基于WSR和熵權物元可拓理論的深基坑安全風險評價

郭 平，邱晨展，孫立英，王麗娜

(青島理工大學 管理工程學院，青島 266525)

隨著城市現代化的快速推進，高超建筑、地鐵輕軌、機場車站等現代化建筑不斷建設，對其安全性要求更為嚴格。而作為建筑物構建的核心安全支撐的深基坑工程始終是事故頻發的高風險領域，這些事故貫徹于不同生產時代中。如：2004年新加坡地鐵Nicol車站基坑坍方；2008年杭州地鐵基坑事故；2018—2019年，青島地鐵兩年出現5次較大基坑安全事故。而現實中許多深基坑看似安全，但背后仍蘊藏著致命安全風險，例如：新疆一建筑項目私自改裝圍墻用作基坑擋土墻，從而導致多名路人死亡；青海一油田開挖2.1 m基坑溝槽時導致多人死亡；以及近年的南京市鼓樓區姜家圩的“樓歪歪”事故和寧波居民住房出現的“樓倒倒”現象都是基坑塌方事故造成的。深基坑不同于其他工程，相比地面工程來講其受到地質環境、水文條件、周圍環境等制約因素要復雜得多。為科學合理避免施工事故帶來的損失，對深基坑工程施工安全風險分析研究是非常有必要的。馬睿[1]通過上海的長興島超深基坑的研究，對超深基坑中的事故風險點進行分析，結合風險等級評定提出了深基坑安全風險控制措施。張強[2]結合大連市地鐵功成街站的施工實際狀況，從支護失穩、支撐位移、周邊沉降、坑底承壓水突涌等層面探究了深基坑施工安全對策。周秋來[3]論述深基坑支撐的相關的安全措施，并提出縱橫榀井字形鋼管內支撐的運用。葉俊能等[4]在國內外關于基坑變形、控制技術和手段、實驗數據的科研成果上，通過寧波軌道工程的建設，構建寧波地區深基坑監測預警體系。近年來，許多學者在概率風險基礎上研發了不同風險評價法，包括事件樹法、風險矩陣法、蒙特卡洛法等，這些方法在安全風險研究中有著重要貢獻[5-6]。然而，考慮到概率風險理論推到出的結果很大程度上依賴于風險錄入的初始數據的科學嚴謹性，而現實工程中，針對風險的高度不確定特征，致使構建概率方法的統計數據很難得到較為真實科學性。所以，采用以上這些安全風險評價法分析深基坑安全風險很難得到令人滿意的結果。而模糊風險分析法是近幾年部分學者根據模糊理論而被廣泛采用，其方法彌補了傳統概率法的缺陷，并廣泛用于探究建筑工程風險評價[7-8]。然而模糊風險分析法在深基坑系統風險推理、多源因素反饋與表達及風險聯系分析等方面依然存在局限性。

鑒于以上方法，WSR方法論作為重要的系統工程分析方法，已成功應用于國內外企業經營和建筑安全管理中，并且取得顯著的效果[9-11]。本文以WSR方法論為引導，建立深基坑施工安全風險評價指標體系，通過熵權可拓學理論相結合對深基坑工程的安全風險管理體系進行全方位的剖析與研究，在此基礎上找出安全管理中的不足之處并提出改進建議，從而提高深基坑施工的安全管理水平。

1 基于WSR和熵權物元可拓理論的深基坑安全風險評價方法概述

1.1 WSR基本原理

WSR是綜合物理(W)-事理(S)-人理(R)這3個系統維度的簡稱，結合定性與定量分析的特點，以辯證的思維為導向，根據研究對象的不同性質，將具體的研究方法進一步層次化、細致化、規范化，從而科學合理地來研究分析復雜的系統問題[9]。“物理(W)”是指人類在客觀規律中的生產活動所得到的科學認識與見解，如因果論、人際行為影響等，還包括人類客觀活動的周邊環境、生產設備等。“事理(S)”是人們通過已有的深基坑施工安全風險管理具備的知識所制定的用于指導深基坑施工安全的規定，比如基坑邊坡的放坡支護規定、施工機械的維護規范等。“人理(R)”是施工人員的行為、目的、態度、文化素養等及其周邊環境對人員的交互影響。WSR基本思想見表1。

