基于改進(jìn)熵權(quán)-DEMATEL-ISM的富水軟土層深基坑施工安全風(fēng)險評估*

吳 波,杜 君,溫小棟,趙勇博

(1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013;2.寧波工程學(xué)院 浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心,浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷提升,軌道交通的日益發(fā)展,地下空間廣泛應(yīng)用,深基坑施工越來越多,深基坑施工安全風(fēng)險控制成為重要的研究課題[1]。富水軟土層深基坑施工環(huán)境復(fù)雜,風(fēng)險因素眾多,對臨近建筑(構(gòu)筑)物下的深基坑開挖、基坑降水及基坑圍護(hù)等近距離作業(yè)對地下工程和相鄰建筑物存在較大風(fēng)險[2]。因此,通過科學(xué)開展地下工程施工風(fēng)險評估,對于指導(dǎo)工程安全建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

當(dāng)前,國內(nèi)外專家、學(xué)者對地下施工風(fēng)險進(jìn)行研究。He等[3]經(jīng)過中心度和原因度統(tǒng)計,系統(tǒng)分析風(fēng)險因子在系統(tǒng)中的重要度,基于ISM剖析各因素在系統(tǒng)中的層級。田雷等[4]運用DEMATEL-ISM-ANP法客觀分析“人機管環(huán)”對地鐵施工運營的影響,融合模糊綜合評價指標(biāo)體系得出韌性分析結(jié)論。曾小清等[5]通過研究生態(tài)道路建設(shè),找出最符合生態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵性指標(biāo)。此外,其他專家、學(xué)者也基于不同視角對深基坑施工安全提出不同解決辦法。例如,劉晶[6]總結(jié)現(xiàn)有的風(fēng)險評估方法,并在其改進(jìn)基礎(chǔ)上經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模糊綜合評價模型在施工安全評價中具有可行性和有效性。吳波等[7]采用模糊綜合評價對評價指標(biāo)進(jìn)行量化比較,做出綜合評價。陳輝華等[8]分析各因素之間的作用機理,明確施工安全風(fēng)險控制重點。譚孝塵[9]找出建筑施工風(fēng)險管理關(guān)鍵風(fēng)險因素,并分析各因素間的關(guān)聯(lián)性。姜安民等[10]從多維角度建立風(fēng)險評價體系,以權(quán)重和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方式確定施工風(fēng)險等級,實現(xiàn)對風(fēng)險精準(zhǔn)預(yù)測。靳亞格[11]綜合剖析遞階結(jié)構(gòu)模型中各影響因素間的相互影響路徑,以期可為施工安全管理提供參考。

本文結(jié)合熵權(quán)法、DEMATEL法與解釋結(jié)構(gòu)模型,深入分析各致險因子間影響路徑,確定風(fēng)險致因因素及關(guān)鍵因素,并對影響因素進(jìn)行層次劃分,使各制約因素之間層次清晰,經(jīng)模糊綜合評估確定總風(fēng)險級別,研究結(jié)果可為地鐵施工安全監(jiān)督管理提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 深基坑施工風(fēng)險因素的識別

1.1 主成分法識別風(fēng)險指標(biāo)

深基坑施工是由“人-機-路-管-環(huán)境”構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)施工安全因素之間相互影響[12]。因此,需要系統(tǒng)地分析深基坑施工影響指標(biāo)。為解決基坑施工安全風(fēng)險指標(biāo)眾多且指標(biāo)之間存在一定關(guān)聯(lián)性,信息重復(fù)、不突出等特點,本文選取20個基坑施工安全影響因素,見表1。通過主成分分析降維方法[13],將系統(tǒng)中眾多影響因素轉(zhuǎn)化為較少的綜合指標(biāo),客觀反映影響基坑施工實際情況。根據(jù)地鐵工程施工相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn),結(jié)合廣州某地鐵工程實際情況確定打分指標(biāo)并選取90名地鐵施工方面專家對影響因素按照重要度打分,區(qū)間為[1,5],非常重要5分、很重要4分,比較重要3分、重要2、一般重要1分。經(jīng)計算,KMO值為0.638,樣本適用主成分分析。經(jīng)計算,線性組合系數(shù)如表2所示。經(jīng)主成分分析得到6個主成分特征值和方差解釋率,其中前6項主成分累計貢獻(xiàn)率為95.13%,因此選前6項為綜合評價指標(biāo)。

