簡(jiǎn)論干地施工碼頭深基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)分析

鄒德臣，王海亮，邊 超

（1.天津深基工程有限公司，天津 300222；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266400）

引言

干地施工碼頭在所有結(jié)構(gòu)形式碼頭中占比較小，安全風(fēng)險(xiǎn)相較于水上施工有較大的不同，其中深基坑坍塌是一項(xiàng)獨(dú)有的較大風(fēng)險(xiǎn)。目前深基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)研究主要針對(duì)城市地下工程，對(duì)干地施工碼頭基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)的研究基本沒有。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估起源于美國(guó)保險(xiǎn)行業(yè)，于20 世紀(jì)60年代應(yīng)用于導(dǎo)彈和核武器領(lǐng)域并逐步形成系統(tǒng)方法和理論[1]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法有多種，其中研究深基坑風(fēng)險(xiǎn)使用較多的有事故樹法(FTA)、模糊綜合評(píng)判法、層次分析法(AHP)、蒙特卡羅模擬法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及其組合[2-5]。主要為定性和半定量分析，完全量化分析較少。

事故樹分析理論形成較早并被廣泛認(rèn)可和使用，缺點(diǎn)是事故樹分析為半定量分析，如果要進(jìn)行定量分析必須確定基本事件發(fā)生的概率。蒙特卡羅模擬法通過構(gòu)造被求解對(duì)象的邊界條件，并在其中大量隨機(jī)抽樣驗(yàn)證，求解該對(duì)象出現(xiàn)的概率，適用于離散或連續(xù)數(shù)據(jù)概率模擬。

總體來說，事故樹法、模糊綜合評(píng)判法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的思路都是先對(duì)事件分層分解，然后逐層求解。模糊綜合評(píng)判法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評(píng)估過程中均需構(gòu)造判斷矩陣，但判斷矩陣的構(gòu)造有一個(gè)缺點(diǎn)，它加入了人為主觀判斷的因素，這使得評(píng)估結(jié)果可信度降低。同時(shí)所有定量分析方法普遍存在一個(gè)缺點(diǎn)即缺乏真實(shí)量化數(shù)據(jù)支撐，難以驗(yàn)證所建立模型的有效程度。

本文結(jié)合工程實(shí)例和事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用事故樹與層次分析相結(jié)合的方法對(duì)干地施工碼頭深基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的研究，探討該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析重要危險(xiǎn)因素，評(píng)定基坑風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1 工程概況

某雜貨泊位工程位于挖入式內(nèi)港池的東岸線，鋼鐵廠西側(cè)。碼頭東西岸線長(zhǎng)552 m，為地連墻板樁結(jié)構(gòu)，止水采用水泥旋噴樁。地質(zhì)為粉細(xì)砂和粉土，年最高高潮位為+3.38 m，年最低低潮位為 +0.14 m?，F(xiàn)場(chǎng)地面高程為+5.0 m，基槽底開挖高程為-0.2 m，倒濾層開挖到-2.3 m，放坡開挖設(shè)計(jì)邊坡為1:1.5。胸墻中心線距海岸約30 m，地下水位約為+3.0 m。

2 事故樹定性分析

繪制事故樹首先需要確定研究對(duì)象，本文研究對(duì)象為“干地施工基坑”，最危險(xiǎn)的狀態(tài)為“放坡開挖至-2.3 m 標(biāo)高的基坑”，最危險(xiǎn)的部位“基坑海側(cè)邊坡”。其次確定頂上事件“基坑坍塌”，然后追根溯源導(dǎo)致頂上事件的原因，繪制事故樹。

事故樹的頂上事件發(fā)生默認(rèn)了“管理失效”這種情況，且本文研究對(duì)象不是“人”，所以“管理原因”沒有單列為一個(gè)事件。通過分解得到23 個(gè)事件15個(gè)為基本事件，繪制事故樹見圖1，事件及代號(hào)見表10。

表1 深基坑坍塌事故原因統(tǒng)計(jì)Tab.1 Causing Statistics on deep foundation pit collapse

圖1 基坑坍塌事故樹Fig.1 Fault tree of deep foundation pit collapse

此事故樹結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度求解不再贅述。事故樹分析是多種定性和定量分析方法的基礎(chǔ)和輔助工具，為后面層次分析奠定基礎(chǔ)。

