基于SEM-MC的地鐵車站深基坑施工危險性測度研究*

王永祥，廖 婷，李洪高，詹同江，耿大新

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引言

地鐵車站深基坑是典型的“危大工程”，具有構(gòu)筑物深埋、周邊環(huán)境復(fù)雜、施工難度高、風(fēng)險致?lián)p大等特點(diǎn)，其施工過程主要包括基坑支護(hù)、降水排水、土方開挖、結(jié)構(gòu)施工等。在與復(fù)雜的周邊環(huán)境耦合作用下，潛藏許多風(fēng)險因素，若未能識別與評測其蘊(yùn)含的風(fēng)險性，一旦發(fā)生事故，后果極其嚴(yán)重。因此，在地鐵車站建設(shè)前，需采取科學(xué)有效的方法對地鐵車站深基坑開展危險性評測研究。評測結(jié)果既可以讓承包商識別面臨的風(fēng)險程度，采取預(yù)防性的應(yīng)對措施，也可以讓業(yè)主、監(jiān)理單位、政府主管部門開展有效風(fēng)險管控。

影響地鐵車站深基坑施工安全的因素較多且各影響因素之間互相影響，具有密切的關(guān)聯(lián)性。目前，國內(nèi)外學(xué)者對如何科學(xué)評測地鐵車站深基坑施工危險性進(jìn)行了大量的研究。陳波等[1]通過層次分析法(AHP)構(gòu)建多因素深基坑施工危險性測度模型；周紅波等[2]采用故障樹-AHP模型對地鐵隧道豎井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行風(fēng)險評價。上述研究都是常規(guī)確定性施工危險性測度方法，不足之處是未考慮到施工危險性測度中的不確定性。Konstantinos等[3]利用模糊層次分析法，對雅典地鐵車站施工危險性進(jìn)行測度研究；Zhang等[4]建立模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)—模糊層次分析模型，根據(jù)對基坑塌方事故的統(tǒng)計分析，對深基坑施工安全風(fēng)險進(jìn)行測度研究。這些研究引入了模糊理論對施工危險性進(jìn)行不確定性分析。除引入模糊理論外，宋博[5]利用數(shù)據(jù)包絡(luò)法-反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對指標(biāo)的非線性關(guān)系進(jìn)行分析，并動態(tài)預(yù)測地鐵深基坑施工危險性等級；潘夢真等[6]等運(yùn)用改進(jìn)的相互作用矩陣對基坑安全施工風(fēng)險進(jìn)行評價。

綜上所述，之前的學(xué)者雖然改進(jìn)了傳統(tǒng)施工危險性測度方法，但多數(shù)僅考慮各影響因素對深基坑施工風(fēng)險的單獨(dú)作用，鮮少考慮多因素之間的耦合效應(yīng)，同時，對深基坑施工危險性測度研究的方法主觀性較強(qiáng)，缺乏客觀評測手段。因此，針對現(xiàn)有研究的不足，本文擬聯(lián)合運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)與蒙特卡洛(MC)方法，采用SEM計算指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合MC方法，減少數(shù)據(jù)來源主觀性，對地鐵車站深基坑施工危險性進(jìn)行測度研究，并將其運(yùn)用到具體案例中驗(yàn)證該方法的科學(xué)性與有效性，從而為地鐵車站深基坑施工危險性測度研究提供一定的支撐和參考。

1 研究方法

1.1 危險性測度指標(biāo)體系構(gòu)建

地鐵車站施工一旦發(fā)生事故，往往會導(dǎo)致人員傷亡、工期延誤、經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重后果。對地鐵車站深基坑風(fēng)險管理應(yīng)嚴(yán)格遵循《安全生產(chǎn)法》中的“安全第一、預(yù)防為主”的方針。預(yù)防的前提是準(zhǔn)確識別各種風(fēng)險并科學(xué)地予以評測，而傳統(tǒng)風(fēng)險識別方法大多只考慮單一風(fēng)險因素或多風(fēng)險因素的簡單疊加，往往不能適應(yīng)地鐵車站深基坑工藝的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性。單一風(fēng)險因素往往不易直接引發(fā)風(fēng)險事故，而是與其他風(fēng)險因素耦合導(dǎo)致風(fēng)險事件發(fā)生。為此，基于風(fēng)險耦合理論，從深基坑施工安全風(fēng)險耦合機(jī)理進(jìn)行初步分析，基坑開挖、基坑支護(hù)、降水排水和周邊環(huán)境4個維度出發(fā)，如圖1所示。

