基于LEC-FAHP法的地鐵車站深基坑施工安全風(fēng)險評估

姚海星

山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，山西 太原 030031

0 引言

城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快，傳統(tǒng)的地面交通模式無法滿足交通量迅速增長的需求。地鐵是城市公共交通運(yùn)輸?shù)囊环N新興形式，是解決城市交通擁堵的主要方式。截至2019年初，我國大陸已有32個城市開通地鐵，太原等城市的地鐵也在緊張建設(shè)中。地鐵建設(shè)過程中，基坑開挖深度大，一般在10 m以上（超過5 m為深基坑），有的甚至超過35 m，開挖過程中需清理大量土體，對土體結(jié)構(gòu)是卸載過程，其原平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生較大剪應(yīng)力。隨著開挖深度的不斷增加，剪應(yīng)力越來越大，一旦超過土體抗剪強(qiáng)度，邊坡將失穩(wěn)坍塌［1-2］?；娱_挖過程中可能涉及較厚砂性土層、承壓水層等的安全問題，產(chǎn)生各種巖土力學(xué)現(xiàn)象，如周圍建筑墻體開裂、路面塌陷、市政管網(wǎng)斷裂等。對地鐵車站深基坑進(jìn)行風(fēng)險評估研究，通過風(fēng)險識別—分析評價—風(fēng)險控制，降低風(fēng)險發(fā)生的概率。

目前國內(nèi)常用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、模糊分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等分析地鐵車站深基坑施工風(fēng)險。申建紅等［3］通過模糊集與證據(jù)理論（dempster-shder，D-S）相結(jié)合的風(fēng)險評價方法，分析不完全信息下的深基坑施工風(fēng)險程度。劉俊偉等［4］以鄭州軌道交通車站深基坑為例，根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論，評價深基坑施工風(fēng)險因素。程鴻群等［5］應(yīng)用工作分解結(jié)構(gòu)（work breakdown structure，WBS）-風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)（risk breakdown struckure，RBS）和 0-1 方法識別風(fēng)險因素，建立深基坑工程施工過程風(fēng)險評價指標(biāo)體系。孫敬秋等［6］提出風(fēng)險評價的指標(biāo)體系，將小波去噪特性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價特性相結(jié)合，構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對天津市地鐵6號線紅旗南路換乘站進(jìn)行風(fēng)險評價。

上述方法從不同角度分析評價地鐵深基坑的施工風(fēng)險，但深基坑施工風(fēng)險因素具有傳播性、模糊性、動態(tài)性，很難直觀準(zhǔn)確地描述工程安全狀態(tài)。為準(zhǔn)確得到風(fēng)險因素排序及事故等級，本研究采用定性分析和定量分析相結(jié)合的方法，以太原地鐵2號線H站基坑工程為例，運(yùn)用WBS-RBS法構(gòu)建地鐵深基坑施工風(fēng)險綜合評價指標(biāo)體系，并將模糊層次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）與作業(yè)條件危險性評價法（likelihood exposure consequence，LEC）相結(jié)合，建立風(fēng)險評價模型，計算風(fēng)險值排序及事故等級，明確安全事故預(yù)防重點(diǎn)，為地鐵深基坑施工風(fēng)險協(xié)調(diào)控制提供決策依據(jù)。

1 LEC-FAHP風(fēng)險評價模型

根據(jù)WBS法，將地鐵深基坑按測量—支護(hù)—降水—開挖—監(jiān)測階段進(jìn)行分解，結(jié)合RBS將深基坑面臨的風(fēng)險按人工、材料、機(jī)械、方法、環(huán)境分解到最基本的風(fēng)險事件，獲得風(fēng)險因素集U［7-10］。

FAHP法結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)，利用AHP計算各風(fēng)險因素的權(quán)重，通過模糊運(yùn)算綜合評估得到風(fēng)險概率等級，采用LEC計算各風(fēng)險損失，綜合評價風(fēng)險因素，得到各風(fēng)險因素綜合排序［11-14］。

1）確定風(fēng)險評價集

風(fēng)險評價集 V由各種風(fēng)險評價結(jié)果組成，V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，v1～v5分別表示深基坑施工安全風(fēng)險低（0 ～0.2］、較低（0.2～0.4］、中（0.4～0.6］、較高 （0.6～0.8］、高（0.8～1）。

2）構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

通過因素集U和評價集V之間存在的模糊關(guān)系建立模糊關(guān)系矩陣R。由多名專家組成風(fēng)險評估組，根據(jù)風(fēng)險評價集V評判每一個風(fēng)險因素Uij，確定其隸屬度rij。