頂上事件分解過程中因個(gè)人認(rèn)知、研究對(duì)象、方向、深度不同分解結(jié)果相差較大，比如圖1 中“施工管理(M12)”可以向“人、機(jī)、料、法、環(huán)”方向分解，“設(shè)計(jì)失誤(X1)”和“未按操作規(guī)程作業(yè)(X11)”可以繼續(xù)向下細(xì)分為多個(gè)基本事件，是否繼續(xù)分解關(guān)鍵看研究需要及掌握的資料，本文研究偏總體不再繼續(xù)分解。

3 層次分析法定量分析

以分解的事故樹為研究對(duì)象建立分析指標(biāo)體系，首先通過分層構(gòu)造判斷矩陣，由底部向上求解特征向量，然后根據(jù)已知頂上事件或基本事件概率向上或向下求解目的事件概率，最后將計(jì)算概率與已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，查找偏差并分析原因和不足。

一般事故數(shù)據(jù)比較敏感，干地施工碼頭事故記錄幾乎沒有?？紤]文中實(shí)例工程開挖深度最深 7.2 m，從邊亦海統(tǒng)計(jì)的342 起[6]基坑事故中選取開挖深度包含5～8 m 的深基坑，共93 起，進(jìn)行分析。由于部分事故包括多種原因，計(jì)算總起數(shù)為162 起，結(jié)果見表1。該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用作計(jì)算標(biāo)度值及驗(yàn)證計(jì)算概率。

表2 中“i與j概率比參考取值”是根據(jù)已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算提出，便于標(biāo)度取值有統(tǒng)一的參考。對(duì)于基坑坍塌事故來說，因素i、j的比較值是兩因素導(dǎo)致事故概率的比值，因?yàn)橹挥胁糠指怕式y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以沒有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的按經(jīng)驗(yàn)選取。

表2 標(biāo)度衡量表Tab.2 Scale measurements

根據(jù)T.L.Saaty引入的1～9 標(biāo)度法[7]，構(gòu)造n階判斷矩陣A，A=(Xij)nxn。特征向量即權(quán)重向量Wi=(w1,w2…wn)T，對(duì)于二、三階矩陣可采用線性代數(shù)法求解最大特征值λmax和權(quán)重向量Wi，四階及以上高階矩陣計(jì)算復(fù)雜通常采用方根法求近似解，見式1 和式2，一致性驗(yàn)證指標(biāo)C.I.、C.R.見式3，R.I.通過查表獲得。

表3“未按操作規(guī)程作業(yè)(X11)”如偷工減料、焊接不合格導(dǎo)致的事故明顯大于“原材料不合格(X10)”，根據(jù)表2 取標(biāo)度值5，求解后對(duì)權(quán)重向量歸一化處理得到Wi。表4 中各因素均為基坑坍塌重要因素，重要性相差不大，其中邊坡超載事故占比較多，所以綜合排序X14>X15>X12=X13。

表3 M31 對(duì)應(yīng)的λmax、WiTab.3 Corresponding M31 to λmax、Wi

表4 M32 對(duì)應(yīng)的λmax、Wi 及一致性檢驗(yàn)Tab.4 Corresponding M32 to λmax、Wi and consistency check

M22對(duì)應(yīng)的三項(xiàng)因素對(duì)比標(biāo)度取值和計(jì)算結(jié)果見表5。計(jì)算M12時(shí)結(jié)合前文中已有統(tǒng)計(jì)事故概率“ 施工管理”M12=0.4691，“ 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)失誤”X2=0.0185，計(jì)算“未按照方案施工”概率M22=0.4506，M22>>X2，根據(jù)表2 概率比取M22比X2的標(biāo)度為9，計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 M22 對(duì)應(yīng)的λmax、WiTab.5 Corresponding M22to λmax、Wi

表6 M12 對(duì)應(yīng)的λmax、WiTab.6 Corresponding M12 to λmax、Wi

表7 頂上事件T 對(duì)應(yīng)的λmax、Wi 及一致性檢驗(yàn)Tab.7 Corresponding top event T to λmax、Wi and consistency check

同理，求解M21、M11、M13、M14對(duì)應(yīng)的λmax、Wi。計(jì)算M11時(shí)“設(shè)計(jì)原因”M11=0.3642，“勘察失誤”M21=0.0556，計(jì)算“設(shè)計(jì)失誤”概率X1=0.3086，根據(jù)概率比取標(biāo)度為7。

最后求解“基坑坍塌(T)”對(duì)應(yīng)的四項(xiàng)因素，已知概率：M12=0.4691，M11=0.3642，M14=0.0926，“自然環(huán)境” 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取標(biāo)度值，總體上M12>M11>M14>M13，根據(jù)表2 概率比建立判斷矩陣。

