基于模糊熵理論的地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)研究

鄧甫安 賀 建

(1.四川大學(xué)規(guī)劃建設(shè)處，四川 成都 610065; 2.重慶文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

基于模糊熵理論的地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)研究

鄧甫安1賀 建2

(1.四川大學(xué)規(guī)劃建設(shè)處，四川 成都 610065; 2.重慶文理學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

通過對(duì)地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)分析，建立了包含六種基本事故類型的地鐵車站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)因素框架體系。引入模糊熵理論計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，建立了地鐵車站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并以天津凌賓路地鐵車站基坑工程施工為例，對(duì)基坑風(fēng)險(xiǎn)因素框架體系及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

地鐵車站,基坑施工,風(fēng)險(xiǎn),模糊熵理論

1 概述

隨著城市現(xiàn)代化快速發(fā)展，城市交通問題日益突顯。為方便人們出行，近年來，地鐵在我國各大主要城市正大力投入建設(shè)；但地鐵建設(shè)面臨的復(fù)雜地下環(huán)境，眾多的不確定因素導(dǎo)致地鐵施工過程存在大量的潛在風(fēng)險(xiǎn)；因此，做好地鐵施工的風(fēng)險(xiǎn)管理至關(guān)重要。

目前針對(duì)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管理的方法主要有AHP、物元模型、敏感性分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，如楊開彪[1]提出了深基坑風(fēng)險(xiǎn)的集中度分析方法；周紅波[2]提出了深基坑風(fēng)險(xiǎn)分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模糊綜合評(píng)估方法；潘海澤[3]提出了地鐵車站深基坑施工的突變級(jí)數(shù)分析方法；這些方法都很好地進(jìn)行了地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的分析，但分析過程都偏復(fù)雜且主觀性偏大；基于此，本文引入結(jié)合熵信息理論的模糊熵理論，通過深入分析地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)因素，建立地鐵車站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再運(yùn)用隸屬度計(jì)算各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，降低計(jì)算過程的主觀性，從而建立出地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

2 基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程的構(gòu)建

2.1基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素的確定

引起地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的因素眾多，為建立科學(xué)合理、系統(tǒng)完善的地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過地鐵施工事故的統(tǒng)計(jì)分析，得到主要的施工風(fēng)險(xiǎn)因素，再采用工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)和風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)(RBS)的耦合方法，結(jié)合地鐵建設(shè)相關(guān)專家的建議，得到每個(gè)地鐵基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)類型的底層事故原因，從而建立了如圖1所示的基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)因素框架體系[4-6]。

2.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集的構(gòu)建

通過對(duì)基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)因素進(jìn)行模糊集合，從而建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集。不管各風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的可能性大小以及事故后果的嚴(yán)重性程度，均會(huì)對(duì)基坑施工造成影響。因此，本文將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為嚴(yán)重Ⅴ、較嚴(yán)重Ⅳ、中等Ⅲ、較輕Ⅱ、輕微Ⅰ五個(gè)等級(jí)。

2.3基于模糊熵理論指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

指標(biāo)權(quán)重的大小直接反映了其造成地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，因此需要對(duì)1級(jí)指標(biāo)、2級(jí)指標(biāo)、3級(jí)指標(biāo)以及4級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定[7,8]。

1)專家根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集得出等級(jí)隸屬度矩陣，再歸一化處理評(píng)價(jià)矩陣，如式(1)：

(1)

2)基于熵理論，各級(jí)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的方法是相同的，但是等級(jí)隸屬度的歸一化處理中有所不同，3級(jí)指標(biāo)與2級(jí)指標(biāo)的歸一化處理分別見式(2),式(3)，1級(jí)指標(biāo)與2級(jí)指標(biāo)歸一化處理公式一致。

(2)

(3)

3)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定：a.在數(shù)據(jù)歸一化處理的基礎(chǔ)上，計(jì)算信息熵Hij，如式(4)；b.由信息熵計(jì)算輸出熵Eij，如式(5)；c.根據(jù)輸出熵最大時(shí)，此因素對(duì)系統(tǒng)評(píng)估的貢獻(xiàn)最小，計(jì)算出差異度Gij，如式(6)；d.對(duì)差異度進(jìn)行歸一化處理得出權(quán)重wij，如式(7)。

(4)

(5)

Gij=1-Eij

(6)

(7)

4)計(jì)算基坑施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)A:

A=W·R

(8)

