基于CRITIC-TOPSIS法地鐵車站基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
——以濟(jì)南地鐵9號(hào)線開源路站為例

范勇峰, 李 軻, 王軍平, 賈興隆, 朱尚明

(1.中國水利水電第四工程局有限公司, 西寧 810006; 2.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 北京 100071)

隨著城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通迅猛發(fā)展,軌道交通線網(wǎng)密集延伸[1]。地鐵車站在建設(shè)時(shí)因基坑“深、大、近、難”,發(fā)生危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)較高,易帶來較大的損失和影響[2]。因此,對(duì)地鐵車站基坑在復(fù)雜環(huán)境下的施工進(jìn)行合理評(píng)估、對(duì)深基坑施工進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo),有非常重要的意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)地鐵車站開挖過程中可能會(huì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)開展了研究。工程中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估有很多方法,常用方法包括定性分析方法、定量分析方法,以及綜合分析方法[3]。進(jìn)行工程風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí),通常會(huì)根據(jù)建設(shè)的具體項(xiàng)目、不同建設(shè)階段,以及風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)來選取合適的風(fēng)險(xiǎn)分析方法,以獲得有效的評(píng)估。層次分析法將一個(gè)復(fù)雜問題作為一個(gè)系統(tǒng),將其分解為多層目標(biāo)并進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的排名,較為簡單實(shí)用。渠成堃等[4]針對(duì)多任務(wù)學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的支護(hù)參數(shù),采用層次分析法對(duì)比評(píng)價(jià)了預(yù)測(cè)與實(shí)際支護(hù)參數(shù);蘭吉濤和柴宗剛[5]構(gòu)建一個(gè)適合當(dāng)前我國建筑領(lǐng)域的生態(tài)建筑評(píng)估指標(biāo)體系,并以蘭州新區(qū)中建大廈為對(duì)象,利用模糊層次分析法進(jìn)行模糊評(píng)判和生態(tài)等級(jí)確定;王帆等[6]根據(jù)工程條件,確定合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,依據(jù)層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,通過模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)造隸屬函數(shù),對(duì)地裂縫發(fā)育情況進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。故障樹法是一種由上及下的失效分析法,分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài),具有直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。安慧等[7]為準(zhǔn)確進(jìn)行建筑施工高處墜落全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,解決事故致因因素存在模糊性與不確定性的問題,提出了一種基于模糊集合理論的故障樹分析法;申建紅和劉樹鵬[8]提出風(fēng)險(xiǎn)因素,并采用故障樹對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的因果關(guān)系加以表示,構(gòu)建完整的模型,預(yù)測(cè)施工風(fēng)險(xiǎn)概率的動(dòng)態(tài)演變。熵權(quán)法是一種基于信息熵的權(quán)重確定方法,計(jì)算簡單、操作性強(qiáng)。錢媛[9]針對(duì)海外油氣多目標(biāo)多屬性的復(fù)雜特征,建立了海外油氣方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用熵權(quán)法確定了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重,然后利用逼近理想解排序 (technique for order preference by similarity to an ldeal solution,TOPSIS)法對(duì)海外油氣項(xiàng)目的各個(gè)投資方案進(jìn)行了排序比選;趙龍和王影[10]通過TOPSIS法對(duì)航線進(jìn)行評(píng)估,利用熵權(quán)法確定屬性指標(biāo),之后用TOPSIS法,通過判斷航線的選擇與理想的貼合度來進(jìn)行航線評(píng)估排序,從而選取更優(yōu)的航線。

以上分析方法都能對(duì)深基坑風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行比較好的評(píng)估,但都有一定的局限性,如層次分析法決策判斷比較主觀、故障樹法計(jì)算較為復(fù)雜、熵權(quán)法無法較好地將客觀數(shù)據(jù)與決策者的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合等。由于地鐵車站建設(shè)過程中影響因素復(fù)雜,如何找到一種分析方法較好地綜合評(píng)估指標(biāo)的主觀經(jīng)驗(yàn)與客觀數(shù)據(jù),并量化權(quán)重有一定意義。因此,本文依托濟(jì)南城市軌道交通9號(hào)線一期開源路站,基于CRITIC-TOPSIS(指標(biāo)相關(guān)性權(quán)重確定-逼近理想解排序)評(píng)估方法,對(duì)該深基坑進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,提出相應(yīng)的處置措施,降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

1 CRITIC-TOPSIS評(píng)估基本理論

1.1 CRITIC評(píng)估

在綜合評(píng)估分析中,指標(biāo)相關(guān)性權(quán)重確定(criteria importance through intercrieria correlation,CRITIC)法是一種常用的評(píng)估方法。該評(píng)估方法以指標(biāo)之間的變異性與沖突性為基礎(chǔ)來分配評(píng)估體系中各指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。指標(biāo)之間的變異性通過標(biāo)準(zhǔn)差的形式來表現(xiàn),沖突性通過相關(guān)系數(shù)的形式來實(shí)現(xiàn),變異性越大表明指標(biāo)之間差異較大,能包含更多的信息,與權(quán)重賦值正相關(guān);沖突性越大表明指標(biāo)越相似,包含更多相同的信息,不利于多維度衡量評(píng)估體系。CRITIC法獲得指標(biāo)權(quán)重的方法如下。

