基于改進熵權-DEMATEL-ISM的富水軟土層深基坑施工安全風險評估*

吳 波,杜 君,溫小棟,趙勇博

(1.東華理工大學 土木與建筑工程學院,江西 南昌 330013;2.寧波工程學院 浙江省土木工程工業化建造工程技術研究中心,浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著城市化進程不斷提升,軌道交通的日益發展,地下空間廣泛應用,深基坑施工越來越多,深基坑施工安全風險控制成為重要的研究課題[1]。富水軟土層深基坑施工環境復雜,風險因素眾多,對臨近建筑(構筑)物下的深基坑開挖、基坑降水及基坑圍護等近距離作業對地下工程和相鄰建筑物存在較大風險[2]。因此,通過科學開展地下工程施工風險評估,對于指導工程安全建設具有重要的現實意義。

當前,國內外專家、學者對地下施工風險進行研究。He等[3]經過中心度和原因度統計,系統分析風險因子在系統中的重要度,基于ISM剖析各因素在系統中的層級。田雷等[4]運用DEMATEL-ISM-ANP法客觀分析“人機管環”對地鐵施工運營的影響,融合模糊綜合評價指標體系得出韌性分析結論。曾小清等[5]通過研究生態道路建設,找出最符合生態發展的關鍵性指標。此外,其他專家、學者也基于不同視角對深基坑施工安全提出不同解決辦法。例如,劉晶[6]總結現有的風險評估方法,并在其改進基礎上經對比分析發現改進模糊綜合評價模型在施工安全評價中具有可行性和有效性。吳波等[7]采用模糊綜合評價對評價指標進行量化比較,做出綜合評價。陳輝華等[8]分析各因素之間的作用機理,明確施工安全風險控制重點。譚孝塵[9]找出建筑施工風險管理關鍵風險因素,并分析各因素間的關聯性。姜安民等[10]從多維角度建立風險評價體系,以權重和隸屬度函數相結合的方式確定施工風險等級,實現對風險精準預測。靳亞格[11]綜合剖析遞階結構模型中各影響因素間的相互影響路徑,以期可為施工安全管理提供參考。

本文結合熵權法、DEMATEL法與解釋結構模型,深入分析各致險因子間影響路徑,確定風險致因因素及關鍵因素,并對影響因素進行層次劃分,使各制約因素之間層次清晰,經模糊綜合評估確定總風險級別,研究結果可為地鐵施工安全監督管理提供理論基礎和參考依據。

1 深基坑施工風險因素的識別

1.1 主成分法識別風險指標

深基坑施工是由“人-機-路-管-環境”構成的復雜系統,系統內施工安全因素之間相互影響[12]。因此,需要系統地分析深基坑施工影響指標。為解決基坑施工安全風險指標眾多且指標之間存在一定關聯性,信息重復、不突出等特點,本文選取20個基坑施工安全影響因素,見表1。通過主成分分析降維方法[13],將系統中眾多影響因素轉化為較少的綜合指標,客觀反映影響基坑施工實際情況。根據地鐵工程施工相關規范及文獻,結合廣州某地鐵工程實際情況確定打分指標并選取90名地鐵施工方面專家對影響因素按照重要度打分,區間為[1,5],非常重要5分、很重要4分,比較重要3分、重要2、一般重要1分。經計算,KMO值為0.638,樣本適用主成分分析。經計算,線性組合系數如表2所示。經主成分分析得到6個主成分特征值和方差解釋率,其中前6項主成分累計貢獻率為95.13%,因此選前6項為綜合評價指標。

表2 線性組合系數Table 2 Linear combination coefficient

1.2 風險指標體系的構建

本文通過主成分法將深基坑施工風險因素分為6類,即基坑降水(U1)、基坑開挖(U2)、水文地質因素(U3)、施工因素(U4)、機械設備因素(U5)、自然因素(U6),如圖1所示。

