基于PCA-逆向云模型的地鐵車站深基坑施工風險評價研究

趙金先，陳 濤，劉 環，蔣克潔

(1.青島理工大學 管理工程學院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心，青島 266525；3.山東省青島市市北區審計局，青島 266000)

地鐵深基坑施工具有內部結構復雜、周圍環境復雜、使用的工器具較多、工作條件艱苦等諸多不良因素，導致了深基坑施工具有較多的風險因素，而風險因素在施工系統中傳播與耦合提高了施工的風險水平，引發施工安全事故.同時隨著地鐵建設項目的不斷發展，地鐵車站深基坑的設計規模越來越大，地鐵車站深基坑施工的安全形勢日益嚴峻.通過分析地鐵車站深基坑的施工全過程確定其中存在的風險，研究風險間的相互作用以分析研究地鐵車站深基坑施工風險水平，確定關鍵風險，為地鐵車站深基坑施工安全管理提供改進方向，對提高地鐵深基坑施工安全具有重要意義.

目前，國內學者針對地鐵車站深基坑施工風險做了大量研究.郭余根[1]建立三維有限元模型對深基坑施工進行數值模擬分析，模擬結果與現場監控數據基本一致，并提出了應重點監控支護結構的應力變化；吳楠[2]提出通過從預防、分析、診斷、處理四個環節對地鐵車站深基坑工程進行全方位動態風險監控，通過安全數據直觀地了解工程風險變化，進而提高施工的安全性；王永瑋等[3]從風險管理的角度出發對深基坑施工的全過程風險進行分析，構建了風險影響指標體系，并運用模糊模型進行評價，以此確定深基坑工程的風險等級；張勝昔等[4]從系統的角度分析了深基坑施工風險因素，綜合考慮了風險的模糊性和不確定性，運用層次分析法和灰色理論構建了G-FAHP評價模型對深基坑施工風險進行排序，提出了支護結構是風險控制的重點；郭健等[5]運用WSB技術建立了深基坑施工風險清單，并運用層次分析法評估主要風險，估計風險發生率與損失率，采用模糊綜合評價模型進行評價，為深基坑工程施工風險防控提供了依據，取得了較好的效果.綜上所述，對于地鐵車站深基坑施工風險的研究多集中于監控預防、風險識別、風險分析等領域，并取得了諸多成果，然而對于地鐵車站深基坑施工風險間的相互作用及程度仍有待進一步研究.通過定性與定量分析相結合的方式構建風險指標體系，運用科學的數學模型進行耦合度研究，對提高地鐵深基坑施工風險控制具有重要價值.

本文從深基坑施工的全過程出發，運用德爾菲方法和事故致因理論分析地鐵深基坑施工中存在的風險，使用主成分分析(PCA)篩選其中的主要風險，構建了人、機、管、環四個方面的地鐵車站深基坑施工風險指標體系，運用逆向云模型將定性指標概念轉化為數字特征，引入耦合度函數，建立了地鐵車站深基坑施工風險評價模型，以期提高地鐵車站深基坑施工風險管理水平.

1 地鐵深基坑施工風險耦合概述

1.1 地鐵車站深基坑施工風險耦合

風險耦合指的是兩個或多個風險因素通過相互作用以提高施工風險水平的現象.風險耦合對施工風險的影響并非簡單的風險因素疊加，而是隨著參與耦合的風險因素增加呈現快速增加的趨勢，而耦合的程度越高，說明風險之間的影響程度越大，產生安全事故的可能就越高.

地鐵車站深基坑施工是一項錯綜復雜的項目，其施工風險極多且部分風險貫穿于整個項目全壽命周期之中，雖然安全管理體系對風險進行了有效的預防與控制，確保單一風險因素難以造成施工安全事故，但是安全管理體系難以阻止風險在施工系統中的傳播與耦合，風險經過相互耦合，不僅提高了地鐵車站深基坑施工風險水平，甚至有可能突破安全管理體系引發安全事故[6-7].

1.2 風險耦合的特點

1) 不確定性.風險產生的時間、地點、方式具有不確定性，同時其耦合的結果也不盡相同.風險耦合后，提高了施工風險，即產生正向耦合；風險耦合后，反而降低了施工風險，即產生負向耦合；風險耦合后，既不降低也不提高施工風險，即產生零耦合.

2) 波動性.由于施工的復雜性，不同項目所產生的風險耦合，其耦合結果具有較大的差異，產生的耦合效果也出現漲落.

3) 發展性.隨著施工項目的持續進行，進行耦合的風險會不斷地改變，使得風險耦合不會處于穩定的狀態，提高風險水平或誘發新的風險.

