基于模糊理論的地鐵深基坑非對(duì)稱施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

吳波，趙睿，蒙國(guó)往，陳輝浩，黃惟，劉家粱，程懿

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2. 東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013；3. 廣州城建職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣州 510925)

截至2020年底，中國(guó)共有45個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路244條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度7 969.7 km。其中，地鐵運(yùn)營(yíng)線路6 280.8 km，占比78.8%[1]。以上數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)城市化進(jìn)程正在穩(wěn)步推進(jìn)，城市軌道交通建設(shè)也保持著快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由于地鐵車站周圍通常存在密集的已建或在建建(構(gòu))筑物，施工環(huán)境復(fù)雜多變。在地鐵車站深基坑施工期間，不僅需要保障基坑自身施工安全，還應(yīng)該降低對(duì)周邊建筑物、道路管線等的影響。所以，針對(duì)地鐵深基坑安全施工，需要提前進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定相應(yīng)的安全施工方案，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

多年以來(lái)，已經(jīng)有許多學(xué)者針對(duì)地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。Wei等[2]針對(duì)已有數(shù)據(jù)的不完整性和模糊性，提出了一種基于模糊證據(jù)推理的深基坑建設(shè)項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)水平評(píng)估方法；Valipour等[3]在深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中引入SWARA(逐步權(quán)重評(píng)估比率分析)來(lái)處理專家判斷的模糊性，同時(shí)，使用COPRAS(復(fù)雜比例評(píng)估)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序；Meng等[4]將深基坑風(fēng)險(xiǎn)損失細(xì)化為5個(gè)指標(biāo)，并賦予5個(gè)指標(biāo)不同的權(quán)重，同時(shí)，給出專家權(quán)重的評(píng)價(jià)指標(biāo)，改進(jìn)了模糊層次評(píng)價(jià)方法；黃建華等[5]引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模糊理論，對(duì)基坑圍護(hù)工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分；程鴻群等[6]采用區(qū)間數(shù)理論等對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，降低了傳統(tǒng)量化方法的主觀性；張勝昔等[7]通過(guò)G-FAHP理論，構(gòu)建了深基坑施工評(píng)估模型，并得到各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)排序；潘海澤等[8]針對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)評(píng)估方法的不足，引入基于動(dòng)態(tài)變量的突變級(jí)數(shù)法對(duì)地鐵深基坑進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；王景春等[9]應(yīng)用熵權(quán)法對(duì)深基坑評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)，并結(jié)合二維云模型確定了地鐵車站深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)；唐建新等[10]將模糊數(shù)學(xué)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合使用，建立了多層次指標(biāo)體系，對(duì)地鐵深基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；宋博[11]基于數(shù)據(jù)包絡(luò)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了將兩者結(jié)合的地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；郎秋嶺等[12]采用組合權(quán)重與灰色關(guān)聯(lián)度理論相結(jié)合的方法，對(duì)地鐵深基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

綜上所述，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)于地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的識(shí)別以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的使用進(jìn)行了嘗試，也取得了良好的評(píng)估效果。然而，隨著各城市軌道交通線路的不斷增加，越來(lái)越多地出現(xiàn)與既有線車站直接進(jìn)行接駁的情況，尤其是出現(xiàn)既有線車站不同側(cè)非對(duì)稱開(kāi)挖的情況，使得施工環(huán)境更加復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)。特別是由于既有車站軌行區(qū)對(duì)位移變形的要求十分嚴(yán)格，而施工力學(xué)方面的理論研究仍不成熟，因此，有必要對(duì)地鐵深基坑非對(duì)稱施工進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 地鐵深基坑非對(duì)稱施工評(píng)估指標(biāo)

設(shè)最高層為地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)S；第2層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集為S=(S1,S2…Si)，其中Si為第1層第i個(gè)子指標(biāo)集；第3層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集為S=(Si1,Si2…Sij)，其中Sij為第1層第i個(gè)子因素集中第j個(gè)指標(biāo)集。

