【正文】 tch, risk factor, Analytic Network Process, relative weight, construction period目 錄第一章 緒論 1 1 我國地鐵發(fā)展概述 1 1 3 3 5 故障樹分析法 5 實地調(diào)查法 5 層次分析法 6 7第二章 ANP的理論基礎(chǔ)與研究 8 AHP概述 8 ANP的介紹 10 11 優(yōu)勢度 11 12 15 16 17 17 17 18第三章 地鐵基坑工程風(fēng)險管理與理論 20 20 20 21 22 23 24 24 本章小結(jié) 25第四章 基坑風(fēng)險因素相互影響分析 26 26 施工工藝風(fēng)險 26 施工作業(yè)風(fēng)險 26 施工環(huán)境風(fēng)險 27 基坑本體風(fēng)險 27 28第五章 基于ANP理論的地鐵基坑施工風(fēng)險模型計算 29 30 33 34 39 39 44 49 54 本章小結(jié) 56第六章 結(jié)論 57致謝 59參考文獻 6060 / 66第一章 緒論隨著城市人口的不斷增加和城市建筑物的密集，城市交通網(wǎng)絡(luò)的壓力越來越大，一直不能得到有效的緩解。以上的優(yōu)點使其成為解決城市交通問題最合理的方法?，F(xiàn)存最早的鉆挖式 地下鐵路則在1890年開通，亦位于倫敦，連接市中南部地區(qū)。早期倫敦市內(nèi)開通的地下鐵亦于1906年全電氣化[1]。隨著1965年7月北京地鐵一號線一期工程的開工，我國就此拉開了地鐵建設(shè)的序幕。金融危機爆發(fā)后，我國擬定投入將近4萬億的資金到城市軌道交通中，使我國幾個主要城市加快了城市軌道交通的步伐，城市軌道系統(tǒng)建設(shè)將在較長的時間里成為我國基礎(chǔ)建設(shè)投資的重點之一。按照現(xiàn)在的規(guī)劃，總里程達到2400公里。武漢市是湖北省的省會，是中國中部地區(qū)最大都市及唯一的副省級城市。武漢素有“九省通衢”的美稱，常住人口978萬，如果包括81所高校及暫居人口的話，武漢市總?cè)丝谝淹黄?250萬大關(guān)。而利用地下空間向地下發(fā)展城市交通則是未來城市建設(shè)的主旋律。作為中國中部最大都市，武漢長期以來都未能成功修建地鐵，一是因為地鐵建設(shè)的成本過高，沒有相應(yīng)的經(jīng)濟實力；二是因為受到了武漢復(fù)雜的水文地質(zhì)條件限制，地下水位過高，水量豐富，不適合修建地鐵。然而，輕軌占用的土地面積大，噪音污染嚴(yán)重，這些因素促使了武漢城市軌道交通需要向地鐵進軍的必要性。武漢市“兩江分割，三城四岸，鼎立發(fā)展，各具特色”的經(jīng)濟地理特點，決定了該市交通的最大瓶頸是過江交通。為此，該市規(guī)劃了地鐵2號線，首要解決城市跨江交通難題，緩解長江一、二橋的交通壓力。預(yù)計到2015年，軌道交通每天輸送126萬人次，其中地鐵二號線占去一半。由于武漢特殊的地質(zhì)條件，在施工過程中需要解決巖溶地面塌陷、地下水作用、軟土變形三大工程地質(zhì)問題。由于武漢人口眾多，爆破方案會造成微型地震，引起大量群眾的恐慌，地鐵建設(shè)過程中也就把爆破方案取消了。”礦山法施工也怕遇到瓦斯等有害氣體。2號線中的過江隧道也是中國首條穿越長江的地鐵隧道?；庸こ痰陌踩珣?yīng)包括基坑本體安全、主體結(jié)構(gòu)地基及樁基安全、環(huán)境安全（包括相鄰地面道路和建筑物、地下管線等設(shè)施的安全）地鐵基坑開挖一般采用分段分層。主要優(yōu)點是施工簡單，用一般機械設(shè)備可以進行施工。岸坡開挖時，如果山坡較陡，修建道路很不經(jīng)濟或根本不可能時，則可用豎井出渣或?qū)⑹朴诎镀履_下，即將道路通向開挖工作面是最簡單的方法。當(dāng)岸坡陡峭無法修建道路，而航運、過木或其他原因在截流前不允許將巖渣推入河床內(nèi)時，可采用豎井出渣法。工程施工中，為減小各條土體開挖對地鐵隧道的影響，基坑土條與隧道成斜交，基本垂直。地鐵的優(yōu)點在于節(jié)省土地、減少噪音、減少干擾、節(jié)約能源、減少污染，與其他城市交通工具相比，地鐵還顯得運量大而且速度快。一是建造成本高，由于要鉆挖地底，地下建設(shè)成本比建于地面高。從醞釀到破土動工就需要一段非常長的時間。地鐵對于雪災(zāi)和冰雹等的抵御能力較強。為此自地鐵出現(xiàn)以來，工程師們就不斷持續(xù)研究如何提高地鐵的安全性能。而對地鐵施工最重要的就是基坑施工了。但是知道上個世紀(jì)的70年代以后，才真正將風(fēng)險分析應(yīng)用于隧道及地下工程領(lǐng)域中，并取得了一定效果。