基于模糊理論的地鐵深基坑非對稱施工安全風險評估

吳波，趙睿，蒙國往，陳輝浩，黃惟，劉家粱，程懿

(1. 廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004；2. 東華理工大學 土木與建筑工程學院，南昌 330013；3. 廣州城建職業學院 建筑工程學院，廣州 510925)

截至2020年底，中國共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條，運營線路總長度7 969.7 km。其中，地鐵運營線路6 280.8 km，占比78.8%[1]。以上數據顯示，中國城市化進程正在穩步推進，城市軌道交通建設也保持著快速增長的態勢。由于地鐵車站周圍通常存在密集的已建或在建建(構)筑物，施工環境復雜多變。在地鐵車站深基坑施工期間，不僅需要保障基坑自身施工安全，還應該降低對周邊建筑物、道路管線等的影響。所以，針對地鐵深基坑安全施工，需要提前進行施工風險評估，制定相應的安全施工方案，降低施工風險。

多年以來，已經有許多學者針對地鐵深基坑風險評價進行了研究。Wei等[2]針對已有數據的不完整性和模糊性，提出了一種基于模糊證據推理的深基坑建設項目總體風險水平評估方法；Valipour等[3]在深基坑風險評估中引入SWARA(逐步權重評估比率分析)來處理專家判斷的模糊性，同時，使用COPRAS(復雜比例評估)進行風險排序；Meng等[4]將深基坑風險損失細化為5個指標，并賦予5個指標不同的權重，同時，給出專家權重的評價指標，改進了模糊層次評價方法；黃建華等[5]引入貝葉斯網絡模糊理論，對基坑圍護工程施工風險進行等級劃分；程鴻群等[6]采用區間數理論等對層次分析法進行改進，降低了傳統量化方法的主觀性；張勝昔等[7]通過G-FAHP理論，構建了深基坑施工評估模型，并得到各指標的風險排序；潘海澤等[8]針對傳統靜態評估方法的不足，引入基于動態變量的突變級數法對地鐵深基坑進行了風險評估；王景春等[9]應用熵權法對深基坑評價指標加權，并結合二維云模型確定了地鐵車站深基坑風險評估等級；唐建新等[10]將模糊數學理論和實測數據結合使用，建立了多層次指標體系，對地鐵深基坑穩定性進行了評價；宋博[11]基于數據包絡法和BP神經網絡理論，提出了將兩者結合的地鐵深基坑施工風險評估方法；郎秋嶺等[12]采用組合權重與灰色關聯度理論相結合的方法，對地鐵深基坑開挖穩定性進行了風險評估。

綜上所述，已經有很多學者對于地鐵深基坑風險評估指標的識別以及風險評估方法的使用進行了嘗試，也取得了良好的評估效果。然而，隨著各城市軌道交通線路的不斷增加，越來越多地出現與既有線車站直接進行接駁的情況，尤其是出現既有線車站不同側非對稱開挖的情況，使得施工環境更加復雜，難以預測。特別是由于既有車站軌行區對位移變形的要求十分嚴格，而施工力學方面的理論研究仍不成熟，因此，有必要對地鐵深基坑非對稱施工進行系統的風險評估，以期降低施工風險。

1 地鐵深基坑非對稱施工評估指標

設最高層為地鐵深基坑非對稱施工風險S；第2層風險指標集為S=(S1,S2…Si)，其中Si為第1層第i個子指標集；第3層風險指標集為S=(Si1,Si2…Sij)，其中Sij為第1層第i個子因素集中第j個指標集。

深基坑非對稱施工影響因素眾多，工程整體仍具有較大的風險性。從地鐵深基坑非對稱施工安全的角度出發，根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》[13]、《地鐵及地下工程建設風險管理指南(2007)》[14]和《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》(GB50652—2011)[15]以及近年來發生的多起地鐵深基坑事故，選取具有代表性的風險因素進行有效的風險識別，并建立系統的地鐵深基坑非對稱施工風險評價體系，如圖1所示。

2 地鐵深基坑非對稱施工評價方法

層次分析法(AHP)已經被廣泛應用于各個領域的評估決策之中，而隨著模糊數學的興起和發展，許多學者將其與AHP理論相結合，逐漸形成了模糊層次分析法(FAHP),該方法處理復雜問題中的模糊信息具有優越性，同時，能夠更好地反映出參評專家判斷的模糊程度。

圖1 地鐵深基坑非對稱施工風險評估指標Fig.1 Risk assessment index for asymmetric construction of subway deep foundation

