基于AHP和熵權(quán)法的地鐵車站深基坑施工安全評價

張　棟，莊其建，賴理文

（中國地質(zhì)大學工程學院，湖北 武漢 430074）

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基于AHP和熵權(quán)法的地鐵車站深基坑施工安全評價

張棟，莊其建，賴理文

（中國地質(zhì)大學工程學院，湖北 武漢 430074）

摘要：為準確了解地鐵車站深基坑施工安全狀況，文章系統(tǒng)考慮人、設(shè)備、環(huán)境、管理以及工程等影響深基坑施工的安全因素，建立地鐵車站深基坑施工安全評價指標體系。綜合使用層次分析法和熵權(quán)法確定權(quán)重，建立安全性評判模型，評價施工安全等級；最后利用反饋回的數(shù)據(jù)對施工現(xiàn)場安全性進行評價，驗證了模型的適用性和科學性，同時表明熵權(quán)法在一定的情況下也可用于單一評價對象的權(quán)重計算。

關(guān)鍵詞：地鐵；深基坑；施工安全；層次分析法；熵權(quán)法

1　概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化進程的推進，地鐵建設(shè)已成為城市建設(shè)的主旋律，截至到2014年，我國已有20個城市地鐵正在運營當中，總計里程1 000多公里。然而在地鐵如火如荼的建設(shè)中，各種安全事故頻發(fā)，特別是在地鐵車站基坑修建過程中，坍塌、水害等事故容易發(fā)生。

目前針對地鐵車站深基坑的風險研究集中在基坑穩(wěn)定性、事故統(tǒng)計分析以及風險管理方面。楊慶年［1］運用FLAC3D模擬并結(jié)合實測值分析了武漢中山公園站、積玉橋站等基坑開挖引起的包括圍護結(jié)構(gòu)撓曲變形、基坑地層位移和坑底隆起3個方面的變形規(guī)律；周傳波運用有限元、遺傳算法以及MATLAB等研究手段以武漢地鐵積玉橋站基坑為背景對地鐵深基坑支護參數(shù)進行優(yōu)化；王坤［2］研究了天津地區(qū)地下水對深基坑施工帶來的浮托、管涌、流土等危害，并用COMSOL Multphysics軟件以天津地鐵2號線青年路站基坑為例計算了降水帶來的孔隙率和沉降變化；龍小梅［3］運用FTA方法對基坑開挖排樁支護體系等多種結(jié)構(gòu)體系進行安全評價，并運用實例證明評價的有效性；周志鵬等［4］在統(tǒng)計了126起地鐵施工事故基礎(chǔ)之上分析了坍塌事故的機理，并基于杭州地鐵坍塌事故實例，在人、環(huán)境、材料、設(shè)備4個方面提出坍塌事故預防措施；毛星［5］分析了148例深基坑坍塌資料，在此基礎(chǔ)上建立了深基坑坍塌事故預測模型；鄭永偉［6］、黃銀虎［7］、周光輝［8］、任振［9］、李立［10］等人分別從不同的角度對地鐵車站施工風險進行了研究。地鐵深基坑車站施工是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及到人、設(shè)備、材料、環(huán)境、管理等諸多方面，而上述研究缺乏從安全角度對施工安全進行綜合評價。本文采用主觀賦權(quán)法里面的層次分析法和客觀賦權(quán)法里面的熵權(quán)法分別賦權(quán)［11］，然后按照一定關(guān)聯(lián)將其融合為新的權(quán)重值，以提高地鐵車站深基坑施工安全評價結(jié)果的全面性和科學性。

2　基于評價模型的安全性級別評價模型

目前，在評價指標賦權(quán)中運用較多的有層次分析法、統(tǒng)計平均法、熵權(quán)法、集值統(tǒng)計法，這些方法要么主觀性較強、忽略因素間的聯(lián)系［12］，要么太客觀、忽視專家寶貴經(jīng)驗。層次分析法計算簡便、結(jié)果明確，將對象看為一個系統(tǒng)進行分解、比較判斷，是一種廣泛運用的系統(tǒng)分析工具，但是在給出判斷矩陣中，人的主觀因素影響較大。熵權(quán)法是根據(jù)指標的變異程度來確定指標權(quán)重，變異程度越大，權(quán)重越大，反之亦然，是一種客觀的賦權(quán)方法，能夠避免人為因素干擾，但由于其嚴格的遵循數(shù)學規(guī)律，往往忽略決策者的主觀意圖。因此本文綜合考慮兩種方法的優(yōu)缺點，將二者結(jié)合使用確定最終權(quán)重。

