川南山區(qū)公路深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例研究

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 資源勘查與土木工程系, 四川 樂山 614000)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)顯得越來越重要[1]。近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)現(xiàn)了較大發(fā)展，山區(qū)公路深基坑建設(shè)和施工技術(shù)有了進(jìn)一步的提高[2]。然而，因技術(shù)、管理、施工環(huán)境、基坑挖掘深度、施工強(qiáng)度等各方面原因，在深基坑施工時(shí)，有一些事故出現(xiàn)，這不但會(huì)給社會(huì)、國家造成損失，也會(huì)產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。

深基坑工程的重要性已經(jīng)受到了廣大相關(guān)工作者的關(guān)注[3]。在任何工程建設(shè)過程中，基坑建設(shè)都是基礎(chǔ)，它是否牢固，會(huì)直接影響整個(gè)工程的穩(wěn)定性[4]。而在施工過程中，施工地地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致工作難度增大，并且若施工區(qū)域存在軟土層、地下水等不利因素時(shí)，更可能發(fā)生滲透、突涌等破壞災(zāi)害[5]。因此，對(duì)施工地的基坑工程進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為必要，我們應(yīng)對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判、分析、處理，將施工安全性能提高，將施工時(shí)容易發(fā)生的事故盡量降低或杜絕，使整個(gè)施工過程安全可控，這對(duì)于保證施工質(zhì)量和人身安全有著重要意義[6-7]。 。故建立一套適合深基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)價(jià)體系就非常必要。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一門新興交叉邊緣學(xué)科，其研究已滲透到許多工程領(lǐng)域[8]。本文基于模糊層次分析法，對(duì)深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。

2 層次分析法及其權(quán)重確定

層次分析法(AHP)是通過充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論，依據(jù)目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系而提出的一種以層次權(quán)重決策的分析方法[9]。本文采用層次分析法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)影響因素權(quán)重的排序，即在其判斷矩陣模型中，通過各個(gè)層次因素之間的差異狀況，進(jìn)行上一層因素權(quán)值的差異排序[8]。單排序即對(duì)矩陣的特征根、特征向量進(jìn)行計(jì)算，判斷矩陣B滿足BW=λmaxW的特征向量、特征根，而矩陣B中所存在的最大特征根表現(xiàn)為λmax；λmax對(duì)于其所相互對(duì)應(yīng)的正軌化特征向量可以通過W表示；W可以直觀地反饋出評(píng)價(jià)因素的單排序權(quán)值。本研究采用方根法對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，表1為Satty標(biāo)準(zhǔn)衡量方法。

表1 Satty標(biāo)準(zhǔn)衡量方法Table 1 Satty standard measurement methodSatty標(biāo)度含義1通過將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較,其重要價(jià)值相同3通過將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較,其中的一個(gè)指標(biāo)相比于另一個(gè)指標(biāo)而言顯得稍微重要些5通過將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較,其中的一個(gè)指標(biāo)相比于另一個(gè)指標(biāo)而言具有明顯的重要性7通過將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較,其中的一個(gè)指標(biāo)相比于另一個(gè)指標(biāo)而言十分的重要9通過將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較,其中的一個(gè)指標(biāo)相比于另一個(gè)指標(biāo)而言具有極端重要性2,4,6,8通過上述的兩個(gè)相鄰指標(biāo)去判斷中間指標(biāo)值相應(yīng)的上述值的倒數(shù)指標(biāo)Ai和Aj比較獲得Aij,則Aj和Ai比較獲得Aji

表2 矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 2 Matrix average random consistency index階數(shù)RI階數(shù)RI10.0061.2520.0071.3330.6081.4240.9291.4651.13

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)(FCE)是把模糊數(shù)學(xué)技術(shù)真正地應(yīng)用到實(shí)際生活工作中一種模式，通過該方法可對(duì)多種因素的影響結(jié)果進(jìn)行全方面的評(píng)價(jià)分析[10]。

3.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法的基本步驟

3.1.1備擇集建立

備擇集是各個(gè)專家學(xué)者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)于項(xiàng)目工程中所存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行多種總的評(píng)判結(jié)果預(yù)估，從而所構(gòu)成的集合，也存在著：

