隱患,并確定其失效形式,進(jìn)展失效機(jī)理分析。為此,本文設(shè)定三個指標(biāo)加以表征,即失效發(fā)生頻率的程度()、失效后果的嚴(yán)重程度()、失效原因被檢查出的程度()。根據(jù)以往經(jīng)歷與所考察對象相似的系統(tǒng)失效記錄3,用1到10數(shù)字來標(biāo)識失效評判指標(biāo)(表1),該工程失效形式、機(jī)理和后果以及量化指標(biāo)打分結(jié)果等見表2。4.2選定各失效分析指標(biāo)的隸屬函數(shù)4.2.1失效發(fā)生頻率程度

10、的隸屬函數(shù)根據(jù)表1,當(dāng)失效發(fā)生頻率程度不大于1時,可以看成失效可能性等級很小;當(dāng)失效發(fā)生頻率程度大于8時,可以看成失效可能性等級到達(dá)最高。由此特點,本文將其隸屬函數(shù)()取為:4.2.2失效后果嚴(yán)重程度的隸屬函數(shù)由表1可知,失效后果嚴(yán)重程度和失效發(fā)生頻率程度的評判標(biāo)度的變化規(guī)律類似,故其隸屬函數(shù)()取成與()一樣。4.2.3失效原因被檢查出程度的隸屬函數(shù)由表1可知,失效原因檢測度越高,其失效可能性等級越低。根據(jù)這種規(guī)律,該隸屬函數(shù)是檢測度的一個減函數(shù)。本文假定,當(dāng)失效原因檢測度大于8時()=0,當(dāng)失效原因檢測度不大于2時()=1,中間區(qū)域采用形分布函數(shù)來分析其研究對象的變化。因此,失效原因檢測度

11、的隸屬函數(shù)()可表達(dá)為:4.3確定各因素權(quán)重為確定三個指標(biāo)因素的權(quán)重,先模擬打分并按層次分析法建立反映它們之間相對重要性的正互反矩陣如下:容易求得矩陣的最大特征值為=3.0735。根據(jù)層次分析理論,與矩陣階數(shù)=3對應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)=0.58,而一致性指標(biāo)=(-)/(-1),于是有=/=0.060.1?？梢?矩陣通過了一致性檢驗而可以被后續(xù)的分析采用。正互反矩陣與對應(yīng)的特征向量=0.27620.63230.7238。對它進(jìn)展歸一化并用于確定各評價因素的權(quán)重,即取輸入模糊向量矩陣=0.16920.38740.4413。4.4計算各失效形式的隸屬度將表2中的、和數(shù)值代入隸屬函數(shù)式(3)或式(4),

12、所得隸屬度列入表3。這樣失效形式的模糊關(guān)系矩陣為:4.5求輸出模糊向量并評估施工風(fēng)險在詳細(xì)確定了矩陣和后,利用式(2)可以求出輸出模糊向量:=12=0.54640.32940.33370.36460.6763。由元素的相對大小排列原那么可知:對本算例工程,其首要風(fēng)險是因施工工序展開過長、地層未預(yù)加固,造成地表地層下沉;其次是在中柱柱頂開挖中跨時,兩邊跨擠向中跨,引起邊跨拱頂開裂;然后是仰拱施工未清底及混凝土質(zhì)量不佳,造成仰拱開裂引起的風(fēng)險;接下來是鋪設(shè)拱部防水層工藝失當(dāng),接縫不良,造成拱部漏水引起的風(fēng)險;最后是仰拱未及時修筑,中柱根底承載力缺乏,造成拱部襯砌開裂引起的風(fēng)險?？梢?本文方法的風(fēng)險

13、評估結(jié)果與文獻(xiàn)3是有差異的。4.6討論本文失效因素風(fēng)險的相對程度是層次分析和模糊綜合評判法相結(jié)合而推斷出的結(jié)果,其中不但考慮了5種失效部位在三個評判指標(biāo)下對地鐵車站工程施工風(fēng)險的影響,而且也綜合考慮了這三種評判指標(biāo)之間的相對關(guān)系,與文獻(xiàn)3相比顯得更為合理。一方面,文獻(xiàn)3僅僅只是考慮5種失效形式在失效發(fā)生頻率的程度、失效后果嚴(yán)重程度、失效原因被檢測出的程度三個評判指標(biāo)下發(fā)生的結(jié)果,而對于這三者本身之間的互相關(guān)系并沒有考慮(即對三者給予了同等的權(quán)重)。另一方面,對于所考慮的評判指標(biāo)“失效原因被檢測出的程度,應(yīng)該理解是:失效原因被檢測出的程度越高,對工程而言,風(fēng)險是越小的;反之,風(fēng)險是越大。但對文獻(xiàn)

14、3來說,之積越大,對應(yīng)的影響因素就越危險,風(fēng)險就越大。顯然,文獻(xiàn)3用之積作為決策的評判標(biāo)準(zhǔn)是值得商榷的。詳細(xì)來說,對5種失效部位,按文獻(xiàn)3的方法,“兩邊跨拱頂開裂和“地表地層下沉的積值均為42,但對評判指標(biāo)“失效原因被檢測出的程度,“兩邊跨拱頂開裂和“地表地層下沉對應(yīng)的分別是4和3,相對來說應(yīng)該是“地表地層下沉風(fēng)險大,而文獻(xiàn)3按之積大小卻斷定是“兩邊跨拱頂開裂的風(fēng)險更大,這顯然不合理。5完畢語本文初步研究說明,模糊綜合評判法可用于地鐵車站工程施工中的風(fēng)險分析。對地下工程施工這一本身帶有不確定性的復(fù)雜系統(tǒng),這種分析可以在一定程度上加深對可能失效事件的認(rèn)識,并通過采取合理的措施而盡可能地將風(fēng)險或失

15、效降低到最小的程度。本文研究的算例只是抽取影響地鐵車站施工過程中可能出現(xiàn)的5種失效形式和三個主要的量化評估指標(biāo)進(jìn)展了模糊綜合分析。事實上,地鐵車站施工過程的風(fēng)險會來源于方方面面,還可能有影響風(fēng)險的一些偶然因素未被考慮進(jìn)去。因此,在實際應(yīng)用中,應(yīng)針對詳細(xì)工程情況適當(dāng)?shù)剡x取因素集和權(quán)重,同時參加根本失效因素評價的人員最好是該行業(yè)具有實際工程經(jīng)歷的專家,評價人數(shù)不能太少且應(yīng)具有代表性。參考文獻(xiàn):1陶龍光,巴肇倫.城市地下工程.北京:科學(xué)出版社,20022張慶賀,朱合華,莊榮等.地鐵與輕軌.北京:人民交通出版社,20023張國亮,張振剛.地下工程施工中的風(fēng)險分析.西部探礦工程,2022,(3):214-2164張樹義,白繼承.鐵路隧道施工人員傷亡事故樹分析.世界隧道,2000,(3):57-615馮保