基于CiteSpace的深基坑安全風(fēng)險管理分析與展望

湯洪霞,劉子軒,2,邵志國

(1.青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院,山東 青島 266520;2.青島理工大學(xué)工程質(zhì)量檢測鑒定中心有限公司,山東 青島 266000)

隨著中國城市空間立體化發(fā)展,發(fā)展地下空間資源或建設(shè)高層乃至超高層建筑成為常態(tài)。復(fù)雜環(huán)境下的深基坑工程不斷涌現(xiàn),安全風(fēng)險問題顯得格外突出。深基坑事故的發(fā)生會造成重大的人員與財產(chǎn)損失,甚至對社會穩(wěn)定也有嚴(yán)重影響。例如:2005年7月,廣州海珠城廣場基坑坍塌,造成3人死亡,臨時搬遷590余人,直接經(jīng)濟損失超2億元;2008年11月,杭州地鐵1號線湘湖站基坑坍塌,造成24人死亡,直接經(jīng)濟損失4 961萬元。從歷次事故調(diào)查結(jié)論中可以看出:風(fēng)險事故是由小概率事件導(dǎo)致的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),在“事故萌芽—緩慢發(fā)展—快速發(fā)展—事故險情”這一鏈條上,對每一節(jié)點采取有針對性的措施,都可以有效遏制事故的發(fā)生。因此,研究深基坑事故孕育演化規(guī)律與成災(zāi)機制,探究深基坑工程風(fēng)險防控理論與技術(shù),對復(fù)雜環(huán)境下大型巖土工程施工風(fēng)險管理、事故預(yù)報等具有重要意義[1]。

針對該問題,眾多學(xué)者已進行大量相關(guān)研究。熊自明等[2]開拓了以風(fēng)險評估為基礎(chǔ)的風(fēng)險決策理論,為現(xiàn)階段巖土工程施工安全風(fēng)險管理研究奠定了堅實基礎(chǔ);王衛(wèi)東等[3]結(jié)合基坑實驗?zāi)M,探討了風(fēng)險耦合作用機理;夏天等[4]在風(fēng)險預(yù)警方面貢獻突出,建立基于LSTM的深基坑變形安全風(fēng)險預(yù)警模型,提高了基坑變形預(yù)警的精確性;翟越等[5]在風(fēng)險評價上作出創(chuàng)新,采用IFS-動態(tài)加權(quán)的方法,并運用到實際工程中,為地下綜合體深基坑工程風(fēng)險分析提供了合理思路。當(dāng)前的研究呈現(xiàn)出多主體、多方向等特點,因此,探析該領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢具有重要現(xiàn)實意義。

本文采用CiteSpace軟件,基于文獻計量方法,分析深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域的研究進程,繪制相應(yīng)的知識圖譜,以可視化的形式分析總結(jié)該領(lǐng)域的研究進展,提出對深基坑安全風(fēng)險管理現(xiàn)有研究的思考和對未來的展望。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文選取中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,依托文獻計量學(xué)理論[6]利用CiteSpace軟件繪制相關(guān)知識圖譜,通過挖據(jù)數(shù)據(jù)、處理信息等手段,了解該領(lǐng)域發(fā)展歷程并分析前沿?zé)狳c。數(shù)據(jù)檢索方式采用高級檢索,檢索2000—2021年主題為基坑風(fēng)險管理、基坑安全評價、基坑預(yù)警模式的SCI、EI、CSSCI、CSCD等核心期刊文獻,共獲得文獻433篇,經(jīng)篩查剔除關(guān)聯(lián)度不高的文獻,得到具有較強代表性的文獻382篇。

2 文獻數(shù)量分析

對文獻按年份統(tǒng)計,得到深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域2000—2021年歷年文獻發(fā)表數(shù)量(以下簡稱“發(fā)文量”),如表1所示。

