基于FAHP?GRA理論的深基坑涌水涌砂風險評價

吳波，陳輝浩，黃惟，蒙國往，李小龍，萬榮強

(1. 廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧530004；2. 東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌330013；3. 廣州城建職業學院 建筑工程學院，廣東 廣州510925；4. 中鐵北京工程局集團 城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥230088)

深基坑涌水涌砂是地鐵施工中較為常見的一種災害，輕則延緩工期，重則造成周邊地面大量沉降，圍護結構失穩，基坑垮塌等不可挽回的嚴重損失。近些年，國內外許多專家學者對地鐵深基坑施工風險問題展開研究。彭濤等[1?4]采用層次分析法計算風險因素權重，運用模糊綜合評價法對基坑施工安全進行風險評估。吳丹紅等[5?6]通過建立可拓評價模型，對基坑工程施工安全評價指標與權重進行可拓運算。此外二維云模型[7]，BP神經網絡[8]、貝葉斯網絡[9]等也常被運用于基坑工程的風險評估。不難發現，在基坑施工風險評估的研究中，基坑涌水涌砂問題往往只是被視為一個影響因素，甚至是被忽略。針對地鐵車站基坑涌水涌砂安全評估的研究并不多見。莊全貴[10]基于疏干井涌水涌砂事故，分析事故原因，優化降水井的參數、設計及位置布置，并經實驗驗算滿足工程施工要求。王洪波等[11]通過連通實驗等方法對基坑巖性特征、富水性等進行深入研究，形成臨江破碎地層基坑涌水綜合分析法，在指導基坑涌水治理中取得很好的效果。牛文宣[12]運用有限元軟件ANSYS 對不同工況下基坑的狀態及位移變形進行數值模擬，分析基坑涌水對深基坑結構穩定性的影響。顯然，目前在地鐵深基坑涌水涌砂施工風險評估的理論研究尚未充分，一些系統評價理論還未很好地運用于地鐵基坑涌水涌砂風險的評價中，因此在基坑涌水涌砂施工安全風險評估的研究需要進一步開展。本文依托廣州某深基坑項目進行涌水涌砂施工風險進行評估。

1 基于FAHP-GRA理論評估模型

1.1 建立評估指標體系

設最高層為地鐵深基坑涌水涌砂風險I；第2層為因素集I=(I1,I2,…,Ii)，其中Ii為第1 層第i個子因素集；第3 層因素集為Ii=(Ii1,Ii2,…,Iij)；其中Iij為第1層第i個子因素集中第j個因素集。

1.2 基于FAHP理論的權重計算

模糊層次分析法(FAHP)是由運籌學專家SAA‐TY[13?15]首先提出。其基本思想是分解影響因素，建立遞階層次關系結構，將多因素進行兩兩比較，將定性問題定量化[16]。在運用FAHP 進行決策時，計算步驟可分為構建模糊判斷矩陣、指標權重計算和一致性檢驗，詳細步驟見參考文獻[17?18]。三角模糊判斷矩陣Sk，調整矩陣Tk，模糊判斷矩陣Vk，其中k=1, 2, 3, 4, 5，分別對應5 位評分專家。由模糊層次分析法計算評價指標權重為：

其中m表示評價指標個數。

1.3 基于GRA理論的灰色關聯度分析

灰色關聯分析(GRA)[19?20]的基本思想是根據序列曲線之間的相似程度來判斷序列之間的貼近度，計算序列之間的關聯度[21]。具體步驟如下所示：

1) 構造評價指標矩陣

設有n個評價對象，其中某一研究對象有m個評價指標。由k名專家對各評價指標的風險評分數據構成正向化矩陣X。

2) 正向化矩陣X初值化處理

選取正向化矩陣第一列作為標準參考數列，各個評價指標分值與參考數列比值組成初值化后的比較數列如下所示：

其中，xikm(k)表示第k名專家對第i個評價指標下第m個影響因素的評分與參考序列的比值。

3) 計算關聯系數

結合文獻[22?24]，計算參考序列與其他子序列之間的關聯系數，其中取ρ= 0.5。結合式(1)可得關聯系數；

4) 計算參考序列與其他子序列之間的關聯度。結合各個評價指標權重ω=[ω1,ω2,…,ωm]及式(2)可得關聯度；

式中：ωm表示第m個指標的權重。

1.4 建立評價集

結合文獻《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析》[25]，將地鐵深基坑涌水涌砂施工安全風險分為4級，如表1所示。

表1 事故可能性等級標準Table 1 Criteria for accident possibility grade

2 工程概況

廣州市軌道交通7 號線某車站為地下3 層島式站臺車站，設置單渡線。總建筑面積為30 010 m2，外包總長322.3 m，標準段寬度為24.1 m，有效站臺寬15 m。車站主體主要采用明挖順作法施工，在北端河道下方采用局部蓋挖，基坑開挖深度26.98 m，圍護結構采用1 m 厚地下連續墻+4 道內支撐。基坑底部大部分位于微風化含礫粗砂巖，局部位于中風化含礫粗砂巖，并且車站緊鄰珠江，地下水位較高，其變化受珠江潮汐影響較大，基坑涌水涌砂風險較高，施工中應加強防范措施。車站北基坑某處地質縱斷面如圖1所示。

