地铁区间隧道安全评估的层次_模糊综合评判法

2004年9月UNDERGROUNDSPACESept.2004

文章编号:1001-831X(2004)03-0301-05

地铁区间隧道安全评估的层次-模糊综合评判法

王 岩,黄宏伟

(同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

摘 要:较全面分析了影响地铁区间隧道安全体系的各个因素,建立了层次结构模型。分析模型,得出影响因素对各个评价目标的相对权重。再运用模糊综合评判法对整个安全体系进行多层次的综合评估,建立了一套科学合理的地铁区间隧道安全评估方法。

关键词:地铁区间隧道;层次分析法;模糊综合评判;安全评估中图分类号:U458

文献标识码:A

X

1 前言

地铁在运营期间,其区间隧道的各项检测工作无论在时间、空间上,还是在质量上都会受到一定的影响

[1]

将模糊数学理论运用到层次分析法中,对影响因素进行定量分析,给出科学合理的安全评估方法。

,导致某些事故隐患不易被发现,这必然

2 区间隧道安全体系各因素权重的

确定

2.1 建立递阶层次结构

安全讦估不仅涉及技术科学,还与安全管理水平、管理者的素质等因素有关,本文权衡各方面影响因素,将整个区间隧道安全体系分为三层。第一层为目标层,包含一个目标对象,即区间隧道安全,用A表示。第二层为制约层,由可能影响区间隧道安全体系的因素组成,包括主体结构、服务设施、人员和管理4个方面

[5][6][7]

[4]

会对整个地铁系统的安全造成严重威胁。所以,对区间隧道的安全评估具有重要的现实意义。

区间隧道安全是一个复杂的体系,其中的影响因素更为繁杂。为了能及时查出运营期间的薄弱环节,发现隐患,将事故消灭在萌芽之中,保证其中的每一个环节都处于良好状态,有必要对它的安全现状有一个全面了解,研究并建立一套科学合理的安全评估方法。安全评估的方法很多,各自的适用范围也不同,归纳起来包括定性方法、定量方法和定性定量相结合三种方法。目前,国内外在区间隧道安全量化评估方面的研究主要是在设计和施工阶段

[2][3]

,分别用B1、B2、

B3、B4表示,这四个因素组成了区间隧道安全评估的制约因素集B,即B={B1 B2 B3 B4}。第三层为子制约层(指标层),由可能影响制约层因素的各项指标组成:主体结构安全包括渗漏水、衬砌侵蚀裂损、结构沉降和意外破坏(包括地震、火灾、交通事故等对结构造成的损坏)4项指标,分别用C1、C2、C3、C4表示;服务设施安全包括供电、照明、通风、给排水和消防5项指标,分别用C5、C6、C7、C8、C9表示;人员因素包括业务素质、安全意识、思想素质和身体素质4项指标,分别用C10、C11、C12、C13表示;管理因素包括安全教育、安

[9]

[8]

,运营期间的安全评估多数是依靠专家经

验进行定性分析或以定性分析为主。鉴于所研究

对象的复杂性,本文将所有定性因素定量化分析,充分体现影响因素的不确定性和该评估方法的科学性。分析模型中,运用层次分析法对区间隧道安全体系的各影响因素进行分析并得出各因素的影响程度,使人们有目标、有重点地采取控制措施,掌握安全运营的主动权。同时,区间隧道安全又是多种因素综合作用的结果,各因素对整个区间隧道运营期间的安全影响带有一定的模糊性,为此,本文

X

收稿日期:2004-01-16

作者简介:王 岩(1976-),女,山西人,硕士,主要从事地下工程,隧道工程的研究工作。302

地 下 空 间 第24卷

制约层因素对目标因素A的总判断矩阵󰀁AAB1B2B3B4

B111/51/31/3

B25111/2

B33111/2

B43221

表2

全组织、规章制度和预案演练4项指标,分别用C14、C15、C16、C17表示。上述17项指标构成了区间隧道安全评估的子制约因素集C,即C={C1,C2,,,Cl7}。建立起来的区间隧道安全体系的递阶层次结构图如图1所示。

子制约层因素对准则因素B1的制约判断矩阵B1表3B1C1C2C3C4

C111/31/22

C23124

C321/212

C41/21/41/21

同理可以构建出其它制约判断矩阵。213 计算单一准则下元素的相对权重(排序权向

图1 区间隧道安全体系的递阶层次结构图

量)