4) 延續性.在施工項目中，某些風險會貫穿于項目的整個壽命周期，對施工風險產生影響，比如不安全的行為、安全意識等；而有些會在施工過程中產生，并對后續的施工產生持續的影響，比如不合理的設計等；有些則會在施工過程中產生，持續一段時間后結束，比如缺少防護裝置等[8].

2 構建評價指標體系

2.1 確定初始風險集合

風險識別的全面與否決定了耦合研究的準確性，為了能夠全面而綜合地反映地鐵車站深基坑施工過程中存在的風險，運用德爾菲法進行風險識別，具體步驟如下：

首先，確定調研的主旨和目的，設計調查問卷并附上相關工程項目的數據和資料等等.其次，選擇15位在地鐵車站深基坑施工方面有著豐富經驗或者相關研究的專家.將第一輪調查問卷及資料發放給專家，并與專家建立直接函詢關系，收集調查問卷.最后，對調查問卷的結果進行統計匯總，并將結果附于第二輪調查問卷上再次進行調研，直至進行了四輪德爾菲法.得到地鐵車站深基坑施工初始風險集合，見表1.

表1 地鐵車站深基坑施工初始風險集合

2.2 主成分分析

主成分分析(PCA)的原理是通過線性變換將一組線性相關的數據轉變為線性無關的數據，即刪除部分低貢獻率的指標，降低了指標的噪音與冗余，確保指標的有效性及準確性.通過對初始風險集合進行PCA分析，確定主要成分，對指標集合進行降維處理，進而構建評價指標體系.

鑒于地鐵車站深基坑項目風險多樣性的特點，將風險對項目的風險影響程度劃分為5個等級：高、較高、中等、較低、低，并運用10分制進行評分，評分標準見表2.

表2 影響程度評分標準

調研35位在地鐵車站深基坑施工方面有著豐富經驗或者相關研究的專家，篩選出30份有效樣本.匯總整理得到評價矩陣{Xij}m×n，其中，n為39個評價因素，m為30即樣本個數.運用Matlab對原始數據進行主成分分析，得到荷載系數矩陣、特征值、貢獻率、累計貢獻率，見表3.

表3 主成分指標向量(荷載系數×100)

按照特征值大于1的原則，得到6個主成分指標，且6個主成分指標的方差累計貢獻率η=0.8533>0.85.

2.3 降維分析

根據荷載矩陣對風險進行分類，重新定義各主成分指標的含義：Z1的貢獻率為20.68%，其于X5(生理不適)、X20(不安全行為)、X26(心理素質穩定性)、X31(專業操作水平)、X35(安全觀念和安全意識)上均有較高的荷載，風險與該主成分相關性較大，因此Z1可以視作是由人為因素引起的風險；Z2的貢獻率為17.69%，其于X24(地下管線及構筑物)、X25(不良地質)、X28(周邊震動影響)、X33(不可預見的自然環境)上均有較高的荷載，因此Z2可以視作是由自然環境引起的風險；Z3與X8(現場安全管理)、X10(安全激勵不足)、X21(管理部門溝通不到位)、X29(風險應對措施不完善)相關，因此Z3主要反映管理方面的風險；Z4與X6(原材料質量問題)、X15(缺少安全防護裝置)、X36(設備老化及磨損)相關，因此Z4主要反映設備及材料方面的風險；Z5與X23(監控設備設置不合理)、X32(通訊設備信號差)相關，因此Z5主要反映信息管理方面的風險；Z6與X19(照明不充分)、X34(工作噪聲大)、X37(工作空間狹小)、X38(工作溫度惡劣)相關，因此Z6主要反映工作環境方面的風險[9].

2.4 指標體系構建

結合地鐵車站深基坑項目的實際情況，將上述6個主成分進行重新整理組合，將Z2與Z6合并，將其作為環境的風險；將Z4與Z5合并，將其作為物的風險.由此建立了一個涵蓋人、機、管、環四個方面的地鐵車站深基坑施工風險指標體系，如圖1所示.

圖1 地鐵車站深基坑施工風險指標體系

3 基于逆向云的風險耦合模型

3.1 逆向云模型

具體計算步驟如下：

輸入：N個云滴樣本的定量值xi(i=1，…,N).