圖1 深基坑施工風險影響因素Fig.1 Risk influencing factors of deep foundation pit construction

2 基于改進熵值-DEMATEL-ISM法因素分析

本文采用決策實驗和評價實驗室法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL),運用圖論和矩陣工具對系統進行因子分析,將中心度指標和原因度指標結合識別關鍵影響因子。本文將DEMATEL法與解釋結構模型法(interpretative structural modeling method,ISM)結合,既可直觀清晰表達系統中各因素之間的因果關系以及關鍵因素,也能得出各因素之間遞階結構和影響路徑,便于復雜系統的分析與決策。基于傳統DEMATEL主觀打分降低最終結果的精準度和可信度,而改進熵權法[13]利用信息熵的原理對研究對象賦予權重,消除主觀因素的干擾,又能在客觀評價系統整體水平時,提高評價系統整體的準確性和真實性。因此,該方法在此類問題研究上具有顯著優勢。具體流程見圖2。

圖2 改進熵權-DEMATEL-ISM流程Fig.2 Improved entropy weight-DEMATEL-ISM flowchart

本文運用熵值-DEMATEL-ISM組合法對深基坑施工風險評估,具體步驟如下:

1)形成指標間初始直接影響矩陣A。

2)初始直接影響矩陣A經規范化處理。得到規范化矩陣B如式(1)所示:

(1)

3)計算綜合影響矩陣T如式(2)所示:

T=B+B2+…Bn=B(I-B)-1

(2)

式中:I為單位陣。

4)計算風險因素的影響度Ri和被影響度Cj,計算公式如式(3)～(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ri為矩陣T的第i行的行和;Cj為矩陣T的第j列的列和;tij因素i對因素j的影響程度。

5)計算各個因素的中心度Mj和原因度Nj如式(5)～(6)所示:

Mj=Ri+Cj

(5)

Nj=Ri-Cj

(6)

6)計算綜合權重:對評價指標建立矩陣,邀請10位專家按照指標對基坑施工影響重要度打分,區間為[1,5],并對矩陣歸一化處理。

因素信息熵ej與權重Wj如式(7)～(8)所示:

(7)

(8)

式中:yij為專家對影響因素打分后的標準化值;Pij為第j個因素對第i個因素對象的比重。

計算綜合中心度如式(9)所示:

Kj=Wj·Mj

(9)

7)確定閾值λ如式(10)所示:

λ=α+β

(10)

式中:α為綜合影響矩陣的算術平均值;β為標準差。

8)確定可達矩陣G如式(11)所示:

(11)

9)為明確系統中各因素之間的層次關系,對可達矩陣層級分解。按照選取可達集與先行集的交集為原則進行迭代。

10)根據中心度和原因度做出因果關系圖,通過將傳遞性聯系消除,利用可達矩陣開發有向圖,以用語句替換節點數的方式將有向圖轉換為關鍵的ISM模型。

11)模糊綜合評價

V={V1,V2,V3,V4,V5},風險分為5個等級,代表風險出現的概率“幾乎不可能、不可能、偶然、可能、很可能”其對應風險量化區間為[1,5]。

由熵權權重矩陣W與隸屬度矩陣R結合確定綜合評價矩陣B′如式(12)所示,根據隸屬度最大原則,最大隸屬度所對應的等級為深基坑施工風險等級。

(12)

3 工程實例

該項目為廣州市某地鐵深基坑項目,車站周邊環境極其復雜,施工組織難度大,主要體現在主體基坑深度23.930 m,基坑周圍距離建構筑物較近,深基坑開挖過程中可能發生圍護結構滲漏水,出現突涌水,導致坑外土體損失或坍塌;支護施工不當或支撐體系破壞或導致坑內土體溜塌、滑移,引發基坑失穩,是施工重難點,需要對風險進行有效管理和控制,依托此項目,經主成分分析確定風險指標評價體系,采用熵權-DEMATEL-ISM定量定性融合方式構建風險評價模型,對風險因素加以管理和控制。

3.1 DEMATEL法計算矩陣

將基坑施工安全影響因素記為A=(A1,A2,…,A17),由10名專家對影響因素劃分5個等級并賦值標度0～5表示由低到高受影響強度。經過式(1)～(2),得到規范直接影響矩陣和綜合影響矩陣,見表3～4。