2.1安全性矩陣

對于研究樣本的m個指標Ii（i=1，2，3，…，m），每個指標的分類標準已知，根據(jù)標準對指標進行安全性分割，設(shè)F=（Y1，Y2，…，Yk）為安全性分割的標準，且滿足Y1≤Y2≤…≤Yk，則安全性矩陣如下：

2.2層次分析法

（1）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

層次結(jié)構(gòu)模型的建立是層次分析的第一步，在構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型時要遵循科學性和合理性原則。地鐵車站深基坑施工中，影響施工安全的影響因素很多，涉及到人、機、環(huán)、管理等方面［2］。通過參考文獻資料和現(xiàn)場實地考察，既考慮深基坑工程固有的工程因素和環(huán)境因素，又綜合考慮勘察、設(shè)計、監(jiān)理業(yè)主等方面因素，構(gòu)建的地鐵深基坑施工層次結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1　地鐵車站深基坑施工安全性評價層次結(jié)構(gòu)

在層次結(jié)構(gòu)體系中，指標X11主要考察勘察和設(shè)計方的資質(zhì)、勘察方法是否規(guī)范仔細，設(shè)計是否合理等；指標X12主要考察施工方資質(zhì)、招投標是否規(guī)范，施工人員是否具備相應素質(zhì)等；指標X13主要考察業(yè)主項目立項、審查、組織管理和協(xié)調(diào)是否規(guī)范，責任是否履行到位；指標X14主要考察監(jiān)理方資質(zhì)、監(jiān)理人員素質(zhì)，監(jiān)理責任是否落實。在地鐵車站深基坑施工中，涉及到的設(shè)備因素較少，因此在設(shè)備因素中只選設(shè)備適用性X21和設(shè)備可用性X22兩個指標，設(shè)備的適用性是考察設(shè)備是否會對周圍環(huán)境造成不良影響，設(shè)備的可用性是考察設(shè)備是否供應及時、是否定期檢查。指標X31是考察基坑周圍的建筑、道路、管線的復雜性，是否下穿既有線、橋梁及程度等；指標X32主要是考察軟土層厚度以及不良地層；指標X33考察地下水頭高度對基坑開挖的影響；指標X34主要是考察現(xiàn)場光照、噪聲、降雨等對施工安全的影響。指標X41主要考慮圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系的類型和材質(zhì)；指標X42主要考慮施工工藝的合理性和科學性；指標X43考察基坑深度，基坑越深，施工越難，在一定情況下，發(fā)生事故概率越大，后果更嚴重；指標X51主要考慮安全管理制度的健全性，安全人員的配備比例等；指標X52主要考慮監(jiān)測方資質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備的精確度及監(jiān)測頻率等；指標X53主要考察應急物資的儲備和應急預案的科學性和應急演練等。

（2）構(gòu)建判斷矩陣

在決策者看來，準則層中指標的重要性不一定相同，各指標進行對比之后，對相對權(quán)重值應用1~9及其倒數(shù)來構(gòu)造成判斷矩陣：1表示同等重要，3表示稍微重要，5表示明顯重要，7表示強烈重要，9表示極端重要，2，4，6，8表示重要程度處于相鄰狀態(tài)。判斷矩陣見式（2）。

式中

（3）權(quán)重計算

在層次分析法中權(quán)重計算通常有幾何平均法、最小二乘法、算數(shù)平均法、特征向量法4種，本文采用幾何平均法，計算步驟如下：

①將判斷矩陣中每行元素相乘得一新向量L= （l1，l2，…li，…，ln），其中

②計算新向量每一分量li的n次方根，

③對向量進行歸一化處理即為權(quán)重向量，

（4）一致性檢驗

為評價判斷矩陣的有效性需對其進行一致性檢驗。利用CR公式檢驗一致性，步驟如下：

表1　隨機一致性指標

假設(shè)層次結(jié)構(gòu)P層含n有個因素Pi（i=1，2，…，n），這n個因素相對于上一層的權(quán)重為bi（i=1，2，…，n），對于下一層的一致性指標為CIi，相應的平均隨機一致性指標為RIi，則P層總排序一致性比例