表1 WSR基本思想

1.2 熵權物元可拓理論

該模型已被國內外學者廣泛應用到巖土工程風險評價[12]、化學工藝安全[13]、地鐵塌方安全研究[14]等方面，并且獲得很好的效果。因此，本文通過熵權物元可拓模型來進行深基坑施工安全風險研究。利用熵權法計算深基坑施工安全風險評價指標的權重，再借助可拓學方法對某建筑項目深基坑施工安全風險進行物元可拓評級，為合理地預防深基坑塌方事故提供理論依據。

現實中，影響深基坑安全風險因素主要有：現場地質與水文條件、建筑物與環境、圍護結構安全性、支撐施工水平。前兩者屬于客觀條件，是無法改變的狀況，后兩者屬于主觀條件，人為因素在安全風險中起到很大影響。實際上，深基坑安全風險離不開技術措施和管理手段，充分發揮主觀能動性，就是最有效的安全風險管控。通過把WSR方法應用于深基坑安全風險評價中，能夠使得工程人員不是簡單地“查閱”相關資料，而是結合工程自身的特定情況，帶著思想去“研讀”項目，協調統籌好人理、物理、事理的關系，有效降低深基坑安全風險[15]。而現實中出現的基坑塌陷事故多是由于沒有利用好WSR的理論指導方法，以及沒有對深基坑安全風險進行合理的評價。利用熵權物元可拓模型對深基坑施工安全風險進行評價，可以使評價結果更客觀科學。因此，WSR指導思想結合熵權物元可拓理論，從而能夠科學合理地運用于深基坑安全風險評價中，有效降低施工的安全風險。

2 基于WSR和熵權物元可拓理論的深基坑安全風險評價指標體系的構建

2.1 WSR 方法合適性分析

深基坑施工是一種特殊的地下施工，其安全性不言而喻。而深基坑施工安全風險具有復雜性與不確定性，因此對其安全防范至關重要。深基坑工程要求施工安全管理方法能夠滿足安全目標及風險規避。鑒于此，本文運用 WSR進行深基坑安全風險評價。一方面，WSR方法能夠從物理、事理、人理3個維度對深基坑工程的安全管理進行綜合分析，有效促進深基坑施工管理者對其安全管理的系統認識，確保規避不良施工帶來的安全風險的關鍵因素；另外，WSR是處理復雜問題的工具，通過協調物理、事理、人理之間的關系，使3者處于有效的最佳狀態，從而可以最大程度上減少深基坑施工的安全風險。深基坑施工安全管理是運用合理的決策、計劃、組織、指揮、協調、控制，合理地管理施工中的人、機械、材料、方法及環境(4M1E)，以科學合理的施工方法保證深基坑的安全目標及風險的有效規避。通過運用WSR方法，將安全管理體系融入到WSR系統中(圖1)，全面降低深基坑施工的安全風險。

圖1 安全管理“4M1E”與WSR關系

深基坑施工管理的全過程中，物、人、事交互影響，共同決定深基坑施工安全風險，所以不能片面強調一方面而忽略其他方面，以免增加施工的安全風險。在WSR的指導下，通過系統地協調物、人、事之間的關系，合理地把控三者內外在聯系，使之相輔相成，充分發揮各自的作用，全方位地規避深基坑施工安全風險。