表2 線性組合系數(shù)Table 2 Linear combination coefficient

1.2 風(fēng)險指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文通過主成分法將深基坑施工風(fēng)險因素分為6類,即基坑降水(U1)、基坑開挖(U2)、水文地質(zhì)因素(U3)、施工因素(U4)、機械設(shè)備因素(U5)、自然因素(U6),如圖1所示。

圖1 深基坑施工風(fēng)險影響因素Fig.1 Risk influencing factors of deep foundation pit construction

2 基于改進(jìn)熵值-DEMATEL-ISM法因素分析

本文采用決策實驗和評價實驗室法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL),運用圖論和矩陣工具對系統(tǒng)進(jìn)行因子分析,將中心度指標(biāo)和原因度指標(biāo)結(jié)合識別關(guān)鍵影響因子。本文將DEMATEL法與解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling method,ISM)結(jié)合,既可直觀清晰表達(dá)系統(tǒng)中各因素之間的因果關(guān)系以及關(guān)鍵因素,也能得出各因素之間遞階結(jié)構(gòu)和影響路徑,便于復(fù)雜系統(tǒng)的分析與決策。基于傳統(tǒng)DEMATEL主觀打分降低最終結(jié)果的精準(zhǔn)度和可信度,而改進(jìn)熵權(quán)法[13]利用信息熵的原理對研究對象賦予權(quán)重,消除主觀因素的干擾,又能在客觀評價系統(tǒng)整體水平時,提高評價系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性和真實性。因此,該方法在此類問題研究上具有顯著優(yōu)勢。具體流程見圖2。

圖2 改進(jìn)熵權(quán)-DEMATEL-ISM流程Fig.2 Improved entropy weight-DEMATEL-ISM flowchart

本文運用熵值-DEMATEL-ISM組合法對深基坑施工風(fēng)險評估,具體步驟如下:

1)形成指標(biāo)間初始直接影響矩陣A。

2)初始直接影響矩陣A經(jīng)規(guī)范化處理。得到規(guī)范化矩陣B如式(1)所示:

(1)

3)計算綜合影響矩陣T如式(2)所示:

T=B+B2+…Bn=B(I-B)-1

(2)

式中:I為單位陣。

4)計算風(fēng)險因素的影響度Ri和被影響度Cj,計算公式如式(3)～(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ri為矩陣T的第i行的行和;Cj為矩陣T的第j列的列和;tij因素i對因素j的影響程度。

5)計算各個因素的中心度Mj和原因度Nj如式(5)～(6)所示:

Mj=Ri+Cj

(5)

Nj=Ri-Cj

(6)

6)計算綜合權(quán)重:對評價指標(biāo)建立矩陣,邀請10位專家按照指標(biāo)對基坑施工影響重要度打分,區(qū)間為[1,5],并對矩陣歸一化處理。

因素信息熵ej與權(quán)重Wj如式(7)～(8)所示:

(7)

(8)

式中:yij為專家對影響因素打分后的標(biāo)準(zhǔn)化值;Pij為第j個因素對第i個因素對象的比重。

計算綜合中心度如式(9)所示:

Kj=Wj·Mj

(9)

7)確定閾值λ如式(10)所示:

λ=α+β

(10)

式中:α為綜合影響矩陣的算術(shù)平均值;β為標(biāo)準(zhǔn)差。

8)確定可達(dá)矩陣G如式(11)所示:

(11)

9)為明確系統(tǒng)中各因素之間的層次關(guān)系,對可達(dá)矩陣層級分解。按照選取可達(dá)集與先行集的交集為原則進(jìn)行迭代。

10)根據(jù)中心度和原因度做出因果關(guān)系圖,通過將傳遞性聯(lián)系消除,利用可達(dá)矩陣開發(fā)有向圖,以用語句替換節(jié)點數(shù)的方式將有向圖轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵的ISM模型。

