基于熵权法的地铁车站施工风险评估

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摘要：针对地铁车站施工方法的多样性、施工过程的复杂性和地质水文条件的不确定性，以深圳地铁九号线鹿丹村站为背景，运用WBS方法对该基坑进行风险识别，得出了其车站施工过程中的五个主要风险因子， 提出了以风险发生概率的程度（P），发生后造成的损失（L）和风险的可控制性（C）为风险评估指标的模糊综合评判法，并运用熵权法准确合理地确定了其权重，最后得出了该基坑工程主要部位的风险大小，为工程的风险应对和控制提供依据。

关键词：基坑施工；风险因子；熵权；模糊综合评判法

中图分类号：TU 443 文献标识码：A 文章编号（黑体加粗）：1000－7598－(2003) 02030403（编号用Times New Roman）

0引言

随着我国城市化建设不断发展，地铁建设已成为城市交通规划的主旋律。但随之而来的安全问题异常突出，地铁火灾、基坑坍塌、涌水等事故频发，威胁着人民生命财产安全，影响着地铁工程建设进程。而地铁车站是地铁工程中的重要环节，由于受难以预见的水文地质条件、周边环境等因素影响，比一般工程项目更加复杂，因此在施工过程中极易发生安全事故。

为了减小地铁车站工程事故发生的概率，降低事故后果造成的损失，需要深入分析导致地铁车站施工安全事故发生的原因，因此在施工过程中进行风险评估研究，对减少地下工程风险事故发生机率和周边环境受到的破坏，以及降低对经济效益的损害、提升城市地铁运营安全有重大意义。

1工程概况

深圳地铁九号线鹿丹村车站基坑埋深为25.06-26.508m，地下三层岛式车站。车站主体采用全明挖法施工，围护结构拟采用1000mm 地下连续墙加内支撑。基坑位于断层碎裂带上，渗水量大，采用基坑内管井降水。车站基坑深度范围内的地层从上至下依次为：人工填土层，粘性土层，粉细砂层，中粗砂层，以下为强、中、微风化变质砂岩，车站中段存在一个由断层角砾及断层泥组成的断裂；地下水位在地面下2～3m，水量较丰富。车站位于老城区，周边环境复杂。

2风险识别

根据上述鹿丹村站的工程地质条件，结合实际施工概况，运用WBS风险辨识方法[2]把该车站施工可分为四大工序：构筑围护结构、内部开挖土方、工程结构施工和管线恢复及覆土。进一步分析可知可能会出现的危险部位有桩基础发生孔壁垮塌；地下连续墙施工中可能会发生槽段壁面不稳定导致塌方、沉降、涌土等风险事件[3]；土方开挖由于坑内降水不到位导致土体自稳性能下降进而引起承压水突涌、坑底隆起而使周围建筑物变形过大、基坑塌陷等风险事故；另外，在整个基坑施工过程中由于施工工序展开过长，地层未作预加固可能会出现基坑周边地表下沉、管道破裂，危及周边建筑物及地下管线。

考虑到基坑施工的复杂性和不确定性，本文暂选取桩基础下沉、地下连续墙渗漏水、地基地表变形过大、混凝土支撑失稳以及基底涌水这五个主要的风险因子作为评估对象进行风险评估。

3风险评估模型的建立

3.1 评估指标的选取

传统的风险评价模型一般为：。通过对风险的多维特性[4]加以考虑，风险用如下函数进行描述为：

其中：R 表示风险；r1表示风险发生后造成的损失；r2表示风险发生概率的程度；r3表示风险的可预测性；r4表示风险的可控制性；r5表示风险的可转移性。

由于风险的可预测性、可控制性和可转移性三者的核心思想都是对风险进行控制，所以可统称为风险的可控制性。那么风险就可以用风险发生概率的程度、风险损失和可控制性三个特性来描述，即。

其中：P 表示风险发生概率的程度；L 表示风险发生后造成的损失；C 表示风险的可控制性。

由风险接受准则可知，风险等级通常分为五级（见下表），在邀请地铁项目的相关专家，高校研究员及工程师共10名对该风险评估指标进行量化，用数字1到10对各风险评估指标进行打分，综合各位专家打分结果，得出该风险评估指标打分区间值见表1，然后各位专家参考风险评估指标表对上述评估对象进行打分，综合其平均值得到结果见表2。

