基于模糊證據(jù)推理的地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

周春海

(廣西高速公路發(fā)展中心南寧分中心，南寧 530000)

1 引言

地鐵深基坑工程施工時(shí)，復(fù)雜的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境常常導(dǎo)致大規(guī)模破壞性事故。能否對(duì)地鐵深基坑的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)、客觀評(píng)估，不僅關(guān)系到安全性和維護(hù)成本，而且關(guān)系到保障施工人員和居民的安全。

許多學(xué)者采用一系列模糊評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)估地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)，但模糊綜合評(píng)價(jià)法在評(píng)價(jià)時(shí)太過(guò)主觀，而模糊層次分析法（FAHP）在對(duì)于多因素多層次的復(fù)雜評(píng)價(jià)中計(jì)算過(guò)程過(guò)于煩瑣。模糊證據(jù)推理方法是將模糊集理論與信度結(jié)構(gòu)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的不確定性進(jìn)行建模，通過(guò)模糊證據(jù)推理方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)信息融合，最終得出具有不同信度等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果[1]。故本文基于模糊證據(jù)推理方法，對(duì)地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)建立評(píng)估體系。最后通過(guò)南寧地鐵5 號(hào)線某地鐵站深基坑施工工程實(shí)例對(duì)該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 工程概況

南寧地鐵5 號(hào)線一期工程中降橋站位于昆侖大道與降橋路交叉口，車站總長(zhǎng)156.2 m，寬22.1 m，底板埋深21.5～23.6 m。降橋站為地下三島式站臺(tái)車站，施工方法為明挖法。

工程場(chǎng)地范圍內(nèi)分布的各巖土層從上到下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖，其中炭質(zhì)泥巖遇水較易軟化，地基承載力會(huì)降低。需要對(duì)基坑施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，防止出現(xiàn)安全事故。

3 地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1 專家權(quán)重

每個(gè)專家的專業(yè)水平、綜合能力等有著不同的差異，本文需根據(jù)每位專家的背景來(lái)確定每位專家的評(píng)價(jià)權(quán)重。確定專家權(quán)重的指標(biāo)打分表見(jiàn)表1。

表1 專家權(quán)重指標(biāo)表

3.2 獲取危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

用WBS-RBS 識(shí)別出所有與地鐵深基坑施工相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)事件后，逐層歸類，建立地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，同時(shí)根據(jù)專家打分得到各風(fēng)險(xiǎn)事件的評(píng)價(jià)權(quán)重，如圖1 所示。根據(jù)《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》[2]（以下簡(jiǎn)稱《指南》），風(fēng)險(xiǎn)值通常表示為Rl=PlCl（l=1，…，l）。式中，Rl為第l 件風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)值；Pl為第l 件風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率；Cl為第l 件風(fēng)險(xiǎn)所引起的損失。風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率及損失均可分5 個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)《指南》中的建議來(lái)設(shè)定，并得出每個(gè)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)，其中風(fēng)險(xiǎn)損失的隸屬函數(shù)需用最小-最大歸一化（MMN）方法做歸一化處理，見(jiàn)表2。

圖1 深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)體系

表2 歸一化處理后風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)與隸屬函數(shù)的關(guān)系

歸一化處理后的各風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)價(jià)按照相等權(quán)重進(jìn)行融合，形成每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件總風(fēng)險(xiǎn)損失的隸屬函數(shù)。得到風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率及總體風(fēng)險(xiǎn)損失后，可根據(jù)式（1）來(lái)建立風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架，如表3 所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與隸屬函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系（風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架）

式中，“[]”表示只取有效組合，即某一等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)隸屬函數(shù)需考慮哪些概率和后果的組合需查看指南上的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣來(lái)評(píng)定，稱為有效組合；a、b、c、d 用于區(qū)別不同位置隸屬函數(shù)數(shù)值；Rk為第k 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，k=1，2，…，5；Rk由p 組概率和c 組風(fēng)險(xiǎn)損失組合得到，1≤p≤5，1≤c≤5；Ppi和Cci分別為 《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》中的概率值和風(fēng)險(xiǎn)值。