表1 歷年文獻發(fā)表數(shù)量

發(fā)文量隨時間的變化趨勢一定程度上可以反映社會政策與行業(yè)發(fā)展的關(guān)系。楊德欽等[7]對我國建筑行業(yè)傳統(tǒng)的評價體系與現(xiàn)代化評價體系進行對比,認(rèn)為:我國建筑行業(yè)在2012年之前處于高速增長時期,以要素投入驅(qū)動為主,注重增量增速,是低質(zhì)量、單一化的;2012—2020年,處于高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展階段,以技術(shù)進步驅(qū)動為主,是多元化、可持續(xù)性的。

3 核心研究者與研究機構(gòu)分析

3.1 核心研究者分布

學(xué)術(shù)帶頭人是文獻的核心作者。為了解深基坑風(fēng)險管理領(lǐng)域核心作者發(fā)文情況,運用CiteSpace軟件得到作者合作共現(xiàn)圖譜(見圖1),并得到2000—2021年該領(lǐng)域作者發(fā)文數(shù)量在3篇(含)及以上的作者統(tǒng)計表(見表2)。

圖1 作者合作共現(xiàn)圖譜

表2 作者發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計

圖1顯示出各作者之間相互合作的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。作者間的合作關(guān)系通過線條連接,連線越密集說明作者間的合作越緊密。圖1中展現(xiàn)出分別以宋二祥、周紅波、劉濤、吳波為中心(以時間先后排序)的4個主要團體,團體成員間存在較強的合作關(guān)系。同時,圖1中其他作者較為分散,表明作者在文獻研究上缺乏溝通。整體來看,在深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域下的研究者較分散,研究方向多樣,表明在深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域存在著許多分支,亟待深入挖掘。

發(fā)文量在3篇(含)以上的作者統(tǒng)計情況,如表2所示。其中,宋二祥最早開始在深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域進行研究,隨后是周紅波、王洪新和黃宏偉,以周紅波研究成果最多。另一方面,以下作者在該領(lǐng)域持續(xù)研究并取得豐碩成果:吳波在2020—2021年發(fā)表多篇研究成果,涉及地鐵車站風(fēng)險評估、數(shù)值模擬分析、模糊綜合評判及時空效應(yīng)實測分析的應(yīng)用研究;王洪新、宋二祥在2020—2021年開展有關(guān)基坑坑底穩(wěn)定性的研究,涉及定量分析及驗算方法的改進;魏道江分別在2020年和2021年應(yīng)用模糊理論進行深基坑風(fēng)險評估及等級評價的研究。

3.2 核心研究機構(gòu)分布

表3 核心機構(gòu)及其發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計

由表3可知,發(fā)文數(shù)量多于5篇(含)的核心機構(gòu)有20所,共發(fā)表文獻145篇。核心機構(gòu)有15所高校、1所科研院所、4所社會單位?？v觀核心機構(gòu)的隸屬分布,高校是工程理論的研究主陣地,充分發(fā)揮了其專業(yè)性,產(chǎn)生許多科研成果,并具有實際應(yīng)用及生產(chǎn)價值,貫徹“產(chǎn)—學(xué)—研”深度融合理念。同時各科研院所與社會單位依據(jù)其自身的優(yōu)勢力量,發(fā)揮了實踐操作能力,帶動了“產(chǎn)—研”的良性循環(huán)。

3.3 論文發(fā)表期刊統(tǒng)計

對382篇文獻的來源期刊進行整理,按刊發(fā)數(shù)量排序,得到排名前10位的期刊,見表4。刊載量最多的期刊是《巖土工程學(xué)報》(37篇),涉及深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域的工程研究、技術(shù)開發(fā)、工程與項目管理、應(yīng)用基礎(chǔ)研究及政策研究。

表4 期刊發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計

4 研究熱點及研究前沿分析

4.1 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)及聚類分析

關(guān)鍵詞是對文獻的高度凝練,突出文獻的基本研究內(nèi)容。高度凝練的關(guān)鍵詞具有很強的濃縮性、可計量性,并在一定程度上具有相互鏈接的功能。因此研究樣本文獻的關(guān)鍵詞可以迅速窺探該領(lǐng)域的文獻全貌,了解文獻之間的潛在聯(lián)系,并為文獻的定量研究奠定良好基礎(chǔ)。