圖1 地鐵車站深基坑施工風(fēng)險耦合機(jī)理

由圖1可知，地鐵車站深基坑施工作為1個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其內(nèi)部因素之間交互耦合會增加風(fēng)險事故發(fā)生的概率，如地鐵車站深基坑周邊環(huán)境會影響土方開挖技術(shù)參數(shù)設(shè)置，同時也會影響降水排水方案布置。相反，不合理的降水排水方案會導(dǎo)致基坑積水嚴(yán)重，使基坑內(nèi)土體力學(xué)性能變差，抗拉錨桿錨固力降低，土體側(cè)應(yīng)力增大，周邊水土流失嚴(yán)重，極易產(chǎn)生基坑支護(hù)失穩(wěn)以及周邊建筑物不均勻沉降等消極后果。因此，需要考慮風(fēng)險耦合作用。

參考《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50299—2018)[7]，考慮風(fēng)險之間的耦合作用，從基坑支護(hù)、基坑開挖、降水排水以及周邊環(huán)境4個維度建立危險性測度1級指標(biāo)，再參考既有研究[8-11]和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[12-14]建立2級指標(biāo)群，組織相關(guān)專家進(jìn)行會審，選取抗拉錨桿、支護(hù)形式、支撐節(jié)點(diǎn)剛度等16種地鐵車站深基坑施工危險性測度指標(biāo)以及人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和工期損失3種事故后果構(gòu)建深基坑施工危險性測度指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 地鐵車站深基坑施工危險性測度指標(biāo)體系

1.2 SEM-MC危險性測度模型

1)基本模型構(gòu)建

結(jié)構(gòu)方程是1種將因素分析和路徑分析相結(jié)合的統(tǒng)計方法[15]。該方法引入潛變量概念，測量變量通過因素分析反映潛變量，再利用路徑分析找出潛變量之間的關(guān)系。

蒙特卡洛方法，是以數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，利用軟件產(chǎn)生大量隨機(jī)數(shù)并進(jìn)行多次模擬得到客觀目標(biāo)概率分布及概率特征值的1種隨機(jī)模擬方法。其通常被用于對項(xiàng)目的不確定性分析和風(fēng)險分析，能夠更客觀更準(zhǔn)確反映不確定性因素的影響。

參考《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》(GB 50652—2011)[16]，危險度一般由風(fēng)險可能發(fā)生概率與風(fēng)險損失值簡單相乘所得，但并不能客觀反映風(fēng)險水平。因此，在綜合考慮主觀性與多因素耦合的基礎(chǔ)上，聯(lián)合運(yùn)用SEM與MC方法，建立地鐵車站深基坑危險性測度模型，如圖3所示。考慮風(fēng)險耦合作用，構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，利用SEM能夠處理復(fù)雜多變量數(shù)據(jù)的特性，求出各影響因素權(quán)重并識別主要影響因素，同時根據(jù)各因素數(shù)據(jù)特征，利用MC模擬產(chǎn)生一系列符合要求的數(shù)據(jù)，求出潛變量的概率分布，最后結(jié)合風(fēng)險損失值與風(fēng)險因素權(quán)重求出危險度R，如式(1)所示：

“熟讀唐詩三百首，不會吟詩也會吟?！痹趶?qiáng)化背誦積累的過程中，力求做到家校結(jié)合，共同做好學(xué)生閱讀、積累、背誦的管理和引導(dǎo)教育工作。近年來，越來越多的學(xué)校和家庭更加重視古詩文的學(xué)習(xí)和背誦，越來越多的孩子成為傳統(tǒng)文化的受益者。每日堅持閱讀，每周堅持背誦古詩文，不但開闊了學(xué)生的視野，增強(qiáng)了傳統(tǒng)文化的學(xué)習(xí)和感悟，而且鍛煉了學(xué)生的積累程度和記憶力。

圖3 SEM-MC危險性測度模型

(1)

式中：wi為潛變量權(quán)重值；Pi為潛變量可能性分值；wj為風(fēng)險損失權(quán)重值；Clj為風(fēng)險損失值。

2)風(fēng)險等級劃分

依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》[16]，將風(fēng)險發(fā)生概率、風(fēng)險損失程度劃分為5個等級，1～5級表示風(fēng)險發(fā)生的概率與損失程度逐級遞增，將危險度劃分為4個等級，1～4級表示危險度也逐級遞增。其計算如式(2)所示：

Rs=Ps×Cs

(2)

式中：Rs為危險度；Ps為風(fēng)險發(fā)生概率；Cs為風(fēng)險損失程度。

依據(jù)文獻(xiàn)[16]，對危險度的評判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 危險度等級表

