鄰近既有地鐵的基坑開挖風(fēng)險評估研究

趙 偉 晉維麗

(北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司，北京 100020)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國地下空間的開發(fā)利用發(fā)展迅速，基坑工程緊鄰既有地鐵施工的現(xiàn)象越來越多，技術(shù)難度進(jìn)一步增大。當(dāng)建設(shè)、勘察、設(shè)計、施工或監(jiān)理單位某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏時，近接工程[1]的風(fēng)險就會升高，甚至?xí)斐韶敭a(chǎn)損失和人員傷亡。因此，深入系統(tǒng)地開展基坑近接既有結(jié)構(gòu)物施工安全風(fēng)險評估研究，對降低該類工程施工安全風(fēng)險，充分利用地下空間，實現(xiàn)城市和諧可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的理論意義和實用價值[2]。

國內(nèi)學(xué)者對基坑開挖對鄰近既有結(jié)構(gòu)影響和安全性評估進(jìn)行了深入的研究。黃宏偉從風(fēng)險管理的角度出發(fā)，提出深基坑工程風(fēng)險管理的一般流程，通過實際案例論證該流程的可行性[3]；并通過數(shù)值模擬的方法研究基坑工程施工對近接既有隧道的影響[4]。高盟[5]將數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，研究基坑開挖過程中鄰近既有地鐵車站的響應(yīng)，并通過數(shù)值模擬討論分析了控制車站變形施工措施的有效性。

雖然各國學(xué)者對近接既有結(jié)構(gòu)施工的基坑工程進(jìn)行了深入研究，但仍然存在一些局限：1)傳統(tǒng)的層次分析法存在一致性不容易滿足的局限性；2)缺乏適用于基坑鄰近既有地鐵施工的風(fēng)險評估和控制流程，難以實現(xiàn)基坑鄰近既有地鐵過程中的風(fēng)險管控。

本文圍繞鄰近既有地鐵的基坑開挖工程進(jìn)行風(fēng)險評估，并針對已有研究存在的局限，首先根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法以及對已有研究成果進(jìn)行風(fēng)險指標(biāo)體系的建立；然后應(yīng)用層次分析法(AHP)與改進(jìn)的層次分析法(IAHP)，分別確定指標(biāo)層和制約層各風(fēng)險因素權(quán)重；通過模糊綜合評判法(FCE)確定項目的風(fēng)險水平，形成一套針對基坑鄰近既有地鐵施工方面相對科學(xué)實用的風(fēng)險評估和控制流程；最后結(jié)合工程實例，說明該方法的具體應(yīng)用，為類似工程提供借鑒。

1 AHP與IAHP的對比分析

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)簡稱AHP，最早由美國運籌學(xué)家T·L·Saaty于20世紀(jì)70年代中期正式提出。由于AHP具有簡潔性、實用性和系統(tǒng)性的優(yōu)勢[6]，所以在確定復(fù)雜問題中諸因素的權(quán)重時，AHP被廣泛使用。但是AHP也有自身的局限性[7,8]：1)主觀因素影響過大；2)當(dāng)判斷矩陣的階數(shù)超過4個時，判斷矩陣不容易滿足一致性要求。

基于AHP存在的局限性，改進(jìn)的層次分析法(IAHP)[9]從兩方面進(jìn)行了改進(jìn)：

一是調(diào)查問卷的改進(jìn)。將處于同一層次的所有因素按重要程度進(jìn)行排序，可以有效的改善由于判斷內(nèi)容繁雜而產(chǎn)生的厭煩心理，降低主觀錯誤發(fā)生的概率；

二是構(gòu)造判斷矩陣方法的改進(jìn)。IAHP在構(gòu)造判斷矩陣時采用排序賦值的方法，解決了AHP中判斷矩陣很難滿足一致性的問題。其構(gòu)造判斷矩陣的主要計算步驟如下：

1)確定各層次元素個數(shù)，并將該層次元素按照對上層元素的影響程度進(jìn)行排序；

2)將本層元素對上層元素影響最大的賦值為10，影響最小的賦值為1，其他元素在1～10內(nèi)線性插值；

3)假定賦值為A，判斷矩陣元素值為B，判斷矩陣元素按照下面的方法計算：

a.當(dāng)Ai≥Aj，則Bij=max(Ai-Aj,1)；

b.當(dāng)Ai

雖然IAHP基本解決了各階判斷矩陣的一致性問題，但當(dāng)判斷矩陣階數(shù)小于5個時，由于兩種極端情況會同時出現(xiàn)，與實際情況不符，導(dǎo)致按IAHP計算得到的權(quán)重準(zhǔn)確性會降低，這也是IAHP的局限性。