3.2熵权法确定指标权重

本文采用熵权法对各指标进行赋权。其步骤[5]如下：首先对表2评估指标值进行归一化得到矩阵B(bij)为：

（1）

其次定义各评价指标的熵：

(2)

为了避免当时，无意义，式中令

将矩阵B中数据带入到公式（2）得到风险评估指标的熵为：

(3)

最后计算各风险评估指标的熵权w，将式（3）中数据带入到如下式中:

,得到风险指标权重，满足。

表1风险评估指标

Table 1Risk assessment indicators

表2 基坑施工风险因素评估指标

Table 2Risk factor assessment indicators of pit construction

险评估

结合该地铁工程的实际情况，本文采用模糊综合评判法对该车站基坑施工进行风险评估。

4.1 确定风险评估指标的隶属度[6]

由表l中数据可知，当风险发生概率的程度不大于1时，可以看成风险等级很小，故可以忽略此风险；当风险发生概率的程度大于8时，可以看成风险可能性等级达到最高。此外，风险发生后造成的损失和风险发生概率的程度的评判标度变化规律相似，故可取其隶属函数与相同，参考隶属函数确定方法可得

(4)

由表1还可知，风险可控性越高，其风险发生概率的程度越低，造成的损失越小。当风险可控性不小于8时，风险大小在可接受的范围内，风险等级最小，此时风险发生概率的程度和风险可控性都在最小值。为了简化计算，本文假定，当风险可控性大于8时，，当风险可控性不大于2时，。依据该隶属函数的变化规律并结合以往工程经验，风险可控性中间区域采用Γ 形分布函数来分析其变化规律较适合，可表达为：

(5)

4.2计算各风险因子的隶属度

将表2中的P、L数值代入隶属函数式(4)，C数值代入公式(5)，所得隶属度如下，具体见表3。

(6)

表3 各风险因子的隶属度

Table 3 The membership degree of each risk factor

4.3模糊综合评估

在具体确定了权重向量W和模糊关系矩阵R后，可作模糊变换来进行综合评判：

依 由最大隶属度原则可知：首要风险是混凝土支撑失稳，然后是基底涌水，接着是地表变形过大等。通过与上文鹿丹村站深基坑实际概况以及该项目现有的地质风险勘查报告对比，情况符合，间接地说明了运用熵权法来确定风评估指标权重系数是科学合理的。由此根据基坑施工过程各个风险程度的不同采取相应的措施可以降低风险，减少损失。

5结论

（1）基坑工程是具有不确定性的复杂系统，施工过程中的各种风险具有随机性、模糊性使得难以进行准确的量化表达。本文以深圳地铁九号线鹿丹村站为背景，运用改进后的风险评价模型

中的这三个因素作为风险评估指标，并合理建立了隶属度函数，量化了指标，其结果能够横向的对风险评估指标做个比较，比风险乘数法更能反应风险等级的大小；

（3）与传统的层次分析法和德尔菲法确定权重相比，应用熵权法来求取指标权重，避免了专家打分的主观因素，能够客观反映风险评估指标的权重大小，提高了评估结果的可信度；

（4）通过对鹿丹村站深基坑施工的实例风险评估结果表明，基于熵权法与模糊综合评判法的风险评估方法是一种非常科学、合理、有效的风险评估方法，在对工程风险分析时具有重要的应用价值，为以后的风险评估方法开拓了思路，意义重大。

参考文献

[1]宋鸿. 地铁工程建设项目风险管理研究[D]. 天津:天津大学,2011,5.

[2]陈君,司静波,刘博. WBS-RBS法在地铁施工过程中的风险辨识[J].哈尔滨：东北农业大学,2010.

[3]周红波,姚浩,卢剑华.上海某轨道交通深基坑工程施工风险评估[J].岩土工程学报,2006(z1):1902-19061.

[4]周洁静,宋永发.基于WBS-RBS 结构的地铁施工风险研究[J].大连：大连理工大学，2009,11.

[5]姜君. 基于熵权与变异系数组合赋权法的模糊综合评价模型一以白洋淀水环境质量评价为例[D]北京:首都师范大学,2011,4.

[6] 张国立,张辉,孔倩.模糊数学基础及应用[M].北京：化学工业出版社.2011,9.