2.2 深基坑施工安全風險WSR分析

深基坑施工安全風險評價中，“物理”維度是深基坑安全施工的客觀物質基礎及技術支撐，統領“事理”與“人理”，為“事理”提供施工技術、過程規律、客觀現場環境等條件，為“人理”提供施工邏輯思維、協調施工人員、提高安全意識等；而“事理”與“人理”則相輔相成，共同在“物理”的條件下，最大程度發揮各自的優勢。“事理”結合安全風險的管理目標，制定科學的深基坑施工方法與規范，從而保障“物理”的科學真理性，也確定“人理”的合理施工組織架構，確保深基坑建設項目的安全性；“人理”在3個維度中最為重要，由組織中不同的個體組成對應的群體，擁有不同的人際關系、認知與行為能力，對深基坑施工的安全風險意義重大。“人理”通過學習認知“物理”的過程，是提高其安全施工能力的體現，通過不斷增強安全管理水平的過程，其安全風險能夠有效地降低。在運用WSR分析深基坑施工的安全風險過程中，以“物理”為施工總則、生產活動的準則，以“事理”為施工規范、決策手段，以“人理”為把控全局、合理控制的運作模式。通過“物理-事理-人理”相互協調，相互傳遞共同促進深基坑施工的安全風險管理，保證建設項目安全目標。WSR與深基坑安全管理聯系如圖2所示。

圖2 WSR與深基坑施工安全風險聯系

2.3 深基坑安全風險評價指標體系構建

2.3.1 物理(W)維度

深基坑施工安全風險評價的“物理W”是指客觀生產規律和從事基坑工程的單位所擁有的生產施工能力。這里的客觀生產規律是基坑施工中所能用到的所有資源，如法律法規、自然條件、技術能力、風險規律、經驗教訓等，掌握這些客觀規律對分析風險發生的原因、安全事故有很大的幫助，從而能夠更加合理地進行風險預防、控制及有效規避，全面提高建筑項目的安全性；施工能力是企業進行深基坑施工、安全管理必要條件，其體現在企業的機械、材料的有效管控，施工經驗及事故應對處理的能力上，能夠第一時間發現并消除施工中的安全隱患，采取強有力的風險管控措施。

2.3.2 事理(S)維度

深基坑施工安全風險評價的“事理S”是由施工規章制度、企業架構、實施流程、技術規范、設計方案等構建的，通過深基坑參與體策劃制定的施工標準去實現項目最安全的狀態，使得風險最小化，完成工程目標。合理的施工規章制度與企業架構能夠為深基坑施工的風險防控提供強有力保障，能夠保證施工工序的有效銜接；技術規范是指由國家及建筑行業規定的普遍適應的標準化管理、手段等，如坑底承壓水處理、工作井深基坑施工技術、基坑支護技術等，主要通過強制性手段去規范施工現場管理，以促進施工安全管理與風險防范的效果；設計方案是指以明文規定施工過程中的基坑設計、工序銜接順序等，確保基坑施工有條不紊。

2.3.3 人理(R)維度

深基坑施工安全風險評價的“人理R”是依靠人來組織協調深基坑施工過程中的各個環節，使得在外在資源約束的條件下，最大程度上去實現工程的安全目標。而“人理”維度主要由施工人員、組織關系和行為影響三部分組成。施工人員都是具有思維能力的個體，通過教育培訓，使得施工人員具有較高的安全風險意識，提高責任心及操作的規范性，并確保管理人員具有較高的管理與處理突發事件的能力；項目的終極目標同時也是各個參與方的目標，因此良好的組織關系是保證深基坑工程安全目標的關鍵，不同組織相互幫助、互利互惠，是實現共同目標的必要保證；行為影響是人員之間的實際或潛在關系，每個個體的行為會受到其他人為引導，彼此會傳遞表情、情緒、心里想法等相關信息，因此在基坑施工管理中要使每一名現場人員有正確價值觀念，確保人員有一個和諧、安全的施工環境。深基坑施工安全風險評價指標體系如圖3所示。

圖3 基于WSR的深基坑安全風險評價指標體系

3 評價模型的建立

3.1 確定待評價物元

劃分深基坑施工安全風險等級有m個級別，有n個評價指標，其經典域物元[12]為

(1)

式中：Rj為第j個同征物元；Nj為深基坑施工安全風險評價等級；xi為第i個深基坑安全風險指標；Vij=[αij，βij]為Nj對指標xi所界定的量值，αij與βij分別為指標量值區間的上下限值，j=1，2，…，m。

(2)

式中：Np為深基坑安全風險評價等級的全體，Vip=[αip，βip]為Np對指標xi所界定的量值，稱為Np的節域。

待評深基坑安全風險評價等級為P，待評物元R表示成

(3)