3）確定權(quán)重

地鐵車站深基坑施工風(fēng)險具有隨機(jī)性和不確定性，采用AHP確定評價因素權(quán)重矩陣W=（w1，w2，…，wn）， ∑wi=1。

①采用1～9標(biāo)度法，將風(fēng)險因素的重要程度兩兩比較，得判斷矩陣C。②計算判斷矩陣C每一行元素的乘積求 Mi的 n次方根，歸一化處理后得wt，即風(fēng)險因素指標(biāo)權(quán)重。③用判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負(fù)平均值檢驗判斷矩陣的一致性其中 λmax=若CI=0，判斷矩陣完全一致；CI越大，判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大。④檢驗矩陣隨機(jī)一致性比率，CR=CI/RI，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值見表1［15］。 若CR＜0.1，則判斷矩陣具有一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

4）逐層計算模糊評價矩陣

表1 RI取值

5）確定各風(fēng)險因素危險程度

LEC法是一種評價潛在危險性環(huán)境作業(yè)的半定量評價方法，通過事故發(fā)生的可能性L、事故發(fā)生的頻繁程度E、事故嚴(yán)重程度C三者的乘積D，評估導(dǎo)致事故的危險因素的風(fēng)險程度［16-18］，如表2～5所示。根據(jù)FAHP結(jié)果得到L，參考20多個深基坑的施工案例計算得E、C。

表2 可能性等級及得分

表3 頻次等級及得分

表4 嚴(yán)重程度等級

表5 風(fēng)險程度等級

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

太原市地鐵H站為2號線與3號線同期施工的明挖T形換乘車站，建筑面積約33 706 m2。車站主體結(jié)構(gòu)為2層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站頂板覆土厚度為4.023 m，局部下沉段覆土5.373 m，底板埋深約19.013 m。車站共設(shè)置3個出入口及2個風(fēng)道。車站周邊建筑物較多，西北象限為爛尾樓，沿路為8層與12層混凝土建筑，本站場地內(nèi)鉆孔揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層，共3個大層，10個亞層，如圖1所示。擬建場地在勘探深度內(nèi)的地下水類型主要為淺層孔隙潛水，局部存在上層滯水，以2-4、3-5粉細(xì)砂及2-5、3-6中砂為主要含水層，含水層滲透系數(shù)為5～20 m/d，該站點(diǎn)富水性中等。場地內(nèi)地下水主要受大氣降水及汾河徑向徑流和城市供水、排水滲漏補(bǔ)給影響。地下水排放方式以蒸發(fā)、人工抽取地下水及徑向徑流補(bǔ)給汾河為主。

2.2 地鐵車站深基坑風(fēng)險因素

分析多個地鐵車站深基坑塌方實(shí)例資料，整理和總結(jié)影響深基坑塌方的因素，結(jié)合太原地鐵2號線H車站的工程概況，遴選主要風(fēng)險因素，構(gòu)建評價體系，如表6所示。

圖1 H站地質(zhì)剖面圖

表6 H車站深基坑風(fēng)險因素WBS-RBS矩陣

2.3 各風(fēng)險因素危險程度

邀請10位專家對太原地鐵H車站風(fēng)險評判因素U，確定錄屬度函數(shù)矩陣，通過AHP法計算各風(fēng)險因素權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗，檢驗滿足一致性要求后進(jìn)行模糊評價，采用LEC法計算各風(fēng)險因素的損失值，從而對風(fēng)險因素進(jìn)行排序。