多級模糊綜合評判法可以利用模糊層次分析法得到的權重值，將多個指標的評價結果按照從下而上的順序轉化為最高層次的單指標結果，有利于對工程整體風險的把控。同時，除最低層次隸屬度矩陣由專家給出以外，其余各層隸屬度矩陣均由其低一級層次的評估結果形成，在一定程度上考慮了各層次指標之間的關聯性。

2.1 模糊層次分析法

其主要步驟如下：

1)建立模糊判斷矩陣

選擇三角模糊數0.1～0.9標度方法[16]作為判斷準則，見表1。通過依次比較同一層次的兩個元素，建立基于三角模糊數的模糊判斷矩陣R。

表1 0.1～0.9標度內涵

2)分層計算權重

由圖1可知，影響地鐵深基坑非對稱施工風險評價的指標較多，若不對由參評專家給出的判斷信息建立的三角模糊互補判斷矩陣進行處理，則不能使其滿足一致性的要求。引入參考文獻[17]使用的方法，重新調整形成模糊互補判斷矩陣V=(vij)n×n。

首先，根據式(1)、式(2)計算得到模糊判斷矩陣A。

(1)

(2)

然后，根據式(3)～式(5)計算得到調整后的模糊判斷矩陣V。

(3)

C=(cij)n×n=(aijbij)n×n

(4)

(5)

驗證經過調整后的模糊判斷矩陣的一致性，對不滿足一致性的矩陣按照式(1)～式(5)重新進行調整，直到模糊判斷矩陣完全滿足一致性要求后，根據式(6)、式(7)計算各指標權重。

(6)

(7)

式中：λs為考慮專家能力水平高低的系數，一般認為專家水平相當，取λs=1/k，k為參與打分的專家人數，且有λs之和等于1。ωm為最終計算得到的指標權重，選擇最重視元素間重要程度的取法[18]，取α=(n-1)/2。

3)驗證一致性

(8)

(9)

2.2 多級模糊綜合評價

多級模糊綜合評價的主要思路是先從處于最底層的指標出發，然后層層推進，逐級評價，直到得到最上端層次的評估結果，其具體步驟如下：

建立評價對象指標集

R={r1,r2…r3}

(10)

然后建立評價集

V={v1,v2…v3}

(11)

隨后建立權重集

W={w1,w2…w3}

(12)

緊接著建立單因素隸屬度矩陣

(13)

最終得到評價對象的評判結果

D=W·X

(14)

2.3 建立評價集

參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析》[20]，將地鐵深基坑非對稱施工安全風險分為4級，具體等級劃分如表2所示。

表2 事故可能性等級標準

3 案例分析

3.1 工程概況

廣州地鐵某車站為地下3層島式站臺車站，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。車站西側及北側為城中村，東側為學校和住宅區，南側為港口碼頭。建筑密集，管線眾多。車站在中間位置與現有運營13號線呈L型換乘，既有線將該項目分隔成南北兩個基坑，基坑開挖深度26.98 m，先進行的是北基坑的開挖。北基坑圍護結構地連墻共計37幅，墻厚1 m，幅寬6 m，采用四道內支撐，靠近既有車站位置增加了斜撐來彌補減少的非對稱土壓力。該基坑非對稱開挖示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵深基坑非對稱開挖示意圖Fig.2 Plane of asymmetric excavation of subway deep foundation

該地鐵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。場地地下水賦存較豐富，有弱腐蝕性，整個場地內地下水位較高，混合水位埋深為2.2～5.0 m。砂層地下水主要靠大氣降水和地表水(珠江水系及車站北端頭的烏涌)徑流補給，地表水與地下水有水力聯系，地表水會對地下水補給，基坑發生涌水涌沙的風險較高。

3.2 指標權重確定

進行地鐵車站深基坑非對稱施工風險評估之前，擬定4位專家按照表1的原則進行打分。其中施工單位專家2名，設計單位專家1名，監理單位專家1名。根據表1的評分標度，將同層次的評價指標兩兩比較，得到所需要的判斷矩陣。以專家A為例，以地鐵深基坑非對稱施工風險S0為判斷準則，對第1層次圍護結構S1、既有線車站非對稱土壓力S2、基坑環境S3、周圍環境S4和現場安全管理S5兩兩元素進行比較，所建立的模糊判斷矩陣R1為

通過式(1)～式(5)可以得到調整后的模糊判斷矩陣V1

通過可達矩陣驗證模糊判斷矩陣V1，其滿足一致性要求。同理，可以得到其余3名專家評分的模糊判斷矩陣V2、V3、V4，分別為

通過式(6)、式(7)可以得到S1、S2、S3、S4、S5的權重分別為0.286、0.236、0.219、0.156、0.103。同理可得其余各層次評價指標相對于其對應的上一層次指標的權重，詳見表3。