3.2 構建基于逆向云的風險評價模型

運用耦合度函數分析系統中兩個及以上風險因素之間的作用程度，以反映施工的風險水平，具體步驟如下：

1) 構建功效函數：

2) 構建線性加權函數：

3) 構建耦合度函數運算各級風險間的耦合強度：

Km∈[0,1]反映耦合強度.參考物理學對耦合狀態的劃分：①當Km=0時，各變量間無耦合現象.②當Km∈(0,0.3]時，各變量間耦合強度較低.③當Km∈(0.3,0.7]時，各變量間耦合強度中等.④當Km∈(0.7,1)時，各變量間的耦合強度較高.⑤當Km=1時，耦合強度達到最大值[8].

由風險耦合的定義可知，風險間的耦合程度越大，則風險等級越高，對施工的影響越大，容易導致施工安全事故.

4 實例分析

4.1 工程概況

青島地鐵二號線某車站結構為雙層雙柱三跨框架結構，車站標準段寬20.7 m，有效站臺長118 m，車站總長234.5 m，總建筑面積12 149.45 m2，其中豎井施工采用倒掛井壁法施工，施工橫通道采用拱形直墻斷面，復合式襯砌.豎井內凈尺寸5 m×8 m，基坑深度32.5 m.基坑開挖前布置降水點8處，采取鉆孔、埋管(管身鉆孔、密網包裹)潛水泵抽水，降水水位標高達到開挖坑底下1 m后，即可開始土方開挖.基坑采取鉆孔灌注樁作為圍護結構，土釘支護作為基坑支護結構.

4.2 數字特征計算

通過專家打分的方式收集風險因素評價的原始數據，邀請地鐵車站深基坑施工領域的相關專家及現場管理人員共10名，依據風險的劃分定義(表4)對前述圖1指標體系中的風險因素進行評價.

表4 地鐵車站深基坑施工風險劃分定義

運用Matlab軟件進行逆向云模型的運算，得到各風險因素的數字特征，受篇幅所限，以二級指標“人的風險因素”下的三級風險指標為例，見表5，并使用超熵檢驗其離散性，確保專家評價的有效性.

表5 風險指標數字特征

4.3 風險耦合計算

1) 依據耦合度模型計算三級風險指標的耦合度.以二級指標“人的風險因素”下的三級風險指標為例，見表6.

表6 風險指標耦合度

2) 計算二級風險指標的耦合度.

①二級指標雙因素耦合值見表7.

表7 二級指標雙因素耦合程度

②二級指標三因素人-機 -管的風險因素耦合值：

③二級指標三因素人-機 -環的風險因素耦合值：

④二級指標三因素人-管 -環的風險因素耦合值：

⑤二級指標三因素機-管 -環的風險因素耦合值：

⑥二級指標四因素人-機 -管-環的風險因素耦合值：

4.4 計算結果分析

由耦合程度的計算結果及耦合度的劃分可知：

1) 三級風險因素的同質或異質的耦合程度均為中等水平，其中C6(原材料質量問題)與C9(監控設備設置不合理)的耦合程度為0.5948，說明這兩個因素耦合后導致施工風險較高.結合工程實際情況可知：本工程的土質為粗砂、黏土、花崗巖等，其承載力各不相同且結構特性較差，同時周邊的建筑物及地下的管線錯綜復雜，對建筑物和管線的安全保護措施要求較高，故對深基坑整體的支護體系和圍護結構的強度、剛度、穩定性要求極高.而原材料的質量不僅會對支護體系與圍護結構的施工質量產生影響，也會對深基坑的整體結構安全產生重要影響.在施工過程中，需要密切監視支護體系與圍護結構的位移及受力，觀測周邊建筑物構筑物的沉降及裂縫，當支護系統施工質量不佳時，監控措施又沒有檢測到位，不能及時發現安全事故預兆，采取必要的預防措施，當安全事故由預兆變為征兆時，施工安全事故將不可避免[12-13].

2) 二級指標雙因素耦合程度均屬中等水平耦合，其中人-環的耦合程度最高，相較于其他風險因素的組合，人-環組合引起的施工風險最高，這與地鐵車站深基坑的施工環境以及人的生理特性有關.

3) 二級指標三因素耦合程度均屬中等水平耦合，其中人-機-環的耦合程度最高.

4) 二級指標四因素耦合程度K4=0.6006，可知本工程深基坑施工整體風險水平為中等，同時四因素風險耦合程度明顯大于其他風險因素的耦合程度，與風險耦合的概述相符合.

5 結論

1) 本文運用德爾菲法與事故致因理論分析了地鐵車站深基坑施工中存在的風險，并建立了風險集合，使用PCA法對39個風險進行降維處理，構建了人、機、管、環四個方面的風險耦合評價指標體系，運用定性與定量分析相結合的方式構建了指標體系，提高了指標體系的客觀性、準確性和全面性.