因此，在實際工程中，為了更準(zhǔn)確得出各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重，更充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)越性，當(dāng)判斷矩陣階數(shù)大于4個時，選擇IAHP計算權(quán)重；當(dāng)判斷矩陣階數(shù)不大于4個時，選擇AHP進(jìn)行計算。

2 案例分析

2.1 工程概況

本文選取某地塊基坑開挖鄰近既有地鐵為研究對象。擬開挖西黃村A-D2地塊，該地塊位于北京市石景山區(qū)，基坑工程自然地面標(biāo)高64.80 m，基坑開挖深度約18.8 m，基坑長約186.2 m，寬約32.3 m～49.7 m。采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m，樁長24.6 m，樁距1.6 m，樁身混凝土強度等級C30。南段基坑西側(cè)采用樁錨支護(hù)形式，北側(cè)和西側(cè)采用土釘墻+樁錨支護(hù)形式?；?xùn)|半段南側(cè)采用樁錨支護(hù)形式，北側(cè)與東側(cè)支護(hù)土釘墻+樁錨支護(hù)。既有西黃村站為島式站臺，有效站臺寬度14 m，車站總長252 m，車站三跨段凈寬21.5 m，四跨段凈寬30.1 m,高度16.55 m。車站中心里程拱頂覆土約8.5 m，底板埋深約25 m。

2.2 由IAHP確定制約層權(quán)重

根據(jù)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，制約層元素有5個，指標(biāo)層元素為2個～3個，為了提高各指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性，制約層的權(quán)重采用IAHP計算，指標(biāo)層選擇AHP進(jìn)行權(quán)重計算。

1)構(gòu)建制約層判斷矩陣。

在此次問卷調(diào)查中，調(diào)查對象包括與本工程相關(guān)的建設(shè)單位、勘察單位、設(shè)計單位、施工單位以及監(jiān)理單位中具有高級職稱的技術(shù)人員，共發(fā)放了20份調(diào)查問卷并對問卷結(jié)果進(jìn)行匯總，得出制約層的排序和賦值結(jié)果，結(jié)果表明，施工單位的問題對本基坑工程影響最大，監(jiān)理單位的問題對本基坑工程影響最小，見表1。

表1 制約層元素排序與賦值

按照表1所示的元素賦值構(gòu)造制約層B對目標(biāo)層A的判斷矩陣A-B，見表2。

表2 A-B判斷矩陣

2)計算制約層判斷矩陣對應(yīng)的最大特征值和特征向量。

本工程判斷矩陣對應(yīng)的特征值λmax和特征向量w的求解步驟如下：

(1.134，0.453，1.543，3.471，0.276)。

wa=(wa1,wa2,wa3,wa4,wa5)=

(0.165，0.066，0.224，0.505，0.040)。

c.計算對應(yīng)的最大特征向量λmax，則:

3)檢驗制約層判斷矩陣的一致性。

在計算得到最大特征值和對應(yīng)的特征向量后，為了證明該特征向量是否為權(quán)向量，須進(jìn)行兩步評判，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。

a.引入一致性指標(biāo)C.I.進(jìn)行初判。當(dāng)C.I.趨近0時，特征向量作為權(quán)重向量的可能性較大則認(rèn)為接近程度很大。

從制約層權(quán)重向量中可以看出，施工單位的問題對該近接工程的安全性影響最大，其次是設(shè)計單位，監(jiān)理單位對該工程安全性影響最小；并且該權(quán)重與基坑工程事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本一致。

2.3 由AHP確定指標(biāo)層權(quán)重

專家依據(jù)表2，表3所示的標(biāo)度含義進(jìn)行打分，構(gòu)造指標(biāo)層C對目標(biāo)層B的判斷矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C和B5-C，計算各矩陣權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗，見表3。

表3 B1-C判斷矩陣

則B1-C的最大特征值為2.000，最大特征值對應(yīng)的特征向量為wb1=(0.250，0.750)，由C.I.=0，則判斷矩陣一致性滿足要求，即B1-C的權(quán)向量為wb1=(0.250，0.750)。

按照上述方法計算B2-C,B3-C,B4-C和B5-C判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(過程略)。將本層的幾何平均值進(jìn)行歸一化處理，得到指標(biāo)層所有風(fēng)險因素的權(quán)重，見圖1。