2.3熵權(quán)法

設(shè)xij（i=1，2，…，n；j=1，2，…m）為第i個樣品的第 j個指標的觀測值，構(gòu)成指標的樣本數(shù)據(jù)矩陣X=（xij）n×m，指標權(quán)重確定步驟如下：

（1）將觀測值進行歸一化處理，歸一化矩陣如下

式中：xjmax，xjmin分別為指標 j（j=1，2，…，m）下不同樣品觀測值的最滿意值和最不滿意值。

（3）熵權(quán)確定

第j個指標的權(quán)重

2.4組合權(quán)重計算

式中：λ為主觀系數(shù)，取值為0~1，由實際情況確定。

2.5安全性測度

對于觀測值xij，其安全性測度vijk=v，建立樣本i 安全性測度矩陣V=（xijt）n×k。對于式（1）中，假設(shè)fi1≤fi2≤…≤fik，任意觀測值的安全性測度［12］如下：

2.6安全性評價

對于樣本i的安全性由式（12）確定

3　實例計算

3.1構(gòu)建判斷矩陣

某在建深基坑工程采用明挖法分段開挖，設(shè)計深度25.7 m，圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，支撐結(jié)構(gòu)為混凝土支撐與鋼支撐結(jié)合使用?；游挥谑兄行模車h(huán)境復雜，上方有兩道高架橋，周圍有大型商場和高層建筑；水位埋深1.10~4.60 m。

令Y1=（安全性低），Y2=（安全性一般），Y3=（安全性高），根據(jù)式（1）構(gòu)建安全性矩陣。

各指標和比重方式取值是向施工項目部管理（G）、監(jiān)理（J）、監(jiān)測（M）和施工人員（C）發(fā)送問卷及向參與項目的高校師生（T、P）現(xiàn)場咨詢。問卷發(fā)送18份，有效問卷13份，咨詢師生2名。綜合之后各指標取值見表2。

各指標的判斷矩陣如下：

3.2運用層次分析法確定指標權(quán)重

判斷矩陣權(quán)重見表3。

由CR值可看出各判斷矩陣都通過了一致性檢驗，根據(jù)式（6）得綜合一致性比例CR=0.000 65 ＜0.10，層次總排序滿足一致性要求。指標的綜合權(quán)重見表4。

表2　施工安全性專家評分表

表3　判斷矩陣權(quán)重

3.3運用熵權(quán)法確定指標權(quán)重

在一般情況下，熵權(quán)法是運用在多個對象評價中，利用不同對象相同指標的差異來確定權(quán)重。在本次評價中，評價對象只有一個，但指標賦值是來自與工程相關(guān)人員，可以將這些人員看成都屬于基坑施工系統(tǒng)內(nèi)，他們對地鐵車站基坑施工安全影響以及對當前施工中不同指標的安全性有一定的差異，側(cè)重點有所不同，比如在土層特性、開挖深度、安全管理以及應急管理等三個指標上，老師和學生給的評價要比其他人員低，原因可能是因為其他人員有地鐵施工經(jīng)驗，對地質(zhì)環(huán)境和開挖深度不如師生敏感，同時師生對安全管理和應急管理要求較高；在現(xiàn)場因素上施工人員給的評價要比其他人低，說明施工人員比較在意現(xiàn)場光照、噪聲等因素對他們安全的影響。

表4　綜合權(quán)重

根據(jù)式（6）（7）（8）計算得到的各指標權(quán)重β= （0.035 3，0.030 6，0.054 4，0.047 2，0.056 4，0.042 8，0.103 3，0.098 5，0.099 8，0.054 4，0.043 7，0.078 9，0.045 3，0.056 8 ，0.098 4，0.054 2）。

