鄰近既有地鐵的基坑開挖風險評估研究

趙 偉 晉維麗

(北京環安工程檢測有限責任公司，北京 100020)

0 引言

隨著城市化進程的加快，我國地下空間的開發利用發展迅速，基坑工程緊鄰既有地鐵施工的現象越來越多，技術難度進一步增大。當建設、勘察、設計、施工或監理單位某些環節出現疏漏時，近接工程[1]的風險就會升高，甚至會造成財產損失和人員傷亡。因此，深入系統地開展基坑近接既有結構物施工安全風險評估研究，對降低該類工程施工安全風險，充分利用地下空間，實現城市和諧可持續發展，具有十分重要的理論意義和實用價值[2]。

國內學者對基坑開挖對鄰近既有結構影響和安全性評估進行了深入的研究。黃宏偉從風險管理的角度出發，提出深基坑工程風險管理的一般流程，通過實際案例論證該流程的可行性[3]；并通過數值模擬的方法研究基坑工程施工對近接既有隧道的影響[4]。高盟[5]將數值模擬與監測數據結合，研究基坑開挖過程中鄰近既有地鐵車站的響應，并通過數值模擬討論分析了控制車站變形施工措施的有效性。

雖然各國學者對近接既有結構施工的基坑工程進行了深入研究，但仍然存在一些局限：1)傳統的層次分析法存在一致性不容易滿足的局限性；2)缺乏適用于基坑鄰近既有地鐵施工的風險評估和控制流程，難以實現基坑鄰近既有地鐵過程中的風險管控。

本文圍繞鄰近既有地鐵的基坑開挖工程進行風險評估，并針對已有研究存在的局限，首先根據數據統計分析法以及對已有研究成果進行風險指標體系的建立；然后應用層次分析法(AHP)與改進的層次分析法(IAHP)，分別確定指標層和制約層各風險因素權重；通過模糊綜合評判法(FCE)確定項目的風險水平，形成一套針對基坑鄰近既有地鐵施工方面相對科學實用的風險評估和控制流程；最后結合工程實例，說明該方法的具體應用，為類似工程提供借鑒。

1 AHP與IAHP的對比分析

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)簡稱AHP，最早由美國運籌學家T·L·Saaty于20世紀70年代中期正式提出。由于AHP具有簡潔性、實用性和系統性的優勢[6]，所以在確定復雜問題中諸因素的權重時，AHP被廣泛使用。但是AHP也有自身的局限性[7,8]：1)主觀因素影響過大；2)當判斷矩陣的階數超過4個時，判斷矩陣不容易滿足一致性要求。

基于AHP存在的局限性，改進的層次分析法(IAHP)[9]從兩方面進行了改進：

一是調查問卷的改進。將處于同一層次的所有因素按重要程度進行排序，可以有效的改善由于判斷內容繁雜而產生的厭煩心理，降低主觀錯誤發生的概率；

二是構造判斷矩陣方法的改進。IAHP在構造判斷矩陣時采用排序賦值的方法，解決了AHP中判斷矩陣很難滿足一致性的問題。其構造判斷矩陣的主要計算步驟如下：

1)確定各層次元素個數，并將該層次元素按照對上層元素的影響程度進行排序；

2)將本層元素對上層元素影響最大的賦值為10，影響最小的賦值為1，其他元素在1～10內線性插值；

3)假定賦值為A，判斷矩陣元素值為B，判斷矩陣元素按照下面的方法計算：

a.當Ai≥Aj，則Bij=max(Ai-Aj,1)；

b.當Ai

雖然IAHP基本解決了各階判斷矩陣的一致性問題，但當判斷矩陣階數小于5個時，由于兩種極端情況會同時出現，與實際情況不符，導致按IAHP計算得到的權重準確性會降低，這也是IAHP的局限性。

因此，在實際工程中，為了更準確得出各風險指標的權重，更充分發揮兩種方法的優越性，當判斷矩陣階數大于4個時，選擇IAHP計算權重；當判斷矩陣階數不大于4個時，選擇AHP進行計算。

2 案例分析

2.1 工程概況

本文選取某地塊基坑開挖鄰近既有地鐵為研究對象。擬開挖西黃村A-D2地塊，該地塊位于北京市石景山區，基坑工程自然地面標高64.80 m，基坑開挖深度約18.8 m，基坑長約186.2 m，寬約32.3 m～49.7 m。采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m，樁長24.6 m，樁距1.6 m，樁身混凝土強度等級C30。南段基坑西側采用樁錨支護形式，北側和西側采用土釘墻+樁錨支護形式。基坑東半段南側采用樁錨支護形式，北側與東側支護土釘墻+樁錨支護。既有西黃村站為島式站臺，有效站臺寬度14 m，車站總長252 m，車站三跨段凈寬21.5 m，四跨段凈寬30.1 m,高度16.55 m。車站中心里程拱頂覆土約8.5 m，底板埋深約25 m。

2.2 由IAHP確定制約層權重

根據風險評價指標體系，制約層元素有5個，指標層元素為2個～3個，為了提高各指標權重的準確性，制約層的權重采用IAHP計算，指標層選擇AHP進行權重計算。

1)構建制約層判斷矩陣。

在此次問卷調查中，調查對象包括與本工程相關的建設單位、勘察單位、設計單位、施工單位以及監理單位中具有高級職稱的技術人員，共發放了20份調查問卷并對問卷結果進行匯總，得出制約層的排序和賦值結果，結果表明，施工單位的問題對本基坑工程影響最大，監理單位的問題對本基坑工程影響最小，見表1。