從條形圖中可以看出：設(shè)計時由于設(shè)計人員缺乏經(jīng)驗，不遵守設(shè)計規(guī)范對該工程影響最大，其次施工單位由于施工質(zhì)量差，隨意修改設(shè)計圖紙而產(chǎn)生的風(fēng)險也很大，且建設(shè)單位由于對價格和工期的壓縮可能給其他專業(yè)人員帶來較大的壓力，成為引發(fā)沖突和風(fēng)險的重要因素；勘察單位由于布點過少導(dǎo)致地勘報告數(shù)據(jù)不全面，給設(shè)計單位造成較大的困難；監(jiān)理如果對發(fā)現(xiàn)的問題沒有及時的制止或者上報甲方，其監(jiān)督作用就會喪失，工程的安全性也會降低。

2.4 風(fēng)險水平的確定

本文采用模糊綜合評判法計算該近接工程的風(fēng)險水平，其基本思路為[9]：

1)建立評價指標(biāo)的因素集。

因素集主要通過風(fēng)險評價指標(biāo)體系確定，其中一級因素集A=(B1，B2，B3，B4，B5)= (業(yè)主問題，勘察問題，設(shè)計問題，施工問題，監(jiān)理問題)，二級因素集包含2個～3個元素，見表1，表2。

2)建立評價指標(biāo)的權(quán)重集。

制約層和指標(biāo)層的權(quán)重向量已在上節(jié)中求得，其中wa=(0.165，0.066，0.224，0.50，0.040)，wb1=(0.250，0.750)，wb2=(0.833，0.167),wb3=(0.667，0.222，0.111),wb4=(0.582，0.348，0.068 9)，wb5=(0.200，0.800)。

3)建立評價等級集和評價等級分?jǐn)?shù)。

評價等級集是專家對評價指標(biāo)做出評語的集合，這里將評價指標(biāo)的評語劃分為4級[10]，即，評語集D=(Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ)=(安全狀況很好，安全狀況較好，安全狀況一般，安全狀況不好)；再根據(jù)相應(yīng)的工程資料和收集的專家意見，將評價等級集量化，得到該評語集的評價等級分?jǐn)?shù)，即，D=(Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ)=(安全狀況很好，安全狀況較好，安全狀況一般，安全狀況不好)=(4，3，2，1)。

4)建立二級評價指標(biāo)隸屬度向量和模糊關(guān)系矩陣。

5)進(jìn)行一級模糊綜合評判。應(yīng)用于本工程中，即：

Ei=wbi·Ri(i=1,2,3,4,5)，則:

將二級隸屬度向量組成二級模糊判斷矩陣R，即：

R=(E1E2E3E4E5)=

6)進(jìn)行二級模糊綜合評判。將權(quán)重向量wa與二級模糊判斷矩陣R相乘，得到本工程的綜合隸屬度向量S，再將綜合隸屬度向量S與評價等級分?jǐn)?shù)向量D的轉(zhuǎn)置相乘，得到本工程的風(fēng)險值F，即：

S=wa·R=(0.403 0.276 0.204 0.117)。

F=S·DT=2.964。

通過對結(jié)果進(jìn)行分析，本工程的風(fēng)險值為2.964，屬于Ⅲ級風(fēng)險，屬于可接受風(fēng)險，宜加強工程管理與監(jiān)測，工程各方應(yīng)相互配合，采取相應(yīng)的風(fēng)險處置措施，尤其是施工單位應(yīng)提高施工質(zhì)量，設(shè)計單位應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，保證施工安全。

3 結(jié)論

1)本次將涉及到鄰近既有地鐵施工的基坑工程模糊性、不確定性的風(fēng)險因素進(jìn)行量化處理，得出基坑施工的問題對該工程的安全性影響最大，其次是設(shè)計單位，與基坑工程事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本一致；并且風(fēng)險在可接受范圍之內(nèi)，可采取相應(yīng)的風(fēng)險處理措施；

2)當(dāng)判斷矩陣階數(shù)大于4個時，選擇IAHP計算權(quán)重；當(dāng)判斷矩陣階數(shù)不大于4個時，選擇AHP進(jìn)行計算，能解決一致性不容易滿足的局限性，并且可以發(fā)揮各方法簡潔、實用且系統(tǒng)性的優(yōu)勢，可為類似工程提供借鑒。