基于模糊層次分析法的地鐵深基坑風險因素分析

《項目管理技術》·2003年創刊·月刊·每月10日出版

摘要：洛陽市地鐵1號線武漢路站基坑開挖深度大、周圍場地狹窄且緊鄰國家重點歷史保護建筑物，對深基坑的安全和質量提出了較高要求。利用模糊層次分析法對影響武漢路站深基坑穩定性的主要風險因素進行量化分析，針對主要風險因素制定控制措施。研究結果表明：施工風險因素權重最大，其次為人員及管理風險，設計風險權重最小；綜合權重較高的兩個風險因素是地下連續墻施工質量差和管理方法不當，其次為施工監測不及時、橫撐架設不及時和安全意識淡薄；地下連續墻工程和內支撐工程是本項目重點控制的內容。

關鍵詞：模糊層次分析法；地鐵深基坑；主要風險因素；穩定性；安全性

0 引言

地鐵車站往往位于人口集中、商業密集的區域，受周圍交通和建筑影響大，一般埋深較大，施工場地受限，不具備放坡條件。地鐵車站深基坑的穩定性差、支護難度大、發生安全事故的概率較高，如深圳、北京、杭州等城市在地鐵建設過程中均發生過基坑坍塌破壞事故，基坑安全已成為影響地鐵建設工期和質量的主要因素，保證基坑穩定性和安全性是降低地鐵對周圍環境影響的關鍵環節。因此，基坑的安全問題受到建設、設計、施工和科研等多方面的共同關注。陳邵清等［1］綜合事故樹和層次分析法對重慶市某地鐵站深基坑坍塌事故的致災因素進行了定性識別和定量分析；陳云敏等［2］基于現場試驗和室內試驗分析了杭州地鐵湘湖車站基坑坍塌引起的基底土深層擾動與沉降問題；張曠成等［3］在事故調查技術分析小組詳實分析的基礎上，對基坑深部穩定性作了進一步分析；牛豐等［4］結合我國地鐵建設項目實際，利用STAMP模型對湘湖站基坑坍塌事故進行了分析；姚國偉等［5］綜合周邊環境、設計及施工等因素分析了北京某地鐵站基坑坍塌事故的原因；來杰等［6］從設計、施工、環境影響及監測管理等方面入手，分析了基坑發生坍塌的原因，進一步提出工作建議；劉緒普等［7］在考慮工程地質、周邊環境、施工因素的情況下對深圳某地鐵車站進行綜合分析，找出了基坑坍塌原因，并對同類地鐵深基坑建設提出了可行性建議；李宏偉等［8］通過勘察事故現場，探討土方超挖、鋼支撐體系缺陷和基坑監測缺陷對基坑安全的影響；湯育春等［9］分析了我國地鐵工程安全風險，并提出地鐵全生命周期的理論、方法和技術。

為了降低基坑施工的事故率，大量學者分別從理論和實踐方面進行了深入研究。丁烈云等［10］探討了復雜工程地質和周邊環境等條件下的地鐵施工安全風險識別方法；解東升、錢七虎等［11-12］基于TOPSIS方法、海恩安全法則等，通過大量研究提出安全風險管理應貫穿整個工程周期的建議。大量理論研究成果和主動預防措施大大降低了基坑的事故率和傷亡人數，取得了明顯的效果。但是由于巖土體的復雜性和施工過程的不確定性，需要針對基坑實際情況進行風險因素分析，保證基坑本身和周邊環境的安全性。

洛陽地鐵1號線武漢路站（以下簡稱“武漢路站”）位于城市繁華的主干道，地下管線類別多，埋藏深度相差較大，周邊建筑密集且緊鄰國家重點歷史保護建筑物，施工場地狹小，周邊環境復雜。為了保證施工過程中深基坑本身和周邊環境的安全性，本文對其施工過程中可能存在的主要風險因素進行量化分析，并針對主要風險因素制定相應的控制措施。

1 工程概況

1.1 工程地質情況

武漢路站位于洛陽盆地內洛河II級階地，場地范圍內分布有全新統和上更新統沖洪積黃土狀土，層厚5.2～18.9m，下伏卵石和基巖層。根據區域地質資料和地區工程經驗，本車站場地為非自重濕陷性黃土場地。車站標準段基坑開挖范圍的土層主要為①1雜填土、②2黃土狀粉質黏土、②3黃土狀粉土、③2粉質黏土、③3粉土、③9-4卵石等，基底處的土層主要為③9-4卵石層，車站范圍內枯水期穩定水位埋深為17.1～19.8m，地下水位變幅約為2.0m。

