基于WSR和熵權(quán)物元可拓理論的深基坑安全風(fēng)險評價

郭 平，邱晨展，孫立英，王麗娜

(青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，青島 266525)

隨著城市現(xiàn)代化的快速推進，高超建筑、地鐵輕軌、機場車站等現(xiàn)代化建筑不斷建設(shè)，對其安全性要求更為嚴格。而作為建筑物構(gòu)建的核心安全支撐的深基坑工程始終是事故頻發(fā)的高風(fēng)險領(lǐng)域，這些事故貫徹于不同生產(chǎn)時代中。如：2004年新加坡地鐵Nicol車站基坑坍方；2008年杭州地鐵基坑事故；2018—2019年，青島地鐵兩年出現(xiàn)5次較大基坑安全事故。而現(xiàn)實中許多深基坑看似安全，但背后仍蘊藏著致命安全風(fēng)險，例如：新疆一建筑項目私自改裝圍墻用作基坑擋土墻，從而導(dǎo)致多名路人死亡；青海一油田開挖2.1 m基坑溝槽時導(dǎo)致多人死亡；以及近年的南京市鼓樓區(qū)姜家圩的“樓歪歪”事故和寧波居民住房出現(xiàn)的“樓倒倒”現(xiàn)象都是基坑塌方事故造成的。深基坑不同于其他工程，相比地面工程來講其受到地質(zhì)環(huán)境、水文條件、周圍環(huán)境等制約因素要復(fù)雜得多。為科學(xué)合理避免施工事故帶來的損失，對深基坑工程施工安全風(fēng)險分析研究是非常有必要的。馬睿[1]通過上海的長興島超深基坑的研究，對超深基坑中的事故風(fēng)險點進行分析，結(jié)合風(fēng)險等級評定提出了深基坑安全風(fēng)險控制措施。張強[2]結(jié)合大連市地鐵功成街站的施工實際狀況，從支護失穩(wěn)、支撐位移、周邊沉降、坑底承壓水突涌等層面探究了深基坑施工安全對策。周秋來[3]論述深基坑支撐的相關(guān)的安全措施，并提出縱橫榀井字形鋼管內(nèi)支撐的運用。葉俊能等[4]在國內(nèi)外關(guān)于基坑變形、控制技術(shù)和手段、實驗數(shù)據(jù)的科研成果上，通過寧波軌道工程的建設(shè)，構(gòu)建寧波地區(qū)深基坑監(jiān)測預(yù)警體系。近年來，許多學(xué)者在概率風(fēng)險基礎(chǔ)上研發(fā)了不同風(fēng)險評價法，包括事件樹法、風(fēng)險矩陣法、蒙特卡洛法等，這些方法在安全風(fēng)險研究中有著重要貢獻[5-6]。然而，考慮到概率風(fēng)險理論推到出的結(jié)果很大程度上依賴于風(fēng)險錄入的初始數(shù)據(jù)的科學(xué)嚴謹性，而現(xiàn)實工程中，針對風(fēng)險的高度不確定特征，致使構(gòu)建概率方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)很難得到較為真實科學(xué)性。所以，采用以上這些安全風(fēng)險評價法分析深基坑安全風(fēng)險很難得到令人滿意的結(jié)果。而模糊風(fēng)險分析法是近幾年部分學(xué)者根據(jù)模糊理論而被廣泛采用，其方法彌補了傳統(tǒng)概率法的缺陷，并廣泛用于探究建筑工程風(fēng)險評價[7-8]。然而模糊風(fēng)險分析法在深基坑系統(tǒng)風(fēng)險推理、多源因素反饋與表達及風(fēng)險聯(lián)系分析等方面依然存在局限性。

鑒于以上方法，WSR方法論作為重要的系統(tǒng)工程分析方法，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外企業(yè)經(jīng)營和建筑安全管理中，并且取得顯著的效果[9-11]。本文以WSR方法論為引導(dǎo)，建立深基坑施工安全風(fēng)險評價指標體系，通過熵權(quán)可拓學(xué)理論相結(jié)合對深基坑工程的安全風(fēng)險管理體系進行全方位的剖析與研究，在此基礎(chǔ)上找出安全管理中的不足之處并提出改進建議，從而提高深基坑施工的安全管理水平。

