基于BIM 與AHP 的地下綜合管廊深基坑支護安全風險研究

陸婷 LU Ting

（湖南城建職業技術學院，湘潭 411100；中南大學，長沙 410083）

0 引言

地下綜合管廊的建設是新型城市發展的大勢所趨，是新型城鎮化進程實施推進的重要舉措。相對于其他工程的深基坑施工，城市地下綜合管廊深基坑支護工程由于對周圍環境環保要求較高、地處城市繁華地段對于變形控制要求嚴格等特點，一直屬于綜合管廊項目管理中風險較大、難度較高的施工環節，也是地下綜合管廊施工管理過程中事故頻出的節點之一。目前，國內外在地下綜合管廊深基坑施工管理研究領域，針對深基坑支護結構選型方法的研究較多，但基于深基坑開挖節點和風險因素的較少；單純依靠BIM 技術進行施工模擬建模分析的研究不少，但結合數值方法對確定新風險指標的研究與深基坑支護施工進行實時動態風險管理的較少。因此，為了更好地識別地下綜合管廊深基坑支護風險，文章提出了基于AHP 構建風險評價指標體系并采用BIM 平臺進行集成管理地下綜合管廊支護風險的研究思路，旨在為城市地下綜合管廊的深基坑支護施工管理提出更為科學有效、提質降本的風險管理實施方案。

1 基于AHP 建立地下綜合管廊深基坑支護安全風險評價方法

1.1 構造判斷矩陣aij

式中：aij為風險因素Xi、Xj的重要性之比，；1、3、5、7、9 表示因素Xi比因素Xj同等、略微、明顯、強烈、極端重要。

1.2 計算指標權重

文章選取特征向量法計算指標權重，具體操作如下：

式中：特征向量對應的是n 個風險因素的權重。

1.3 進行一致性檢驗

首先，計算CI 一致性指標：

其次，查找隨機一致性指標RI，見表1。

表1 平均隨機一致性指標

最后，計算一致性比率CR：

當CR 小于0.1 時，矩陣一致性檢驗通過，否則在此基礎上進行修正。

2 地下綜合管廊深基坑支護安全風險評價AHP 應用實例

文章以C 市地下綜合管廊項目為例，該項目位于湘府路濱河段，管廊布置在繁華主干道路北側綠化帶下，管廊共長2.96 千米。管廊斷面形式為三艙，內部凈空尺寸為（2.7 米+2.95 米+1.9 米）*3 米，施工現場周邊毗鄰高層建筑物。

2.1 識別深基坑支護安全風險影響因素

本項目所處位置為地面交通繁忙的主干道，周邊動載較大，基坑開挖深度范圍內以粗砂、卵石層為主，地層地質情況一般，存在著圍護結構透水、基坑失穩等風險。通過項目實地調查、專家調研，并參考了理論文獻和深基坑常見風險事故等資料，形成了本項目適用的深基坑支護安全風險評價的指標體系。具體見表2。

表2 地下綜合管廊深基坑支護安全風險評價指標體系

2.2 確定地下管廊深基坑支護風險因素的層次排序指標權重并進行一致性檢驗

邀請10 位工程專家及同類工程經驗豐富的施工人員出具評判意見，采用1-9 標度法對準則層及指標層的風險因素進行打分，得到判斷矩陣，并進行一致性檢驗，繼而對該項目的各類風險因素進行評級。本項目深基坑支護風險判斷矩陣見表3。

表3 項目深基坑支護風險判斷矩陣

2.3 結果分析及風險防范措施

計算特征向量相對權重見表4。

表4 深基坑支護風險評價層次總排序指標權重

①由表4 可知，施工風險X2對本項目影響最大，此指標的四個二級指標中影響力從大到小為：圍護結構施工技術風險X24、支護不及時X23、土方開挖X21、圍護結構透水引起的事故風險X22，特征向量權重均大于0.1。因此，現場管理中，應嚴格把握圍護結構施工質量，切實落實技術質量責任制，遵循“分層開挖、先撐后挖、隨挖隨支”的準則，及時支護，避免違規操作。澆筑樁體、地下連續墻的混凝土強度必須達到設計要求，重點監測好圍護結構形變、支撐內力、基坑內外地下水位、地下管線滲漏情況等，對相關數據進行記錄分析與風險預測。②影響其次的是管理風險X1，該指標的二級指標中設計風險X12、勘察風險X11影響相對較大（特征向量權重分別為0.0825、0.0811）；人員安全意識風險X13、交叉施工風險X15、組織協調及應急能力風險X14影響相對較小（特征向量權重分別為0.0627、0.0622、0.06171）。勘察設計出現問題對深基坑支護的影響主要存在于設計圖紙與現場施工情況不完全符合，造成設計可能達不到既定的受力要求，這就更需要施工方做好施工現場的深基坑結構受力監測，有疑義之處及時與監理、勘察設計方進行溝通，及時發現風險源頭進行防控。③環境因素風險X3是三個一級指標中影響最小的，附近環境擾動風險X33、不良地質條件風險X32、自然災害和不可抗力風險X31的影響遞減（特征向量權重分別為0.0781、0.0682、0.04040）。環境因素風險中，應當重點關注附近環境擾動風險，對周邊距離建筑物較近的基坑邊緣及附近擾動土層進行技術處理加固；探查基坑周邊的管線，對基坑周圍管線進行保護。