圖1 車站主體圍護結構某斷面處剖面圖Fig.1 Sectional drawing of a section of the main enclosure structure of the station

3 基于FAHP-GRA 理論的地鐵深基坑涌水涌砂風險評估

3.1 風險評估指標體系

基坑開挖范圍內存在有富水砂層，富水砂層厚約3.5～4 m。按設計要求地連墻深度應確保進入不透水層。該基坑的支撐體系是由3道混凝土支撐和1道鋼支撐組成。根據工程經驗，涌水涌砂大部分發生在地下連續墻幅與幅之間的接縫位置，因此接縫處的防滲漏設計是否合理極為關鍵。在實際施工中，地連墻終孔地層應與地勘報告相符。地連墻滲漏大多是發生在幅與幅之間的接縫處，接頭的防滲漏效果主要取決于刷壁質量。在混凝土澆筑工序中，泥漿制備需滿足泥漿指標與沉渣厚度。澆筑時的施工工藝可直接影響混凝土防水質量。基坑周邊水系比較發達，地下水豐富且存在一定水壓。基坑開挖前，需要對地連墻進行超聲波檢查其連續性與完整性，保證圍護結構的施工質量。基坑開挖時應，采集各項監測數據，及時預警。在施工開挖進入富水砂層后，可通過掏槽驗縫檢查接縫情況。

深基坑涌水涌砂的影響因素錯綜復雜，呈現出模糊性和不確定性。本文結合依托工程，同時參考《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》[26]、《地鐵及地下工程建設風險管理指南》[27]，將地鐵深基坑施工涌水涌砂風險分為設計因素、地連墻施作因素及基坑開挖因素。在風險分析后，選取易發生施工事故的關鍵性指標11 個，建立了地鐵深基坑涌水涌砂風險評估指標體系，如圖2所示。

圖2 風險評估指標體系Fig.2 Risk assessment index system

3.2 指標權重計算

邀請了5 組經驗豐富的專家，各組5 人，共25人，其中業主單位5 人，監理單位5 人，監測單位5人，第3方風險管控單位5人，高校學者5人，以0.1～0.9 標度對地鐵深基坑涌水涌砂風險評估某兩兩評價指標進行對比打分，每組分別取平均值，得到該兩兩因素的三角模糊互補判斷矩陣。以評分專家組1 為例，將地鐵深基坑涌水涌砂風險I作為判斷準則，對第1 層次影響因素設計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I33 個評價指標進行兩兩比較建立三角模糊判斷矩陣S1如下所示：

結合模糊判斷矩陣S1，計算可得調整矩陣T1如下所示：

結合矩陣T1，計算模糊判斷矩陣V1如下所示：

同理可得

綜上所述，計算各評價指標I1，I2和I3的權重依次為

同樣的，以第1 層次評價指標作為判斷準則，對其對應的第2層次評價指標進行兩兩比較，構建三角模糊互補判斷矩陣，計算第2層次評價指標的權重，具體結果如表2所示。

表2 評價指標權重Table 2 Evaluation index weights

3.3 灰色關聯度分析

專家小組對地鐵深基坑涌水涌砂風險評估指標以(0-1]標度進行打分，各個層次評價指標的得分情況如表3所示。

表3 專家打分匯總表Table 3 Summary of expert scores

以分析第1 層次影響因素設計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I33 個評價指標與地鐵深基坑涌水涌砂風險I之前的關系為例，將地鐵深基坑涌水涌砂風險I作為參考數列，其他各個評價指標I1，I2和I3分值與參考數列比值組成初值化后的比較數列為

可得第1 層次評價指標設計因素I1，地連墻施作因素I2和基坑開挖因素I3與地鐵深基坑涌水涌砂風險I之間的關聯系數如表4 所示，同時結合表2中評價指標權重，可得總風險與第1層次評價指標關聯度為

表4 總風險與第1層次評價指標關聯系數Table 4 Correlation coefficient of total risk and first-level evaluation index

同理可得，第1 層次評價指標中的設計因素I1與第2層次評價指標地連墻深度I11，基坑支撐體系I12，地連墻接縫設計I13之間的關聯度為γ1=[0.288,0.208,0.195]；地連墻施作因素I2與第2層次評價指標地連墻終孔控制I21，接縫刷壁質量I22，泥漿質量控制I23，混凝土夾泥控制I24之間的關聯度為γ2=[0.152,0.338,0.106,0.129]；基坑開挖因素I3與監控量測I31，地下水位I32，地連墻施工質量I33，掏槽驗縫I34之間的關聯度為γ3=[0.154,0.219,0.143,0.175]。