(1)首先構(gòu)建決策矩陣X,它表示了不同方案在不同標(biāo)準(zhǔn)下的表現(xiàn)。

(1)

式中:xij為第i個(gè)方案在第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下的取值。

(2)對(duì)決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)于極大型指標(biāo)使用式(2)進(jìn)行正向化處理。

(2)

對(duì)于極小型指標(biāo)使用式(3)進(jìn)行逆向化處理。

(3)

(3)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)的變異性。在CRITIC 法中使用標(biāo)準(zhǔn)差的大小來獲得權(quán)重的多少,標(biāo)準(zhǔn)差的值越大,包含的信息越多,評(píng)估強(qiáng)度越高。

(4)

(5)

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)的相關(guān)性。在CRITIC 法中使用相關(guān)系數(shù)的大小來衡量權(quán)重賦值,相關(guān)系數(shù)越大,表明指標(biāo)之間的相關(guān)性越強(qiáng),包含越多的相同信息,不利于對(duì)象評(píng)估,因此,需要減少權(quán)重賦值。

(6)

(7)

式中:ρjk為評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù);Rj為指標(biāo)沖突性。

(5)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)包含的信息量cj。

(8)

cj值越大,表示該指標(biāo)在評(píng)估指標(biāo)體系中發(fā)揮了更大的作用,需獲得更多的權(quán)重。

(6)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重wj。

(9)

1.2 TOPSIS評(píng)估

TOPSIS法是一種典型的綜合評(píng)價(jià)法。該評(píng)價(jià)法將數(shù)個(gè)評(píng)估方案與理想目標(biāo)的相對(duì)接近度進(jìn)行排序,并在現(xiàn)有的方案中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣排序。TOPSIS法具有充分利用原始數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)分布及樣本含量無嚴(yán)格限制、計(jì)算簡單易行的優(yōu)點(diǎn),在工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。TOPSIS法計(jì)算步驟如下。

(1)將各評(píng)價(jià)指標(biāo)已有權(quán)重值融入決策矩陣,構(gòu)造加權(quán)規(guī)范矩陣E。

Z=X″jωj

(10)

式中:X″j為式(1)中決策矩陣:ωj為式(9)中指標(biāo)權(quán)重值。

(3)采用幾何歐幾里得距離來計(jì)算矩陣中各方案到正、負(fù)理想解的距離。

(10)

(11)

(4)計(jì)算相對(duì)貼近度Ci。

(12)

Ci越大表示樣本點(diǎn)距離正理想解越近,評(píng)估效果越優(yōu)。

1.3 CRITIC-TOPSIS評(píng)估

地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)源多,采用單一的定性或定量分析方法,難以避免主觀性較大、可靠性較低的缺點(diǎn)。本文將CRITIC法與TOPSIS法相結(jié)合,獲取指標(biāo)相關(guān)性權(quán)重,將其融入決策矩陣中,獲得方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià),有效地對(duì)地鐵車站基坑開挖施工進(jìn)行安全評(píng)估?；贑RITIC-TOPSIS評(píng)估方法的地鐵車站基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 地鐵車站基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

2 案例分析

2.1 工程概況

擬建濟(jì)南城市軌道交通9號(hào)線一期開源路站位于響泉路與宏昌路交又口西側(cè),沿響泉路東西向敷設(shè)。開源路站為地下二層車站。車站總長224 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3 m,盾構(gòu)井段寬25.6 m。車站擬采用明挖順作法施工,基坑開挖深度17.4～19.5 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式選用800 mm地下連續(xù)墻,豎向設(shè)置一道混凝土支撐與兩道鋼支撐。開源路站平面圖如圖2所示。

圖2 開源路站平面圖

2.2 主要風(fēng)險(xiǎn)來源

車站基坑位于東塢斷裂、歷城斷裂之間,毗鄰響泉、富水且地質(zhì)條件復(fù)雜,7 m深度以內(nèi)以淤泥質(zhì)黏土和填土的敏感性地層為主,基坑降水或滲漏極易導(dǎo)致地面沉降,坑底以下主要為粉土、粉細(xì)砂、卵石及膠結(jié)礫巖地層,地連墻施工質(zhì)量控制難度大,極易導(dǎo)致地下水滲流破壞。開源路站基坑典型斷面地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 開源路站基坑典型斷面地質(zhì)情況

場(chǎng)地周邊無明顯建筑物,距離車站基坑約4 m處有一個(gè)921.5 m2的水塘,水塘內(nèi)水深約3 m;距離車站基坑約8 m處有一自流井(響泉),常年噴涌已形成流動(dòng)的地表水系,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地量測(cè),該自噴井出水量每小時(shí)不小于87 m3,施工階段自留井水有涌入基坑的風(fēng)險(xiǎn);主要管線已遷改至距離基坑約25 m處。