CiteSpace軟件算法認(rèn)為出現(xiàn)頻次越高、中心度越大的關(guān)鍵詞是在一段時期內(nèi)某一研究領(lǐng)域的熱點和主要研究方向。分析樣本數(shù)據(jù),得到深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜,見圖2。圖2中所示各關(guān)鍵詞間具有十分密切的聯(lián)系,呈現(xiàn)鏈狀或鏈群關(guān)系,鏈群越緊密,關(guān)鍵詞引用越頻繁,表明在該鏈群中研究者產(chǎn)生的成果越多。反之,越在鏈群外圍或兩鏈群相聯(lián)系處,分枝越疏松,表明該范圍內(nèi)缺乏深入研究,越容易產(chǎn)生科研成果。

圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

圖2中共有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點579個,節(jié)點連線1 511條,網(wǎng)絡(luò)密度0.009。節(jié)點的中心度用來表明某個領(lǐng)域的指標(biāo)重要程度,由此,按照共現(xiàn)頻次的大小,對關(guān)鍵詞進行排序,列舉排名前20的關(guān)鍵詞,見表5。其中,深基坑、基坑、風(fēng)險評估和基坑工程出現(xiàn)的頻次和中心度均排名靠前,而監(jiān)測、風(fēng)險評價、風(fēng)險管理、基坑開挖、數(shù)值模擬等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次相對較低,但中心度相對較高,表明這些關(guān)鍵詞在深基坑安全風(fēng)險管理領(lǐng)域缺乏更進一步的探索,具有廣泛深入的研究價值。

表5 排名前20的關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞聚類分析是將關(guān)鍵詞聚成不同的類別,清晰地反映出該領(lǐng)域的研究范圍。本文在圖譜分析前,首先對圖譜的合理性進行綜合判斷,確定圖譜聚類的合理性,通常圖譜繪制的合理性參考聚類模塊值Q與聚類平均輪廓值S兩個指標(biāo)評價:Q大于0.3,說明圖譜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理;S大于0.7,則說明可信[9]。采用對數(shù)釋然率(LLR)算法對關(guān)鍵詞進行聚類,得到關(guān)鍵詞聚類圖譜,見圖3。

圖3 關(guān)鍵詞聚類圖譜

繪制的關(guān)鍵詞聚類圖譜Q≈0.647,S=0.880 3,表明該圖譜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理,圖譜繪制較為成功。

本文采用對數(shù)釋然率(LLR)算法對關(guān)鍵詞進行聚類分析,該關(guān)鍵詞聚類圖譜中除動態(tài)設(shè)計(#12)以外的其他聚類單元的容量均大于10,表示聚類效果良好;其次,每個聚類單元的同質(zhì)性均大于0.7,可認(rèn)為每個聚類單元中各要素間緊密程度較好,聚類是成功的。這382篇文獻數(shù)據(jù)被分為13個聚類單元,見表6,分別是深基坑(#0)、基坑(#1)、安全系數(shù)(#2)、地鐵(#3)、風(fēng)險評估(#4)、控制措施(#5)、風(fēng)險評價(#6)、基坑開挖(#7)、基坑監(jiān)測(#8)、地鐵車站(#9)、地鐵基坑(#10)、基坑安全(#11)、動態(tài)設(shè)計(#12)。下面對主要聚類單元進行分析總結(jié)。

表6 關(guān)鍵詞聚類信息表

1)聚類#0深基坑?；庸こ痰娘@著特點是綜合性、系統(tǒng)性,尤其是在不同復(fù)雜環(huán)境下,支護體系的選取、建立及過程監(jiān)測尤為重要,并要求實現(xiàn)其經(jīng)濟性與可靠性。

