基于FAHP?GRA理論的深基坑涌水涌砂風(fēng)險評價

吳波，陳輝浩，黃惟，蒙國往，李小龍，萬榮強

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2. 東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌330013；3. 廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 廣州510925；4. 中鐵北京工程局集團 城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥230088)

深基坑涌水涌砂是地鐵施工中較為常見的一種災(zāi)害，輕則延緩工期，重則造成周邊地面大量沉降，圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，基坑垮塌等不可挽回的嚴(yán)重?fù)p失。近些年，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對地鐵深基坑施工風(fēng)險問題展開研究。彭濤等[1?4]采用層次分析法計算風(fēng)險因素權(quán)重，運用模糊綜合評價法對基坑施工安全進行風(fēng)險評估。吳丹紅等[5?6]通過建立可拓評價模型，對基坑工程施工安全評價指標(biāo)與權(quán)重進行可拓運算。此外二維云模型[7]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[9]等也常被運用于基坑工程的風(fēng)險評估。不難發(fā)現(xiàn)，在基坑施工風(fēng)險評估的研究中，基坑涌水涌砂問題往往只是被視為一個影響因素，甚至是被忽略。針對地鐵車站基坑涌水涌砂安全評估的研究并不多見。莊全貴[10]基于疏干井涌水涌砂事故，分析事故原因，優(yōu)化降水井的參數(shù)、設(shè)計及位置布置，并經(jīng)實驗驗算滿足工程施工要求。王洪波等[11]通過連通實驗等方法對基坑巖性特征、富水性等進行深入研究，形成臨江破碎地層基坑涌水綜合分析法，在指導(dǎo)基坑涌水治理中取得很好的效果。牛文宣[12]運用有限元軟件ANSYS 對不同工況下基坑的狀態(tài)及位移變形進行數(shù)值模擬，分析基坑涌水對深基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。顯然，目前在地鐵深基坑涌水涌砂施工風(fēng)險評估的理論研究尚未充分，一些系統(tǒng)評價理論還未很好地運用于地鐵基坑涌水涌砂風(fēng)險的評價中，因此在基坑涌水涌砂施工安全風(fēng)險評估的研究需要進一步開展。本文依托廣州某深基坑項目進行涌水涌砂施工風(fēng)險進行評估。

1 基于FAHP-GRA理論評估模型

1.1 建立評估指標(biāo)體系

設(shè)最高層為地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險I；第2層為因素集I=(I1,I2,…,Ii)，其中Ii為第1 層第i個子因素集；第3 層因素集為Ii=(Ii1,Ii2,…,Iij)；其中Iij為第1層第i個子因素集中第j個因素集。

1.2 基于FAHP理論的權(quán)重計算

模糊層次分析法(FAHP)是由運籌學(xué)專家SAA‐TY[13?15]首先提出。其基本思想是分解影響因素，建立遞階層次關(guān)系結(jié)構(gòu)，將多因素進行兩兩比較，將定性問題定量化[16]。在運用FAHP 進行決策時，計算步驟可分為構(gòu)建模糊判斷矩陣、指標(biāo)權(quán)重計算和一致性檢驗，詳細(xì)步驟見參考文獻[17?18]。三角模糊判斷矩陣Sk，調(diào)整矩陣Tk，模糊判斷矩陣Vk，其中k=1, 2, 3, 4, 5，分別對應(yīng)5 位評分專家。由模糊層次分析法計算評價指標(biāo)權(quán)重為：

其中m表示評價指標(biāo)個數(shù)。

1.3 基于GRA理論的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)[19?20]的基本思想是根據(jù)序列曲線之間的相似程度來判斷序列之間的貼近度，計算序列之間的關(guān)聯(lián)度[21]。具體步驟如下所示：

1) 構(gòu)造評價指標(biāo)矩陣

設(shè)有n個評價對象，其中某一研究對象有m個評價指標(biāo)。由k名專家對各評價指標(biāo)的風(fēng)險評分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)成正向化矩陣X。

2) 正向化矩陣X初值化處理

選取正向化矩陣第一列作為標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)列，各個評價指標(biāo)分值與參考數(shù)列比值組成初值化后的比較數(shù)列如下所示：