表3 規范直接影響矩陣Table 3 Specification direct influence matrix

表4 綜合影響矩陣Table 4 Comprehensive influence matrix

3.2 基于改進熵權-DEMATEL法計算“四度”及組合權重結果

基于上述步驟,利用熵權法計算各評價指標權重,并結合DEMATEL法得到的各指標之間影響程度,即“中心度”修正熵值,進而按照式(9)得到風險的組合權重,結果見表5。

表5 DEMATEL計算指標值Table 5 DEMATEL calculation index values

由表5可知,預警應急、地震、暴雨因素影響度相對較大,表明該3種因素對基坑施工安全及其他因素影響較高,因此,要加強自然因素和施工因素的管理。從被影響度知,地表沉降、土體縱向滑坡、基坑坍塌因素在系統中被影響程度較深;在原因度方面,預警應急、施工單位資質、監測設備故障、氣候、地震、暴雨因素結果為正,為原因因素,其余因素原因度為負,均為結果因素。在基坑施工管理中,原因因素功能綜合體現結果因素的狀態,因而要對原因因素重點控制;在中心度方面,施工質量管理、基坑開挖及基坑降水中心度值位居前列,因此,此類因素是基坑施工安全重要影響因素,在基坑施工過程中,應著重監測基坑開挖、基坑降水出現的問題,加強施工質量管理。為了數據直觀清晰展示基坑施工安全影響因素之間的關系及重要度,繪制影響度-被影響度及中心度-原因度關聯圖,如圖3～4所示。

圖3 影響度和被影響度Fig.3 Influence degree and affected degree

圖4 中心度和原因度Fig.4 Centrality and cause degree

3.3 可達矩陣遞階模型

為得到可達矩陣,剔除影響程度的關系,需要引入閾值[14]。文中閾值分別取0.10,0.11,0.12,0.13,得到不同閾值下深基坑施工風險要素節點度衰散的散點圖如圖5所示,閾值為0.12時,節點度較為適中。并由式(11)得到可達矩陣,見表6。

圖5 不同閾值下節點度變化曲線Fig.5 Change curves of node degree under different thresholds

3.4 層次結構圖(ISM)

為進一步研究各影響因子之間層次關系,按照上文步驟9)對可達矩陣進行層次梳理,逐次抽取可達矩陣先行集與可達集交集中的影響因子,重復此過程直至結束,最后將17個影響因素分為5層,L1={U11,U23,U24,U31,U33,U52,U61};L2={U12,U21};L3={U22,U43};L4={U32,U41,U42,U62};L5={U51,U63},根據分層結果及因素之間的關聯性,構造出解釋結構圖如圖6所示。

圖6 層級結構Fig.6 Hierarchical structure diagram

3.5 影響路徑分析

根據DEMATEL-ISM圖層次劃分,可達多條影響路徑,其中關鍵影響路徑為U51→U22→U11;U63→U43→U21→U23;U63→U32→U22→U11。其為實現基坑安全施工的有效途徑,深基坑開挖前,探明地質情況,機械設備監測復雜地層、暴雨、地震帶來的影響,加強施工質量管理,要注意暴雨及基坑降水量變化,盡量防止雨水量過大造成土體沉降過快;其他深層次影響路徑為U41→U22→U11;U42→U43→U24,施工前篩選施工單位資質,施工現場的工作人員嚴格按照施工安全管理規定執行,通過預警應急機制,對基坑開挖過程中易出現的滑坡、涌水、滲漏不同情況制定應急處理措施確保基坑施工安全。

3.6 模糊綜合評價

本文通過熵權法確定指標權重,結合模糊綜合評價法得到隸屬度函數并計算綜合隸屬度,經與熵權權重運算得到綜合評價值。邀請10位專家按照0～5打分法對深基坑施工各致險因子影響程度量化評估,根據打分表構造隸屬度矩陣如下。

結合熵權權重,得到總目標評價結果為:(0.043 2,0.219 6,0.305 1,0.301 27,0.130 8),將評價結果轉化為綜合分值,將評價指標總分按照評分等級及其賦值,帶入隸屬度函數,根據最大隸屬度原則,求出的綜合評價值為2.240,富水軟土層深基坑施工評價等級為Ⅱ級,評價結果與工程實際情況相符,即安全性較高。

