基于模糊熵理論的地鐵車站基坑施工風險研究

鄧甫安 賀 建

(1.四川大學規劃建設處，四川 成都 610065; 2.重慶文理學院建筑工程學院，重慶 402160)

基于模糊熵理論的地鐵車站基坑施工風險研究

鄧甫安1賀 建2

(1.四川大學規劃建設處，四川 成都 610065; 2.重慶文理學院建筑工程學院，重慶 402160)

通過對地鐵車站基坑施工風險分析，建立了包含六種基本事故類型的地鐵車站基坑工程施工風險因素框架體系。引入模糊熵理論計算各指標的權重，建立了地鐵車站基坑工程施工風險評價模型，并以天津凌賓路地鐵車站基坑工程施工為例，對基坑風險因素框架體系及風險評價模型進行了驗證。

地鐵車站,基坑施工,風險,模糊熵理論

1 概述

隨著城市現代化快速發展，城市交通問題日益突顯。為方便人們出行，近年來，地鐵在我國各大主要城市正大力投入建設；但地鐵建設面臨的復雜地下環境，眾多的不確定因素導致地鐵施工過程存在大量的潛在風險；因此，做好地鐵施工的風險管理至關重要。

目前針對地鐵施工風險評價管理的方法主要有AHP、物元模型、敏感性分析、神經網絡等方法，如楊開彪[1]提出了深基坑風險的集中度分析方法；周紅波[2]提出了深基坑風險分析的貝葉斯網絡模糊綜合評估方法；潘海澤[3]提出了地鐵車站深基坑施工的突變級數分析方法；這些方法都很好地進行了地鐵施工風險的分析，但分析過程都偏復雜且主觀性偏大；基于此，本文引入結合熵信息理論的模糊熵理論，通過深入分析地鐵施工風險因素，建立地鐵車站基坑工程施工風險評價指標體系，再運用隸屬度計算各指標的相對權重，降低計算過程的主觀性，從而建立出地鐵基坑施工風險評估模型。

2 基坑施工風險評價過程的構建

2.1基坑施工風險因素的確定

引起地鐵車站基坑施工風險的因素眾多，為建立科學合理、系統完善的地鐵車站施工風險評價指標體系，通過地鐵施工事故的統計分析，得到主要的施工風險因素，再采用工作分解結構(WBS)和風險分解結構(RBS)的耦合方法，結合地鐵建設相關專家的建議，得到每個地鐵基坑工程施工風險類型的底層事故原因，從而建立了如圖1所示的基坑工程施工風險因素框架體系[4-6]。

2.2風險評語集的構建

通過對基坑工程施工風險的各個因素進行模糊集合，從而建立風險評語集。不管各風險因素發生的可能性大小以及事故后果的嚴重性程度，均會對基坑施工造成影響。因此，本文將風險等級劃分為嚴重Ⅴ、較嚴重Ⅳ、中等Ⅲ、較輕Ⅱ、輕微Ⅰ五個等級。

2.3基于模糊熵理論指標權重的計算

指標權重的大小直接反映了其造成地鐵車站基坑施工風險的影響程度，因此需要對1級指標、2級指標、3級指標以及4級指標的權重進行確定[7,8]。

1)專家根據風險評語集得出等級隸屬度矩陣，再歸一化處理評價矩陣，如式(1)：

(1)

2)基于熵理論，各級指標權重計算的方法是相同的，但是等級隸屬度的歸一化處理中有所不同，3級指標與2級指標的歸一化處理分別見式(2),式(3)，1級指標與2級指標歸一化處理公式一致。

(2)

(3)

3)進行指標權重的確定：a.在數據歸一化處理的基礎上，計算信息熵Hij，如式(4)；b.由信息熵計算輸出熵Eij，如式(5)；c.根據輸出熵最大時，此因素對系統評估的貢獻最小，計算出差異度Gij，如式(6)；d.對差異度進行歸一化處理得出權重wij，如式(7)。

(4)

(5)

Gij=1-Eij

(6)

(7)

4)計算基坑施工風險等級評價A:

A=W·R

(8)

3 地鐵車站基坑工程施工風險案例分析

3.1工程概況

凌賓路站為地下2層車站，車站基坑開挖深度16.9 m，端頭井基坑開挖深度19.3 m，主體結構長153.6 m，標準段寬37.6 m。地下連續墻埋深最大33.2 m，工程基坑深度約為16.9 m～19.3 m，基礎位于地下水位以下，根據專家評分得到基坑工程施工風險初始評價表，見表1。