其中，xikm(k)表示第k名專家對第i個評價指標(biāo)下第m個影響因素的評分與參考序列的比值。

3) 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

結(jié)合文獻[22?24]，計算參考序列與其他子序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其中取ρ= 0.5。結(jié)合式(1)可得關(guān)聯(lián)系數(shù)；

4) 計算參考序列與其他子序列之間的關(guān)聯(lián)度。結(jié)合各個評價指標(biāo)權(quán)重ω=[ω1,ω2,…,ωm]及式(2)可得關(guān)聯(lián)度；

式中：ωm表示第m個指標(biāo)的權(quán)重。

1.4 建立評價集

結(jié)合文獻《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估制度及指南解析》[25]，將地鐵深基坑涌水涌砂施工安全風(fēng)險分為4級，如表1所示。

表1 事故可能性等級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for accident possibility grade

2 工程概況

廣州市軌道交通7 號線某車站為地下3 層島式站臺車站，設(shè)置單渡線?？偨ㄖ娣e為30 010 m2，外包總長322.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.1 m，有效站臺寬15 m。車站主體主要采用明挖順作法施工，在北端河道下方采用局部蓋挖，基坑開挖深度26.98 m，圍護結(jié)構(gòu)采用1 m 厚地下連續(xù)墻+4 道內(nèi)支撐?；拥撞看蟛糠治挥谖L(fēng)化含礫粗砂巖，局部位于中風(fēng)化含礫粗砂巖，并且車站緊鄰珠江，地下水位較高，其變化受珠江潮汐影響較大，基坑涌水涌砂風(fēng)險較高，施工中應(yīng)加強防范措施。車站北基坑某處地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 車站主體圍護結(jié)構(gòu)某斷面處剖面圖Fig.1 Sectional drawing of a section of the main enclosure structure of the station

3 基于FAHP-GRA 理論的地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估

3.1 風(fēng)險評估指標(biāo)體系

基坑開挖范圍內(nèi)存在有富水砂層，富水砂層厚約3.5～4 m。按設(shè)計要求地連墻深度應(yīng)確保進入不透水層。該基坑的支撐體系是由3道混凝土支撐和1道鋼支撐組成。根據(jù)工程經(jīng)驗，涌水涌砂大部分發(fā)生在地下連續(xù)墻幅與幅之間的接縫位置，因此接縫處的防滲漏設(shè)計是否合理極為關(guān)鍵。在實際施工中，地連墻終孔地層應(yīng)與地勘報告相符。地連墻滲漏大多是發(fā)生在幅與幅之間的接縫處，接頭的防滲漏效果主要取決于刷壁質(zhì)量。在混凝土澆筑工序中，泥漿制備需滿足泥漿指標(biāo)與沉渣厚度。澆筑時的施工工藝可直接影響混凝土防水質(zhì)量?；又苓吽当容^發(fā)達(dá)，地下水豐富且存在一定水壓?；娱_挖前，需要對地連墻進行超聲波檢查其連續(xù)性與完整性，保證圍護結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。基坑開挖時應(yīng)，采集各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時預(yù)警。在施工開挖進入富水砂層后，可通過掏槽驗縫檢查接縫情況。

深基坑涌水涌砂的影響因素錯綜復(fù)雜，呈現(xiàn)出模糊性和不確定性。本文結(jié)合依托工程，同時參考《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》[26]、《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南》[27]，將地鐵深基坑施工涌水涌砂風(fēng)險分為設(shè)計因素、地連墻施作因素及基坑開挖因素。在風(fēng)險分析后，選取易發(fā)生施工事故的關(guān)鍵性指標(biāo)11 個，建立了地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險評估指標(biāo)體系Fig.2 Risk assessment index system