3.4 結果分析

由最終計算所得各個層次指標的關聯度可知，在對地鐵深基坑涌水涌砂風險與第1層次的評價指標的關聯度計算中發現γ02＞γ03＞γ01，地連墻施作因素I2對地鐵深基坑涌水涌砂風險的影響最大，其次是基坑開挖因素I3，設計因素I1最小，因此在深基坑的施工建設中，應重點做好地連墻施工的各個工序，把關好各個工序的施工質量，并制定應急處置災害措施，注意預防災害發生，同時在基坑施工開挖中規范施工步驟，在設計階段考慮設計的合理性。

在設計因素中有γ11＞γ12＞γ13，因此應重點確保地連墻的埋設深度應達到抗管涌要求或是進入相對不透水層，合理設計基坑的支撐體系，同時充分考慮地連墻幅與幅之間的防滲漏設計。在地連墻施作因素中有γ22＞γ21＞γ24＞γ23，因此應重點嚴格把控地連墻接縫刷壁質量，確保地下連續墻終孔位置位于相對不透水層，并控制好水下混凝土澆筑前的泥漿質量和地連墻混凝土夾泥質量。在基坑開挖因素中有γ32＞γ34＞γ31＞γ33，因此在基坑開挖前，關鍵做好對未開挖部分進行掏槽驗縫，實時監控測量，及時評估圍護結構的施工質量，同時做好基坑降水，排除隱患。

4 案例分析

2020 年10 月20 日20:36 左右，在車站北基坑B28與A29地連墻接縫位置開挖至第3道支撐下1.0～1.5 m 處(開挖深度約16.5 m)，在進行地連墻接縫鋼板封縫期間出現接縫滲漏水，滲漏水逐漸發展為涌水涌砂。漏水點位于原河涌底部9 m，距附近建筑物A8 樓水平距離約10 m。評估結果與現場施工情況相符。在出現險情后，項目部立即啟動應急預案，多個應急小組各司其職，保證搶險有序進行，因此此次險情并無造成設備損失或人員傷亡，各項損失被降到最低。涌水涌砂搶險現場如圖3所示。

圖3 涌水涌砂搶險現場Fig.3 Emergency scene of water and sand gushing

在對此次基坑涌水涌砂事件原因分析中發現，地連墻超聲波成像顯示B28和A29地連墻垂直度良好，地連墻凈空滿足要求，端頭超聲波檢測，B29位置工字鋼底部成像不清晰，表面巖層較厚，滲漏水位置為地連墻接縫處，因此斷定此次涌水涌砂的主要原因是地連墻工字鋼刷壁不徹底，接縫夾雜著沙袋，導致工字鋼接縫處混凝土不密實。從開挖揭露地層來看，涌水部位位于富水砂層，厚約3.5～4 m，涌水部位開挖深度達16.5 m。在基坑開挖前，項目部對地連墻接縫處進行了注漿的預處理，處理深度18 m，未穿透富水砂層，注漿未達到預期效果，因此地連墻埋設深度未進入相對不透水層是此次施工事故的間接原因。涌水部位位于河涌下部，且河涌與珠江相連，基坑周邊水系比較發達，地下水水位較高且存在一定水壓也是造成此次事故的原因之一。

綜上所述，此次涌水涌砂事故的主要原因是地連墻接縫刷壁不徹底，次要原因是地連墻埋設深度并未進入不透水層，而基坑周邊地下水位較高并存在一定水壓也是此次事故的原因之一。

5 結論

1) 依托實際工程項目，對基坑施工涌水涌砂風險影響因素進行風險辨識，建立了地鐵深基坑涌水涌砂風險評估指標體系，構建了基于FAHPGRA理論的地鐵深基坑涌水涌砂風險評估模型。

2)以專家調查法為基礎，結合依托工程項目，運用模糊層次分析法對地鐵深基坑涌水涌砂的影響因素進行賦權，同時運用灰色關聯度理論對各層次評價指標與基坑涌水涌砂總風險之間的關系進行灰色關聯度分析，得出各個評價指標與總風險的灰色關聯度，對基坑涌水涌砂施工風險進行評估。

3)由評估結果可知，地連墻施作因素I2與基坑涌水涌砂總風險I發生的灰色關聯度最大，也即是深基坑涌水涌砂事故在地連墻施作階段發生的可能性最大，其中地連墻施作因素I2中的接縫刷壁質量I22與地連墻終孔控制I21的灰色關聯度較大，也即接縫刷壁質量I22與地連墻終孔控制I21對基坑涌水涌砂總風險的影響較大。評估結果與現場施工情況相符。

4) FAHP-GRA 理論將定性問題定量化，對地鐵深基坑涌水涌砂施工風險評估的分析層次分明，條理清晰合理，能夠做到對多影響因素之間的模糊關系進行系統評價，可為類似的基坑工程施工風險提供一種可行、有效的評估方法。