1 基于WSR和熵權(quán)物元可拓理論的深基坑安全風(fēng)險評價方法概述

1.1 WSR基本原理

WSR是綜合物理(W)-事理(S)-人理(R)這3個系統(tǒng)維度的簡稱，結(jié)合定性與定量分析的特點，以辯證的思維為導(dǎo)向，根據(jù)研究對象的不同性質(zhì)，將具體的研究方法進一步層次化、細致化、規(guī)范化，從而科學(xué)合理地來研究分析復(fù)雜的系統(tǒng)問題[9]?！拔锢?W)”是指人類在客觀規(guī)律中的生產(chǎn)活動所得到的科學(xué)認識與見解，如因果論、人際行為影響等，還包括人類客觀活動的周邊環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備等?！笆吕?S)”是人們通過已有的深基坑施工安全風(fēng)險管理具備的知識所制定的用于指導(dǎo)深基坑施工安全的規(guī)定，比如基坑邊坡的放坡支護規(guī)定、施工機械的維護規(guī)范等?！叭死?R)”是施工人員的行為、目的、態(tài)度、文化素養(yǎng)等及其周邊環(huán)境對人員的交互影響。WSR基本思想見表1。

表1 WSR基本思想

1.2 熵權(quán)物元可拓理論

該模型已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用到巖土工程風(fēng)險評價[12]、化學(xué)工藝安全[13]、地鐵塌方安全研究[14]等方面，并且獲得很好的效果。因此，本文通過熵權(quán)物元可拓模型來進行深基坑施工安全風(fēng)險研究。利用熵權(quán)法計算深基坑施工安全風(fēng)險評價指標的權(quán)重，再借助可拓學(xué)方法對某建筑項目深基坑施工安全風(fēng)險進行物元可拓評級，為合理地預(yù)防深基坑塌方事故提供理論依據(jù)。

現(xiàn)實中，影響深基坑安全風(fēng)險因素主要有：現(xiàn)場地質(zhì)與水文條件、建筑物與環(huán)境、圍護結(jié)構(gòu)安全性、支撐施工水平。前兩者屬于客觀條件，是無法改變的狀況，后兩者屬于主觀條件，人為因素在安全風(fēng)險中起到很大影響。實際上，深基坑安全風(fēng)險離不開技術(shù)措施和管理手段，充分發(fā)揮主觀能動性，就是最有效的安全風(fēng)險管控。通過把WSR方法應(yīng)用于深基坑安全風(fēng)險評價中，能夠使得工程人員不是簡單地“查閱”相關(guān)資料，而是結(jié)合工程自身的特定情況，帶著思想去“研讀”項目，協(xié)調(diào)統(tǒng)籌好人理、物理、事理的關(guān)系，有效降低深基坑安全風(fēng)險[15]。而現(xiàn)實中出現(xiàn)的基坑塌陷事故多是由于沒有利用好WSR的理論指導(dǎo)方法，以及沒有對深基坑安全風(fēng)險進行合理的評價。利用熵權(quán)物元可拓模型對深基坑施工安全風(fēng)險進行評價，可以使評價結(jié)果更客觀科學(xué)。因此，WSR指導(dǎo)思想結(jié)合熵權(quán)物元可拓理論，從而能夠科學(xué)合理地運用于深基坑安全風(fēng)險評價中，有效降低施工的安全風(fēng)險。

2 基于WSR和熵權(quán)物元可拓理論的深基坑安全風(fēng)險評價指標體系的構(gòu)建

2.1 WSR 方法合適性分析

深基坑施工是一種特殊的地下施工，其安全性不言而喻。而深基坑施工安全風(fēng)險具有復(fù)雜性與不確定性，因此對其安全防范至關(guān)重要。深基坑工程要求施工安全管理方法能夠滿足安全目標及風(fēng)險規(guī)避。鑒于此，本文運用 WSR進行深基坑安全風(fēng)險評價。一方面，WSR方法能夠從物理、事理、人理3個維度對深基坑工程的安全管理進行綜合分析，有效促進深基坑施工管理者對其安全管理的系統(tǒng)認識，確保規(guī)避不良施工帶來的安全風(fēng)險的關(guān)鍵因素；另外，WSR是處理復(fù)雜問題的工具，通過協(xié)調(diào)物理、事理、人理之間的關(guān)系，使3者處于有效的最佳狀態(tài)，從而可以最大程度上減少深基坑施工的安全風(fēng)險。深基坑施工安全管理是運用合理的決策、計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制，合理地管理施工中的人、機械、材料、方法及環(huán)境(4M1E)，以科學(xué)合理的施工方法保證深基坑的安全目標及風(fēng)險的有效規(guī)避。通過運用WSR方法，將安全管理體系融入到WSR系統(tǒng)中(圖1)，全面降低深基坑施工的安全風(fēng)險。