3.2 指標(biāo)權(quán)重計算

邀請了5 組經(jīng)驗豐富的專家，各組5 人，共25人，其中業(yè)主單位5 人，監(jiān)理單位5 人，監(jiān)測單位5人，第3方風(fēng)險管控單位5人，高校學(xué)者5人，以0.1～0.9 標(biāo)度對地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估某兩兩評價指標(biāo)進行對比打分，每組分別取平均值，得到該兩兩因素的三角模糊互補判斷矩陣。以評分專家組1 為例，將地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險I作為判斷準(zhǔn)則，對第1 層次影響因素設(shè)計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I33 個評價指標(biāo)進行兩兩比較建立三角模糊判斷矩陣S1如下所示：

結(jié)合模糊判斷矩陣S1，計算可得調(diào)整矩陣T1如下所示：

結(jié)合矩陣T1，計算模糊判斷矩陣V1如下所示：

同理可得

綜上所述，計算各評價指標(biāo)I1，I2和I3的權(quán)重依次為

同樣的，以第1 層次評價指標(biāo)作為判斷準(zhǔn)則，對其對應(yīng)的第2層次評價指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)建三角模糊互補判斷矩陣，計算第2層次評價指標(biāo)的權(quán)重，具體結(jié)果如表2所示。

表2 評價指標(biāo)權(quán)重Table 2 Evaluation index weights

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

專家小組對地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估指標(biāo)以(0-1]標(biāo)度進行打分，各個層次評價指標(biāo)的得分情況如表3所示。

表3 專家打分匯總表Table 3 Summary of expert scores

以分析第1 層次影響因素設(shè)計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I33 個評價指標(biāo)與地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險I之前的關(guān)系為例，將地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險I作為參考數(shù)列，其他各個評價指標(biāo)I1，I2和I3分值與參考數(shù)列比值組成初值化后的比較數(shù)列為

可得第1 層次評價指標(biāo)設(shè)計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I3與地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險I之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4 所示，同時結(jié)合表2中評價指標(biāo)權(quán)重，可得總風(fēng)險與第1層次評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度為

表4 總風(fēng)險與第1層次評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of total risk and first-level evaluation index

同理可得，第1 層次評價指標(biāo)中的設(shè)計因素I1與第2層次評價指標(biāo)地連墻深度I11，基坑支撐體系I12，地連墻接縫設(shè)計I13之間的關(guān)聯(lián)度為γ1=[0.288,0.208,0.195]；地連墻施作因素I2與第2層次評價指標(biāo)地連墻終孔控制I21，接縫刷壁質(zhì)量I22，泥漿質(zhì)量控制I23，混凝土夾泥控制I24之間的關(guān)聯(lián)度為γ2=[0.152,0.338,0.106,0.129]；基坑開挖因素I3與監(jiān)控量測I31，地下水位I32，地連墻施工質(zhì)量I33，掏槽驗縫I34之間的關(guān)聯(lián)度為γ3=[0.154,0.219,0.143,0.175]。

3.4 結(jié)果分析

由最終計算所得各個層次指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度可知，在對地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險與第1層次的評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計算中發(fā)現(xiàn)γ02＞γ03＞γ01，地連墻施作因素I2對地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險的影響最大，其次是基坑開挖因素I3，設(shè)計因素I1最小，因此在深基坑的施工建設(shè)中，應(yīng)重點做好地連墻施工的各個工序，把關(guān)好各個工序的施工質(zhì)量，并制定應(yīng)急處置災(zāi)害措施，注意預(yù)防災(zāi)害發(fā)生，同時在基坑施工開挖中規(guī)范施工步驟，在設(shè)計階段考慮設(shè)計的合理性。

在設(shè)計因素中有γ11＞γ12＞γ13，因此應(yīng)重點確保地連墻的埋設(shè)深度應(yīng)達(dá)到抗管涌要求或是進入相對不透水層，合理設(shè)計基坑的支撐體系，同時充分考慮地連墻幅與幅之間的防滲漏設(shè)計。在地連墻施作因素中有γ22＞γ21＞γ24＞γ23，因此應(yīng)重點嚴(yán)格把控地連墻接縫刷壁質(zhì)量，確保地下連續(xù)墻終孔位置位于相對不透水層，并控制好水下混凝土澆筑前的泥漿質(zhì)量和地連墻混凝土夾泥質(zhì)量。在基坑開挖因素中有γ32＞γ34＞γ31＞γ33，因此在基坑開挖前，關(guān)鍵做好對未開挖部分進行掏槽驗縫，實時監(jiān)控測量，及時評估圍護結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，同時做好基坑降水，排除隱患。