深基坑非對(duì)稱施工影響因素眾多，工程整體仍具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性。從地鐵深基坑非對(duì)稱施工安全的角度出發(fā)，根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》[13]、《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南(2007)》[14]和《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》(GB50652—2011)[15]以及近年來(lái)發(fā)生的多起地鐵深基坑事故，選取具有代表性的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，并建立系統(tǒng)的地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

2 地鐵深基坑非對(duì)稱施工評(píng)價(jià)方法

層次分析法(AHP)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的評(píng)估決策之中，而隨著模糊數(shù)學(xué)的興起和發(fā)展，許多學(xué)者將其與AHP理論相結(jié)合，逐漸形成了模糊層次分析法(FAHP),該方法處理復(fù)雜問(wèn)題中的模糊信息具有優(yōu)越性，同時(shí)，能夠更好地反映出參評(píng)專家判斷的模糊程度。

圖1 地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)Fig.1 Risk assessment index for asymmetric construction of subway deep foundation

多級(jí)模糊綜合評(píng)判法可以利用模糊層次分析法得到的權(quán)重值，將多個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果按照從下而上的順序轉(zhuǎn)化為最高層次的單指標(biāo)結(jié)果，有利于對(duì)工程整體風(fēng)險(xiǎn)的把控。同時(shí)，除最低層次隸屬度矩陣由專家給出以外，其余各層隸屬度矩陣均由其低一級(jí)層次的評(píng)估結(jié)果形成，在一定程度上考慮了各層次指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。

2.1 模糊層次分析法

其主要步驟如下：

1)建立模糊判斷矩陣

選擇三角模糊數(shù)0.1～0.9標(biāo)度方法[16]作為判斷準(zhǔn)則，見(jiàn)表1。通過(guò)依次比較同一層次的兩個(gè)元素，建立基于三角模糊數(shù)的模糊判斷矩陣R。

表1 0.1～0.9標(biāo)度內(nèi)涵

2)分層計(jì)算權(quán)重

由圖1可知，影響地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)較多，若不對(duì)由參評(píng)專家給出的判斷信息建立的三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣進(jìn)行處理，則不能使其滿足一致性的要求。引入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[17]使用的方法，重新調(diào)整形成模糊互補(bǔ)判斷矩陣V=(vij)n×n。

首先，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得到模糊判斷矩陣A。

(1)

(2)

然后，根據(jù)式(3)～式(5)計(jì)算得到調(diào)整后的模糊判斷矩陣V。

(3)

C=(cij)n×n=(aijbij)n×n

(4)

(5)

驗(yàn)證經(jīng)過(guò)調(diào)整后的模糊判斷矩陣的一致性，對(duì)不滿足一致性的矩陣按照式(1)～式(5)重新進(jìn)行調(diào)整，直到模糊判斷矩陣完全滿足一致性要求后，根據(jù)式(6)、式(7)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

(6)

(7)

式中：λs為考慮專家能力水平高低的系數(shù)，一般認(rèn)為專家水平相當(dāng)，取λs=1/k，k為參與打分的專家人數(shù)，且有λs之和等于1。ωm為最終計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重，選擇最重視元素間重要程度的取法[18]，取α=(n-1)/2。

3)驗(yàn)證一致性

(8)

(9)

2.2 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的主要思路是先從處于最底層的指標(biāo)出發(fā)，然后層層推進(jìn)，逐級(jí)評(píng)價(jià)，直到得到最上端層次的評(píng)估結(jié)果，其具體步驟如下：

建立評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)集

R={r1,r2…r3}

(10)

然后建立評(píng)價(jià)集

V={v1,v2…v3}

(11)

隨后建立權(quán)重集

W={w1,w2…w3}

(12)

緊接著建立單因素隸屬度矩陣

(13)

最終得到評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)判結(jié)果

D=W·X

(14)

2.3 建立評(píng)價(jià)集

參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度及指南解析》[20]，將地鐵深基坑非對(duì)稱施工安全風(fēng)險(xiǎn)分為4級(jí)，具體等級(jí)劃分如表2所示。

