CN107609805A

CN107609805A - 一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法

Info

Publication number: CN107609805A
Application number: CN201711046818.7A
Authority: CN
Inventors: 张向东; 董世超; 刘家顺
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明涉及一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，针对地铁施工安全性评价问题，通过分析辨识某地铁施工典型风险源，建立充分体现施工环境特点的风险指标体系，运用层次分析法确定各层指标权重；将地铁的安全等级划分为Ⅰ级安全状态、Ⅱ级较安全状态、Ⅲ级黄色预警、Ⅳ级橙色预警和Ⅴ级红色预警；采用二级模糊综合评判法，建立地铁施工风险评价模型，对沈阳地铁9号线施工风险进行评估定级。结果表明该评价方法可行，评价结果对沈阳地铁施工安全有指导意义，说明该方法可用于地铁施工风险评价。

Description

一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法

技术领域

本发明属于岩土工程防灾减灾工程领域，具体涉及一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法。

背景技术

地铁施工是一项高风险建设项目，由于下穿城市腹地，周边环境复杂，地质条件等不确定性因素较多，安全事故频发，造成了巨大的财产损失和人员伤亡。因此，对地铁盾构施工的风险因素进行评估分级具有十分重要的意义。地铁盾构施工过程中的风险因素具有很大的随机性及模糊性，需要有科学合理的风险评估方法对其进行准确的描述。因此，越来越多的地铁盾构施工开展了工程安全风险评估工作；钱七虎院士肯定了工程风险评估的作用与重要性，对我国当前安全风险评估存在问题提出了宝贵的建议；目前经常采用的风险评估方法主要包括：专家调查法、层次分析法、WBS方法、模糊综合评判法、故障树法、贝叶斯网络风险评估等。故障树法中故障树的建立需要花费许多人力、物力、财力，而且一旦某个环节出现逻辑推理错误，将影响整体故障风险分析。贝叶斯网络风险评估中，概率参数的确定和网络结构的构造却使贝叶斯网络无法反映实际情况，在一定程度上限制了它的应用。姚浩等对软土地区的土压盾构隧道掘进施工风险进行了风险评估。王岩等结合了层次分析法与模糊评判法，将其用于地铁风险评估；赵延熹等提出了基于AHP与模糊综合评判的TBM施工风险评估，较合理地反映了地铁施工过程中风险因素的模糊性及随机性。综上，虽然风险评估法已经在地铁施工中获得了广泛的应用，虽然很多学者对地铁施工风险因素进行了多种层次的划分，但目前的研究并未对地铁施工风险评价因素中的定量指标和定性指标分别构建隶属度函数，以至于计算结果与实际情况有较大偏差。因此有必要对地铁施工风险评价因素中的定量指标和定性指标分别构建合适的隶属度函数，以便提高地铁施工风险模糊综合评价结果的准确性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，以达到提高施工过程安全性目的。

一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，包括以下步骤：

步骤1、确定地铁风险评判因素，构建二级模糊综合评判模型；

步骤2、对地铁施工安全等级进行划分，具体包括：Ⅰ级安全状态、Ⅱ级较安全状态、Ⅲ级黄色预警、Ⅳ级橙色预警和Ⅴ级红色预警；

步骤3、对定性指标作数量化处理，采用分级法来评定它们的模糊矩阵，即将因素分成5个等级：优(0.9)、良(0.7)、中(0.5)、差(0.3)和劣(0.1)，并结合实际施工情况给出各定性指标的评定值，再构建不同风险评判因素对安全等级的隶属函数，确定地铁施工各风险评价因素相对安全等级的隶属程度，隶属函数值越大，表示相应的隶属度越高；对于风险评判因素的定量指标，设定每个风险评判因素对应不同安全等级的阈值，根据每个风险评判因素对应不同安全等级的阈值和各安全等级的隶属函数，确定地铁施工各风险评价因素相对安全等级的隶属程度，隶属函数值越大，表示相应的隶属度越高；

步骤4、构建第一级风险评判因素构造矩阵，求各风险因素权重并进行一致性检验；构建第二级风险评判因素构造矩阵，求各风险因素权重并进行一致性检验；

步骤5、根据第二级风险评判因素在安全等级的隶属函数值和第二级风险评判因素权重，对第二级风险评判因素进行模糊综合评判，根据第二级风险评判结果和第一级风险评判因素权重，对第一级风险评判因素进行模糊综合评判；