2 算例分析

2.1 工程概況

選取南昌地鐵雙港站為研究對象。雙港站為地下2層島式車站，站臺寬11 m，車站主體長約321 m，站臺中心處結(jié)構(gòu)高度為13.10 m，覆土厚約2.95 m。該站橫穿雙港大道，大致呈南北走向，西側(cè)有高層居民樓，下穿江西省日報社倉庫，管道分布較少，地下水主要為孔隙性潛水與裂隙性潛水，在勘查期間水位埋深0.5～6.2 m。車站采用明挖順作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐支護(hù)體系。南端頭井基坑深度約為16.194 m，北端頭井基坑深度約為18.34 m，站臺中心里程處基坑深度約14.75 m，在基坑開挖深度范圍內(nèi)巖性主要為中風(fēng)化千枚巖，開挖時易于挖進(jìn)，但易坍塌，其力學(xué)性能較差，因此施工難度較大。

2.2 地鐵車站深基坑施工危險性測度結(jié)構(gòu)方程模型的構(gòu)建

1)量表設(shè)計

采用調(diào)查問卷法，對該站深基坑施工危險性測度2級指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，問卷分3部分，第1部分為問卷指導(dǎo)語，第2部分為調(diào)查對象的個人背景，包括：教育背景、工作單位、工作年限3個基本項(xiàng)，第3部分為問卷問題。問卷調(diào)查采用Likert scale，根據(jù)深基坑施工危險性測度指標(biāo)體系將問題分為5組設(shè)置19道題，利用1，2，3，4，5分別代表可忽略影響、較小影響、中等影響、較大影響、嚴(yán)重影響。部分題項(xiàng)如表2所示。

表2 調(diào)查問卷部分題項(xiàng)

2)調(diào)查統(tǒng)計

問卷調(diào)研以線上調(diào)研為主。通過編寫調(diào)研小程序向各方采集數(shù)據(jù)。鑒于調(diào)研內(nèi)容專業(yè)性較高，特選取建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、風(fēng)控單位以及安監(jiān)站為主要發(fā)放單位，填寫調(diào)查問卷的人員分布如表3所示，最終回收問卷232份，刪去缺項(xiàng)以及不合格問卷，有效問卷為204份，有效問卷率為87.9%。

表3 調(diào)查對象個人背景情況分布

2.2.2 樣本信效度分析

為檢測數(shù)據(jù)樣本的可靠性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程擬合前，使用SPSS v21.0對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行信效度分析，由Cronbach’sα系數(shù)表示數(shù)據(jù)樣本的信度，KMO值表示數(shù)據(jù)樣本的收斂效度[17]，結(jié)果如表4所示。各潛變量的Cronbach’sα均大于0.8，大于分界值0.7，說明數(shù)據(jù)樣本信度良好，數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性高，數(shù)據(jù)可靠；同時，各潛變量的KMO值均大于0.7，P值均為0.000，通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明各潛變量的收斂效度良好，數(shù)據(jù)之間相關(guān)性顯著，測量模型可信度高。

表4 信效度分析

2.2.3 模型擬合

結(jié)構(gòu)方程通常以卡方/自由(χ2/df)、近似誤差平方根(RMSEA)、擬合優(yōu)度指數(shù)(GFI)、調(diào)整擬合度指標(biāo)(AGFI)、遞增擬合指數(shù)(IFI)、比較擬合指標(biāo)(CFI)、Tucker-Lewis指數(shù)(NNFI) 、均方根殘差(RMR)8個指標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m配度[18]，檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，均在可接受范圍之內(nèi)。

表5 擬合結(jié)果

通過對模型的修正與模擬，得到最終地鐵車站深基坑施工風(fēng)險性測度結(jié)構(gòu)方程模型，各潛變量與測量變量的路徑系數(shù)如圖4所示。由圖4得知，在考慮各系統(tǒng)耦合作用下，基坑支護(hù)、基坑開挖、周邊環(huán)境、降水排水與深基坑風(fēng)險后果的相關(guān)系數(shù)分別為0.26，0.34，0.21，0.24，因此可知基坑開挖為主要影響因素，次之為基坑支護(hù)，而周邊環(huán)境影響最小。同時，基坑開挖、基坑支護(hù)與降水排水三者耦合作用較高，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.73，0.59，0.64，這是因?yàn)榈罔F車站深基坑施工難度高、施工工藝復(fù)雜，基坑開挖、基坑支護(hù)與降水排水交替進(jìn)行，相互影響。其中，基坑支護(hù)作業(yè)可靠性影響基坑開挖順利進(jìn)行，而基坑支護(hù)作業(yè)又以緊前開挖作業(yè)基本完成為前提。同時，為了保證基坑支護(hù)的穩(wěn)定性與基坑開挖的順利進(jìn)行，還必須配置合理的降水排水作業(yè)來維持水土壓力平衡與作業(yè)面的干燥，因此三者耦合作用較強(qiáng)。而基坑支護(hù)、降水排水與周邊環(huán)境耦合作用較低，相關(guān)系數(shù)大多低于0.5，這是因?yàn)榇斯こ讨車ㄖ锱c管線分布較少，使得周邊環(huán)境與各潛變量耦合度都相對較低。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化估計結(jié)果

