穿越现有运营站的新地铁站施工安全风险评估研究

李梦笛，邵志国，于德湖

(1.青岛理工大学 a.管理工程学院；b.土木工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

近年来，随着我国城市化进程的加快，农村人口大量涌入城市，城市交通拥堵、空气污染及资源短缺等“城市病”问题不断加重。为解决此类“城市病”，各国政府皆大力发展公共交通。城市轨道交通以其运量大、节能环保、安全等优点，成为公共交通中的中流砥柱，很好地解决了城市交通拥堵及空气污染问题。由于我国地铁引进较晚，目前比较重视施工建设、运营和维护阶段，而忽视了地铁线路的超前规划。另外，伴随我国城市的快速发展，早期建设的部分地铁线路已不能满足人们日益增长的交通要求。由于缺乏超前规划，部分城市亟需各种穿越现有运营站的新地铁站的建设。在换乘站下穿工程施工过程中，新地铁建设与现有地铁结构具有复杂作用，其施工将严重影响着既有车站运营的安全，同时，既有车站的运营也将影响新建地铁站的施工安全[1]。因此，研究穿越现有运营站的新地铁站施工安全风险意义重大。

目前，大量国内学者已对穿越现有运营站的新地铁站施工进行了研究。LUO等将层次分析法和模糊物元法相结合，研究了新建地铁车站下穿既有运营站施工安全风险评估问题，并将安全风险评价模型应用于成都轨道交通8号线东麓站项目[2]；杨军等分析了暗挖地铁站下穿既有车站存在的安全风险，对比分析了“PBA三导洞”和“CRD工法”，最终确定“PBA三导洞”对施工过程中地铁站的变形有一定的控制效果[3]；严小卫等以哈尔滨地铁3号线为例，将BIM(Building Information Modeling)技术运用于地铁站下穿既有地道桥的施工中，提出一种新的设计管理方法[4]；翁木生对西安地铁下穿铁路重要部位进行研究，采用了交叉中隔墙等方法进行施工，既保证了原有铁路的正常运行，又保证了现有地铁施工的安全顺利进行[5]；梁泊采用因果分析法和德尔菲法对新建地铁站下穿运营站的安全风险进行风险识别，确定了49项风险因素指标，并将研究成果成功运用到成都地铁的施工建设中，得到有效的验证[6]；姬刚从不可抗力风险、周围环境风险、施工技术风险、管理及人员风险4个方面对上海地铁金沙江西路站存在的施工风险进行了研究[7]；孙英伟在南宁地铁H段地铁站研究中发现造成地铁施工安全的因素主要表现在工作人员缺乏安全意识、材料的质量问题、机械的质量问题、组织管理结构不合理、施工环境等5个方面，并确定各因素对地铁站施工安全的影响程度[8]；杨帅超对地铁站施工中频发风险进行排序，并提出防控措施[9]。

综合来看，目前我国学者在地铁站的施工技术和地下工程的安全风险管理等方面已进行大量研究，但对新建地铁站穿越现有运营地铁站工程的安全风险管理研究仍较少。由于施工单位既要维持既有车站的正常运行，又要保证新车站的正常施工，使得施工单位进行穿越工程的施工比普通地铁工程更为复杂和危险。因此，有必要提出一套适用于新地铁车站下穿既有运营车站的地铁穿越工程的风险评估体系。为此，本文提出改进TOPSIS(Technique for Order Performance by Similarity to an Ideal Solution)方法，对新建地铁站下穿既有运营车站施工中存在的风险进行评估，并提出相应风险防控措施，为地铁站施工安全管理工作提供参考。

1 研究方法

穿越现有运营站的新地铁站施工具有信息量大、技术高、施工复杂、规模巨大、不确定性风险多等特点，是一项复杂的系统工程。在风险评估方法中，模糊综合评价法在分析和处理多变量、多因素、多层次的复杂系统中比较适用。其中，改进TOPSIS方法避免了传统的TOPSIS方法的不足，以其独特的优势在地铁站风险评估中广泛应用。本文采用的改进TOPSIS方法相比于传统TOPSIS方法主要进行两个方面的改进：一是采用马氏距离计算各评价方案到正理想解和负理想解的距离，此种计算距离的方法不同于传统TOPSIS方法中欧式距离法，突出表现在可以摆脱各评价指标相关性带来的影响，从而使评价结果更加准确；二是改进TOPSIS方法引入了CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)赋权法，该方法可确定评价指标的权重，解决专家打分法产生的主观性及标准离差法上的不足。

假设有n个评价对象B1,B2,…,Bn，每个评价对象都有m个评价指标xij为评价对象Bi在指标xj下的指标值(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)。计算步骤如下：

步骤1 由各方案原始数据构建决策矩阵，所构建的矩阵如下式所示：

步骤2 为消除不同指标量纲的影响，对原始矩阵标准化：

(1)

由以上公式得出原始矩阵的标准化矩阵为BN。

步骤3 估计指标权重。CRITIC是一种对高相关性指标权重进行评估的方法。标准化后矩阵BN的第j个指标的标准差为

(2)

(3)

其中

(4)

ρjk表示第j个指标与第k个指标之间的相关系数，ρjk取值范围从-1到1。ρjk的绝对值越大表示j与k这两个指标之间的正(负)相关性越强。Rj越大表示第j个指标对其他指标的正相关性越弱。第j个指标的权重为

(5)

步骤4 根据原始数据求解各属性指标之间的相关系数。由于各属性指标之间较强的相关性会导致欧氏距离失效，此步通过求解各属性指标之间的相关系数判断各指标之间是否相关。若相关，采用马氏距离代替欧式距离进行距离计算；否则，使用欧式距离进行计算。同时，此步还可以得到相关系数矩阵C。