3 建立基于BIM 的AHP 風險管理信息系統

在深基坑結構支護施工過程中，使用BIM 技術進行現場管理，不僅能加強業主方、勘察設計方、施工監理方的技術交流與協同，也能讓現場的施工管理方更好地進行精細化管理，把控風險、預防事故。

3.1 創建深基坑BIM 三維模型

首先可利用主流BIM 軟件如Revit 軟件對項目進行BIM 三維建模：先進行參數化族庫的創建，為深基坑的各類結構構件的創建打好基礎；再分別進行周邊環境建模、地質建模和項目主體建模。項目主體模型應包括管廊主體結構、各個獨立分艙，且模型精度等級必須達到LOD300以上（住建部《建筑工程施工信息模型應用標準》GB/T 51235-2017）。為了更好地反應深基坑支護的施工全過程，BIM 模型應該細化到鋼筋混凝土支撐建模、圍護結構地下連續墻建模、格構柱建模等，必要時可結合具體項目對BIM 模型進行深化和二次開發。

3.2 搭設BIM 集成信息平臺

完成BIM 三維模型后，進一步集成各方數據，搭設BIM 集成信息平臺。地下綜合管廊施工涉及到的技術方案復雜、交叉施工多、參與人員眾多，BIM 集成信息平臺與云計算技術相結合，可以實現項目生命周期各個階段的全程管理與應用整合，除最核心的施工模擬（生成施工模擬動畫視頻、VR 體驗施工現場等）、物資管理（物資材料二維碼溯源追蹤與出入庫等）、進度管理（實時監控計劃進度與實際進度差值等）、現場施工質量管理（施工平面布置、可視化施工安全交底等）、成本管理（BIM5D 實時成本管控）、安全管理之外，還可以集成GIS 攝影數據，形成包括業務數據、報表數據、物聯網數據的項目工程信息數據庫。

3.3 BIM 集成平臺嵌入兩個業務模塊進行風險管控

為了更便于項目管理方管控施工風險，除BIM5D 常規核心功能外，在深基坑支護BIM 信息平臺上可再嵌入兩個模塊：深基坑結構數據監測模塊、深基坑支護風險分析評估模塊。

3.3.1 深基坑結構數據監測模塊 通過在施工現場設置傳感設備及人工儀器檢測等方式，選取基坑周邊合適的觀測點位，統計不同工況下的項目周邊環境安全、巖土勘測、支護結構形變、裂縫、位移、工程材料管理等實際觀測數據，并將其錄入系統監測數據庫，再進行數值分析、模擬計算與狀態實時監控。鑒于BIM 技術的可視性，項目管理方通過BIM 平臺，能采用觀察模型的方式，實時監測施工現場各部位的數據信息。不同的構件在BIM 模型中也都有獨立的編碼可定位和查詢。通過對實測數值與BIM 平臺模擬數值的比較，施工方可預測基坑及支護變形發展，通過結果來預估基坑事故易發時間點和支護薄弱點，指導工程安全進行。通過實時監測，施工方也可以科學地分析數值優選支護方案的實際效果，及時調整施工方案。

當施工現場監測數據高于閾值時候，BIM平臺可自動發出預警提示信息，這也將成為風險分析模塊風險因素識別的依據。BIM 平臺的監測數據預警機制可以實現對關鍵技術施工環節、關鍵節點、高頻出現事故施工環節的重點監控，能有效地識別風險源頭，及早進行干預，防止風險擴大，確保風險處于可控狀態之中。

3.3.2 深基坑支護風險分析模塊 深基坑支護風險分析模塊則是提供風險分析的功能，施工方可在BIM 平臺數據庫各方信息（包括數據預警信息）基礎上，綜合專家、施工經驗豐富技術人員的意見，錄入風險因素指標，平臺可按照上文中所述的層次分析法自動構建判斷矩陣并進行一致性檢驗，給出風險因素相對權重，為施工方提供深基坑支護風險監測參考。施工方可通過風險分析評估結果，對施工方案進行調整、對管理措施進行優化，發現問題并第一時間進行整改。通過整改措施，降低安全風險，并更新BIM 平臺結構監測數據，如此反復循環，再進行下一輪的風險分析，以形成實時的、動態的長效監控機制閉環。基于BIM 的AHP 風險管理信息管理系統的具體路徑如圖1 所示。

圖1 深基坑BIM 信息管理系統工作路徑圖

4 結語

影響地下綜合管廊深基坑支護安全的風險因素非常多，錯綜復雜。項目所選取的支護方案不同、項目所處于的施工環境不同、項目的設計和施工單位技術實力不同，都會成為影響深基坑支護安全的不穩定因素。文章所構建的一套基于BIM 和AHP 進行地下管廊深基坑風險分析評估信息系統，可針對不同的項目構建安全風險指標評價體系，對地下綜合管廊深基坑支護結構風險因素進行實時評估分析，并得到相應的技術與管理對策，可更有效率地為地下綜合管理深基坑支護項目管理方提供建議與參考。