V={V1，V2，…，Vm}

其中，各種可能總評(píng)價(jià)結(jié)果用Vi(i=1，2，…，m)表示。3.1.2項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素的選定

因素集是針對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象造成影響的各種因素組成的集合：U={U1，U2，…，Un}(k=1，2，…，n)，按屬性將其分成n個(gè)子集，U中包含的一級(jí)指標(biāo)數(shù)目用n表示；若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)集組成Uk，即U={Uk1，Uk2，…，Uknk}，Uk包含的二級(jí)指標(biāo)數(shù)目為nk。

3.1.3建立模糊關(guān)系矩陣

建立模糊關(guān)系矩陣，即從U到V的模糊關(guān)系R。通過Delphi法對(duì)各因素rij進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲取屬于第i(i=1，2，…，n)個(gè)評(píng)語Vi的程度rij，獲得模糊評(píng)估矩陣：

3.1.4確定相應(yīng)權(quán)重

各個(gè)模糊矩陣模型中存在多個(gè)影響風(fēng)險(xiǎn)程度的要素，每一個(gè)要素的影響程度存在差異，而此差異的來源主要由因素的權(quán)重值決定，因素集中每個(gè)影響因素其重要程度的差異情況共同構(gòu)成了權(quán)重值，對(duì)因素集中的各個(gè)因素ui(i=1，2，…，m)賦予相應(yīng)權(quán)數(shù)ai(i=1，2，…，m)，從而得到權(quán)重集A={a1，a2，…，am}。

3.1.5確定綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果通過模糊數(shù)學(xué)運(yùn)算方法進(jìn)行確定。采用M(·，⊕)算子確定評(píng)估項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的向量元素集，即B={b1，b2，…，bn}=K·R。其中K={K1，K2，…，Kn}表示其與之對(duì)應(yīng)的每一個(gè)Uk的權(quán)重向量。

3.1.6歸一化處理

3.2 確定指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，確定各因素評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)估關(guān)鍵。本文結(jié)合實(shí)際施工作業(yè)工程項(xiàng)目，通過咨詢多位專家學(xué)者意見，將該工程項(xiàng)目中風(fēng)險(xiǎn)程度分為四個(gè)級(jí)別，4級(jí)代表該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)十分大，3級(jí)表示風(fēng)險(xiǎn)較大，2級(jí)表示風(fēng)險(xiǎn)中等，1級(jí)表示風(fēng)險(xiǎn)小。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

本工程為川南某山區(qū)公路在建項(xiàng)目，該公路全長(zhǎng)240.38 km，工程所在區(qū)域地貌受構(gòu)造影響，山脈水系與構(gòu)造線近與一致，多呈南北向展布，區(qū)內(nèi)以中低山及中山為主，測(cè)區(qū)上元古界、古生界等底層均有出露，分布面積較大的有二迭系、白堊系、第四系等，沿線地形復(fù)雜，溝谷重多，整個(gè)施工作業(yè)工程由上而下進(jìn)行劃分，采用人工填砂技術(shù)，填充材質(zhì)為砂巖風(fēng)化土，厚度為0.35～0.45 m，殘積粘性土產(chǎn)生過程則相反，即混合變質(zhì)砂巖后通過風(fēng)化作用得到，按照其性質(zhì)分為塑、硬兩個(gè)亞層，基巖的巖性為混合變質(zhì)砂巖。

4.2 數(shù)據(jù)的獲取

在本文中以該基坑的施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)作為最終評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)打分表，分發(fā)給該行業(yè)領(lǐng)域的專家學(xué)者52名，最后收集有效打分表50份，回收率為96.15%。通過和打分成員多次溝通，對(duì)該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化，使之可以更加全面客觀地反映出該項(xiàng)目工程施工作業(yè)的安全評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.3 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重的確定

4.3.1建立基坑工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文結(jié)合法規(guī)、法律、文獻(xiàn)資料、調(diào)研數(shù)據(jù)，采用層次分析法，建立基坑工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。體系中一級(jí)指標(biāo)包含了工程項(xiàng)目組織和管理中所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)、施工作業(yè)工程周邊環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)、項(xiàng)目工程在施工中導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)因素、由于施工過程中技術(shù)不達(dá)標(biāo)所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平不足所存在的風(fēng)險(xiǎn)等5個(gè)因素，二級(jí)指標(biāo)共16個(gè)因素，具體見表3。