步骤5 求解加权标准化矩阵。用权重矩阵乘以原始数据标准化后的矩阵从而得到一个新的矩阵，即为加权标准化矩阵W：

W=w×BN。

(6)

步骤6 确定正理想解(S+)和负理想解(S-)：

S+={maxwij|j=1,2,…,n} ，

(7)

S-={minwij|j=1,2,…,n} 。

(8)

步骤7 对象到正理想解和负理想解的马氏距离：

(9)

(10)

式中：C-1为逆矩阵(C为相关系数矩阵即协方差矩阵)。

步骤8 运用马氏距离求解各指标之间的相对贴近度：

(11)

2 案例分析

2.1 工程概况

将构建的评估模型应用于青岛地铁1号线下穿运营的地铁13号线井冈山路地铁站施工过程中。青岛地铁1号线是贯穿主城区、黄岛区和城阳区三大区的一条骨干线路。该线路最南端是峨眉山路站，最北端是兴国路站，途经黄岛汽车站、青岛火车站、火车北站、汽车北站等重要交通枢纽，总里程约59.97 km，其中地下29站，站间距约为1524 m，与11条地铁线路交接。青岛地铁13号线起于嘉陵江路站，止于董家口火车站。井冈山路站是青岛地铁1号线与13号线的换乘站，其1号线部分正在建设中，是地下二层车站。13号线部分为已经运营的地下三层车站。井冈山路地铁站地处上软下硬的不良地质，且地上周围建筑物施工复杂，在施工过程中极易发生地表沉降、路面断裂、坍塌等问题，施工难度相当大。

2.2 确定评价指标

地铁站风险评价指标能充分反映工程风险的影响因素，在选取风险评价指标时一定要严格按照相关原则进行，综合考虑风险评价指标的科学性、客观性、可行性，使选取的评价指标更好地反映工程项目中存在的风险[10]。本文通过对大量地铁站施工风险管理指标相关文献的统计分析，初步确定从既有车站轨道变形、既有车站沉降、既有车站坍塌、新建车站裂缝、新建车站基坑坍塌、新建车站涌水涌砂等六项风险进行评估，从而确定风险的大小。下穿既有地铁站风险指标见表1。

表1 下穿既有地铁站风险指标

2.3 风险指标评估

1) 处理原始数据，进行指标评分。采用问卷调查法邀请了10位熟悉本工程的专家对风险指标进行打分，风险指标评价值见表2。

表2 风险指标评价值

2) 构建决策矩阵：

3) 求标准化矩阵BN。由式(1)求解原始矩阵标准化后的矩阵BN：

4) 使用CRITIC估计指标权重。由式(2)—(5)计算标准差σj、量化冲突Rj和相关系数ρjk，从而得到指标权重wj。各指标的标准差、量化冲突和权重见表3。

5)求解各属性指标之间的相关系数矩阵C。

表3 各指标的标准差、量化冲突和权重

表4 各属性指标之间的相关系数矩阵

由表4可以看出，某些指标之间存在较强的相关性，如X1与X4相关系数为-0.571，X1与X2相关系数为-0.554。若各指标之间相关系数的绝对值大于0.5，将导致欧式距离失效，而马氏距离的协方差矩阵反映了决策指标之间的相关性，同时降低指标的数据要求，提高决策结果的可信度，所以此案例采用马氏距离代替欧式距离，使得计算结果更加准确。

6) 求解加权标准化矩阵。由式(6)可得：

表5 各指标相对贴近度

7) 求解正理想解(S+)和负理想解(S-)。由式(7)(8)可得：

S+=(0.176,0.140,0.109,0.109),

S-=(0.072,0.057,0.037,0.044)。

8) 计算评估对象到正理想解和负理想解的距离。根据式(9)—(11)分别求出各指标到正负理想点的马氏距离，各指标相对贴近度见表5。

由表5可见，各指标风险大小的排序为：B6>B4>B2>B5>B3>B1，即新建车站涌水涌砂风险>新建车站裂缝风险>既有车站沉降风险>新建车站基坑坍塌风险>既有车站坍塌风险>既有车站轨道变形风险。

鉴于风险评估结果，施工单位应提前做好新建车站涌水涌砂、新建车站裂缝风险和既有车站沉降风险防控措施，新建车站在施工过程中要加大涌水涌砂和裂缝的监控，并不定期监测既有车站的沉降情况，做到事前根据地质条件，预估这三种风险发生的概率，确定相应的防控等级，事中勤于监测，事后做好防护。相比于以上三种风险，新建车站基坑坍塌风险、既有车站坍塌风险和既有车站轨道变形风险较低。因此，施工单位在施工中应定期监测，发现问题及时处理，并做好定期养护和检修工作，降低风险发生的可能性和损失。

3 结论

1) 将改进TOPSIS方法应用于青岛地铁1号线穿越正在运营的青岛地铁13号线的井冈山路地铁站施工风险评估中，对施工中可能发生的风险进行排序，可为施工单位提供一定的参考，有助于提高施工的安全性。

2) 通过计算结果得出新建车站涌水涌砂风险、新建车站裂缝风险和既有车站沉降风险较大，施工单位可以预先制定相应的防控措施，尽可能降低风险发生概率。

虽然本文对TOPSIS方法做了两方面的改进，但是此次改进并不全面。同时，构建的评价指标体系仍有待进一步丰富完善，这将是未来研究的重点。