早在1992年,程良奎[10]就結(jié)合國內(nèi)外典型巖土工程,詳細論述了預(yù)應(yīng)力錨桿體系在邊坡加固、地下工程支護、深基坑支擋及結(jié)構(gòu)抗浮中的特點,并提出可以發(fā)展錨桿新工藝改善錨固效果,以保證其經(jīng)濟合理和穩(wěn)定可靠。2000年,龐寶根[11]分析了深基坑圍體發(fā)生流沙的搶救措施,強調(diào)了施工中實時數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測和動態(tài)管理的作用。隨著理論研究的不斷深入,更加經(jīng)濟安全穩(wěn)定的基坑支護體系應(yīng)運而生,在特殊險情處置上提出了更有效的應(yīng)對措施,并取得了良好效果。2021年,馬加志等[12]在富水砂層超深基坑開挖突涌應(yīng)急處置技術(shù)上取得新突破,提出“坑內(nèi)混凝土反壓+控制坑內(nèi)水位+外圍注漿圍堵的綜合注漿法”的處置方法,為類似工程預(yù)防和應(yīng)急處置提供了科學(xué)參考。2022年,閆騰飛等[13]深入研究了深基坑地連墻支護體系變形規(guī)律,解決了因軸力不足、局部應(yīng)力集中導(dǎo)致支撐失穩(wěn)的問題,進一步提高了支護結(jié)構(gòu)利用效率。

2)聚類#2安全系數(shù)、聚類#11基坑安全。處于城市環(huán)境下的深基坑工程,其特點是周邊既包含建筑、交通設(shè)施,又有復(fù)雜的地下管線。在控制基坑變形過程中,研究者針對不同地質(zhì)情況,運用有限元思想,結(jié)合MIDAS/GTS/NX等模擬軟件,對基坑動態(tài)開挖過程進行建模分析,能夠更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。例如:運用有限元分析理論,結(jié)合空間效應(yīng)和反演方法,得到樁身受力變形的力學(xué)模型[14];從地質(zhì)特性、事故原因及處理措施等方面更新基坑圍護結(jié)構(gòu)安全性驗算方法[15]。

2010年以后,學(xué)者們更多地傾向于從工程環(huán)境與建設(shè)各方的角度出發(fā),探究影響基坑安全的相關(guān)因素,取得重大突破。2015年,閆懷瑞等[16]從工程地質(zhì)學(xué)角度對軟土深基坑中可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)進行研究;2020年,張立天[17]從建設(shè)工程五方責(zé)任主體入手,應(yīng)用基于BIM技術(shù)的深基坑安全管理信息集成平臺,形成BIM+安全管控的4D模擬模式,以提高項目的信息化建設(shè)。

3)聚類#4風(fēng)險評估、聚類#6風(fēng)險評價。風(fēng)險不單單來源于地質(zhì)環(huán)境、機械等因素,現(xiàn)階段的風(fēng)險評估還將社會因素作為重點,主要是“人”的因素:工程的實施主體是人,人為差錯會產(chǎn)生管理漏洞,導(dǎo)致在風(fēng)險決策上產(chǎn)生偏差,引發(fā)工程風(fēng)險;其次建設(shè)各方是以利益為共同體的團隊,開發(fā)商需要控制投資,設(shè)計方要在控制投資的前提下預(yù)留最多的安全余量,施工方要節(jié)省成本,以上因素也加劇了工程風(fēng)險。

2009年,許朝陽等[18]綜合施工動態(tài)變化和人為差錯失效模式,結(jié)合模糊綜合評判法,建立動態(tài)風(fēng)險分析體系,提出風(fēng)險分析中最急需的是建立工程人為因素數(shù)據(jù)庫;2012年,張姣[19]通過優(yōu)化盧克模型,研究深基坑工程的人因失效概率方法,建立以工序為層級的人為差錯模型,并研究每個差錯導(dǎo)致工程失效的概率,使得風(fēng)險評價結(jié)果更準(zhǔn)確;2017年,孫開暢等[20]提出動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)人為因素風(fēng)險評價模型,對人為因素進行定量分析,從而達到有效控制事故發(fā)生的目的;2019年,王曉彥等[21]對PPP項目各利益相關(guān)者的利益訴求和沖突進行博弈分析,認(rèn)為厘清不同利益主體之間的關(guān)系可以有效管控PPP項目風(fēng)險,建立合理的利益分配和風(fēng)險分擔(dān)機制,有利于激發(fā)利益主體的活力。