表3 基坑安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Safety risk assessment index of foundation pit一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)氣候氣象b11工程環(huán)境B1水文、地質(zhì)條件b12基坑特征b13作業(yè)環(huán)境b14施工人員管理b21組織與管理B2分包管理b22基坑安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系安全培訓(xùn)b23設(shè)計(jì)方案b31技術(shù)因素B3地質(zhì)勘查b32施工準(zhǔn)備b33支護(hù)作業(yè)b41施工作業(yè)B4降水、排水作業(yè)b42土方開挖、運(yùn)輸b43交叉作業(yè)b44現(xiàn)場(chǎng)管理B5施工設(shè)備、設(shè)施b51臨邊保護(hù)b52

4.3.2設(shè)計(jì)專家調(diào)查表

本文對(duì)收回的調(diào)查問卷中專家學(xué)者的打分情況進(jìn)行分析研究，而后根據(jù)各個(gè)指標(biāo)相應(yīng)得分情況求其加權(quán)平均，而后通過層次分析方法從而得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

a.第一層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算及分析。

表4為第一層各因素間相對(duì)重要性關(guān)系及權(quán)重。

表4 第一層各因素間相對(duì)重要性關(guān)系及權(quán)重表Table 4 Relative importance relations and weight tables among the first level factorsB1B2B3B4B5uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)B117235841.23.0830.3762.0581.095B21/711/51/51/30.000.2820.1350.8211.216B31/2612591.012.1280.1660.8120.978B41/351/2135.0021.3190.1580.9931.267B51/531/51/310.0210.5320.1650.4080.495

由表4可知：

1.267+0.495=5.051;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(5.051-5)/ (5-1)=0.013。

由表查得R.I.為1.13，計(jì)算：C.R.=C.I./R.I.=0.013/1.13=0.011<0.1，通過計(jì)算，可得出以下結(jié)果，其第一層指標(biāo)權(quán)重滿足一次性檢驗(yàn)結(jié)果。

b.第二層各個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性及其權(quán)重值。

表5為工程環(huán)境各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重。

表5 工程環(huán)境各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表Table 5 Relative importance and weight tables among indicators of engineering environmentb11b12b13b14uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b1111/41/320.1690.6600.1240.4971.002b12412648.022.6430.4952.0271.024b1331/2157.5011.6660.3171.2761.006b141/21/61/510.0180.3700.0640.2851.113

由表5可知：

1.113=4.145;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(4.145-4)/ (4-1)=0.048。

由查表得R.I.的為0.92，計(jì)算：C.R.=C.I./R.I.=0.048/0.92=0.053<0.1，通過計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)滿足一次性檢驗(yàn)結(jié)果。

表6為組織與管理各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表。由表6可知：

表6 組織與管理各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表Table 6 Relative importance and weight tables between organizational and management indicatorsb21b22b23uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b211326.0111.8280.5251.6351.038b221/311/20.1780.5610.1700.5030.986b231/2211.0021.0120.2950.9051.023

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(3.047-3)/ (3-1)=0.024。

由查表得R.I.為 0.60，計(jì)算：C.R.=C.I./R.I.=0.024/0.60=0.004<0.1，因此，滿足一次性檢驗(yàn)。

表7為技術(shù)因素各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重。

由表7可知：

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(3.047-3)/ (3-1)=0.024。

表7 技術(shù)因素各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表Table 7 Relative importance and weight tables among indicators of technical factorsb31b32b33uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b311236.0121.8280.5381.6351.011b321/2121.0051.0110.3000.9051.001b331/31/210.1690.5610.1620.5031.035

由查表得R.I.為0.60，計(jì)算：C.R.=C.I./R.I.=0.024/0.60=0.004<0.1，因此，滿足一次性檢驗(yàn)。

表8為施工作業(yè)各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重。

由表可知：

1.070=4.192;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(4.192-4)/ (4-1)=0.064。

由查表得R.I.為0.92，計(jì)算：C.R.=C.I./R.I.=0.064/0.92=0.070<0.1，因此，滿足一次性檢驗(yàn)。

表8 施工作業(yè)各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表Table 8 Relative importance and weight tables among indicators of construction workb41b42b43b44uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b41135345.122.6010.5072.1491.060b421/31434.0101.4250.2801.1761.050b431/51/411/20.0270.4090.0810.3281.012b441/31/3210.2330.6980.1320.5651.070