早在上個世紀(jì)30年代，Terzaghi等人已經(jīng)開始研究基坑工程中的巖土工程問題，提出了預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小總應(yīng)力法?；庸こ淘谖覈M行廣泛的研究是始于上世紀(jì)70年代末，那時我國的改革開放方興未艾，基本建設(shè)如火如荼，高層建筑不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)的基坑埋深不斷增加，開挖深度也就隨之不斷發(fā)展；特別是到了90年代，大多數(shù)城市都進入了舊城改造階段，在繁華市區(qū)進行深基坑開挖給這一古老的課題提出了新的內(nèi)容，那就是如何控制深基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)問題，從而進一步促進了深基坑開挖技術(shù)的研究與發(fā)展，產(chǎn)生了許多先進的設(shè)計計算方法，眾多的新施工工藝也不斷付諸實施[3]。雖然現(xiàn)在維護形式已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)十種，但是從基坑圍護機理來講，基坑圍護方法的發(fā)展從最先有放坡開挖，后來有了懸臂圍護、拉錨圍護、組合型圍護[4]。基坑工程涉及土力學(xué)中穩(wěn)定、變形及滲流三個基本課題，三者相融在一起，需要綜合處理；同時，基坑開挖勢必引起周圍地基中地下水位的變化和應(yīng)力場的變化，導(dǎo)致周圍地基土體的變形，對相鄰建筑物、構(gòu)筑物地下管線產(chǎn)生影響[5]。目前我國國內(nèi)在基坑風(fēng)險分析研究方面主要運用的方法有：故障樹分析法、實地調(diào)查法以及層次分析法（AHP）。體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測性，它是安全系統(tǒng)工程的主要分析方法之一[6]。它對系統(tǒng)故障不但可以做定性的而且還可以做定量的分析；不僅可以分析由單一構(gòu)件所引起的系統(tǒng)故障，而且也可以分析多個構(gòu)件不同模式故障而產(chǎn)生的系統(tǒng)故障情況。顯然，故障樹分析法也存在一些缺點。在構(gòu)造故障樹時要運用邏輯運算，在其未被一般分析人員充分掌握的情況下，很容易發(fā)生錯誤和失察。 實地調(diào)查法實地調(diào)查是應(yīng)用客觀的態(tài)度和科學(xué)的方法，對某種社會現(xiàn)象，在確定的范圍內(nèi)進行實地考察，并搜集大量資料以統(tǒng)計分析，從而探討社會現(xiàn)象。實地調(diào)查的目的不僅在于發(fā)現(xiàn)事實，還在于將調(diào)查經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計和理論探討，并形成假設(shè)，再利用科學(xué)方法到實地驗證，并形成新的推論或假說。其特點是被調(diào)查中是在不知曉的情況下接受調(diào)查的。2）詢問方法，是指將所調(diào)查的是想，以當(dāng)面電話或書面的形式向被調(diào)查者提出詢問，以獲得所需的調(diào)查資料的調(diào)查方法。正因如此，調(diào)查人員應(yīng)該清楚地認(rèn)識到。詢問法包括直接訪問法、堵截訪問法、電話訪問法、CATI法（計算機輔助電話調(diào)查）、郵案方法、固定樣本調(diào)查法。 層次分析法層次分析法（AHP）是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的決策方法。層次分析法的優(yōu)點在于系統(tǒng)性的分析方法、簡潔實用的決策方法、所需定量數(shù)據(jù)信息較少。對我國地鐵進行一個基本的了解，在此基礎(chǔ)上將武漢地鐵現(xiàn)狀與國內(nèi)其他一線城市做比較。對現(xiàn)在基坑風(fēng)險分析的方法做調(diào)查，了解故障樹分析法、實地調(diào)查法、層次分析法的基本理論和步驟，通過理論分析判斷其在基坑風(fēng)險分析中的不足之處。用層次分析法（AHP）分析問題一般經(jīng)過一下四個步驟：1）建立層次結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用AHP分析決策問題是，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個有層次的結(jié)構(gòu)模型。