根據(jù)權(quán)重向量分層計(jì)算每個(gè)事件發(fā)生的概率，該概率是頂上事件發(fā)生概率為1 時(shí)相對(duì)應(yīng)的概率，見表8。

表8 事件計(jì)算概率Tab.8 Calculated probability of event

風(fēng)險(xiǎn)較高的基本事件有“設(shè)計(jì)失誤(X1)”“未按操作規(guī)程作業(yè)(X11)”，“邊坡上堆物或作業(yè)超載(X14)”，這三項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注。

以統(tǒng)計(jì)概率為基準(zhǔn)對(duì)比，見表9，可以看出二者總體趨勢(shì)具有較高一致性，這說明通過構(gòu)造判斷矩陣的層次分析具有較高的實(shí)用性和適用性。

表9 統(tǒng)計(jì)概率與計(jì)算概率對(duì)比Tab.9 Comparison between statistical probability and calculated probability

通過對(duì)比可以看出誤差率最高的是“X2 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)失誤”，查找誤差原因發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在M22、X2判斷矩陣，構(gòu)造判斷矩陣時(shí)二者統(tǒng)計(jì)概率比為24.4，標(biāo)度值取9，表2 中概率比為5 時(shí)標(biāo)度值取7，取值區(qū)分度較小，對(duì)此不做調(diào)整，相差懸殊的因素計(jì)算概率以較大者準(zhǔn)確作為基本原則。

表9 中出現(xiàn)誤差還有一個(gè)主要原因是事故樹分層導(dǎo)致，第一頂上事件分層可能包含其它未列出的因素，第二分層時(shí)將“M21勘察失誤”、“X2監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)失誤”歸為第二層，而已有事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)二者與第一層是平級(jí)的關(guān)系。同時(shí)，第一層增加了“M13自然環(huán)境”，因?yàn)闊o事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以無法平衡概率和。這些問題需要通過細(xì)致研究逐一平衡或解決。

參考2004～2012 年建筑事故類型統(tǒng)計(jì)[8]，坍塌事故占比平均值為16.09 %，據(jù)此結(jié)合權(quán)重向量可以分別計(jì)算出每個(gè)事件在建筑施工領(lǐng)域基坑坍塌事故中發(fā)生的概率。根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[9]評(píng)定頂上事件T和風(fēng)險(xiǎn)較高的X1、X11、X14的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見表10。

表10 重要事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定Tab.10 Risk level assessment of significant events

經(jīng)評(píng)定干地施工碼頭深基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，X1、X11、X14的風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)，與專家論證結(jié)果Ⅲ級(jí)不符，可能主要原因是事故數(shù)據(jù)絕大部分都是城市建筑基坑，風(fēng)險(xiǎn)概率明顯高于碼頭施工，碼頭事故基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)例需要不斷積累完善。

可以看出層次分析法構(gòu)造的判斷矩陣和求解非常簡(jiǎn)便，各個(gè)事件間有層次性和相關(guān)性兩種屬性，可以通過概率從上向下或從下向上傳導(dǎo)，具有較高實(shí)用性和適用性，該方法的關(guān)鍵是判斷矩陣的構(gòu)造。為確保計(jì)算概率的準(zhǔn)確性，要求有足夠真實(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證，這是行業(yè)科研的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過運(yùn)用事故樹和層次分析相結(jié)合的方法研究干地施工碼頭深基坑坍塌事故，提出如下建議和結(jié)論：

1）各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法不可避免的會(huì)融入主觀判斷因素，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果偏離實(shí)際，所以需要建立一個(gè)詳實(shí)的事故數(shù)據(jù)庫(kù)，用大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)修正誤差；

2）提出“i 與j 概率比參考取值”，將標(biāo)度取值具體化、數(shù)據(jù)化，使判斷矩陣構(gòu)造有統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)；

3）層次分析法構(gòu)造判斷矩陣和求解簡(jiǎn)便，計(jì)算概率與總體趨勢(shì)具有較高一致性，具有較高的實(shí)用性和適用性；

4）重要性相差越懸殊的因素，構(gòu)造判斷矩陣后計(jì)算概率產(chǎn)生的誤差越大，處理辦法是以確保概率較大者準(zhǔn)確作為基本原則；

5）層次分析得到風(fēng)險(xiǎn)較高的基本事件有“設(shè)計(jì)失誤(X1)”“未按操作規(guī)程作業(yè)(X11)”，“邊坡上堆物或作業(yè)超載(X14)”，這三項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注。

結(jié)合事故樹和層次分析法評(píng)估該干地施工碼頭深基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。