表9為現(xiàn)場(chǎng)管理各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重。由表9知，滿足一次性檢驗(yàn)。

表9 現(xiàn)場(chǎng)管理各指標(biāo)間相對(duì)重要性及權(quán)重表Table 9 Relative importance and weight tables among in-dicators of field managementb51b52uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b5111/20.1360.5120.3650.4230.597b52210.6780.8860.6350.7310.576

c.而后根據(jù)所排列的指標(biāo)層權(quán)重向量，對(duì)影響風(fēng)險(xiǎn)因素按照其大小進(jìn)行排序，表10為風(fēng)險(xiǎn)因素排序。

表10 風(fēng)險(xiǎn)因素排序Table 10 Ranking of risk factors指標(biāo)代號(hào)總排序權(quán)重/總排序 指標(biāo)代號(hào)總排序權(quán)重/總排序 指標(biāo)代號(hào)總排序權(quán)重/總排序b110.057/6b230.021/15b430.024/14b120.199/1b310.152/2b440.033/11b130.129/3b320.089/5b520.026/13b140.037/10b330.054/8b530.051/9b210.029/12b410.093/4b220.016/16b420.056/7

4.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定

4.4.1確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素集和評(píng)判集

本文所確定的評(píng)估因素集合為U={U1，U2，

U3，U4，U5，U6}，其中對(duì)于施工作業(yè)工程環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)用U1表示；組織和管理過程中所產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)用U2表示；其技術(shù)因素的風(fēng)險(xiǎn)用U3表示；施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)用U4表示；現(xiàn)場(chǎng)管理風(fēng)險(xiǎn)用U5表示。使用模糊綜合分析評(píng)估方式最終確定本文中深基坑施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，從而創(chuàng)建公式(1)中所表達(dá)的評(píng)判集：

V={V1，V2，V3，V4}

(1)

式中:風(fēng)險(xiǎn)較小的用V1表示，進(jìn)行依次疊加類推，風(fēng)險(xiǎn)程度最為嚴(yán)重的可以用V4進(jìn)行表達(dá)。

4.4.2模糊綜合評(píng)價(jià)

表11為收集的50名基坑工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)打分表。

表11 各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)表Table 11 Risk level assessment tables for indicators評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)得分 評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)得分氣候氣象2地質(zhì)勘查3水文、地質(zhì)條件3施工準(zhǔn)備3基坑特征2支護(hù)作業(yè)3作業(yè)環(huán)境3土方開挖、運(yùn)輸2作業(yè)人員管理2交叉作業(yè)2分包管理1施工設(shè)備、設(shè)施2安全培訓(xùn)1臨邊保護(hù)3設(shè)計(jì)方案2降水、排水作業(yè)3

根據(jù)各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及權(quán)重得分，對(duì)上一層次一級(jí)指標(biāo)來進(jìn)行分析評(píng)估，從而針對(duì)于安全工程項(xiàng)目的等級(jí)進(jìn)行劃分。

工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分為：

5 結(jié)論

本文以川南某山區(qū)公路在建項(xiàng)目為研究對(duì)象，基于模糊層次分析法，對(duì)深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估并作分析研究，最終得到以下的結(jié)論：

a.基于模糊層次分析方法為背景，構(gòu)建深基坑項(xiàng)目作業(yè)施工安全性能指標(biāo)并進(jìn)行管理評(píng)估，其中一級(jí)指標(biāo)包含5個(gè)因素，二級(jí)指標(biāo)共16個(gè)。

b.通過邀請(qǐng)相關(guān)專家進(jìn)行打分，獲得評(píng)估數(shù)值，運(yùn)用德爾菲法、層次分析法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定；采用模糊綜合評(píng)價(jià)法確定項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

c.研究分析結(jié)果顯示，本文研究中深基坑的安全評(píng)價(jià)等級(jí)為V3，風(fēng)險(xiǎn)程度較大，風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)排序?yàn)椋含F(xiàn)場(chǎng)管理風(fēng)險(xiǎn)>施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)>工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。