表3 評價指標權重

3.3 建立單因素隸屬度矩陣

經過專家的調查討論，最終得到隸屬度矩陣Xi，其中xi為某評價指標發生事故的可能性概率估計。建立的隸屬度矩陣Xi為

3.4 多級模糊綜合評價

3.4.1 一級模糊評價 一級模糊評價是對一類中的最低層次指標進行綜合評價。使用式(14)可以計算得到一級模糊評價結果，其中Wi為最低層次指標權重，Xi為對應的評價因素隸屬度矩陣。具體評價結果為D1=(0 0.740 0.260 0),D2=(0 0.684 0.316 0)，D3=(0 0.596 0.404 0),D4=(0 0.521 0.479 0)，D5=(0 0.552 0.448 0)。

3.4.2 二級模糊評價 二級模糊評價在一級模糊評價的基礎上進行，其單因素評價矩陣是由一級模糊評判結果組成，表達式為X=(D1D2D3D4D5)T。通過D=W·X可以得到二級模糊評價結構，其中，W為第二層次指標權重。具體評價結果為

D=(0 0.642 0.358 0)。

3.5 評判結果分析

選用Ⅰ型評判函數，最終結果為P=0.1×0.642+0.01×0.358=0.067 78。由表2可得，本地鐵深基坑工程施工風險概率為3級，為可能發生風險。現場實際監測報告顯示，既有車站、地連墻以及周圍建筑未出現過大的變形和沉降，僅在進行地連墻鋼板接縫期間出現了局部的涌水涌沙現象，經過有序搶險之后，未出現設備損失及人員傷亡。該評估結果與現場施工實際情況相符，可以此采取針對性措施來降低風險。

由上述評估結果分析可得，圍護結構指標S1所占權重最大，其次是既有線車站指標S2，可見，地鐵深基坑非對稱施工的重點是保證圍護結構的可靠性以及既有線車站的正常使用功能，應嚴格按照設計要求以及施工工序要求進行施工。在圍護結構指標S1中，地下連續墻最大水平位移指標S11所占權重最大，設計時應重點考慮地連墻作為永久結構的剛度，同時，施工時要保證圍護結構質量，保證加固效果；而既有車站指標S2中，軌行區位移變形指標S24所占的權重最大，軌行區位移過大，極易導致列車脫軌，造成嚴重的事故，為控制既有線車站軌行區的變形及沉降能達到地鐵保護標準要求，設計時可考慮增加鋼筋砼斜撐等措施進行處理。

其余3個指標權重大小排名依次為：S3>S4>S5。在基坑環境指標S3中，流沙、管涌和突涌指標S33權重最大，而在周圍環境指標S4中，建筑物傾斜失穩指標S43權重最大，這是由于基坑非對稱開挖、流沙和管涌現象等容易引起較大的土體變形，當土體變形量超限時，就會引發管線損壞、建筑物開裂，甚至導致建筑物失穩倒塌事故。所以應選擇合適的施工工藝，如采用基坑分段開挖、地連墻分段施工的方法進行施工，以減小邊坡失穩、基底隆起等風險；同時，做好基坑降水、土體加固，并保障地連墻接縫處刷壁質量，以預防滲流引起的流沙、管涌等現象。

在現場安全管理S5中，監控測量指標S53所占權重最大，施工現場應重點做好監控測量和預警工作，對該地鐵深基坑以及既有線車站結構安全狀態實行監測，并按照變化量、變化速率兩方面劃分預警級別，以此進行現場施工安全管理。

4 結論

相較于一般基坑工程，地鐵深基坑非對稱施工工況更為復雜，合理正確地識別和評估深基坑非對稱施工工程的風險，對整體工程風險管理、保證工程的順利具有積極意義。基于模糊理論對地鐵深基坑非對稱施工進行風險評估，得到以下結論：

1)結合實際工程和已有研究，對地鐵深基坑非對稱施工進行了有效的風險識別，建立了地鐵深基坑非對稱施工風險評估指標體系。

2)采用模糊層次分析法和多級模糊綜合評判理論，可以確定地鐵深基坑非對稱施工的風險等級。

3)通過評估結果可知，地鐵深基坑非對稱施工的重點是保證圍護結構剛度，減小既有車站軌行區變形位移，同時，應進行實時監控測量，及時預警。

4)使用的模糊層次分析法可以將定性的問題定量化，為地鐵深基坑非對稱施工風險評估提供一種合理有效的評估方法。