4 案例分析

2020 年10 月20 日20:36 左右，在車站北基坑B28與A29地連墻接縫位置開挖至第3道支撐下1.0～1.5 m 處(開挖深度約16.5 m)，在進行地連墻接縫鋼板封縫期間出現(xiàn)接縫滲漏水，滲漏水逐漸發(fā)展為涌水涌砂。漏水點位于原河涌底部9 m，距附近建筑物A8 樓水平距離約10 m。評估結(jié)果與現(xiàn)場施工情況相符。在出現(xiàn)險情后，項目部立即啟動應(yīng)急預(yù)案，多個應(yīng)急小組各司其職，保證搶險有序進行，因此此次險情并無造成設(shè)備損失或人員傷亡，各項損失被降到最低。涌水涌砂搶險現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 涌水涌砂搶險現(xiàn)場Fig.3 Emergency scene of water and sand gushing

在對此次基坑涌水涌砂事件原因分析中發(fā)現(xiàn)，地連墻超聲波成像顯示B28和A29地連墻垂直度良好，地連墻凈空滿足要求，端頭超聲波檢測，B29位置工字鋼底部成像不清晰，表面巖層較厚，滲漏水位置為地連墻接縫處，因此斷定此次涌水涌砂的主要原因是地連墻工字鋼刷壁不徹底，接縫夾雜著沙袋，導(dǎo)致工字鋼接縫處混凝土不密實。從開挖揭露地層來看，涌水部位位于富水砂層，厚約3.5～4 m，涌水部位開挖深度達(dá)16.5 m。在基坑開挖前，項目部對地連墻接縫處進行了注漿的預(yù)處理，處理深度18 m，未穿透富水砂層，注漿未達(dá)到預(yù)期效果，因此地連墻埋設(shè)深度未進入相對不透水層是此次施工事故的間接原因。涌水部位位于河涌下部，且河涌與珠江相連，基坑周邊水系比較發(fā)達(dá)，地下水水位較高且存在一定水壓也是造成此次事故的原因之一。

綜上所述，此次涌水涌砂事故的主要原因是地連墻接縫刷壁不徹底，次要原因是地連墻埋設(shè)深度并未進入不透水層，而基坑周邊地下水位較高并存在一定水壓也是此次事故的原因之一。

5 結(jié)論

1) 依托實際工程項目，對基坑施工涌水涌砂風(fēng)險影響因素進行風(fēng)險辨識，建立了地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于FAHPGRA理論的地鐵深基坑涌水涌砂風(fēng)險評估模型。

2)以專家調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合依托工程項目，運用模糊層次分析法對地鐵深基坑涌水涌砂的影響因素進行賦權(quán)，同時運用灰色關(guān)聯(lián)度理論對各層次評價指標(biāo)與基坑涌水涌砂總風(fēng)險之間的關(guān)系進行灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出各個評價指標(biāo)與總風(fēng)險的灰色關(guān)聯(lián)度，對基坑涌水涌砂施工風(fēng)險進行評估。

3)由評估結(jié)果可知，地連墻施作因素I2與基坑涌水涌砂總風(fēng)險I發(fā)生的灰色關(guān)聯(lián)度最大，也即是深基坑涌水涌砂事故在地連墻施作階段發(fā)生的可能性最大，其中地連墻施作因素I2中的接縫刷壁質(zhì)量I22與地連墻終孔控制I21的灰色關(guān)聯(lián)度較大，也即接縫刷壁質(zhì)量I22與地連墻終孔控制I21對基坑涌水涌砂總風(fēng)險的影響較大。評估結(jié)果與現(xiàn)場施工情況相符。

4) FAHP-GRA 理論將定性問題定量化，對地鐵深基坑涌水涌砂施工風(fēng)險評估的分析層次分明，條理清晰合理，能夠做到對多影響因素之間的模糊關(guān)系進行系統(tǒng)評價，可為類似的基坑工程施工風(fēng)險提供一種可行、有效的評估方法。