3.7 評價結果對比分析

為驗證研究的實用性和準確性,本文采用組合權重-模糊綜合評價法和CRITIC-TOPSIS法[15]對深基坑施工安全風險評估。

首先對CRITIC客觀權重和組合權重對比計算,結果如圖7所示。由圖7可知,2種方法的權重存在略微差異,這是因為CRITIC權重是根據各風險因素的重要度得出,而組合權重是由DEMATEL得出的中心度再利用熵權值修正,更能反映各因素之間的關系。

圖7 CRITIC與組合權重對比Fig.7 Comparison of CRITIC and combination weights

基于上述步驟計算出的權重結果,分別求出 TOPSIS和模糊綜合評價的隸屬度,如圖8所示。模糊綜合評價二級指標對應的安全等級均為Ⅱ級,綜合評估等級為Ⅱ級,TOPSIS安全評價等級區間范圍[0,1],各級指標對應的隸屬度在區間[0.4,0.6]范圍內,等級為Ⅲ級,均在安全等級范圍內。TOPSIS法易受極端值影響,而模糊綜合評價可充分利用數據,彌補TOPSIS 的劣勢,適用范圍更廣,可對系統綜合評價,反映施工過程整體趨勢變化,結果更可靠、有效。

圖8 綜合評價結果對比Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation results

3.8 評價結果驗證與分析

地鐵站基坑范圍內分布有雜填土(主要為近10 a內人工填筑而成,由煤灰、混凝土路面、黏性土、粗砂、碎、塊石及建筑垃圾、生活垃圾組成),成分復雜,欠團結,均勻性差,壓縮性高,結構較松散;軟土(淤泥和淤泥質土,局部為沖洪積淤質土)天然含水量較大、孔隙比大,壓縮性高;風化巖和殘積土,天然狀態下物理力學性能較好,但水理性質較差,浸水易軟化,地鐵站西南側300 m外,江面寬闊,流量較大,受地震、暴雨等自然因素影響,車站處集水量大,場地范圍內砂層發育普遍,層厚較大;地表水與地下水水力聯系密切,導致工程中出現突涌水、縱坡失穩、滑坡等現象。

結合具體的工程實例,對其進行風險評估。得出以下結論:

1)由施工因素組合權重計算可知U43>U41>U42,施工質量管理權重值較大,由于施工現場出現雜物亂堆放現象,故應加強施工現場管理,在坡頂嚴禁堆載土方及其它重物,避免對坡腳產生額外荷載。

2)降水處理過程中,設置監控點,對地管線滲漏、基坑突涌水、不均勻沉降等問題做好預警應急處理措施,完善監督管理體系,加強現場各部門施工管理與安全管控,培訓從業人員實地操作,提高工作人員專業素養。

3)對于基坑開挖和基坑降水得出權重值U23>U12>U21>U22>U24,承壓水突涌權重值較高,由于在開挖過程中圍護結構薄弱處圍巖突然變化沒有及時采取相應的支護措施,故應在基坑底設置集水坑;啟動備用抽水設施,啟動備用水泵,由現場啟用移動水泵下坑以增大排水能力。

4)土體縱向滑坡、基坑坍塌權重值較高,是由于受暴雨等因素影響,土層開挖時未采取有效的排水措施排除地表水,故應在基坑開挖前對開挖地段進行降水,將地下水位降至開挖面以下3 m,將相應土層中的水疏干,增強其抗剪強度。根據現場施工組織情況,降水井在基坑開挖前即全部施工完成,在每段基坑土方開挖前預降水,確保疏干效果。基坑開挖臺階縱坡按照1∶3進行控制,減小縱坡坡度,防止邊坡坍塌。

綜上所述,根據施工動態監測進行風險評估,降低施工風險水平,驗證本文評估方法的實用性和可靠性,為地鐵安全施工提供有效的參考依據。

4 結論

1)根據中心度和組合權重得出施工質量管理為影響深基坑施工安全的關鍵影響因素,依據影響路徑可看出基坑降水及開挖是直接影響因素,施工管理及水文地質因素為深層次影響因素,機械及自然因素為根源性因素。

2)基于熵權的模糊綜合評價對風險變化區間加以量化,對隸屬度函數綜合評價,確定本文案例工程的深基坑施工的風險級別為Ⅱ級。