3 建立評(píng)估模型

3.1 構(gòu)建評(píng)估體系

由于施工場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)場(chǎng)地狹小、施工作業(yè)復(fù)雜、設(shè)計(jì)人員多、施工風(fēng)險(xiǎn)大,構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)可能性難以評(píng)估。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研與查閱相關(guān)資料,遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性的特點(diǎn),參考具有豐富經(jīng)驗(yàn)深基坑專家的建議,對(duì)開源路站基坑開挖施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,構(gòu)建包含環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素、人員因素、材料因素、設(shè)備因素、管理因素6個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)來源指標(biāo)、16個(gè)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)來源指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。完整的基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系如圖4所示。

圖4 開源路站基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

為對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評(píng)估,將評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)估,參考文獻(xiàn)[3]中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),將風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)由高至低分為四個(gè)級(jí)別,各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則見表1。規(guī)定各級(jí)別計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)為100～85、85～70、70～55、55～0。

表1 基坑工程風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則及風(fēng)險(xiǎn)處置原則

3.2 CRITIC法獲取指標(biāo)權(quán)重

結(jié)合開源路站施工現(xiàn)場(chǎng)基坑開挖分段,以及周邊環(huán)境,選取基坑施工第1段、第3段、第8段、第10段有代表性的基坑進(jìn)行研究,分析施工各代表段的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)可能性的大小。第1段基坑毗鄰魚塘且基坑寬度及深度相對(duì)較大,第3段基坑毗鄰泉眼,第8段基坑毗鄰魚塘,第十段上方有電力管線跨越。代表段位置如圖5所示。

圖5 開源路站基坑開挖分段圖

根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系,邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)開源路站代表段基坑開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分,代表段評(píng)分情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 代表段基坑得分

將各代表段評(píng)估指標(biāo)得分構(gòu)成決策矩陣,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,應(yīng)用CRITIC評(píng)估法中式(2)～式(9)計(jì)算三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)來源指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算值匯總見表3。

表3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

由評(píng)估指標(biāo)權(quán)重可以看出,該基坑開挖時(shí),風(fēng)險(xiǎn)來源較大的因素有地質(zhì)條件復(fù)雜C11、基坑支護(hù)不足C23、響泉C15,除此之外,工作人員作業(yè)不規(guī)范C32、材料質(zhì)量問題C4也極容易造成地鐵車站基坑開挖出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。因此,在地鐵車站基坑開挖施工過程中,要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、嚴(yán)格控制基坑變形,基坑支護(hù)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工,保證施工精度,施工時(shí)對(duì)泉眼進(jìn)行核查,檢查鋼管各部位是否完整、存在裂隙等影響安全隱患的情況。同時(shí),還要落實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)管理規(guī)章制度,加強(qiáng)對(duì)工作人員的管理,作業(yè)時(shí)滿足安全要求。

3.3 TOPSIS法進(jìn)行優(yōu)劣排序

將表3中統(tǒng)計(jì)的CRITIC評(píng)估法計(jì)算出的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)來源指標(biāo)權(quán)重融入規(guī)范矩陣,利用TOPSIS法中式(10)～式(13)求各樣本到正、負(fù)理想解的距離,并計(jì)算相對(duì)貼近度(表4),以對(duì)各代表段風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4 代表段評(píng)價(jià)結(jié)果

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知,基坑的第1段、第3段發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)可能性較大,這與它們近接魚塘及響泉,且端頭井基坑相對(duì)寬度及埋深更大有關(guān)。因此,端頭井段及靠近魚塘、響泉基坑段施工應(yīng)該分層開挖、及時(shí)支護(hù)、嚴(yán)禁超挖,魚塘中對(duì)浮泥進(jìn)行清淤換填并控制回填土質(zhì)量及壓實(shí)度,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及地表的變形監(jiān)測(cè),如若超標(biāo),需要及時(shí)查明來源并采取一定的加固措施。同時(shí)由于基坑中分布著不穩(wěn)定的承壓含水層,需要對(duì)含水層進(jìn)行減壓,降低突涌風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

依托在建濟(jì)南城市軌道交通9號(hào)線一期開源路站,對(duì)車站基坑開挖施工進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,梳理了本站的風(fēng)險(xiǎn)來源,構(gòu)建包含環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素、人員因素、材料因素、設(shè)備因素、管理因素6個(gè)二級(jí)指標(biāo)及16個(gè)三級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。通過CRITIC-TOPSIS法分析了車站基坑開挖施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互重要性,并分段對(duì)基坑風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:基坑周邊環(huán)境與支護(hù)不足是構(gòu)成基坑風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的主要來源,端頭井處由于基坑的寬度、深度相對(duì)更大,施工時(shí)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。總的來說,地鐵車站施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)來源因素多,有必要從多風(fēng)險(xiǎn)作用的角度去采取措施,降低風(fēng)險(xiǎn)。