基于改進(jìn)證據(jù)理論的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李楊,徐建澤

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

隨著高層建筑和地下工程的發(fā)展，深基坑施工項(xiàng)目越來(lái)越多，深基坑工程具有開(kāi)挖深、支護(hù)要求高、對(duì)周邊建筑影響大等特點(diǎn)，易發(fā)生塌方等工程事故，并會(huì)造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究對(duì)安全施工具有重要意義。

證據(jù)理論能有效融合不確定信息，基于此，相關(guān)學(xué)者已將證據(jù)理論廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[1-6]。吳賢國(guó)等[1]將證據(jù)理論應(yīng)用到盾構(gòu)下穿既有隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。楊斯玲等[2]將證據(jù)理論應(yīng)用到裝配式建筑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。劉沐宇、段含露[3]將證據(jù)理論應(yīng)用到大跨徑懸索橋主塔施工風(fēng)險(xiǎn)分析。周盛世等[5]將證據(jù)理論應(yīng)用到地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。融合不確定的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)，將證據(jù)理論應(yīng)用其中可有效提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

證據(jù)理論對(duì)特征沖突多源信息融合時(shí)，有可能得到與事實(shí)相悖的結(jié)論[7]，相關(guān)學(xué)者提出利用不確定墑[8]、最優(yōu)權(quán)重[9]、K-L信息距離[10]等方法改進(jìn)證據(jù)理論。該項(xiàng)研究引用相關(guān)參考文獻(xiàn)[10]提出的方法改進(jìn)證據(jù)理論的證據(jù)沖突問(wèn)題，為項(xiàng)目管理者提供更加有效的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

1改進(jìn)的證據(jù)理論

1.1 證據(jù)理論

當(dāng)2個(gè)證據(jù)存在時(shí)，證據(jù)融合結(jié)果為：

(1)

式中：

K——沖突系數(shù)，表示各證據(jù)信息融合時(shí)的沖突程度。

當(dāng)多個(gè)證據(jù)存在時(shí)，證據(jù)融合結(jié)果為：

(2)

1.2 K-L信息距離

K-L信息距離理論由Kullback和Leibler[12]，用來(lái)判斷兩個(gè)概率分布的接近程度。設(shè)同一識(shí)別框架"Θ" 下，則2個(gè)賦值函數(shù)的信息距離為：

(3)

1.3 基于沖突識(shí)別的證據(jù)理論

Zadeh[7]用實(shí)例證明了在證據(jù)沖突下應(yīng)用Dempster合成規(guī)則得到的結(jié)果與事實(shí)相悖。采用文獻(xiàn)[10]提出的K-L信息距離證據(jù)沖突識(shí)別方法，對(duì)多指標(biāo)體系應(yīng)用D-S證據(jù)理論進(jìn)行改進(jìn)，兩證據(jù)間的信息距離公式如下：

(4)

兩證據(jù)間的均衡信息距離：

(5)

所有證據(jù)到第i個(gè)證據(jù)的信息距離和：

(6)

為體現(xiàn)各證據(jù)在整體系統(tǒng)沖突中的影響程度，定義Hi為基于信息距離的證據(jù)沖突度：

(7)

該研究認(rèn)為同類(lèi)指標(biāo)應(yīng)具有信息一致性，因此應(yīng)對(duì)高度沖突證據(jù)進(jìn)行隔離。應(yīng)用證據(jù)理論對(duì)隔離后的指標(biāo)進(jìn)行融合，減少了高度沖突指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程的影響，從而提高多指標(biāo)融合結(jié)果收斂性。圖1所示為改進(jìn)證據(jù)理論的指標(biāo)融合流程。

圖1 改進(jìn)證據(jù)理論的指標(biāo)融合流程

2深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

深基坑項(xiàng)目具有開(kāi)挖深、尺寸大、支護(hù)要求高等特點(diǎn)，施工過(guò)程存在眾多的不確定性風(fēng)險(xiǎn)因素，如人員的安全意識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)人員的施工經(jīng)驗(yàn)、原材料質(zhì)量、天氣情況、進(jìn)度管理等。參考大量文獻(xiàn)[13-16]，利用德?tīng)柗品ㄅc層次分析法構(gòu)建深基坑項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3基于證據(jù)理論的指標(biāo)集結(jié)

3.1 專(zhuān)家對(duì)二級(jí)指標(biāo)賦值

設(shè)深基坑施工各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別框架：

(8)

式中：

k——風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，k=1,2,…,5。

專(zhuān)家N按照Θ框架對(duì)二級(jí)指標(biāo)Aij賦值：

(9)

式中：

N——專(zhuān)家序號(hào)，N=1,2,…,n；

ij——二級(jí)指標(biāo)序號(hào)。

3.2 專(zhuān)家賦值的沖突識(shí)別與集結(jié)

將專(zhuān)家對(duì)二級(jí)指標(biāo)Aij的賦值，帶入式(4)得到專(zhuān)家賦值的沖突識(shí)別矩陣：

(10)

將上述數(shù)據(jù)帶入式(5)～式(7)得到專(zhuān)家賦值的沖突度Hi，通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的沖突門(mén)限[10]隔離n1個(gè)高度沖突的專(zhuān)家賦值，將(n-n1)個(gè)專(zhuān)家賦值帶入式(2)得到指標(biāo)Aij的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果mij(θk)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的集結(jié)

最后，利用式(2)對(duì)mij(θk)集結(jié)，得到一級(jí)指標(biāo)Ai的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果mi(θk)，進(jìn)而得到深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果m(θk)。