1.2 基坑概況

武漢路站主體結構采用單柱雙跨與雙柱三跨相結合的鋼筋混凝土箱型框架結構，車站總長160.9m，結構標準段寬度為21.9m，標準段基坑深25.0～26.1m，北端端頭井基坑深約26.5m，南端端頭井基坑深約27.7m。車站周邊建筑密集，地下管線密布，施工場地狹窄。武漢路站周邊環境平面圖如圖1所示。車站基坑圍護結構為地連墻加4道支撐，開挖按照相關規范要求分層分段進行。

圖1 武漢路站周邊環境平面圖

2 風險分析方法及風險識別

2.1 風險分析方法

層次分析法（AHP）是一種系統化、層次化的評價方法。其利用較少的定量信息快速深入地解決復雜問題，易于被施工人員掌握，適用于工程風險因素權重評價，因此大量學者將層次分析法應用到工程風險管理的研究中［13-16］。但是，層次分析法存在當某一層次評價指標很多時難以保證思維的一致性的缺點，且檢驗判斷矩陣一致性的標準缺乏科學依據。

在風險事件發生之前，層次分析法無法準確評價一個風險因素是否會導致風險事件及風險事件的嚴重后果，因此無法準確給出兩個風險因素的比較結果，即具有模糊性和難以量化性。在一般的層次分析中，沒有考慮人的判斷的模糊性。20世紀70年代，美國運籌學教授托馬斯·塞蒂綜合層次分析法和模糊綜合評價法，提出模糊層次分析法（FAHP），該方法為量化評價指標、選擇最優方案提供了依據。

模糊層次分析法的主要步驟如下：

（1）構造模糊判斷矩陣。使用模糊函數評價兩個指標的相對權重，在傳統AHP法1～9刻度評價的基礎上引入模糊分布函數，如圖2所示。因三角模糊函數具有簡單、便捷、實用等優點，其被廣泛用于質量管理、績效評價和模糊規劃等。本文的模糊函數采用三角模糊函數，如圖3所示。一般三角模糊函數M表示為（l，m，u），三角模糊函數隸屬度計算如下

μ（x）=1m－x×x－lm－l（x∈［l，m］）1m－l×x－um－u（x∈［m，u］）" ""0" ""（x∈［0，l］∪［u，+∞］）（1）

式中，μ（x）為三角模糊函數的隸屬度；l、u為三角模糊函數自變量的下界值、上界值；m為隸屬度為1時的變量值。

（2）確定初始權重。使用Dki表示第k層元素i的初始權重，計算公式如下

Dki=∑nj=1akij÷∑ni=1∑nj=1akij（i=1，2，…，n）（2）

式中，k為層數編號；i為第k層的元素編號；n為第k層的元素數；akij為第k層中元素i和j的對比模糊值。

（3）去模糊化得到最終權重。假設元素Mki和Mkj的三角模糊函數分別為（li，mi，ui）和（lj，mj，uj），當Mi≥Mj時，用三角模糊函數定義可能度，公式如下

v（Mki≥Mkj）

="""" 1" """"（mi≥mj）lj－li（mi－ui）－（mj－uj） （mi≤mj，ui≥lj）"""" 0""""" 其他情況（3）

式中，v（Mki≥Mkj）為元素Mki大于等于元素Mkj的可能度。

一個模糊數大于其他模糊數的可能度作為這個模糊數與其他模糊數比較后得到的最終權值。一個模糊數大于等于其他模糊數的可能度公式如下

vki=minv（Mki≥Mkj）（j=1，2，…，i-1，…，n）（4）

式中，vki為第k層第i個元素的最終權重。

通過式（4）計算每個元素的最終權重，再進行標準化，即可得到模糊層次分析法的各元素權重。

2.2 風險因素識別

風險分析成敗的關鍵在于對可能存在風險因素的準確識別。根據已有文獻中有關基坑坍塌的工程實例，分析導致武漢路站深基坑坍塌的主要因素為設計風險（F1）、施工風險（F2）、人員及管理風險三大類（F3）。其中，設計風險主要包括內支撐間距不合理（F11）、內支撐強度剛度不合理（F12）、地下連續墻承載力設計不足（F13）、開挖厚度不合理（F14）4個主要因素；施工風險主要包括地下連續墻施工質量差（F21）、基坑周邊超載（F22）、橫撐架設不及時（F23）、超標高開挖（F24）、施工監測不及時（F25）5個主要因素；人員及管理因素主要包括安全意識淡薄（F31）、管理方法不當（F32）、施工人員業務能力差（F33）3個主要因素。基坑坍塌風險因素結構如圖4所示。