11)模糊綜合評價

V={V1,V2,V3,V4,V5},風(fēng)險分為5個等級,代表風(fēng)險出現(xiàn)的概率“幾乎不可能、不可能、偶然、可能、很可能”其對應(yīng)風(fēng)險量化區(qū)間為[1,5]。

由熵權(quán)權(quán)重矩陣W與隸屬度矩陣R結(jié)合確定綜合評價矩陣B′如式(12)所示,根據(jù)隸屬度最大原則,最大隸屬度所對應(yīng)的等級為深基坑施工風(fēng)險等級。

(12)

3 工程實例

該項目為廣州市某地鐵深基坑項目,車站周邊環(huán)境極其復(fù)雜,施工組織難度大,主要體現(xiàn)在主體基坑深度23.930 m,基坑周圍距離建構(gòu)筑物較近,深基坑開挖過程中可能發(fā)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水,出現(xiàn)突涌水,導(dǎo)致坑外土體損失或坍塌;支護(hù)施工不當(dāng)或支撐體系破壞或?qū)е驴觾?nèi)土體溜塌、滑移,引發(fā)基坑失穩(wěn),是施工重難點,需要對風(fēng)險進(jìn)行有效管理和控制,依托此項目,經(jīng)主成分分析確定風(fēng)險指標(biāo)評價體系,采用熵權(quán)-DEMATEL-ISM定量定性融合方式構(gòu)建風(fēng)險評價模型,對風(fēng)險因素加以管理和控制。

3.1 DEMATEL法計算矩陣

將基坑施工安全影響因素記為A=(A1,A2,…,A17),由10名專家對影響因素劃分5個等級并賦值標(biāo)度0～5表示由低到高受影響強度。經(jīng)過式(1)～(2),得到規(guī)范直接影響矩陣和綜合影響矩陣,見表3～4。

表3 規(guī)范直接影響矩陣Table 3 Specification direct influence matrix

表4 綜合影響矩陣Table 4 Comprehensive influence matrix

3.2 基于改進(jìn)熵權(quán)-DEMATEL法計算“四度”及組合權(quán)重結(jié)果

基于上述步驟,利用熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)權(quán)重,并結(jié)合DEMATEL法得到的各指標(biāo)之間影響程度,即“中心度”修正熵值,進(jìn)而按照式(9)得到風(fēng)險的組合權(quán)重,結(jié)果見表5。

表5 DEMATEL計算指標(biāo)值Table 5 DEMATEL calculation index values

由表5可知,預(yù)警應(yīng)急、地震、暴雨因素影響度相對較大,表明該3種因素對基坑施工安全及其他因素影響較高,因此,要加強自然因素和施工因素的管理。從被影響度知,地表沉降、土體縱向滑坡、基坑坍塌因素在系統(tǒng)中被影響程度較深;在原因度方面,預(yù)警應(yīng)急、施工單位資質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備故障、氣候、地震、暴雨因素結(jié)果為正,為原因因素,其余因素原因度為負(fù),均為結(jié)果因素。在基坑施工管理中,原因因素功能綜合體現(xiàn)結(jié)果因素的狀態(tài),因而要對原因因素重點控制;在中心度方面,施工質(zhì)量管理、基坑開挖及基坑降水中心度值位居前列,因此,此類因素是基坑施工安全重要影響因素,在基坑施工過程中,應(yīng)著重監(jiān)測基坑開挖、基坑降水出現(xiàn)的問題,加強施工質(zhì)量管理。為了數(shù)據(jù)直觀清晰展示基坑施工安全影響因素之間的關(guān)系及重要度,繪制影響度-被影響度及中心度-原因度關(guān)聯(lián)圖,如圖3～4所示。

圖3 影響度和被影響度Fig.3 Influence degree and affected degree

圖4 中心度和原因度Fig.4 Centrality and cause degree

3.3 可達(dá)矩陣遞階模型

為得到可達(dá)矩陣,剔除影響程度的關(guān)系,需要引入閾值[14]。文中閾值分別取0.10,0.11,0.12,0.13,得到不同閾值下深基坑施工風(fēng)險要素節(jié)點度衰散的散點圖如圖5所示,閾值為0.12時,節(jié)點度較為適中。并由式(11)得到可達(dá)矩陣,見表6。