用連線表示上一層因素與下一層的聯(lián)系，因素與下一層存在完全層次關(guān)系，有時存在不完全層次關(guān)系。架設(shè)在同一層次上有n個因素，對于給定的第i個和第j個因素相互比較判斷，便可得到一個表示相對重要性的數(shù)字,如此構(gòu)成n階互反矩陣判斷矩陣P。由矩陣?yán)碚摽梢宰C明P的特征根綜合，且最大特征根，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)特征向量個分量的絕對值定義為各元素的權(quán)重。判斷矩陣是否合理需要進行一致性檢驗。為了衡量判斷矩陣P的一致性，Satty建立了檢驗判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI檢查決策者判斷思維的一致性[8]：顯然，當(dāng)時，CI=0，判斷矩陣完全一致；CI值越大，判斷矩陣的一致性越差。N階矩陣的平均已執(zhí)行指標(biāo)如表22所示[9]。4）層次總排序及一致性檢驗得到一組元素對其上一層中某元素的權(quán)重向量后，我們要得到各元素的排序權(quán)重，從而進行方案選擇。對于多層次問題其核心步驟如下：（1）構(gòu)造自上而下的層次結(jié)構(gòu)。（3）層次總排序。由于網(wǎng)絡(luò)層次分析法中考慮了元素間的相互影響與支配，更能準(zhǔn)確地描述現(xiàn)實世界中客觀事物之間的聯(lián)系，因而成為一種更加有效的決策方法。AHP與ANP面對的都是非結(jié)構(gòu)化的決策問題，而這種問題的決策又是決策問題的絕大部分。使用AHP有三個基本假定：（1）不存在層次間的反饋支配作用；（2）層次內(nèi)部元素之間不存在相互影響或支配作用；（3）只有相鄰層次才有支配關(guān)系，跨層元素只有間接支配關(guān)系，沒有直接支配關(guān)系。ANP系統(tǒng)元素分為兩個部分：第一部分是控制因素層，包括問題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則；所有決策準(zhǔn)則均被認(rèn)為是彼此獨立的，且只受目標(biāo)元素支配，控制因素中額可以沒有決策準(zhǔn)則，但至少有一個目標(biāo)；第二部分是網(wǎng)絡(luò)層，它是由所有受控制層支配的元素組組成的，其內(nèi)部是相互形象的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖22 ANP的典型遞階層次結(jié)構(gòu) 優(yōu)勢度AHP需要在一個準(zhǔn)則下，受支配元素進行兩兩比較，由此獲得判斷矩陣。前一種比較適用于元素見相互獨立的情形，第二種比較適用于元素間相互依存的情形。超矩陣（1）超矩陣的建立設(shè)ANP的控制層中有元素，…，控制層下，網(wǎng)絡(luò)層有元素組，…，,其中中有元素，…,，i=1…，N。（21）這里的列向量就是中元素，…，對中元素，…，的影響程度排序向量。對于i=1,2,…，N 。這樣的超矩陣共有 m個,它們都是非負(fù)矩陣。 （22）超矩陣的結(jié)構(gòu)特點超矩陣 W 構(gòu)造有以下幾個特點：①超矩陣每個子塊中的每一列，都是通過兩兩比較的判斷矩陣計算得到的同一層次中元素的排序向量。但聚合成層次或元素組進行比較的方式具有有效性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)性等優(yōu)點，且更符合人們的思維特點，因而前述的分組進行比較的方式得到經(jīng)常使用。為了利用超矩陣對復(fù)雜系統(tǒng)進行排序，需要將超矩陣的每一列歸一化，這可以用加權(quán)矩陣實現(xiàn)。相應(yīng)的判斷矩陣中的比較判斷需要結(jié)合該層次的功能確定。最后一層元素權(quán)值不再進行再分配，故 。要準(zhǔn)確反映排序，必須考慮元素組之間的影響作用，也就是要考慮反饋作用的影響。從而得到該元素組作為子準(zhǔn)則下(不妨設(shè)第j個元素組)其它元素組的歸一化的權(quán)重向量。構(gòu)造準(zhǔn)則下各組元素對的相對重要性判斷矩陣：對于 j = 1,2,...,N 重復(fù)上述步驟，得到了一個NN階加權(quán)矩陣A：（23）構(gòu)造加權(quán)超矩陣: （24）式中，且由式（21）和（22）確定，而由式（23）確定。事實上對W 的任一列均有，因而加權(quán)超矩陣事實上對的任一列均是歸一化的。元素i對元素j的優(yōu)勢度還可以通過得到，稱為二步優(yōu)勢度，它就是的元素。