对于排序权向量的计算方法主要有特征根139法、对数最小二乘法、最小二乘法和上三角元素法

[11]

212 构造判断矩阵

根据递阶层次结构所确定的上下层因素之间的隶属关系,将下一层制约因素对上一层准则因素

的重要程度运用专家调查法进行两两比较,并结合T1L1Satty的1~9标度建出各判断矩阵。

1~9标度的含义

标度13579

含义

表示两个元素相比,具有同样重要性表示两个元素相比,前者比后者稍重要表示两个元素相比,前者比后者明显重要表示两个元素相比,前者比后者强烈重要表示两个元素相比,前者比后者极端重要

表1

[10]

。在精度要求不高的情况下,特征根法方

便简洁,在具体工程中有重要的实用价值,故本文选用特征根法并对其计算过程进行说明。

对于判断矩阵A󰀁,先算出其最大特征值Kmax,然后求出其相应的特征向量W,即AW󰀁=KmaxW,这时的向量W即为相应n个制约因素的相对权重。具体计算Kmax和W的步骤如下:

(1)对矩阵A󰀁中元素按行相乘并开4(n=4)次方,得Wcbi:

4

4(标度的含义见表1),构

Wcbi=

j=1

6

bij i=1,2,3,4(1)

注:2,4,6,8表示上述相邻判断的中间值

得到Wa=(Wcb1 Wcb2 Wcb3 Wcb4)=(2.590 0.795 0.904 0.537)

(2)将Wa归一化,得Wa:

Wa=

Wcbi

i=1

假定以制约层因素Bk为准则,对子制约层因素C1,C2,,,Cn有支配关系,将Ci和Cj的重要程度相比较得一个比例标度cij,它用来反映两个因素的相对重要性。若Ci与Cj相比较得cij,则Cj与Ci相比得到的比例标度为cji=1/cij,从而可以得到一个n@n的判断矩阵Bk=(cij)n@n。依照上述方法构建出的总判断矩阵A󰀁和制约判断矩阵B1分别如表2和表3所示。6

4 i=1,2,3,4(2)

Wcbi

得到Wa=(Wcb1 Wcb2 Wcb3 Wcb4)=(0.537 0.165 0.187 0.111)

(3)计算最大特征值:

Kmax=

6

4

i=1

(A󰀁Wc)bi

4Wcbi

(3)

2004年第3期 王 岩等:地铁区间隧道安全评估的层次-模糊综合评判法

303

1

AWa=

1/5

51

31

32

0.5370.1650.187

0.111=

2.2560.6810.7530.466因为区间隧道安全体系的复杂性和人的认识的多样性,在各影响因素重要性的判断上不可避免地存在着人的主观性,要剔除这些主观因素可能造成的影响,就需要对各判断矩阵进行一致性检验,步骤如下:

(1)计算一致性指标C1I1

C.I.=

Kmax-nn-1

(4)

1/31121/31/21/21Kmax=

12.2560.6810.7530.466+++=4

40.5370.1650.1870.111同理得到判断矩阵B1的制约因素排序权向量Wb1=(Wc1 Wc2 Wc3 Wc4)=(0.286 0.098 0.182 0.434)

通过以上方法可以得到各层次影响安全因素的所有排序权向量。214 一致性检验

式中n为判断矩阵的阶数。

(2)查找相应的平均随机一致性指标R.I.本文选用龚木森、许树柏1986年得出的1~15阶重复计算1000次的平均随机一致性指标如表4。

平均随机一致性指标R1I1

表4

101.49

111.52

121.54

131.56

141.58

151.59

矩阵阶数R.I.

10

20

30.52

40.

51.12

61.26

71.36

81.41

91.46

(3)计算一致性比例C1R1(consistencyratio)

C.R.=

C.I.R.I.

(5)

(1)建立评价指标集合:

C={C1,C2,,,C17},表示制约层各因素的评价指标。

(2)建立评语等级集合:

专家对上述指标逐个给出评语,这里将各项指标的评语分为4个等级,来衡量被评价指标的表现以及目标因素的安全状况。设评估所建立的评语等级集合为V={v1,v2,v3,v4),其中,v1、v2、v3、v4分别表示指标的评语为优、良、中、差,对应的区间隧道的安全程度为很安全、安全、较安全、不安全,该评语等级集合量化为V={4 3 2 1}。3.1.2 确定单因素评判矩阵