圖5 不同閾值下節(jié)點度變化曲線Fig.5 Change curves of node degree under different thresholds

3.4 層次結(jié)構(gòu)圖(ISM)

為進(jìn)一步研究各影響因子之間層次關(guān)系,按照上文步驟9)對可達(dá)矩陣進(jìn)行層次梳理,逐次抽取可達(dá)矩陣先行集與可達(dá)集交集中的影響因子,重復(fù)此過程直至結(jié)束,最后將17個影響因素分為5層,L1={U11,U23,U24,U31,U33,U52,U61};L2={U12,U21};L3={U22,U43};L4={U32,U41,U42,U62};L5={U51,U63},根據(jù)分層結(jié)果及因素之間的關(guān)聯(lián)性,構(gòu)造出解釋結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 層級結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierarchical structure diagram

3.5 影響路徑分析

根據(jù)DEMATEL-ISM圖層次劃分,可達(dá)多條影響路徑,其中關(guān)鍵影響路徑為U51→U22→U11;U63→U43→U21→U23;U63→U32→U22→U11。其為實現(xiàn)基坑安全施工的有效途徑,深基坑開挖前,探明地質(zhì)情況,機械設(shè)備監(jiān)測復(fù)雜地層、暴雨、地震帶來的影響,加強施工質(zhì)量管理,要注意暴雨及基坑降水量變化,盡量防止雨水量過大造成土體沉降過快;其他深層次影響路徑為U41→U22→U11;U42→U43→U24,施工前篩選施工單位資質(zhì),施工現(xiàn)場的工作人員嚴(yán)格按照施工安全管理規(guī)定執(zhí)行,通過預(yù)警應(yīng)急機制,對基坑開挖過程中易出現(xiàn)的滑坡、涌水、滲漏不同情況制定應(yīng)急處理措施確?；邮┕ぐ踩?/p>

3.6 模糊綜合評價

本文通過熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,結(jié)合模糊綜合評價法得到隸屬度函數(shù)并計算綜合隸屬度,經(jīng)與熵權(quán)權(quán)重運算得到綜合評價值。邀請10位專家按照0～5打分法對深基坑施工各致險因子影響程度量化評估,根據(jù)打分表構(gòu)造隸屬度矩陣如下。

結(jié)合熵權(quán)權(quán)重,得到總目標(biāo)評價結(jié)果為:(0.043 2,0.219 6,0.305 1,0.301 27,0.130 8),將評價結(jié)果轉(zhuǎn)化為綜合分值,將評價指標(biāo)總分按照評分等級及其賦值,帶入隸屬度函數(shù),根據(jù)最大隸屬度原則,求出的綜合評價值為2.240,富水軟土層深基坑施工評價等級為Ⅱ級,評價結(jié)果與工程實際情況相符,即安全性較高。

3.7 評價結(jié)果對比分析

為驗證研究的實用性和準(zhǔn)確性,本文采用組合權(quán)重-模糊綜合評價法和CRITIC-TOPSIS法[15]對深基坑施工安全風(fēng)險評估。

首先對CRITIC客觀權(quán)重和組合權(quán)重對比計算,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,2種方法的權(quán)重存在略微差異,這是因為CRITIC權(quán)重是根據(jù)各風(fēng)險因素的重要度得出,而組合權(quán)重是由DEMATEL得出的中心度再利用熵權(quán)值修正,更能反映各因素之間的關(guān)系。

圖7 CRITIC與組合權(quán)重對比Fig.7 Comparison of CRITIC and combination weights

基于上述步驟計算出的權(quán)重結(jié)果,分別求出 TOPSIS和模糊綜合評價的隸屬度,如圖8所示。模糊綜合評價二級指標(biāo)對應(yīng)的安全等級均為Ⅱ級,綜合評估等級為Ⅱ級,TOPSIS安全評價等級區(qū)間范圍[0,1],各級指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度在區(qū)間[0.4,0.6]范圍內(nèi),等級為Ⅲ級,均在安全等級范圍內(nèi)。TOPSIS法易受極端值影響,而模糊綜合評價可充分利用數(shù)據(jù),彌補TOPSIS 的劣勢,適用范圍更廣,可對系統(tǒng)綜合評價,反映施工過程整體趨勢變化,結(jié)果更可靠、有效。