表2 事故可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 案例分析

3.1 工程概況

廣州地鐵某車站為地下3層島式站臺(tái)車站，總建筑面積為30 010 m2，外包總長(zhǎng)322.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.1 m。車站西側(cè)及北側(cè)為城中村，東側(cè)為學(xué)校和住宅區(qū)，南側(cè)為港口碼頭。建筑密集，管線眾多。車站在中間位置與現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)13號(hào)線呈L型換乘，既有線將該項(xiàng)目分隔成南北兩個(gè)基坑，基坑開(kāi)挖深度26.98 m，先進(jìn)行的是北基坑的開(kāi)挖。北基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻共計(jì)37幅，墻厚1 m，幅寬6 m，采用四道內(nèi)支撐，靠近既有車站位置增加了斜撐來(lái)彌補(bǔ)減少的非對(duì)稱土壓力。該基坑非對(duì)稱開(kāi)挖示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵深基坑非對(duì)稱開(kāi)挖示意圖Fig.2 Plane of asymmetric excavation of subway deep foundation

該地鐵基坑底部大部分位于微風(fēng)化含礫粗砂巖，局部位于中風(fēng)化含礫粗砂巖。場(chǎng)地地下水賦存較豐富，有弱腐蝕性，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)地下水位較高，混合水位埋深為2.2～5.0 m。砂層地下水主要靠大氣降水和地表水(珠江水系及車站北端頭的烏涌)徑流補(bǔ)給，地表水與地下水有水力聯(lián)系，地表水會(huì)對(duì)地下水補(bǔ)給，基坑發(fā)生涌水涌沙的風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

進(jìn)行地鐵車站深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之前，擬定4位專家按照表1的原則進(jìn)行打分。其中施工單位專家2名，設(shè)計(jì)單位專家1名，監(jiān)理單位專家1名。根據(jù)表1的評(píng)分標(biāo)度，將同層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較，得到所需要的判斷矩陣。以專家A為例，以地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)S0為判斷準(zhǔn)則，對(duì)第1層次圍護(hù)結(jié)構(gòu)S1、既有線車站非對(duì)稱土壓力S2、基坑環(huán)境S3、周圍環(huán)境S4和現(xiàn)場(chǎng)安全管理S5兩兩元素進(jìn)行比較，所建立的模糊判斷矩陣R1為

通過(guò)式(1)～式(5)可以得到調(diào)整后的模糊判斷矩陣V1

通過(guò)可達(dá)矩陣驗(yàn)證模糊判斷矩陣V1，其滿足一致性要求。同理，可以得到其余3名專家評(píng)分的模糊判斷矩陣V2、V3、V4，分別為

通過(guò)式(6)、式(7)可以得到S1、S2、S3、S4、S5的權(quán)重分別為0.286、0.236、0.219、0.156、0.103。同理可得其余各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于其對(duì)應(yīng)的上一層次指標(biāo)的權(quán)重，詳見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.3 建立單因素隸屬度矩陣

經(jīng)過(guò)專家的調(diào)查討論，最終得到隸屬度矩陣Xi，其中xi為某評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生事故的可能性概率估計(jì)。建立的隸屬度矩陣Xi為

3.4 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

3.4.1 一級(jí)模糊評(píng)價(jià) 一級(jí)模糊評(píng)價(jià)是對(duì)一類中的最低層次指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。使用式(14)可以計(jì)算得到一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，其中Wi為最低層次指標(biāo)權(quán)重，Xi為對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因素隸屬度矩陣。具體評(píng)價(jià)結(jié)果為D1=(0 0.740 0.260 0),D2=(0 0.684 0.316 0)，D3=(0 0.596 0.404 0),D4=(0 0.521 0.479 0)，D5=(0 0.552 0.448 0)。

3.4.2 二級(jí)模糊評(píng)價(jià) 二級(jí)模糊評(píng)價(jià)在一級(jí)模糊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，其單因素評(píng)價(jià)矩陣是由一級(jí)模糊評(píng)判結(jié)果組成，表達(dá)式為X=(D1D2D3D4D5)T。通過(guò)D=W·X可以得到二級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)，其中，W為第二層次指標(biāo)權(quán)重。具體評(píng)價(jià)結(jié)果為