以上指标虽然可以得到确定的评语,但其合理性却很模糊,因此在确定各个指标对评语等级集合V的隶属度时,按照德菲尔法,请若干专家为评估组,对每一个指标进行评审打分,这样使主观估计更趋客观化。指标集合C中任一指标Ci对评语集合V的隶属向量Rci=(rci1 rci2 rci3 rci4),i=1,2,,,17,rcim的取值方法是统计评估组成员的评分意见,得到对于指标Ci有vi1个v1评语,vi2个v2评语,vi3个v3评语,vi4个v4评语,则rci1=vi1

m=1

当判断完全一致时,C.R.=0,一般只要C.R.<0.1,就认为这个判断矩阵的一致性是可以接受的。

将判断矩阵A󰀁的各计算结果带入式(4)得C.I.=

4.139-44-1=0.035,再由式(5)得C.R.=

0.0350.=0.039<0.1。

因此判断矩阵A󰀁的一致性可以被接受。同理,检验得其它判断矩阵的一致性均可被接受。

3 模糊综合评判

模糊综合评判法是一种基于主观信息的综合计判方法,广泛地应用于风险评估和其它各系统的评估工作中

[12][13][14]

,此法在具有固定专家评审团

的前提下比较适用。本文立足于区间隧道安全体系的递阶层次结构图进行多层次模糊综合评判。

多层次系统的模糊综合评判是从最低层开始逐层向上做出多层次综合评判,直至最高的目标层次得到原问题的综合评判结果。这里从影响指标出发,先对制约层各因素进行一级模糊综合评判,再对目标层因素进行二级模糊综合评判。3.1 一级模糊综合评判3.1.1 建立有关的模糊集合6

4,rci2=

vi2

m=1

vim

6

4,rci3=

vi3

m=1

vim

6

4,rci4=

vi4

m=1

vim

6

4。

vim

由上述方法可得到所有的指标隶属向量,以各指标隶属向量为行组成单因素评判矩阵Rcbi,i=

304

地 下 空 间 第24卷

1,2,3,4。它们分别为Rcb1=(Rc1 Rc2 Rc3 Rc4),Rcb2=(Rc5 Rc6 Rc7 Rc8 Rc9),Rcb3=(Rc10 Rc11 Rc12 Rc13),Rcb4=(Rc14 Rc15 Rc16 Rc17)。

3.1.3 模糊综合评判

模糊综合评判是通过模糊算子建立模糊综合评价模型的过程。根据评价的侧重点不同,将评判模型分为三类:主因素决定型模糊综合评价模型、主因素突出型模糊综合评价模型和加权平均型模糊综合评判模型

[15]

T

T

T

T

的渗漏水现象),得1分。按照以上原理可以得到渗漏水指标C1对评语集合V的隶属向量Rcl=(0.3 0.4 0.2 0.1)。同理,可以得到衬砌侵蚀裂损指标C2对评语集合V的隶属向量Rc2=(0.4 0.3 0.3 0.0),结构沉降指标C3对评语集合V的隶属向量Rc3=(0.2 0.5 0.2 0.1),意外损坏C4对评语集合V的隶属向量Rc4=(0.5 0.2 0.2 0.1)。

以上述指标隶属向量为行组成的单因素评判矩阵为:

Rcb1=(Rc1 Rc2 Rc3 Rc4)

0.3=

0.40.20.5

0.40.20.30.30.50.20.20.2

T

。这里选用加权平均型模糊综

合评判模型,此模型不但考虑了所有因素的影响,而且保留了单因素评判的全部信息,适用于需要全面考虑各个因素影响和全面考虑单因素评判结果的情况。该模型的建立过程相当矩阵相乘,如式(6)所示。

W@Rc=R(6)

式中,W表示权重向量;Rc,表示单因素评判矩阵;R表示相应因素对评语集合V的隶属向量。

由前面确定出的各单因素评判矩阵Rcbi与其相对应的权重向量Wbi,得出各因素Bi对评语集合V的隶属向量为Rbi=Wbi@Bcbi312 二级模糊综合评判

将一级评判结果Rcb1、Rcb2、Rcb3、Rcb4视为单因素评判集,组成二级模糊综合评判的单因素评判矩阵,由相应的权重向量和单因素评判矩阵通过矩阵相乘可得二级模糊综合评判结果)))目标因素对评语集合的隶属向量Ra:

Ra=Wa@(Rb1 Rb2 Rb3 Rb4)=Wa@Rca

(7)

T

0.10.00.10.1通过权重向量Wbl和单因素评判矩阵Rcbl合成,可确定主体结构因素B1对评语集合V的隶属向量:

Rb1=Wb1@Rcb1=(0.286 0.098 0.182

0.30.40.20.10.434)@

0.40.30.30.0

=(0.378 0.322

0.20.50.20.10.50.20.20.1 0.210 0.090)

同理可得Rb2=(0.201 0.378 0.286 0.135),Rb3=(0.187 0.409 0.324 0.080),Rb4=(0.159 0.433 0.198 0.211)

进一步可得到主体结构因素B1的综合评价分值Ib1=Rb1@V=(0.378 0.322 0.210 0.090)@(4 3 2 1)=2.956,其它影响因素的综合评价分值也可以依次得出。

4.2 二级模糊综合评判

由权重向量Wa和评判矩阵Rca确定区间隧道安全因素A对评语集合V的隶属向量为:

Ra=Wa@Rca=Wa@(Rb1 Rb2 Rb3 Rb4)=,=(0.288 0.360 0.243 0.109)。

区间隧道安全体系的综合评价分值Ia=Ra@V=(0.288 0.360 0.243 0.109)@(4 3 2 1)=2.827。

根据以上评估结果可知,该区间隧道主体结构的表现为良,整个区间隧道系统的安全程度接近于安全的水平。这样的结果说明系统的安全性基本上可以被接受,但尚有改进的余地。评估过程中也TT

T

T

T

4 实例分析

某区间隧道覆土深度在9~10m之间不等,全长857.35m,沿线地质条件复杂,多为软弱的淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土层,正式投入商业运营8年时间,为了全面了解该区间隧道的实际安全状况,拟采用本文所述方法对其进行安全评估。4.1 一级模糊综合评判

该区间隧道中,对于渗漏水C1这个评价指标,请10位专家对其打分。其中,3位专家认为渗漏水状况属于优(基本无渗漏水现象),即得4分,4位专家认为渗漏水状况属于良(有轻微渗漏水现象),得3分,2位专家认为属于中(有较严重的渗漏水现象),得2分,1位专家认为属于差(有严重2004年第3期 王 岩等:地铁区间隧道安全评估的层次-模糊综合评判法

305

可以得到各子制约层因素的综合评价分值,给有关管理人员提供决策依据。鉴于本文致力于研究整个区间隧道安全体系的评估结果,未对此做详细说明。

(2)该评估方法广泛采集集体意见,建立在科学量化研究的基础上,降低了评判中的主观随意性,所得结果更客观,可信度更高。

(3)运用该评估方法,在得到各排序权向量的同时,有利于发现事故隐患和薄弱环节,及时采取措施,提高区间隧道系统的整体安全水平。(4)该评估方法具有很强的理论性和实用性,它为建立科学合理的评估模型提供思路,不但可以用于区间隧道系统的安全评估,还可以广泛地用于其它工程之中。

5 结论

本文通过实例分析对层次)模糊综合评判方法进行介绍,对该评估方法的特点总结如下:

(1)该评估方法将定性分析以定量的形式表现出来,将不精确的表达和处理数字化,使评估过程更趋科学化。

参考文献:

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第一届全国岩石力学与工程研究生学术论坛在大连举行

由中国岩石力学与工程学会东北分会主办、大连大学承办的/中国岩石力学与工程学会东北分会2004学术年会0;由中国岩石力学与工程学会青年工作委员会、中国岩石力学与工程学会教育工作委员会联合主办、大连大学承办的/第一届全国岩石力学与工程研究生学术论坛0的/0于2004年5月29日-31日在大连大学举行。清华大学、同济大学、东北大学、北京科技大学、中国科学院武汉岩土所等60多个单位、近百位代表参加了本次会议。共提交论文156篇,其中包括12篇英文稿件。

会议就土木工程、矿业工程、工程力学三个一级学科(包括岩土工程、结构工程、市政工程、防灾减灾与防护工程、桥梁与隧道工程、工程力学、采矿工程等)及水利、力学、材料、地质、测绘等相关学科领域广泛地进行学术交流。紧紧围绕当前岩石力学新进展、岩石破碎、破坏力学及机理等热点问题展开了讨论。许多青年学者和研究生踊跃参加本次会议,他们也作了许多有深度的学术报告。期间研究生们还就东北老工业基地的岩石工程问题和岩石力学与工程中的热点问题进行了专场讨论。