步骤6、根据第一级风险评判结果，确定模糊子集中隶属度最大的值，其对应的安全等级即为地铁施工安全等级。

步骤1所述的确定地铁风险评判因素，构建二级模糊综合评判模型，具体为：

第一级风险评估因素：基坑开挖支护、下穿河道、下穿高架桥、下穿高铁、下穿民防和穿越地下管线；

第二级风险评估因素：基坑深度，分层开挖深度，放坡坡度，内支撑竖向间距，上覆土层厚度，河流水深，地层渗透性，上覆土层的强度，隧道防水质量，隧洞与桥桩距离，桥桩基深度，桥桩基直径，土层强度，距高铁路基底垂直距离，路堤高度，土层条件，隧洞距民防底板距离，民防断面尺寸大小，隧洞与民防之间土层条件，地下通讯电缆切断情况，地下水管破损情况，地下煤气管破损情况和地下输电变管破损情况。

步骤3所述的定量指标的各安全等级的隶属函数如表1所示。

表1各安全等级定量指标的隶属函数

其中，A(x)表示隶属函数，δ表示第二级风险评估因素实际值，δ₁表示Ⅰ级和Ⅱ级临界阈值，δ₂表示Ⅱ级和Ⅲ级临界阈值，δ₃表示Ⅲ级和Ⅳ级临界阈值，δ₄表示Ⅳ级和Ⅴ级临界阈值。

各定性指标的各安全等级的隶属函数如表2所示。

表2各安全等级定性指标的隶属函数

A(x)表示隶属函数，δ为对定性指标作数量化处理后的值。

步骤4所述的构建第一级风险评判因素判断矩阵，求各风险因素权重并进行一致性检验；构建第二级风险评判因素权重，并进行一致性检验，具体为：

根据层次分析法的原理，采用1～9标度法，构建一级风险评判因素判断矩阵和二级风险评判因素判断矩阵，求该判断矩阵的最大特征值和其对应的特征向量，该特征向量即权重，然后进行一致性检验。

步骤5所述的根据第二级风险评判因素在安全等级的隶属函数值和第二级风险评判因素权重，对第二级风险评判因素进行模糊综合评判，根据第二级风险评判结果和第一级风险评判因素权重，对第一级评判因素进行模糊综合评判，具体为：

将第二级风险评判因素权重矩阵与第二级风险评判因素在安全等级的隶属函数矩阵相乘，获得第二级风险评判模糊子集，将第二级风险评判结果子集进行组合获得第一级因素集的判断矩阵，将第一级风险评判因素权重矩阵与第一级因素集的判断矩阵相乘，获得第一级风险评判模糊子集。

本发明优点：本发明提出一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，将地铁施工风险评判因素划分为6个一级风险评判因素和23个二级风险评判因素，这些风险评判因素是影响地铁施工安全性的典型因素，对地铁施工风险评价具有重要作用；将地铁施工风险等级划分为安全状态、较安全状态、黄色预警、橙色预警、红色预警五个等级，建立地铁施工安全评价等级；将地铁施工风险评判因素分为定量指标和定性指标，分别构建定量指标对安全等级隶属函数和定性指标对各安全等级隶属函数，确定地铁施工各风险评价因素相对各安全等级的隶属程度。运用二级模糊综合评判法，建立地铁施工风险评价模型，对地铁施工风险等级进行有效的评价。本发明对工程的顺利实施起到了指导作用，得出各种风险事件的风险等级，并提出相应对策，提出了针对性施工建议，对保障工程安全具有重要的意义，具体可以指导地铁施工的风险评价。

附图说明

图1是地铁施工风险评估因素划分层次图

具体实施方式

下面结合某地铁线现场实测数据和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本实施例中，基于模糊综合评判法的地铁施工风险评价方法，包括以下步骤：

步骤1、确定地铁施工风险评判因素，构建二级模糊综合评判模型；

本发明实施例中，根据工程概况分析相关的风险评判因素，综合考虑地铁施工的实际情况，将地铁施工风险评判因素划分为二级，如附图1所示。

本实施例中，根据附图1建立二级模糊综合评判模型，两个层次的因素集为：

第一层次：U＝(U1，U2，U3，U4，U5，U6)；

第二层次：U1＝(U11，U12，U13，U14)；U2＝(U21，U22，U23，U24，U25)；

U3＝(U31，U32，U33，U34)；U4＝(U41，U42，U43)；U5＝(U51，U52，U53)；U6＝(U61，U62，U63，U64)。

步骤2、对地铁施工的安全等级进行划分，对于上述风险评估因素中的定量性指标，设定其对应不同安全等级的阈值；

本实施例中，地铁施工的安全等级划分为：Ⅰ安全状态、Ⅱ较安全状态、Ⅲ黄色预警、Ⅳ橙色预警、Ⅴ红色预警五个等级，各等级的特征及相应的处理措施见表3；由此，可设地铁施工安全模糊综合评价等级为：V＝(I，II，III，IV，V)；