表1 制約層元素排序與賦值

按照表1所示的元素賦值構造制約層B對目標層A的判斷矩陣A-B，見表2。

表2 A-B判斷矩陣

2)計算制約層判斷矩陣對應的最大特征值和特征向量。

本工程判斷矩陣對應的特征值λmax和特征向量w的求解步驟如下：

(1.134，0.453，1.543，3.471，0.276)。

wa=(wa1,wa2,wa3,wa4,wa5)=

(0.165，0.066，0.224，0.505，0.040)。

c.計算對應的最大特征向量λmax，則:

3)檢驗制約層判斷矩陣的一致性。

在計算得到最大特征值和對應的特征向量后，為了證明該特征向量是否為權向量，須進行兩步評判，對判斷矩陣進行一致性檢驗。

a.引入一致性指標C.I.進行初判。當C.I.趨近0時，特征向量作為權重向量的可能性較大則認為接近程度很大。

從制約層權重向量中可以看出，施工單位的問題對該近接工程的安全性影響最大，其次是設計單位，監理單位對該工程安全性影響最小；并且該權重與基坑工程事故的統計數據基本一致。

2.3 由AHP確定指標層權重

專家依據表2，表3所示的標度含義進行打分，構造指標層C對目標層B的判斷矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C和B5-C，計算各矩陣權重并進行一致性檢驗，見表3。

表3 B1-C判斷矩陣

則B1-C的最大特征值為2.000，最大特征值對應的特征向量為wb1=(0.250，0.750)，由C.I.=0，則判斷矩陣一致性滿足要求，即B1-C的權向量為wb1=(0.250，0.750)。

按照上述方法計算B2-C,B3-C,B4-C和B5-C判斷矩陣并進行一致性檢驗(過程略)。將本層的幾何平均值進行歸一化處理，得到指標層所有風險因素的權重，見圖1。

從條形圖中可以看出：設計時由于設計人員缺乏經驗，不遵守設計規范對該工程影響最大，其次施工單位由于施工質量差，隨意修改設計圖紙而產生的風險也很大，且建設單位由于對價格和工期的壓縮可能給其他專業人員帶來較大的壓力，成為引發沖突和風險的重要因素；勘察單位由于布點過少導致地勘報告數據不全面，給設計單位造成較大的困難；監理如果對發現的問題沒有及時的制止或者上報甲方，其監督作用就會喪失，工程的安全性也會降低。

2.4 風險水平的確定

本文采用模糊綜合評判法計算該近接工程的風險水平，其基本思路為[9]：

1)建立評價指標的因素集。

因素集主要通過風險評價指標體系確定，其中一級因素集A=(B1，B2，B3，B4，B5)= (業主問題，勘察問題，設計問題，施工問題，監理問題)，二級因素集包含2個～3個元素，見表1，表2。

2)建立評價指標的權重集。

制約層和指標層的權重向量已在上節中求得，其中wa=(0.165，0.066，0.224，0.50，0.040)，wb1=(0.250，0.750)，wb2=(0.833，0.167),wb3=(0.667，0.222，0.111),wb4=(0.582，0.348，0.068 9)，wb5=(0.200，0.800)。

3)建立評價等級集和評價等級分數。

評價等級集是專家對評價指標做出評語的集合，這里將評價指標的評語劃分為4級[10]，即，評語集D=(Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ)=(安全狀況很好，安全狀況較好，安全狀況一般，安全狀況不好)；再根據相應的工程資料和收集的專家意見，將評價等級集量化，得到該評語集的評價等級分數，即，D=(Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ)=(安全狀況很好，安全狀況較好，安全狀況一般，安全狀況不好)=(4，3，2，1)。

4)建立二級評價指標隸屬度向量和模糊關系矩陣。

5)進行一級模糊綜合評判。應用于本工程中，即：

Ei=wbi·Ri(i=1,2,3,4,5)，則:

將二級隸屬度向量組成二級模糊判斷矩陣R，即：

R=(E1E2E3E4E5)=

6)進行二級模糊綜合評判。將權重向量wa與二級模糊判斷矩陣R相乘，得到本工程的綜合隸屬度向量S，再將綜合隸屬度向量S與評價等級分數向量D的轉置相乘，得到本工程的風險值F，即：

S=wa·R=(0.403 0.276 0.204 0.117)。

F=S·DT=2.964。

通過對結果進行分析，本工程的風險值為2.964，屬于Ⅲ級風險，屬于可接受風險，宜加強工程管理與監測，工程各方應相互配合，采取相應的風險處置措施，尤其是施工單位應提高施工質量，設計單位應嚴格按照設計規范進行設計，保證施工安全。

3 結論

1)本次將涉及到鄰近既有地鐵施工的基坑工程模糊性、不確定性的風險因素進行量化處理，得出基坑施工的問題對該工程的安全性影響最大，其次是設計單位，與基坑工程事故的統計數據基本一致；并且風險在可接受范圍之內，可采取相應的風險處理措施；

2)當判斷矩陣階數大于4個時，選擇IAHP計算權重；當判斷矩陣階數不大于4個時，選擇AHP進行計算，能解決一致性不容易滿足的局限性，并且可以發揮各方法簡潔、實用且系統性的優勢，可為類似工程提供借鑒。