D=(0 0.642 0.358 0)。

3.5 評(píng)判結(jié)果分析

選用Ⅰ型評(píng)判函數(shù)，最終結(jié)果為P=0.1×0.642+0.01×0.358=0.067 78。由表2可得，本地鐵深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)概率為3級(jí)，為可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，既有車站、地連墻以及周圍建筑未出現(xiàn)過(guò)大的變形和沉降，僅在進(jìn)行地連墻鋼板接縫期間出現(xiàn)了局部的涌水涌沙現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)有序搶險(xiǎn)之后，未出現(xiàn)設(shè)備損失及人員傷亡。該評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況相符，可以此采取針對(duì)性措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

由上述評(píng)估結(jié)果分析可得，圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)S1所占權(quán)重最大，其次是既有線車站指標(biāo)S2，可見(jiàn)，地鐵深基坑非對(duì)稱施工的重點(diǎn)是保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性以及既有線車站的正常使用功能，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求以及施工工序要求進(jìn)行施工。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)S1中，地下連續(xù)墻最大水平位移指標(biāo)S11所占權(quán)重最大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮地連墻作為永久結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)，施工時(shí)要保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，保證加固效果；而既有車站指標(biāo)S2中，軌行區(qū)位移變形指標(biāo)S24所占的權(quán)重最大，軌行區(qū)位移過(guò)大，極易導(dǎo)致列車脫軌，造成嚴(yán)重的事故，為控制既有線車站軌行區(qū)的變形及沉降能達(dá)到地鐵保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮增加鋼筋砼斜撐等措施進(jìn)行處理。

其余3個(gè)指標(biāo)權(quán)重大小排名依次為：S3>S4>S5。在基坑環(huán)境指標(biāo)S3中，流沙、管涌和突涌指標(biāo)S33權(quán)重最大，而在周圍環(huán)境指標(biāo)S4中，建筑物傾斜失穩(wěn)指標(biāo)S43權(quán)重最大，這是由于基坑非對(duì)稱開(kāi)挖、流沙和管涌現(xiàn)象等容易引起較大的土體變形，當(dāng)土體變形量超限時(shí)，就會(huì)引發(fā)管線損壞、建筑物開(kāi)裂，甚至導(dǎo)致建筑物失穩(wěn)倒塌事故。所以應(yīng)選擇合適的施工工藝，如采用基坑分段開(kāi)挖、地連墻分段施工的方法進(jìn)行施工，以減小邊坡失穩(wěn)、基底隆起等風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，做好基坑降水、土體加固，并保障地連墻接縫處刷壁質(zhì)量，以預(yù)防滲流引起的流沙、管涌等現(xiàn)象。

在現(xiàn)場(chǎng)安全管理S5中，監(jiān)控測(cè)量指標(biāo)S53所占權(quán)重最大，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)重點(diǎn)做好監(jiān)控測(cè)量和預(yù)警工作，對(duì)該地鐵深基坑以及既有線車站結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實(shí)行監(jiān)測(cè)，并按照變化量、變化速率兩方面劃分預(yù)警級(jí)別，以此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工安全管理。

4 結(jié)論

相較于一般基坑工程，地鐵深基坑非對(duì)稱施工工況更為復(fù)雜，合理正確地識(shí)別和評(píng)估深基坑非對(duì)稱施工工程的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)整體工程風(fēng)險(xiǎn)管理、保證工程的順利具有積極意義?；谀：碚搶?duì)地鐵深基坑非對(duì)稱施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合實(shí)際工程和已有研究，對(duì)地鐵深基坑非對(duì)稱施工進(jìn)行了有效的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，建立了地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

2)采用模糊層次分析法和多級(jí)模糊綜合評(píng)判理論，可以確定地鐵深基坑非對(duì)稱施工的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3)通過(guò)評(píng)估結(jié)果可知，地鐵深基坑非對(duì)稱施工的重點(diǎn)是保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，減小既有車站軌行區(qū)變形位移，同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量，及時(shí)預(yù)警。

4)使用的模糊層次分析法可以將定性的問(wèn)題定量化，為地鐵深基坑非對(duì)稱施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種合理有效的評(píng)估方法。