表3地铁施工安全综合评价等级

针对地铁施工实际情况，结合专家意见，对本实施例中的地铁典型施工风险进行评估定级，建立了各风险指标的单因素五级风险划分标准，见表4；

表4单因素五级风险划分标准

步骤3、根据定量指标各安全等级隶属函数和定性指标各安全等级隶属函数，确定地铁施工各风险评价因素相对安全等级的隶属程度；

本实施例中，模糊数学理论认为地铁施工风险评价各因素对其安全等级的隶属程度，可采用隶属函数来表示；隶属函数越大，表示相应的隶属度越高。采用的隶属函数如表5和表6所示，进行基坑风险评价各因素评价；

表5定量指标各安全等级隶属函数

表6定性指标的各安全等级的隶属函数

A(x)表示隶属函数，δ为对定性指标作数量化处理后的值。第二级风险评判因素在各安全等级的隶属函数值矩阵如下：

步骤4、构建第一级风险评判因素判断矩阵，求其权重并进行一致性检验；构建第二级风险评判因素判断矩阵，求其权重并进行一致性检验；各层评判因素构造矩阵及权重如表7至表13所示；

表7第一层评判因素构造矩阵及权重

评判因素	基坑开挖支护	下穿河道	下穿高架桥	下穿高铁	下穿民防	下穿地下管线	权重
								基坑开挖支护	1	2	3	1/4	1/3	6	0.191
下穿河道	1/2	1	4	3	5	2	0.301
								下穿高架桥	1/3	1/4	1	1/3	1/3	3	0.068
下穿高铁	4	1/3	3	1	2	6	0.238
								下穿民防	3	1/5	3	1/2	1	3	0.156
下穿地下管线	1/6	1/2	1/3	1/6	1/3	1	0.046

表8基坑开挖支护评判因素构造矩阵及权重

评判因素	基坑深度	分层开挖深度	放坡坡度	内支撑竖向间距	权重
						基坑深度	1	3	2	1/2	0.293
分层开挖深度	1/3	1	1/2	1/3	0.108
						放坡坡度	1/2	2	1	1/2	0.187
内支撑竖向间距	2	3	2	1	0.411

表9下穿河道评判因素构造矩阵及权重

评判因素	上覆土层厚度	河流水深	地层渗透性	上覆土层的强度	隧道防水质量	权重
							上覆土层厚度	1	3	2	2	5	0.360
河流水深	1/3	1	1/3	1/4	3	0.102
							地层渗透性	1/2	3	1	1/2	4	0.198
上覆土层的强度	1/2	4	2	1	5	0.288
							隧道防水质量	1/5	1/3	1/4	1/5	1	0.052

表10下穿高架桥评判因素构造矩阵及权重

评判因素	隧洞与桥桩距离	桥桩基深度	桥桩基直径	土层强度	权重
						隧洞与桥桩距离	1	3	3	4	0.496
桥桩基深度	1/3	1	3	2	0.251
						桥桩基直径	1/3	1/3	1	2	0.150
土层强度	1/4	1/2	1/2	1	0.103

表11下穿高铁评判因素构造矩阵及权重

评判因素	距高铁路基底垂直距离	路堤高度	土层条件	权重
					距高铁路基底垂直距离	1	4	2	0.565
路堤高度	1/4	1	2	0.267
					土层条件	1/2	1/2	1	0.168

表12下穿民防评判因素构造矩阵及权重

评判因素	隧洞距民防底板距离	民防断面尺寸大小	隧洞与民防之间土层条件	权重
					隧洞距民防底板距离	1	3	2	0.525
民防断面尺寸大小	1/3	1	1/3	0.141
					隧洞与民防之间土层条件	1/2	3	1	0.334

表13下穿地下管线评判因素构造矩阵及权重

本实施例中，为确保所求得指标权重的逻辑一致性，应进行一致性检验；检验方法如下：①求出一致性检验指标CI

CI＝(λ_max-n)/(n-1) (1)