3.4組合權(quán)重的計算

根據(jù)式（10）計算得組合權(quán)重，征詢相關(guān)專家意見λ取0.6，得W=（0.041 5，0.040 9，0.036 1，0.031 8，0.040 0，0.030 8，0.099 8，0.085 1，0.085 6，0.033 4，0.073 3，0.072 7，0.072 4，0.086 5，0.101 4，0.068 7）。將3個權(quán)重進行比較，結(jié)果見表5。

從表中可以看出層次分析法和熵權(quán)法兩種方法所確定的權(quán)重有較大的差別，說明層次分析法的主觀性和熵權(quán)法的客觀性發(fā)揮了作用。在組合權(quán)重中，監(jiān)測、周圍環(huán)境、安全管理、支護體系、施工工藝、開挖深度等重要性較高，說明在地鐵車站深基坑施工中，最重要地是通過監(jiān)測反饋基坑的真實狀態(tài)，實時掌握基坑穩(wěn)定性及周圍環(huán)境的變形信息，并及時發(fā)布預警信息，從而提前做好預防措施，避免基坑坍塌、建筑物變形過大、管線泄漏等惡性事故發(fā)生；周圍環(huán)境的復雜性很大程度上決定了基坑變形控制的嚴格性，對基坑安全施工影響較大；同時要做好安全管理工作，規(guī)范人的行為，杜絕施工中物的不安全狀態(tài)，從而消除事故隱患。在組合權(quán)重中，勘察設(shè)計方和施工方重要性大體相同，在基坑施工中，勘察的精確性、設(shè)計的合理性是基坑工程施工的基礎(chǔ)，施工方案的科學性和施工組織的協(xié)調(diào)性是安全施工的前提，因此勘察設(shè)計方和施工方對施工安全來說都很重要。以上重要性結(jié)果與實際情況基本符合，從而證明了組合權(quán)重方法的全面性和科學性。

表5　3種權(quán)重對比表

3.5指標安全性測度確定

將15名人員打分情況進行算數(shù)平均處理，然后依據(jù)安全性矩陣F中的標準值，通過式（11）計算各指標的安全性測度，由于篇幅原因，不列出計算結(jié)果。

3.6安全性判定

根據(jù)式（12），該基坑施工安全性S=WV= （0.269 7，0.207 5，0.522 8），即屬于安全性差的概率為0.269 7，屬于安全性一般的概率為0.207 5，屬于安全性高的概率為0.522 8。綜上該基坑整體的安全性較高，但由于該基坑周邊環(huán)境復雜、軟土層較厚、水位埋深淺、基坑開挖深度深等固有危險性較高，所以在施工中要特別注意采取有效的防范措施控制固有危險。

4　結(jié)論

地鐵車站基坑施工安全性評判是對基坑施工安全系統(tǒng)性的評判，評價結(jié)果對當前施工情況有一個整體性了解，為工程管理人員的安全決策提供支持。本文通過將層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合使用確定指標權(quán)重，既考慮到?jīng)Q策者的主觀傾向，又遵循數(shù)據(jù)的客觀性，使權(quán)重的確定更加科學性，使評價結(jié)果更具全面性和準確性。在熵權(quán)法確定權(quán)重過程中，考慮到評價人員都參與到該項目中，他們對系統(tǒng)的安全性看法有一定差異，側(cè)重點不同，因此將不同評價人員的評價當做樣本，實現(xiàn)了熵權(quán)法在單個評價對象中應用。

參考文獻

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Safety Evaluation for Deep Foundation Pit Construction in Metro Station Based on AHP-Entropy Method

Zhang Dong， Zhuang Qijian， Lai Liwen
（Faculty of Engeering， China University of Geoscience， Wuhan 430074， China）

Abstract:To understand the safety situation of deep foundation pit construction in metro station， the evaluation index system is established based on systematic considerations of safety factors， such as people， devices， environment， management and engineering factors. The weight of evaluation index is calculated by use of AHP and entropy method， then the safety evaluation model is established to determine the safety level of construction. Finally， the applicability and scientificity of the model are verified based on safety assessment of construction site. The results also show that entropy method can be used to calculate the weight of single evaluation object under certain circumstances.

Key words:metro； deep foundation pit； construction safety； AHP； entropy method

中圖分類號：U231+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0080–06

收稿日期：（2015-07-09）

作者簡介：張棟（1992-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為地鐵施工安全。