表1 基坑工程施工風險初始評價表

3.2指標權重的計算

依據模糊熵理論計算公式對初始評價數據進行計算，得到地鐵車站基坑施工風險一級指標的隸屬度(見表2)。

3.3凌賓路站基坑工程施工風險等級評價

由式(8)計算可得，凌賓路站基坑工程施工風險等級評價向量為：

A=(0.214 7 0.307 9 0.286 2 0.166 8 0.024 4)。

3.4凌賓路站基坑工程施工風險評估結果分析

1)由A值可以看出，凌賓路站基坑工程施工總的風險是Ⅱ級，施工為輕微風險，發生施工事故風險的概率以及損失都較小，因此本地鐵車站基坑工程施工整體不需要投入太大的風險預防措施。

2)從一級指標的隸屬度可以看出，滲流破壞風險是Ⅲ級，即一般風險；支撐失穩風險是Ⅱ級，即較輕風險；坑內土體滑坡Ⅲ級，即一般風險；踢腳破壞Ⅳ級，即較嚴重風險；突涌破壞Ⅲ級，即較輕風險；機械傷人Ⅰ級，即輕微風險；其中滲流破壞、坑內土體滑坡以及突涌破壞風險中最高風險均為降水不到位，處于Ⅳ級，即較嚴重風險；踢腳破壞風險中最高風險為地下連續墻插入深度不夠，處于Ⅳ級，即較嚴重風險；這說明在該地鐵車站基坑風險施工過程中應主要注意降水不到位、地下連續墻插入深度不夠兩大主要風險。

4 結語

1)從六種基本事故類型出發，采用WBS與RBS耦合的方法對每種事故類型的形成原因進行了詳細分析，建立了地鐵車站基坑施工風險評價指標體系，為以后地鐵車站基坑施工風險相關研究提供了參考。

2)引入模糊熵理論對地鐵車站基坑施工風險進行評價，通過熵信息計算各級指標權重，處理了地鐵車站基坑施工風險評價中的模糊關系，降低了主觀性，并簡化了權重計算過程，使得風險評估模型與評價指標體系之間形成了有機組合。

[1] 楊開彪,梁發云,殷晟泉.基于現場監測數據的深基坑風險集中度分析方法[J].結構工程師,2012,28(5):128-134.

[2] 周紅波.基于貝葉斯網絡的深基坑風險模糊綜合評估方法[J].上海交通大學學報,2009,43(9):1473-1479.

[3] 潘海澤,賀 建,陳夢捷,等.基于突變級數法的地鐵車站基坑施工風險研究[J].地下空間與工程學報,2017,13(3):840-845.

[4] 陳夢捷,潘海澤.模糊熵理論在地鐵隧道滲漏水中的應用[J].地下空間與工程學報,2016(S1):62-65.

[5] 周紅波,蔡來炳,高文杰.城市軌道交通車站基坑事故統計分析[J].工程地質水文地質,2009(2):67-71.

[6] 周紅波,高文杰,蔡來炳,等.基于WBS-RBS的地鐵基坑故障樹風險識別與分析[J].巖土力學,2009,30(9):2723-2726.

[7] 張 彥.基于多級模糊熵權的計算機網絡系統集成風險評估[J].信息與電腦(理論版)，2014(9):138.

[8] 趙廣金.基于熵理論的礦山企業安全風險管理水平研究[J].中國安全科學學報，2012，22(3):73-78.

Studyonconstructionriskofmetrostationfoundationpitbasedonfuzzyentropytheory

DengFu’an1HeJian2

(1.ThePlanning&ConstructionDepartmentofSichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.SchoolofArchitecturalEngineering,ChongqingAcademyofArtsandSciences,Chongqing402160,China)

Based on the risk analysis of metro station foundation pit construction, a risk factor framework system with six basic accident types is built. The fuzzy entropy theory is introduced to calculate the weight of each index, and the risk evaluation model is established. Taking Tianjin Lingbin Road subway station foundation pit engineering construction as an example, the foundation of risk factors and risk assessment framework model is verified.

subway station, foundation pit construction, risk, fuzzy entropy theory

U231.4

A

1009-6825(2017)26-0232-03

2017-07-01

鄧甫安(1965- )，男，高級工程師，一級結構工程師; 賀 建(1990- )，男，在讀碩士