根據(jù)路徑分析，求得各風(fēng)險因素的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)作為權(quán)重大小，如表6所示。潛變量基坑支護(hù)的主要影響因素為支護(hù)形式，其標(biāo)準(zhǔn)化估計值為0.85，這要求選用合理的支護(hù)形式和細(xì)化基坑支護(hù)參數(shù)非常重要；潛變量基坑開挖的主要影響因素為開挖技術(shù)參數(shù)設(shè)置，其標(biāo)準(zhǔn)化估計值為0.94，這要求在實(shí)際土方開挖作業(yè)中，應(yīng)嚴(yán)格采用“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的開挖原則，并結(jié)合實(shí)際情況，嚴(yán)格按照專項(xiàng)施工方案管理辦法落實(shí)；潛變量周邊環(huán)境的主要影響因素為周邊建筑物情況，其標(biāo)準(zhǔn)化估計值為0.88，這就要求工程實(shí)踐中，要按照相關(guān)規(guī)范嚴(yán)格落實(shí)基坑施工動態(tài)監(jiān)測工作，提前預(yù)警，有險必知；潛變量降水排水的主要影響因素為降水排水方法選用，其標(biāo)準(zhǔn)化估計值為0.83，應(yīng)結(jié)合基坑附近水文地質(zhì)情況，合理選取降水排水方法，并密切關(guān)注降水效果及對環(huán)境的影響。

表6 部分參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化估計值

內(nèi)生潛變量除了受外生潛變量的影響之外，同時還受到人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期損失3個測量變量的影響。根據(jù)路徑分析可知，與風(fēng)險后果的相關(guān)系數(shù)分別為0.84，0.74，0.71，均為正相關(guān)。權(quán)重系數(shù)相差不大，說明在深基坑施工過程中，發(fā)生人員傷亡的同時，往往伴隨著經(jīng)濟(jì)與工期損失。

2.3 建立SEM-MC地鐵車站深基坑施工危險性測度模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程正態(tài)性檢驗(yàn)，所有風(fēng)險因素都符合正態(tài)分布，使用Crystal Ball對數(shù)據(jù)分別進(jìn)行批量擬合，得出各風(fēng)險因素的分布參數(shù)；然后利用MC法對各個風(fēng)險因素隨機(jī)產(chǎn)生5 000個值，根據(jù)測量模型公式可以確定各潛變量模擬值的概率分布，如表7所示。

表7 潛變量模擬值

類似地，可依次得到其他潛變量的概率分布。依據(jù)式(1)，結(jié)合風(fēng)險損失程度與風(fēng)險因素權(quán)重得到新的危險性測度模型，最后生成危險度概率分布圖，如圖5所示。深基坑施工危險度服從μ=21.29，σ=3.42的正態(tài)分布，取均值R=21.29，由表1可得該地鐵車站深基坑施工危險性等級為4級。該地鐵車站基坑土質(zhì)力學(xué)性能差，根據(jù)危險性測度研究成果可知開挖技術(shù)參數(shù)設(shè)置對施工安全影響較重，因此在施工過程應(yīng)高度關(guān)注。同時，根據(jù)危險性等級加強(qiáng)日常風(fēng)險管理，對相應(yīng)風(fēng)險進(jìn)行防范，并采取預(yù)警措施，制定風(fēng)險應(yīng)急方案，將地鐵車站深基坑施工危險性等級降為可接受水平。從實(shí)際效果看，該施工危險性測度成果較好的指導(dǎo)了深基坑施工，使工程施工更為高效、安全。

圖5 危險度概率分布

3 結(jié)論

1)基于基坑支護(hù)、基坑開挖、周邊環(huán)境、降水排水4個風(fēng)險維度構(gòu)建地鐵車站深基坑危險性測度指標(biāo)體系，運(yùn)用風(fēng)險耦合機(jī)理反映各個外部因素之間的相關(guān)關(guān)系及耦合作用，說明地鐵車站深基坑風(fēng)險是由各風(fēng)險因素耦合所致。

2)結(jié)構(gòu)方程模型充分考慮各風(fēng)險因素之間的耦合作用，結(jié)合蒙特卡洛模擬方法建立的地鐵車站深基坑危險性測度方法，降低了數(shù)據(jù)主觀性影響，使風(fēng)險測度結(jié)果更具科學(xué)性與有效性。

3)將結(jié)構(gòu)方程-蒙特卡洛模擬方法運(yùn)用于實(shí)際工程中，其風(fēng)險評測結(jié)果為地鐵車站深基坑施工安全管理提供較好的指導(dǎo)，有效避免了風(fēng)險事故發(fā)生，提高風(fēng)險管理的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，為地鐵車站深基坑施工危險性評測提供了1種新方法。