4)聚類#5控制措施。深基坑工程的風(fēng)險控制措施,一定程度上基于工程風(fēng)險分析和風(fēng)險管理的方法。目前研究者關(guān)注的主要風(fēng)險類型分為社會風(fēng)險、政治風(fēng)險和現(xiàn)場風(fēng)險:社會風(fēng)險研究主要針對社會風(fēng)險與利益相關(guān)者之間的關(guān)系;政治風(fēng)險主要包括政策對不同類型項目的影響;現(xiàn)場風(fēng)險則側(cè)重環(huán)境、人因、管理等因素。此外,建筑領(lǐng)域融入信息化技術(shù),使參建各方信息協(xié)同與交互模式發(fā)生根本性的變革,隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WebGIS技術(shù),利用開源Cesium三維可視化引擎以及開源PostgreSQL數(shù)據(jù)庫,研發(fā)出三維深基坑實時監(jiān)測平臺并成功應(yīng)用于工程實際,實現(xiàn)了三維可視化和在線監(jiān)測功能,便于項目管理各方對工程整體的把控。

5)聚類#12動態(tài)設(shè)計。動態(tài)設(shè)計理念在巖土工程中具有重要作用,其在巖溶基坑、軟土基坑中的研究較為深入。2000年,范益群等[22]將工程控制論與軟土基坑時空效應(yīng)理論相結(jié)合,提出以時空效應(yīng)理論為基石的軟土深基坑工程現(xiàn)代設(shè)計理念;2017年,黃俊光等[23]結(jié)合溶巖地區(qū)基坑支護工程,進行信息化的動態(tài)設(shè)計,在基坑支護選型、支護樁嵌固等方面取得重大突破。

4.2 高頻關(guān)鍵詞時序分析

借助CiteSpace軟件中的時間線(Timeline)視圖也可了解該領(lǐng)域的研究關(guān)系、發(fā)展歷程及演化情況。本文繪制的2000—2021年關(guān)鍵詞時間線圖譜見圖4?；臃€(wěn)定性作為深基坑風(fēng)險研究開展最早的內(nèi)容,是一項基礎(chǔ)性研究。從2000—2013年,多數(shù)研究是從工程實體的結(jié)構(gòu)展開的,傾向于數(shù)值分析。近3年的研究以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的多元信息化為主,并融合BIM、VR、RFID等可視化信息管理手段,綜合提高深基坑風(fēng)險管理及預(yù)警預(yù)報時效。

圖4 關(guān)鍵詞時間線圖譜

5 結(jié)論與展望

綜上所述,在深基坑安全風(fēng)險管理研究領(lǐng)域,研究者從不同角度,運用不同的模型及算法,建立了科學(xué)的理論體系。隨著國家政策的逐步完善、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,新發(fā)展理念對建筑行業(yè)提出更高要求,從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型到數(shù)字化賦能,同時融入更多的人本理念,而基坑工程作為建筑施工的起始階段,在規(guī)避風(fēng)險、提升管控能力上值得持續(xù)研究。同時,該領(lǐng)域的未來研究方向應(yīng)側(cè)重以下3點:

1)風(fēng)險評價體系中除考慮施工現(xiàn)場環(huán)境、機械、材料、工序的不安全狀態(tài)影響外,還應(yīng)充分考慮人的不安全行為等因素,并賦予相關(guān)權(quán)重,建立更加全面的指標(biāo)評價體系。

2)出于各參建方獲利考慮,應(yīng)深入研究風(fēng)險分擔(dān)、措施保障與收益之間的博弈關(guān)系,由不想為而為之轉(zhuǎn)變成積極應(yīng)對,提高風(fēng)險防控意識。

3)基于地區(qū)范圍內(nèi)在建工程的信息庫,對復(fù)雜地質(zhì)、復(fù)雜工序的重點項目進行重點監(jiān)管,可適當(dāng)接入實時影像資料,用于政府相關(guān)管理部門的分級分類監(jiān)管,同時放開各參建單位的訪問權(quán)限,以便于項目各方參考學(xué)習(xí)。