4算例分析

選用某深基坑施工項(xiàng)目進(jìn)行算例分析，該項(xiàng)目基坑深度7.5～12.5 m，開(kāi)挖尺寸73.6 m×31.5 m，地下水位于地面以下5.5 m，施工場(chǎng)地埋有雨水、污水、自來(lái)水管線(xiàn)，周邊是城市主干道。施工方根據(jù)地勘報(bào)告，并結(jié)合基坑開(kāi)挖深度、現(xiàn)有建筑、施工道路等情況，確定土釘墻作為基坑支護(hù)方案。

4.1 二級(jí)指標(biāo)的賦值

專(zhuān)家按照識(shí)別框架對(duì)指標(biāo)Aij賦值，以8位專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)A11的賦值為例：

m11(θk)1=[0.1,0.1,0.2,0.4,0.2]

m11(θk)2=[0.1,0.1,0.1,0.3,0.4]

m11(θk)3=[0.1,0.1,0.3,0.3,0.2]

m11(θk)4=[0.1,0.3,0.2,0.2,0.2]

m11(θk)5=[0.1,0.2,0.5,0.1,0.1]

m11(θk)6=[0.1,0.1,0.1,0.4,0.3]

m11(θk)7=[0.1,0.1,0.2,0.4,0.2]

m11(θk)8=[0.1,0.1,0.2,0.3,0.3]

4.2 沖突信息的識(shí)別與集結(jié)

將8組賦值帶入式(4)～式(7)可得8位專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)A11賦值的沖突度Hi，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)A11賦值的K-L信息距離與證據(jù)沖突度

為便于識(shí)別，將表2中Hi數(shù)據(jù)可視化(如圖2所示)。

圖2 證據(jù)沖突特征識(shí)別與時(shí)序趨勢(shì)

由圖2可得H5、H7具有顯著沖突度，該沖突是專(zhuān)家5、專(zhuān)家7與其他專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)A11的賦值高度沖突導(dǎo)致的，即專(zhuān)家5、專(zhuān)家7與其他專(zhuān)家對(duì)同一指標(biāo)A11的意見(jiàn)高度不一致，所以需要對(duì)專(zhuān)家5、專(zhuān)家7的賦值進(jìn)行隔離。

將隔離后的賦值帶入式(2)得到：

m11(θk)=[0.000 85,0.002 54,0.020 34,0.732 20,0.244 07]

通過(guò)m11(θk)可得該項(xiàng)目人員安全意識(shí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高，同時(shí)，高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排在第二位，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有向更高等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明相關(guān)人員缺少安全意識(shí)，需要采取必要措施，如加強(qiáng)員工三級(jí)安全教育、舉辦安全培訓(xùn)班、引進(jìn)安全管理人才等降低施工風(fēng)險(xiǎn)。利用相同的方法對(duì)二級(jí)指標(biāo)A12至A14進(jìn)行融合，將二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果m11(θk)至m14(θk)帶入式(2)得到一級(jí)指標(biāo)A1的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果：

m1(θk)=[0.009 14,0.918 19,0.000 81,0.064 32,0.007 54]

同理，可得其他一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果：

m2(θk)=[0.012 50,0.025 00,0.750 00,0.200 00,0.012 50]

m3(θk)=[0.017 24,0.517 24,0.137 93,0.258 63,0.068 96]

m4(θk)=[0.009 71,0.019 41,0.077 67,0.699 02,0.194 17]

m5(θk)=[0.256 41,0.115 38,0.461 55,0.115 38,0.051 28]

m6(θk)=[0.024 09,0.072 28,0.433 73,0.433 76,0.036 14]

分析以上結(jié)果可得：施工方法A4風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較高，需要采取措施，如聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員完善施工組織設(shè)計(jì)、增加深基坑測(cè)量點(diǎn)位、選用更安全的加固技術(shù)等降低風(fēng)險(xiǎn)；施工機(jī)械A(chǔ)2、環(huán)境因素A5、管理因素A6風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，施工風(fēng)險(xiǎn)時(shí)刻在變化，需要時(shí)刻對(duì)這些指標(biāo)保持關(guān)注，必要時(shí)采取相應(yīng)措施，防止施工風(fēng)險(xiǎn)向更高等級(jí)發(fā)展；人員因素A1、材料因素A3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為低、較低，建議繼續(xù)保持對(duì)人員和材料的嚴(yán)格管理，使其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)始終處于較低水平。

最后將上述一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果帶入式(2)得：

m(θk)=[0.000 01,0.016 00,0.010 89,0.973 01,0.000 09]

根據(jù)隸屬度大小，該深基坑項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為較高等級(jí)，說(shuō)明該項(xiàng)目存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)施工方法A4采取風(fēng)險(xiǎn)管控措施，并加強(qiáng)對(duì)施工機(jī)械A(chǔ)2、環(huán)境因素A5、管理因素A6的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，保持對(duì)人員因素A1、材料因素A3的嚴(yán)格管理，以便減少施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

5結(jié)論

(1)深基坑施工項(xiàng)目存在諸多風(fēng)險(xiǎn)因素，提出了人、機(jī)、料、法、環(huán)、管六大方面評(píng)價(jià)指標(biāo)，確保評(píng)價(jià)指標(biāo)更加科學(xué)全面。

(2)相關(guān)學(xué)者創(chuàng)建的K-L信息距離改進(jìn)證據(jù)理論的方法可在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中識(shí)別出高度沖突的專(zhuān)家賦值，通過(guò)隔離高度沖突的賦值，降低其對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加收斂。

(3)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性等特點(diǎn)，算例分析結(jié)果表明證據(jù)理論能有效融合不確定的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，彰顯出證據(jù)理論在深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的適用性。