其中，λ_max—构造矩阵的最大特征值；n表示构造矩阵维数；

以表8为例：

②确定平均随机一致性指标RI

平均随机一致性指标RI如表14所示。

表14平均随机一致性指标RI

阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.52	0.89	1.12	1.26	1.36	1.41	1.46

③求出一致性比例CR：

CR＝CI/RI (2)

本实施例中，以表8为例,CI＝(λ_max-n)/(n-1)＝(4.071-4)/(4-1)＝0.024

查表可知RI＝0.89，故CR＝CI/RI＝0.024/0.89＝0.027<0.1

根据表7至表13中各层评判因素构造矩阵结果，得到各层评判因素判断矩阵的最大特征值λ_max,将其代入式(1)和式(2)得各层评判因素CR值；当CR＜0.1时，就可认为判断矩阵的一致性是可以接受的，可用其特征向量作为权重向量；反之，应对构造的判断矩阵进行适当的修正；据此判定构造的各层次判断矩阵具有整体一致性；经计算验证，表6至表12各层次判断矩阵均具有整体一致性。

步骤5、根据第二级风险评判因素在各安全等级下的隶属函数值和第二级风险评判因素权重，对第二级风险评判因素进行模糊综合评判，根据第二级风险评判结果和第一级风险评判因素权重，对第一级风险评判因素进行模糊综合评判；

本实施例中，对第二级风险评判因素进行模糊综合评判：

将第二级风险评判因素权重矩阵与第二级风险评判因素在安全等级的隶属函数值矩阵相乘，获得第二级风险评判模糊子集R₁～R₆：

第一级因素集的风险评判矩阵R为：

作第一级模糊综合评判，即将第一级风险评判因素权重矩阵与第一级因素集的风险评判矩阵相乘，确定模糊综合评判结果矩阵B

步骤6、根据第一级风险评判结果，确定模糊子集中隶属度最大的值，其对应的安全等级即为地铁施工风险评判等级。

本发明实施例中，得出各个等级的隶属度分别为Ⅰ级0.587，Ⅱ级0.412，Ⅲ级0.224，Ⅳ级0.042，Ⅴ级0.026；根据最大隶属度原则，地铁施工安全性对Ⅰ级的隶属度最高(0.587)，故安全等级为Ⅰ级，地铁施工处于安全状态，模糊综合评判结果与现场实际情况相符。

Claims

1.一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，其特征在于它包括以下步骤:

步骤（1）：工程风险评价因素分析；

步骤（2）：确定安全综合评价等级和安全评价指标；

步骤（3）：选择合适隶属函数；

步骤（4）：构造风险综合评价矩阵和确定各因素权重；

步骤（5）：根据步骤（1）至步骤（4）建立地铁施工风险评价方法。

2.一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，其特征在于，步骤（1）中所述风险评估因素主要涉及地铁风险评价问题，所述风险评估因素主要包括:基坑开挖支护、下穿河道、下穿高架桥、下穿高铁、下穿民防和下穿地下管线。

3.一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，其特征在于，步骤（2）中所述风险综合评价等级确定方法为根据施工过程中现场实际情况，将地铁的安全等级划分为Ⅰ级安全状态、Ⅱ级较安全状态、Ⅲ级黄色预警、Ⅳ级橙色预警和Ⅴ级红色预警。

4.一种基于模糊综合评判的地铁安全评价方法，其特征在于，步骤（4）中，根据层次分析法的原理，采用1-9标度法对地铁施工风险指标体系的各个因素构造判断矩阵，取其最大特征值对应的特征向量作为权重，并且进行一致性检验；基坑开挖支护、下穿河道、下穿高架桥、下穿高铁、下穿民防和下穿地下管线的权重分别为0.1191、0.301、0.068、0.238、0.156和0.046；基坑深度，分层开挖深度，放坡坡度，内支撑竖向间距的权重分别为0.293、0.108、0.187、0.411；上覆土层厚度，河流水深，地层渗透性，上覆土层的强度，隧道防水的权重分别为0.360、0.102、0.198、0.288和0.052；隧洞与桥桩距离，桥桩基深度，桥桩基直径，土层强度的权重分别为0.496、0.251、0.150和0.103；距高铁路基底垂直距离，路堤高度，土层条件的权重分别为0.565、0.267和0.168；隧洞距民防底板距离，民防断面尺寸大小，隧洞与民防之间土层条件的权重分别为0.525、0.141和0.334；地下通讯电缆切断情况，地下水管破损情况，地下煤气管破损情况，地下输电变管破损情况的权重分别为0.104、0.424、0.299和0.173。