圖1 安全管理“4M1E”與WSR關(guān)系

深基坑施工管理的全過程中，物、人、事交互影響，共同決定深基坑施工安全風(fēng)險，所以不能片面強調(diào)一方面而忽略其他方面，以免增加施工的安全風(fēng)險。在WSR的指導(dǎo)下，通過系統(tǒng)地協(xié)調(diào)物、人、事之間的關(guān)系，合理地把控三者內(nèi)外在聯(lián)系，使之相輔相成，充分發(fā)揮各自的作用，全方位地規(guī)避深基坑施工安全風(fēng)險。

2.2 深基坑施工安全風(fēng)險WSR分析

深基坑施工安全風(fēng)險評價中，“物理”維度是深基坑安全施工的客觀物質(zhì)基礎(chǔ)及技術(shù)支撐，統(tǒng)領(lǐng)“事理”與“人理”，為“事理”提供施工技術(shù)、過程規(guī)律、客觀現(xiàn)場環(huán)境等條件，為“人理”提供施工邏輯思維、協(xié)調(diào)施工人員、提高安全意識等；而“事理”與“人理”則相輔相成，共同在“物理”的條件下，最大程度發(fā)揮各自的優(yōu)勢?！笆吕怼苯Y(jié)合安全風(fēng)險的管理目標，制定科學(xué)的深基坑施工方法與規(guī)范，從而保障“物理”的科學(xué)真理性，也確定“人理”的合理施工組織架構(gòu)，確保深基坑建設(shè)項目的安全性；“人理”在3個維度中最為重要，由組織中不同的個體組成對應(yīng)的群體，擁有不同的人際關(guān)系、認知與行為能力，對深基坑施工的安全風(fēng)險意義重大。“人理”通過學(xué)習(xí)認知“物理”的過程，是提高其安全施工能力的體現(xiàn)，通過不斷增強安全管理水平的過程，其安全風(fēng)險能夠有效地降低。在運用WSR分析深基坑施工的安全風(fēng)險過程中，以“物理”為施工總則、生產(chǎn)活動的準則，以“事理”為施工規(guī)范、決策手段，以“人理”為把控全局、合理控制的運作模式。通過“物理-事理-人理”相互協(xié)調(diào)，相互傳遞共同促進深基坑施工的安全風(fēng)險管理，保證建設(shè)項目安全目標。WSR與深基坑安全管理聯(lián)系如圖2所示。

圖2 WSR與深基坑施工安全風(fēng)險聯(lián)系

2.3 深基坑安全風(fēng)險評價指標體系構(gòu)建

2.3.1 物理(W)維度

深基坑施工安全風(fēng)險評價的“物理W”是指客觀生產(chǎn)規(guī)律和從事基坑工程的單位所擁有的生產(chǎn)施工能力。這里的客觀生產(chǎn)規(guī)律是基坑施工中所能用到的所有資源，如法律法規(guī)、自然條件、技術(shù)能力、風(fēng)險規(guī)律、經(jīng)驗教訓(xùn)等，掌握這些客觀規(guī)律對分析風(fēng)險發(fā)生的原因、安全事故有很大的幫助，從而能夠更加合理地進行風(fēng)險預(yù)防、控制及有效規(guī)避，全面提高建筑項目的安全性；施工能力是企業(yè)進行深基坑施工、安全管理必要條件，其體現(xiàn)在企業(yè)的機械、材料的有效管控，施工經(jīng)驗及事故應(yīng)對處理的能力上，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并消除施工中的安全隱患，采取強有力的風(fēng)險管控措施。