1）建立模糊關(guān)系矩陣

邀請10位資深專家對風(fēng)險指標(biāo)U根據(jù)評價集V做出評判，確定其隸屬度函數(shù)矩陣，如表7所示。

表7 H車站深基坑風(fēng)險因素隸屬度

2）計算風(fēng)險權(quán)重

H地鐵車站整體、測量、支護(hù)、降水、開挖、監(jiān)測風(fēng)險判斷矩陣分別為

H車站深基坑風(fēng)險因素的各檢驗指標(biāo)及權(quán)重如表8所示。

表8 風(fēng)險因素各檢驗指標(biāo)及權(quán)重

3）風(fēng)險評價

計算中間層的模糊綜合評價B1、B2、B3、B4、B5，再計算總體模糊評價集B，得

B1=W1R1=｛0.387 5，0.500 0，0.112 5，0，0｝，

B2=W2R2=｛0.063 3，0.089 38，0.326 66，0.383 96，0.136 67｝，

B3=W3R3=｛0.100 0，0.210 99，0.308 33，0.208 33，0.172 35｝，

B4=W4R4=｛0.038 35，0.174 79，0.230 77，0.382 06，0.174 03｝，

B5=W5R5=｛0.176 62，0.190 51，0.131 11，0.263 92，0.237 84｝，

B=WR=｛0.105 338，0.159 725，0.248 184，0.317 631，0.169 123｝。

4）風(fēng)險排序

根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果可知，H車站深基坑施工整體安全的概率為0.105 338，較安全的概率為0.159 725，一般的概率為0.248 184，較危險的概率為0.317 631，很危險的概率為0.169 123，所以評價H車站深基坑整體風(fēng)險高，其中測量因素施工較安全，支護(hù)較危險，降水安全性中，開挖因素較危險，監(jiān)測因素較危險。

采用LEC計算各風(fēng)險損失，結(jié)合AHP法得到權(quán)重，根據(jù)結(jié)果排序。邀請資深專家對H車站的深基坑施工風(fēng)險因素的L、E、C賦值，并計算D。將U11～U54全局因素的權(quán)重歸一化處理得Wt，計算所有因素的加權(quán)風(fēng)險值D×Wt，對結(jié)果排序，如表9所示。

表9 H車站深基坑風(fēng)險危險程度

從表9可以看出：影響H車站深基坑施工安全的風(fēng)險因素依次是不良地質(zhì)、預(yù)報不及時、違規(guī)操作、地下水、支護(hù)方案不合理、混凝土強(qiáng)度不足、鋼材不合格、超挖、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量不足、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理有誤、交叉作業(yè)、測量數(shù)據(jù)處理有誤、降水措施有誤、設(shè)備損壞、排水系統(tǒng)失效、測量精度不足。

2.4 H車站深基坑風(fēng)險控制措施

針對表9排序，采取風(fēng)險規(guī)避、轉(zhuǎn)移、緩解、自留、保險等風(fēng)險控制措施，如表9所示［19-22］。地鐵車站深基坑施工是一項系統(tǒng)性工程，測量、支護(hù)、開挖、降水、監(jiān)測各個工序之間相互聯(lián)系，互相影響。施工前要注意收集地質(zhì)、水文、氣象等信息資料并逐一核實(shí)，調(diào)查基坑周邊建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式，周邊管線布置情況，制定安全保護(hù)措施。

施工中加強(qiáng)風(fēng)險監(jiān)控，及時識別并分析評價新風(fēng)險，調(diào)整風(fēng)險應(yīng)對計劃，實(shí)施風(fēng)險動態(tài)管理與控制。根據(jù)基坑設(shè)計深度、施工工法、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等條件，H車站監(jiān)測橫向監(jiān)測范圍為38m，分主要影響區(qū)和次要影響區(qū)，主要影響區(qū)為0.7倍基坑深度，約為13m，次要影響范圍為13～38m。風(fēng)險監(jiān)測的對象主要是基坑工程中的圍護(hù)樁（墻）、立柱、支撐等結(jié)構(gòu)，和基坑周圍土體、地下水及地表，基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、城市道路等城市基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。監(jiān)測組人員按照監(jiān)測頻率和監(jiān)測精度要求，采用相關(guān)儀器設(shè)備取得現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將其上傳到平臺進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的處理，繪制時間位移曲線散點(diǎn)圖和距離位移曲線散點(diǎn)圖，如圖2、3所示。如果位移的變化隨時間（或距開挖面距離）而漸趨穩(wěn)定，說明基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)系統(tǒng)有效可靠，如圖2、3中的正常曲線。圖2、3中的反常曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，說明位移出現(xiàn)反常的急驟增長現(xiàn)象，表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，需要分析風(fēng)險因素，進(jìn)行風(fēng)險評價，根據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。

圖2 時間-位移曲線

圖3 距離-位移曲線

3 結(jié)語

采用WBS-RBS法構(gòu)建地鐵車站深基坑風(fēng)險評價指標(biāo)體系，利用LEC法和AHP法建立深基坑施工安全評價模型，將定量與定性分析相結(jié)合，綜合考慮影響地鐵車站深基坑施工安全性的各個風(fēng)險因素。以太原地鐵2號線H車站深基坑為例，進(jìn)行整體施工安全性評價，并對各風(fēng)險要素進(jìn)行排序。模擬結(jié)果驗證了模型的可行性，為今后的類似風(fēng)險評估項目提供相應(yīng)借鑒。