證明：設(shè)W的矩陣為：，令為：，i=1，2，…，n，令為：，那么W可以記為：和。依次類推可以知道也是歸一化矩陣。分析問題對決策問題進行系統(tǒng)分析、組合，形成元素和元素組。構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ANP 將系統(tǒng)元素劃分為兩大部分，第一部分稱為控制因素層，包括問題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則。控制因素中可以沒有決策準(zhǔn)則，但至少有一個目標(biāo)。第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，它由所有受控制層支配的元素組成，它們形成互相影響的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖 21 表示了一個典型的 ANP網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)。(2)按照控制層對系統(tǒng)中的元素進行分組，得到元素組。(4) 對準(zhǔn)則層(控制層)所有準(zhǔn)則進行元素和元素組之間的影響和被影響的分析。確定層次元素單排序權(quán)重根據(jù)以上建立的結(jié)構(gòu)，按 ，得到歸一化排序權(quán)重；此外，基于同一準(zhǔn)則對不同元素組中的每一元素的影響和被影響關(guān)系進行兩兩比較分析，同樣得到歸一化排序權(quán)重。構(gòu)造超矩陣和加權(quán)超矩陣按式24形成加權(quán)超矩陣。在系統(tǒng)中，我們假設(shè) ANP 模型的控制層中有元素，在控制層下，網(wǎng)絡(luò)層有元素組，其中中有元素，i=1,2,...n。② 確定次因子層的超矩陣。④ 求解指標(biāo)權(quán)重。他們的相同點是都構(gòu)造比較矩陣確定特征向量，并且進行一致性檢驗。ANP 則沒有這些假定，使用ANP時則完全突破了這三個假定ANP將系統(tǒng)內(nèi)各元素的關(guān)系用累死網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表示，而不再是簡單的遞階層次結(jié)構(gòu)，他考慮了層次內(nèi)部元素的一存和下層元素對上層元素的反饋影響。② 從結(jié)構(gòu)上看，AHP的結(jié)構(gòu)層次氛圍三類目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。ANP 由控制層和網(wǎng)絡(luò)層兩部分組成，ANP 控制層的結(jié)構(gòu)與 AHP 結(jié)構(gòu)基本相同。③ 從解決問題的實效性看，AHP 的遞階層次結(jié)構(gòu)由于獨立性假設(shè)，雖然簡單易行，但是對于復(fù)雜系統(tǒng)往往由于假設(shè)的太過于理想化從而失真，存在實際性的缺陷。④從運行的復(fù)雜度進行比較，AHP 方法相對簡單易行，對于解決簡單系統(tǒng)問題有很好的效果，但是在一些復(fù)雜系統(tǒng)問題上可操作性較差。網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）是由美國匹茲堡大學(xué)Satty自1973年提出具有定性和定量分析功能的層次分析法(AHP)后，于1996年再次提出的一種新的評價方法，它是在層次分析法（AHP）的基礎(chǔ)上延伸的一種多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的決策分析方法。然后在此基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基本原理進行詳細(xì)的闡述，并對 ANP 法的結(jié)構(gòu)類型和相對排序向量的存在性以及權(quán)重計算等方面進行了探討，并研究了每種結(jié)構(gòu)類型的系統(tǒng)確定相對排序向量的方法和步驟。第三章 地鐵基坑工程風(fēng)險管理與理論早在20世紀(jì)30年代，Terzaghi等人已開始研究基坑工程中的巖土工程問題，提出了預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小總應(yīng)力法這一理論一直沿用至今，只不過有了許多改進與修正?；庸こ淘谖覈M行廣泛的研究是始于70年代末，那時我國的改革開放方興未艾，基本建設(shè)。但由于基坑工程的復(fù)雜性、設(shè)計施工的不當(dāng)?shù)仍?，工程事故的概率仍?