圖8 綜合評價結(jié)果對比Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation results

3.8 評價結(jié)果驗證與分析

地鐵站基坑范圍內(nèi)分布有雜填土(主要為近10 a內(nèi)人工填筑而成,由煤灰、混凝土路面、黏性土、粗砂、碎、塊石及建筑垃圾、生活垃圾組成),成分復(fù)雜,欠團(tuán)結(jié),均勻性差,壓縮性高,結(jié)構(gòu)較松散;軟土(淤泥和淤泥質(zhì)土,局部為沖洪積淤質(zhì)土)天然含水量較大、孔隙比大,壓縮性高;風(fēng)化巖和殘積土,天然狀態(tài)下物理力學(xué)性能較好,但水理性質(zhì)較差,浸水易軟化,地鐵站西南側(cè)300 m外,江面寬闊,流量較大,受地震、暴雨等自然因素影響,車站處集水量大,場地范圍內(nèi)砂層發(fā)育普遍,層厚較大;地表水與地下水水力聯(lián)系密切,導(dǎo)致工程中出現(xiàn)突涌水、縱坡失穩(wěn)、滑坡等現(xiàn)象。

結(jié)合具體的工程實例,對其進(jìn)行風(fēng)險評估。得出以下結(jié)論:

1)由施工因素組合權(quán)重計算可知U43>U41>U42,施工質(zhì)量管理權(quán)重值較大,由于施工現(xiàn)場出現(xiàn)雜物亂堆放現(xiàn)象,故應(yīng)加強施工現(xiàn)場管理,在坡頂嚴(yán)禁堆載土方及其它重物,避免對坡腳產(chǎn)生額外荷載。

2)降水處理過程中,設(shè)置監(jiān)控點,對地管線滲漏、基坑突涌水、不均勻沉降等問題做好預(yù)警應(yīng)急處理措施,完善監(jiān)督管理體系,加強現(xiàn)場各部門施工管理與安全管控,培訓(xùn)從業(yè)人員實地操作,提高工作人員專業(yè)素養(yǎng)。

3)對于基坑開挖和基坑降水得出權(quán)重值U23>U12>U21>U22>U24,承壓水突涌權(quán)重值較高,由于在開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱處圍巖突然變化沒有及時采取相應(yīng)的支護(hù)措施,故應(yīng)在基坑底設(shè)置集水坑;啟動備用抽水設(shè)施,啟動備用水泵,由現(xiàn)場啟用移動水泵下坑以增大排水能力。

4)土體縱向滑坡、基坑坍塌權(quán)重值較高,是由于受暴雨等因素影響,土層開挖時未采取有效的排水措施排除地表水,故應(yīng)在基坑開挖前對開挖地段進(jìn)行降水,將地下水位降至開挖面以下3 m,將相應(yīng)土層中的水疏干,增強其抗剪強度。根據(jù)現(xiàn)場施工組織情況,降水井在基坑開挖前即全部施工完成,在每段基坑土方開挖前預(yù)降水,確保疏干效果?；娱_挖臺階縱坡按照1∶3進(jìn)行控制,減小縱坡坡度,防止邊坡坍塌。

綜上所述,根據(jù)施工動態(tài)監(jiān)測進(jìn)行風(fēng)險評估,降低施工風(fēng)險水平,驗證本文評估方法的實用性和可靠性,為地鐵安全施工提供有效的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

1)根據(jù)中心度和組合權(quán)重得出施工質(zhì)量管理為影響深基坑施工安全的關(guān)鍵影響因素,依據(jù)影響路徑可看出基坑降水及開挖是直接影響因素,施工管理及水文地質(zhì)因素為深層次影響因素,機械及自然因素為根源性因素。

2)基于熵權(quán)的模糊綜合評價對風(fēng)險變化區(qū)間加以量化,對隸屬度函數(shù)綜合評價,確定本文案例工程的深基坑施工的風(fēng)險級別為Ⅱ級。