3.3 指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)置信結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

可用以下方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)水平置信結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。

1）繪制地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬函數(shù)曲線H={Hn，n=1，2，…，5}以及各風(fēng)險(xiǎn)事件l 的風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)水平Rl的隸屬函數(shù)曲線。

2）求出各事件l 的風(fēng)險(xiǎn)水平Rl的隸屬函數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架中各等級(jí)Hn的隸屬函數(shù)的相交面積，即為風(fēng)險(xiǎn)事件l 對(duì)于整體風(fēng)險(xiǎn)被評(píng)為Hn的隸屬度。最后，將以上求得的隸屬度進(jìn)行歸一化處理，可得到各事件風(fēng)險(xiǎn)水平在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架上的信度結(jié)構(gòu)n=1，2，…，5）。

3.4 基于證據(jù)推理的風(fēng)險(xiǎn)信息融合

通過(guò)融合運(yùn)算式（6）～式（9）得基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本可信度在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Hn和Hn，（n+t）上的mass 函數(shù)σn和σn，n+t。

式中，Hn，（n+t）為模等級(jí)Hn，H（n+t）的交集；k 為歸一化系數(shù)為隸屬函數(shù)在交集Hn，（n+t）處的最大隸屬度。

然后通過(guò)式（10）和式（11）得到各個(gè)等級(jí)的信度。

式中，βn為綜合了l 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素后，整個(gè)基坑風(fēng)險(xiǎn)被評(píng)價(jià)到模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)Hn上的組合信度；βn，（n+t）（n=1，2，…4，t=1，2，…4，n+t≤5）為在模糊風(fēng)險(xiǎn)等 級(jí)Hn，（n+t）上的未分 配 信度，需要根據(jù)不同的評(píng)價(jià)等級(jí)Hn和H（n+t）之間交集的不同情況（交集的最大隸屬度）重新分配。重新分配的信度與式（10）的求得的組合信度相疊加，得到最終的βn。

3.5 基于模糊證據(jù)推理的施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)3.2 節(jié)介紹的方法來(lái)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架，隨后把地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)水平隸屬函數(shù)通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架轉(zhuǎn)化為置信結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件l 的基本信度分配函數(shù)及未分配信度。通過(guò)式（7）～式（9）進(jìn)行融合運(yùn)算，可得降橋站深基坑施工的總體風(fēng)險(xiǎn)被評(píng)為Hn的基本可信度σn和被評(píng)為Hn，（n+t）的基本可信度σn，（n+t）。根據(jù)模糊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)交集的不同情形將模糊交集信度進(jìn)行分配，最后與非交集信度進(jìn)行疊加得到水深基坑被評(píng)為各個(gè)等級(jí)的最終信度，見(jiàn)表4。最終結(jié)果顯示，總體地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)的最可能隸屬于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，概率為0.247 9，風(fēng)險(xiǎn)程度可接受。由表3 可知，該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的地鐵深基坑需加強(qiáng)日常管理審視。

表4 降橋地鐵站深基坑整體風(fēng)險(xiǎn)的信度

3.6 敏感性分析

圖2 各事件風(fēng)險(xiǎn)水平變化對(duì)基坑整體風(fēng)險(xiǎn)水平的影響

4 結(jié)論

1）本文對(duì)南寧地鐵5 號(hào)線降橋站深基坑實(shí)例分析，結(jié)果表明：該基坑深整體被評(píng)為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，只需加強(qiáng)日常管理審視。也說(shuō)明模糊證據(jù)推理方法能為評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性提供定量依據(jù)。

2）運(yùn)用模糊證據(jù)推理對(duì)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估不但可以反映基坑被評(píng)判為某一風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的信度，更重要的是能找出影響基坑總體風(fēng)險(xiǎn)水平的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件（因素）。

3）本研究的評(píng)估體系和評(píng)估方法不僅可用在地鐵深基坑，還可用在其他建設(shè)項(xiàng)目，甚至別的領(lǐng)域如金融、核電、鐵路運(yùn)輸安全等，本方法都將給其提供寶貴的參考建議。