2.3.2 事理(S)維度

深基坑施工安全風(fēng)險評價的“事理S”是由施工規(guī)章制度、企業(yè)架構(gòu)、實施流程、技術(shù)規(guī)范、設(shè)計方案等構(gòu)建的，通過深基坑參與體策劃制定的施工標準去實現(xiàn)項目最安全的狀態(tài)，使得風(fēng)險最小化，完成工程目標。合理的施工規(guī)章制度與企業(yè)架構(gòu)能夠為深基坑施工的風(fēng)險防控提供強有力保障，能夠保證施工工序的有效銜接；技術(shù)規(guī)范是指由國家及建筑行業(yè)規(guī)定的普遍適應(yīng)的標準化管理、手段等，如坑底承壓水處理、工作井深基坑施工技術(shù)、基坑支護技術(shù)等，主要通過強制性手段去規(guī)范施工現(xiàn)場管理，以促進施工安全管理與風(fēng)險防范的效果；設(shè)計方案是指以明文規(guī)定施工過程中的基坑設(shè)計、工序銜接順序等，確?；邮┕び袟l不紊。

2.3.3 人理(R)維度

深基坑施工安全風(fēng)險評價的“人理R”是依靠人來組織協(xié)調(diào)深基坑施工過程中的各個環(huán)節(jié)，使得在外在資源約束的條件下，最大程度上去實現(xiàn)工程的安全目標。而“人理”維度主要由施工人員、組織關(guān)系和行為影響三部分組成。施工人員都是具有思維能力的個體，通過教育培訓(xùn)，使得施工人員具有較高的安全風(fēng)險意識，提高責(zé)任心及操作的規(guī)范性，并確保管理人員具有較高的管理與處理突發(fā)事件的能力；項目的終極目標同時也是各個參與方的目標，因此良好的組織關(guān)系是保證深基坑工程安全目標的關(guān)鍵，不同組織相互幫助、互利互惠，是實現(xiàn)共同目標的必要保證；行為影響是人員之間的實際或潛在關(guān)系，每個個體的行為會受到其他人為引導(dǎo)，彼此會傳遞表情、情緒、心里想法等相關(guān)信息，因此在基坑施工管理中要使每一名現(xiàn)場人員有正確價值觀念，確保人員有一個和諧、安全的施工環(huán)境。深基坑施工安全風(fēng)險評價指標體系如圖3所示。

圖3 基于WSR的深基坑安全風(fēng)險評價指標體系

3 評價模型的建立

3.1 確定待評價物元

劃分深基坑施工安全風(fēng)險等級有m個級別，有n個評價指標，其經(jīng)典域物元[12]為

(1)

式中：Rj為第j個同征物元；Nj為深基坑施工安全風(fēng)險評價等級；xi為第i個深基坑安全風(fēng)險指標；Vij=[αij，βij]為Nj對指標xi所界定的量值，αij與βij分別為指標量值區(qū)間的上下限值，j=1，2，…，m。

(2)

式中：Np為深基坑安全風(fēng)險評價等級的全體，Vip=[αip，βip]為Np對指標xi所界定的量值，稱為Np的節(jié)域。

待評深基坑安全風(fēng)險評價等級為P，待評物元R表示成

(3)

式中：P為某個具體的深基坑安全風(fēng)險評價等級；vi為P關(guān)于xi的實際測度值。

3.2 指標的無量綱化

考慮指標間的單位不同以及指標之間存在越小越優(yōu)和越大越優(yōu)的狀況，需要對指標進行歸一化處理，方法如下[13]：

(4)

(5)

3.3 計算評價等級物元的關(guān)聯(lián)函數(shù)

在確定深基坑施工安全風(fēng)險評價的待評單元后，采用關(guān)聯(lián)函數(shù)測算深基坑安全風(fēng)險評價等級的關(guān)聯(lián)度，其函數(shù)表示為

(6)

(7)

式中：Kj(Vi)為各個指標的關(guān)聯(lián)度；θ(Vi,Vip)為Vi與區(qū)間Vip的長度；θ(Vi,Vij)為Vi與區(qū)間Vij的長度。

