基于解釋結構模型的地鐵基坑施工風險分析

母雪珂 李樂 馬小云 劉偉

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0 引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，城市交通擁堵狀況日益嚴峻。為了解決地面交通堵塞的困境，許多城市積極開發地下交通空間。地鐵是地下交通體系的重要組成部分，具有速度快、安全性高、準時性好、客運量大等優點。但是，由于地鐵自身的特點，地鐵基坑周邊管線密布、交通線復雜，地鐵建設過程中的不確定性因素十分復雜，面臨的風險也較大。因此，針對地鐵基坑施工過程風險進行分析和研究，以合理規避和應對基坑施工過程中的各項風險，具有十分重要的現實意義。

國內外學者對地鐵基坑工程進行了大量的研究，并取得了豐富的成果。Einstein等[1]結合隧道施工流程，對施工過程中的安全風險進行了分析。Sedigheh等[2]對德蘭黑地鐵火災風險進行分析和資料評估，構建了風險因子事件樹，并通過計算不同場景的火災風險事件發生概率，為地鐵系統風險管理提供了有效依據。唐業清[3]對103項基坑工程事故的原因進行了調查分析，并提出了相應的預防措施和風險應對方法。邊亦海等[4]采用可信性風險分析方法，結合實例對深基坑開挖施工風險進行了研究。韓永吉[5]利用層次分析法對深基坑施工風險進行評估，并對風險等級進行判定，提出相應的風險預控措施。陳博[6]基于德爾菲法對深基坑工程進行了風險分析和研究，驗證了德爾菲法在工程領域應用的可行性。李成龍等[7]結合主成分分析法和BP神經網絡方法對基坑施工過程中的變形數據進行多向量空間重構技術建模，提高了神經網絡的預測效率。劉忠昌[8]利用數值計算方法分析了基坑開挖過程中不同土體類型和施工順序對于臨近同一建筑物附加變形的發展規律，利用BP神經網絡對構筑物進行附加變形預測，并通過現場測試數據驗證了其合理性。

基于此，本文采用解釋結構模型分析地鐵基坑施工風險因素的關系模式和層級關系，以識別地鐵基坑施工過程中的關鍵風險因素，為地鐵項目施工動態風險管理提供參考。

1 地鐵基坑安全影響因素分析

由于影響地鐵基坑施工安全的風險因素眾多，本文基于現有文獻研究和相關事故案例，利用調查問卷的方式篩選出影響地鐵基坑施工安全的15個關鍵風險因素，見表1。

表1 地鐵基坑施工風險因素

2 構建地鐵基坑風險解釋結構(ISM)模型

2.1 ISM模型概述

ISM模型能夠有效利用系統因素間的已知復雜關系，揭示系統因素的內部結構，從而將錯綜復雜的系統要素關系轉化為直觀的結構模型，并從中準確辨識問題的關鍵因素[9]。相較于其他方法，ISM模型能夠更加清晰地描繪系統因素之間的關系，所構建的模型更加嚴謹，評價結果更加可靠。基于此，本文運用ISM模型，分析地鐵基坑施工風險因素間的影響關系。ISM模型構建思路如圖1所示。

圖1 ISM模型構建思路

2.2 ISM模型實施步驟

(1)建立鄰接矩陣。鄰接矩陣主要描述系統要素之間的直接聯系情況。如果要素Si對要素Sj有影響，則aij記為“1”；如果要素Si對要素Sj無影響，則aij記為“0”。得到

(2)計算可達矩陣。鄰接矩陣記為A，單位矩陣記為I，對A+I進行布爾運算，直到滿足 (A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M為止。此時，M為鄰接矩陣A的可達矩陣[10]。若可達矩陣中mij=1，表示因素Si和因素Sj之間存在能夠到達的路徑[11]，即因素Si能夠直接或間接影響因素Sj。該過程可利用Matlab軟件求得。

(3)影響因素層級劃分。根據可達矩陣，求得可達集和先行集，分別用R(i)和Q(i)表示。可達集指特定的影響因素能夠到達的全部因素的集合，先行集表示能夠到達某個影響因素的集合。由此可以判別各個風險要素的層級，計算可達集與先行集的交集，進而對各影響因素進行層級劃分。

(4)繪制ISM模型圖。根據矩陣中影響因素之間關系和層級劃分結果繪制相應的ISM模型圖，根據該模型圖分析地鐵基坑施工過程中各風險因素間的復雜影響關系。

2.3 構建地鐵基坑風險的ISM模型

2.3.1 建立鄰接矩陣

根據表1中的風險因素，基于專家調查結果，建立地鐵基坑施工風險因素的鄰接矩陣A，即

根據調查結果，繪制地鐵基坑施工風險因素之間的關系，如圖2所示。

圖2 風險因素影響關系圖

2.3.2 計算可達矩陣

基于鄰接矩陣，運用Matlab軟件計算地鐵基坑風險因素的可達矩陣M，得到

根據可達矩陣，繪制地鐵基坑風險因素可達網絡圖，如圖3所示。

圖3 地鐵基坑風險因素可達網絡圖

2.3.3 影響因素層次結構劃分

依據可達矩陣將基坑風險因素進行層次劃分，分別求得各個因素的可達集R(Si)、先行集A(Si)和共同集C(Si)。其中，共同集C(Si)為可達集R(Si)和先行集A(Si)的交集。當可達集等于共同集時，R(Si)為最高級要素集合。在可達矩陣中，刪除Si所對應的行和列得到新的可達矩陣，依次迭代，得到所有的要素集合。可達矩陣劃分結果見表2。

表2 可達矩陣劃分結果

由表2可知，管線破壞S9、臨近建筑物S15為最高級風險因素。將最高級因素所對應的行和列在可達矩陣中剔除，再進行第二級風險因素劃分，不斷迭代，直到所有因素都被分解。各因素層級劃分結果見表3。

表3 各因素層級劃分結果

2.3.4 建立ISM模型

根據表3的層級劃分結果，結合可達矩陣，構建地鐵基坑施工風險因素ISM模型，如圖4所示。

2.4 ISM模型分析

從表1和圖2可知，影響地鐵基坑施工風險的15個因素構成了6階結構模型。由圖4的結構模型圖可知：

圖4 地鐵基坑施工風險因素ISM模型圖

(1)處于結構層底部的風險因素表示能夠影響它但不被它影響的因素較少。該類因素不但不易通過控制風險因素而間接控制，而且對很多因素產生影響，在施工過程中應對該類風險因素給予重視。

(2)處于結構層頂部的風險因素表示能夠影響其但不被其影響的因素較多。在施工過程中，監控該類風險因素的同時，也可以通過其自身的表現對上層因素的控制效果進行檢驗。

(3)處于結構層中層的風險因素表示能夠影響其同時被其影響的因素較多。該類因素對系統有一定的影響和依賴性，具有承上啟下的作用。

3 結語

本文通過梳理地鐵基坑風險研究相關文獻，分析和歸納了15個地鐵基坑施工風險因素。基于ISM模型，通過識別地鐵基坑施工風險因素，采用定性和定量分析相結合的方式對地鐵基坑施工風險因素進行分析。通過繪制地鐵基坑施工風險因素結構圖和風險因素可達網絡圖，分析各風險因素間的相互影響關系，并指出風險系統中的核心關鍵因素，可為其他項目的風險管理提供參考。