基于模糊层次分析法的黄河岸滩深大风井安全度评价

徐 冲 郭佳奇 陈海军

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下工程重点实验室 陕西西安 710043；3.河南理工大学土木工程学院 河南焦作 454000)

1 引言

在穿江越河的长大地铁盾构区间建造过程中，往往需要设置中央风井，用以实现防灾通风、疏散救援、设备检修等功能[1-2]。针对深大风井设计方案的比选工作，通常以定性分析为主，且方案前期决策、过程控制过度依赖专业人员的主观经验[3-6]。黄河岸滩深大风井的安全建造受巨厚砂卵透水层、施工降水及堵水、工序工艺、设备机械等诸多因素影响。合理把控和减小建造过程中的风险程度必须依靠客观、科学的评价方法。据此，提出将专家评分和模糊层次分析相结合的综合评价方法，客观、定量地为风井设计提供科学依据[7-11]。

2 工程概况

兰州地铁1号线一期工程奥-世盾构区间采用双线双洞同侧上游绕避深安大桥并下穿黄河。考虑区间通风、防灾救援、联络疏散及盾构接收功能，设一座中央风井，位于七里河断陷盆地巨厚状强透水砂卵石地层中，平面尺寸(33.4×20.4)m，井深约45.5 m，见图1。

图1 中央风井位置

3 深大中央风井风险评价模型

3.1 风险等级及接受原则

依据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652-2011)规定[12]，将风险可能性等级和风险损失等级量化评分并提出与规范风险接受准则4级对应的(风险)隶属度，见表1～表3。

表1 风险发生可能性等级标准

表2 风险损失等级标准

表3 风险接受准则

3.2 风险评价对象集及因素集

风井位于黄河漫滩区，与黄河堤岸水平距离100 m。地层主要为巨厚砂卵石层，地面以下5～8 m，属断陷盆地松散岩类孔隙潜水。

建造中，风井具有“三高(高水压0.4 MPa、高渗透62 m/d、高强度59 ～90 MPa)”、“两深(开挖深度45 m、降水深度25 m)”、“两多(围护结构形式多、风井功能多)”的工程特点。据此，对该强透水深大风井风险，组织20名相关人员组成专家评审团，构建了风险评价对象集合P＝{深风井安全}、风险因素集合U＝{u1，u2，…，un}＝{围护地连墙，施工降水，内墙结构施工，土方开挖}。集合U包含共4个阶段，共15项指标的A～C三级风险层次模型，指标体系见图2。

图2 中央风井安全评价模型指标体系

3.3 风险评价集

评价集是由对评价客体可能作出的评判结果所组成的集合，表示为V＝ {v1，v2，…，vn}，其中元素vi(i＝1，2，…，n)是若干可能作出的评判结果。根据安全模型二级指标特点，采用模糊层次法，将表1～表2中深风井风险发生可能性等级、后果等级矢量化矩阵，分别对应VP＝{不可能的，罕见的，偶然的，可能的，频繁的} ＝ {1，2，3，4，5}、VC＝ {可忽略的，需考虑的，严重的，非常严重的，灾难性的}＝{1，2，3，4，5}。

3.4 评价模型权重矩阵构建

3.4.1 权重判断矩阵构建方法

表4 相对比较标度

根据图2的安全评价指标体系并结合表4所示的比较尺度，针对有n个相关因素的某风险事件，陪审团专家打分可得到一个aij(n×n)的指标权重判断矩阵。

矩阵中的元素表示从判断角度考虑要素Ai对要素Aj的相对重要性，即:

其中，权重比对矩阵中元素需要满足三个基本性质:aij>0；aij＝1/aji；aij＝1(当i＝j时)。

得到几何平均值后，还需要经过归一化处理后得到相对重要度，即:

3.4.2 各级指标权重矩阵

由式(1)～式(4)并结合表4，进行两两比较得到一级指标B对总目标A、二级指标C对一级指标B的模糊判断矩阵，见表5～表6。

表5 A-B层(一级)指标模糊判断权重矩阵

表6 B-C层(二级)指标模糊判断权重矩阵

3.4.3 单因素整体权重矩阵

C层为单因素的二级指标层，可通过将该层各风险因素自下而上逐层乘以上层相关层权重值直至目标层A，即为各底层因素的整体权重，见表7。

表7 巨厚砂卵层深风井底层风险指标的整体权重

4 基于不同工法的深大风井风险模糊综合评价

4.1 风井设计工法简介

在设计阶段，提出顺作、逆作不设止水帷幕、逆作设止水帷幕三种方案，见表8。

表8 三种工法工序示意

顺作法为先自上而下分层开挖土体，后自下而上依次施作风井的底板、边墙、立柱、楼板和顶板；逆作法即由上向下逐层开挖土方，同步施工风井主体结构直至基坑底部为止。

4.2 顺作法安全风险模糊综合评价

(1)单因素评价矩阵

上述20名专家对顺作法方案底层单因素进行定性评价，评价集如3.3节所述分为5个级别。假设对于任意一个指标元素Ci，20位专家中有m个评语为v1、n个评语为v2、p个评语为v3、q个评语为v4、r个评语为v5，则指标元素Ci所对应的隶属向量Ri＝ {m/20，n/20，p/20，q/20，r/20}，统计见表9。

表9 专家评分汇总

由表(9)得到单因素评价矩阵RB1～B4:

(2)模糊层次评价

利用表6中的二层指标权重和对应的RB1～B4，并采用式(5)得到顺作方案一级模糊评价矩阵RA:

利用表5中的一层指标权重和对应的一级模糊评价矩阵RA得到模糊评价向量:

依据表1风险发生可能性打分标准计算出该指标体系在安全风险概率方面的总得分P:

重复上述模糊评价步骤，结合表2风险损失等级打分标准计算出该体系安全风险后果的总得分C:

(3)风险总评价

工程风险是潜在不利事件的概率(P)和后果(C)的集合，表达式为:W＝f(P，C)，一般可以表达为W＝P×C。故顺作法方案施工阶段安全风险度计算值为11.321，按照表3风险接受准则中的风险(隶属)度，可知该风险为“Ⅱ级(高度)”。

4.3 逆作法安全风险模糊综合评价

依据4.1节所述方法，可分别计算得到逆作不设止水帷幕和逆作设止水帷幕两种工况下，风井总的安全度为10.134和7.927。二者分别对应“高度”和“中度”风险。可见，逆作法配合设止水帷幕显著降低了工程风险，属可接受范围，一般不再需要特殊风险处理措施，但仍需加强监控量测工作。

5 结论

(1)通过对《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》中风险可能性、损失等级标量化评分、风险接受准则中设置对应风险等级隶属度，采用模糊层次分析法实现了风井安全度的量化评价，使得依据规范定量评估更具操作性。

(2)模糊层次分析模型可全面考虑影响系统安全的多层次因素，实现各单因素的整体排序，得到的层间及整体权重系数客观、准确，且操作性强。

(3)大型土建设计方案比选过程中，有必要引入实用性较强的定量评价方法及指标，可提高安全生产水平。本文针对实际工程计算分析结果显示，黄河岸滩深大中央风井应采用内衬逆作＋止水帷幕方案，风险度从11.321(高度)降低为7.927(中度)，达到控制和降低施工风险目的。