式中：P為某個具體的深基坑安全風險評價等級；vi為P關于xi的實際測度值。

3.2 指標的無量綱化

考慮指標間的單位不同以及指標之間存在越小越優和越大越優的狀況，需要對指標進行歸一化處理，方法如下[13]：

(4)

(5)

3.3 計算評價等級物元的關聯函數

在確定深基坑施工安全風險評價的待評單元后，采用關聯函數測算深基坑安全風險評價等級的關聯度，其函數表示為

(6)

(7)

式中：Kj(Vi)為各個指標的關聯度；θ(Vi,Vip)為Vi與區間Vip的長度；θ(Vi,Vij)為Vi與區間Vij的長度。

3.4 確定指標權重

熵權代表各指標的有用信息量多少，指標熵權值的大小與其攜帶的有用信息量大小呈正比。指標權重確定的步驟如下[14]：

1) 歸一化處理，建立矩陣R=(rij)m×n。

(8)

式中：rji為歸一化R中的第j行第i列的元素。

(9)

3.5 判定待評深基坑安全風險等級

(10)

(11)

4 熵權物元可拓模型在深基坑安全風險評價的應用

青島某基坑工程基坑開挖深度約28 m，基坑周長約760 m，土石方量約70萬m3。周邊環境復雜，臨近通訊、燃氣、電力、供水等管線，毗鄰地鐵隧道、人民廣場、華銀大廈等重要建筑。本文以該工程為例，基于WSR和熵權物元可拓模型對該深基坑安全風險進行評價。為減少主觀因素帶來的偏差，分別選取5名基坑專家和該工程負責人對指標進行評分后，統計分析這些評分后確定該基坑安全風險所屬等級。

4.1 確定評價等級

將圖3的深基坑安全風險評價指標體系劃分為1級(安全)、2級(較安全)、3級(一般)、4級(較危險)、5級(很危險)，每個級別記分標準依次為8～10，6～8，4～6，2～4和0～2分[14]，依據式(4)(5)歸一化后為[0，0.2]，(0.2，0.4]，(0.4，0.6]，(0.6，0.8]，(0.8，1]。

4.2 評價指標歸一化

根據深基坑安全風險的大小，將基坑專家和該工程安全負責人對評價指標的評分進行歸一化，結果見表2。

表2 深基坑安全風險評價指標評分歸一化結果

4.3 關聯度及權重的計算

依據可拓物元評價模型計算深基坑安全風險評價指標的關聯度和權重，計算結果見表3。

表3 深基坑安全風險評價指標關聯度和權重計算結果

4.4 評價結果建議

根據評價結果分析，外在的客觀環境因素對深基坑施工安全風險有先天的制約，如：基坑周邊建筑物、地下管線、自然災害等無法改變的約束條件，但人理方面在深基坑安全風險中地位最為重要。結合WSR思想將深基坑施工安全管理作為一個交互影響的整體，為提高人理維度的安全管理能力，提出以下改進措施：

1) 物理W方面。總結基坑施工的全過程，梳理容易產生安全事故的風險要素，強化基坑周邊土壤監控措施，加強對材料、機械的管控，及時發現整改不規范的風險因素，創造出良好的施工現場環境。

2) 事理S方面。加強全體人員安全教育，提高安全意識；強化機械設備操作規范；加強基坑周邊日常維護巡視，確保擋土狀態良好；密切關注施工現場地質水文情況，消除外在風險因素帶來的不利影響，完善事故應急預案。

3) 人理R方面。建設安全、和諧的施工氛圍；及時調節不同作業人員間的扯皮糾紛，確保施工人員的良好心情；通過使用監測設備，加強對基坑預警監控，一旦出現異常，應及時發出警報；充分利用基坑施工經驗，分配合理的崗位；通過事故現場分析、布置警示標志等加強安全宣傳。

5 結束語

深基坑施工安全風險管理是一個復雜系統工程，影響安全風險因素很多，本文通過WSR分析深基坑施工安全風險的主要因素，并建立基于“物理-事理-人理”的深基坑施工安全風險評價體系進行評價，運用熵權物元可拓模型，有效提高評價的科學性和有效性，為后續探究提供參考。