当前我国处于大规模岩体力学与工程发展的高潮时期,规模空前。与之相应的研究方法呈现出百花齐放,蓬勃发展的局面。本次论坛一方面充分反映了我国岩体工程的特点和研究现状,另一方面也为开展这方面研究的生力军)))研究生提供了交流和学习的机会。会议认为应加大对研究生和青年学者的引导,特别是在面向经济建设主战场开展研究方面、申报国际优秀博士论文方面等等,并建议在中国岩石力学与工程学会推广专业委员会和地方学会联合办会的模式。

422

UNDERGROUNDSPACE Vol.24

[Keywords]settlementofpilebase;creep;Mersimodel

Hierarchy-FuzzyComprehensiveJudgmentforSafetyEvaluationofMetroRunningTunnel,,,,,,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,WANGYanetal(301)[Abstract]Anoverallanalysisoffactorsinfluencingthesafetysystemofmetrorunningtunnelwascarriedout;aHier-archy-structureModelissetup.Therelativeweighofinfluencingfactorstotheevaluatedobjectsaregainedbyanalyz-ingthemodel.Then,amult-ihierarchycomprehensiveevaluationonwholesafetysystembyfuzzycomprehensivejudg-mentwascarriedoutandareasonablesafetyevaluationmethodformetrorunningtunnelissetup.[Keywords]metrorunningtunnel;hierarchyanalysis;fuzzycomprehensivejudgment;safetyevaluationAStudyonBearingPerformanceofReinforcedUndergroundCivilDefenseProjects

,,,,,,,,,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,WANGYu-lanetal(306)[Abstract]Inthispaper,basedonthepropertyoftheundergroundcivildefenseprojectsinneedofreinforcementduringwartime,thebearingcapacityoftheundergroundcivildefenseprojectsreinforcedwithpillarsisanalyzedbyf-initeelementprogramSAP93.Thenumericalresultsshowthatthepillarscanimprovethebearingcapacityofthecon-structionandmaketheundergroundcivildefenseprojectsinconformitywiththerequirementsfordefenseinwartime.[Keywords]undergroundcivildefenseproject;finiteelementprogram;pillarsadded;bearingcapacity;requirementsfordefense

DynamicAnalysisandRelevantStudyontheRockTunnelwithUnevenPressure

,JIANGYongetal(312)

[Abstract]Themethodstodeterminetheearthpressureandcalculateliningstructureofrocktunnelarestudied,es-peciallyforunevenpressuretunnels,bywhichthetunnelliningcanbedynamicallyanalyzedduringtheconstructionstages.Theconstructionparameterscanbeadjustedintimetoachievethebesteconomicresults.Therecommendedmethodsinregulationsareusedtodeterminethestartingparameters;theback-analysisiscarriedoutadoptingthesim-plexmethodofchangeabletoleranceforanalysisofloadandstratumparametersandtheback-analysisparametersareusedtoanalyzetheinternalforceofthetunnelliningforguidingthedeterminationofliningparameters.[Keywords]unevenpressuretunnel;load-structuremethod;back-analysismethod

ComputerMethodforInnerDamageMonitoringduringExcavationofUndergroundSpace,,,,,,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,WANGHua-ningetal(315)[Abstract]Dynamicdamagemonitoringofcrackedrockmassduringconstructionisveryimportantforthesafety.Thefittingfunctionback-analysismethodfordamagefieldisestablishedbyusingmult-ivariantdistributedparameterap-proximationtheory,whichcanbeusedtoidentifyandmonitortheevolutionofadjacentrockdamage.Thedistributedparametersystemisdescribedbymultiplyingseveralorthogonalfunctions.Theformofdamagefunctiondistributionisdeterminedbythedistributedparametersthroughback-analysisofthemeasureddisplacement.Theaccuracyofback-analysisaffectedbydifferentfittingfunctiontermnumberisstudiedaswell.Thetime-varyingback-analysis,stepandfina-lworkback-analysisarecomparedandanalyzed.[Keywords]damagemonitoring;fittingfunction;mapping

ASimplifiedMethodforCalculationoftheHorizontalCoefficientofSub-gradeReactionwiththeFlatDilatometerTest

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,TANGSh-idongetal(322)

[Abstract]Thehorizontalcoefficientofsub-gradereactionKhcanbeobtainedfromtheflatdilatometertest(DMT).However,therearemanyinfluencingfactorsforhorizontalcoefficientofsub-gradereaction,sothecalculationformulaisquitecomplicated.Fortheconvenienceofitsapplicationinengineering,thisformulaissimplifiedusingDMTinthis