3.4 確定指標權(quán)重

熵權(quán)代表各指標的有用信息量多少，指標熵權(quán)值的大小與其攜帶的有用信息量大小呈正比。指標權(quán)重確定的步驟如下[14]：

1) 歸一化處理，建立矩陣R=(rij)m×n。

(8)

式中：rji為歸一化R中的第j行第i列的元素。

(9)

3.5 判定待評深基坑安全風(fēng)險等級

(10)

(11)

4 熵權(quán)物元可拓模型在深基坑安全風(fēng)險評價的應(yīng)用

青島某基坑工程基坑開挖深度約28 m，基坑周長約760 m，土石方量約70萬m3。周邊環(huán)境復(fù)雜，臨近通訊、燃氣、電力、供水等管線，毗鄰地鐵隧道、人民廣場、華銀大廈等重要建筑。本文以該工程為例，基于WSR和熵權(quán)物元可拓模型對該深基坑安全風(fēng)險進行評價。為減少主觀因素帶來的偏差，分別選取5名基坑專家和該工程負責(zé)人對指標進行評分后，統(tǒng)計分析這些評分后確定該基坑安全風(fēng)險所屬等級。

4.1 確定評價等級

將圖3的深基坑安全風(fēng)險評價指標體系劃分為1級(安全)、2級(較安全)、3級(一般)、4級(較危險)、5級(很危險)，每個級別記分標準依次為8～10，6～8，4～6，2～4和0～2分[14]，依據(jù)式(4)(5)歸一化后為[0，0.2]，(0.2，0.4]，(0.4，0.6]，(0.6，0.8]，(0.8，1]。

4.2 評價指標歸一化

根據(jù)深基坑安全風(fēng)險的大小，將基坑專家和該工程安全負責(zé)人對評價指標的評分進行歸一化，結(jié)果見表2。

表2 深基坑安全風(fēng)險評價指標評分歸一化結(jié)果

4.3 關(guān)聯(lián)度及權(quán)重的計算

依據(jù)可拓物元評價模型計算深基坑安全風(fēng)險評價指標的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重，計算結(jié)果見表3。

表3 深基坑安全風(fēng)險評價指標關(guān)聯(lián)度和權(quán)重計算結(jié)果

4.4 評價結(jié)果建議

根據(jù)評價結(jié)果分析，外在的客觀環(huán)境因素對深基坑施工安全風(fēng)險有先天的制約，如：基坑周邊建筑物、地下管線、自然災(zāi)害等無法改變的約束條件，但人理方面在深基坑安全風(fēng)險中地位最為重要。結(jié)合WSR思想將深基坑施工安全管理作為一個交互影響的整體，為提高人理維度的安全管理能力，提出以下改進措施：

1) 物理W方面?？偨Y(jié)基坑施工的全過程，梳理容易產(chǎn)生安全事故的風(fēng)險要素，強化基坑周邊土壤監(jiān)控措施，加強對材料、機械的管控，及時發(fā)現(xiàn)整改不規(guī)范的風(fēng)險因素，創(chuàng)造出良好的施工現(xiàn)場環(huán)境。

2) 事理S方面。加強全體人員安全教育，提高安全意識；強化機械設(shè)備操作規(guī)范；加強基坑周邊日常維護巡視，確保擋土狀態(tài)良好；密切關(guān)注施工現(xiàn)場地質(zhì)水文情況，消除外在風(fēng)險因素帶來的不利影響，完善事故應(yīng)急預(yù)案。

3) 人理R方面。建設(shè)安全、和諧的施工氛圍；及時調(diào)節(jié)不同作業(yè)人員間的扯皮糾紛，確保施工人員的良好心情；通過使用監(jiān)測設(shè)備，加強對基坑預(yù)警監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)及時發(fā)出警報；充分利用基坑施工經(jīng)驗，分配合理的崗位；通過事故現(xiàn)場分析、布置警示標志等加強安全宣傳。

5 結(jié)束語

深基坑施工安全風(fēng)險管理是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，影響安全風(fēng)險因素很多，本文通過WSR分析深基坑施工安全風(fēng)險的主要因素，并建立基于“物理-事理-人理”的深基坑施工安全風(fēng)險評價體系進行評價，運用熵權(quán)物元可拓模型，有效提高評價的科學(xué)性和有效性，為后續(xù)探究提供參考。