3 地鐵車站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)案例分析

3.1工程概況

凌賓路站為地下2層車站，車站基坑開挖深度16.9 m，端頭井基坑開挖深度19.3 m，主體結(jié)構(gòu)長153.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬37.6 m。地下連續(xù)墻埋深最大33.2 m，工程基坑深度約為16.9 m～19.3 m，基礎(chǔ)位于地下水位以下，根據(jù)專家評(píng)分得到基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)初始評(píng)價(jià)表，見表1。

表1 基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)初始評(píng)價(jià)表

3.2指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

依據(jù)模糊熵理論計(jì)算公式對(duì)初始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)指標(biāo)的隸屬度(見表2)。

3.3凌賓路站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由式(8)計(jì)算可得，凌賓路站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)向量為：

A=(0.214 7 0.307 9 0.286 2 0.166 8 0.024 4)。

3.4凌賓路站基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分析

1)由A值可以看出，凌賓路站基坑工程施工總的風(fēng)險(xiǎn)是Ⅱ級(jí)，施工為輕微風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生施工事故風(fēng)險(xiǎn)的概率以及損失都較小，因此本地鐵車站基坑工程施工整體不需要投入太大的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。

2)從一級(jí)指標(biāo)的隸屬度可以看出，滲流破壞風(fēng)險(xiǎn)是Ⅲ級(jí)，即一般風(fēng)險(xiǎn)；支撐失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)是Ⅱ級(jí)，即較輕風(fēng)險(xiǎn)；坑內(nèi)土體滑坡Ⅲ級(jí)，即一般風(fēng)險(xiǎn)；踢腳破壞Ⅳ級(jí)，即較嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；突涌破壞Ⅲ級(jí)，即較輕風(fēng)險(xiǎn)；機(jī)械傷人Ⅰ級(jí)，即輕微風(fēng)險(xiǎn)；其中滲流破壞、坑內(nèi)土體滑坡以及突涌破壞風(fēng)險(xiǎn)中最高風(fēng)險(xiǎn)均為降水不到位，處于Ⅳ級(jí)，即較嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；踢腳破壞風(fēng)險(xiǎn)中最高風(fēng)險(xiǎn)為地下連續(xù)墻插入深度不夠，處于Ⅳ級(jí)，即較嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；這說明在該地鐵車站基坑風(fēng)險(xiǎn)施工過程中應(yīng)主要注意降水不到位、地下連續(xù)墻插入深度不夠兩大主要風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

1)從六種基本事故類型出發(fā)，采用WBS與RBS耦合的方法對(duì)每種事故類型的形成原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為以后地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)研究提供了參考。

2)引入模糊熵理論對(duì)地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過熵信息計(jì)算各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，處理了地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的模糊關(guān)系，降低了主觀性，并簡化了權(quán)重計(jì)算過程，使得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之間形成了有機(jī)組合。

[1] 楊開彪,梁發(fā)云,殷晟泉.基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的深基坑風(fēng)險(xiǎn)集中度分析方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2012,28(5):128-134.

[2] 周紅波.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深基坑風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43(9):1473-1479.

[3] 潘海澤,賀 建,陳夢捷,等.基于突變級(jí)數(shù)法的地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2017,13(3):840-845.

[4] 陳夢捷,潘海澤.模糊熵理論在地鐵隧道滲漏水中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2016(S1):62-65.

[5] 周紅波,蔡來炳,高文杰.城市軌道交通車站基坑事故統(tǒng)計(jì)分析[J].工程地質(zhì)水文地質(zhì),2009(2):67-71.

[6] 周紅波,高文杰,蔡來炳,等.基于WBS-RBS的地鐵基坑故障樹風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析[J].巖土力學(xué),2009,30(9):2723-2726.

[7] 張 彥.基于多級(jí)模糊熵權(quán)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].信息與電腦(理論版)，2014(9):138.

[8] 趙廣金.基于熵理論的礦山企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管理水平研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(3):73-78.

Studyonconstructionriskofmetrostationfoundationpitbasedonfuzzyentropytheory

DengFu’an1HeJian2

(1.ThePlanning&ConstructionDepartmentofSichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.SchoolofArchitecturalEngineering,ChongqingAcademyofArtsandSciences,Chongqing402160,China)

Based on the risk analysis of metro station foundation pit construction, a risk factor framework system with six basic accident types is built. The fuzzy entropy theory is introduced to calculate the weight of each index, and the risk evaluation model is established. Taking Tianjin Lingbin Road subway station foundation pit engineering construction as an example, the foundation of risk factors and risk assessment framework model is verified.

subway station, foundation pit construction, risk, fuzzy entropy theory

U231.4

A

1009-6825(2017)26-0232-03

2017-07-01

鄧甫安(1965- )，男，高級(jí)工程師，一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師; 賀 建(1990- )，男，在讀碩士