3 風險分析方法及風險識別

3.1 一級風險因素權重分析

采用專家法對不同風險因素進行比較。專家組成員涵蓋現場施工人員、設計人員及科研人員。專家組由2名正高級職稱、5名副高級職稱和3名中級職稱人員組成，各名專家進行獨立打分，對各名專家打分結果進行綜合和整理，得到最終的模糊判斷矩陣。其中，正高級職稱專家的權重為0.5，副高級職稱專家的權重為0.3，中級職稱專家的權重為0.2。對10名專家的評價結果進行整理，一級風險因素模糊判斷矩陣見表1。

使用式（2）對表1中的數據進行處理，得到一級風險因素的初始模糊權重，見表2。

根據式（3）和式（4），對表2中各風險因素的初始模糊權重去模糊化，得到各風險因素的權重。一級風險因素權重見表3和圖5。可以看出，施工風險因素（F2）權重最高，達到0.513；其次為人員及管理風險（F3），達到0.328；權重最小的為設計風險因素（F1），達到0.159。

3.2 二級風險因素權重分析

二級風險因素權重的計算過程和一級風險因素權重的計算過程相同。二級風險因素去模糊化后得到的權重如圖6所示。可以看到，設計風險中，權重最大的為地下連續墻承載力設計不足（0.414），其次為內支撐間距不合理（0.278）和內支撐強度剛度不合理（0.273），權重最小的為開挖厚度不合理（0.035）；施工風險中，權重最大的為地下連續墻施工質量差（0.412），其次為施工監測不及時（0.233）和橫撐架設不及時（0.232），權重最小的為基坑周圍超載（0.078）和超標高開挖（0.046）；人員及管理風險中，權重最大的為管理方法不當（0.512），其次為安全意識淡薄（0.328），權重最小的為施工人員業務差（0.160）。

3.3 二級風險因素綜合權重分析

模糊層次分析法綜合權重的計算方法與層次分析法綜合權重的計算方法相同，計算方法如下

Twik=wi×wik（5）

式中，wi為第i個一級風險因素的權重；wik為與一級風險i對應的第k個二級風險因素；Twik為風險因素ik的綜合權重。

a）設計風險 b）施工風險 c）人員及管理風險

二級風險因素的綜合權重見表4和圖7。

可以看出，綜合權重較高的兩個風險因素是地下連續墻施工質量差（0.211）和管理方法不當（0.168），其次為施工監測不及時（0.119）、橫撐架設不及時（0.119）和安全意識淡薄（0.108）。12個風險因素中，與地下連續墻質量相關的風險因素有2個，權重之和為0.278；與內支撐相關的風險因素有３個，權重之和為0.207，因此地下連續墻工程和內支撐工程是本基坑重點控制的工程。

3.4 風險控制措施

綜合風險因素和施工重點控制工程的分析，結合工程實際情況，建議從以下5個方面加強控制，確保深基坑安全。

（1）加強安全宣傳教育，改進管理方法，提高管理水平和人員安全責任意識，各項工程均安排專人負責，責任到人，加強監督。

（2）加強勘察，為設計和施工提供可靠的參數，確保設計參數的準確性，避免因參數差異造成設計的不合理。

（3）確保地下連續墻的施工質量，成立質量控制小組，嚴控成槽質量、鋼筋安裝質量及混凝土澆筑質量，提高地下連續墻接頭質量。

（4）加強內支撐的檢查，確保按時架設，嚴禁滯后架設，一旦發現內支撐變形和支撐軸力過大，及時加設內支撐。

（5）建立完善的監測系統，確保監測的及時性，并安排專人負責監測數據的分析，做到監測、分析、反饋、指導同時進行。

4 結語

利用模糊層次分析法對武漢路站深基坑坍塌風險進行量化分析，對重點風險因素和工程進行分析，制定相應的防控措施，保證基坑和周圍建筑的安全性。主要結論如下：

（1）施工風險因素權重最高（0.513），其次為人員及管理風險（0.328），權重最小的為設計風險（0.159）。

（2）綜合權重較高的兩個風險因素是地下連續墻施工質量差（0.211）和管理方法不當（0.168），其次為施工監測不及時（0.119）、橫撐架設不及時（0.119）和安全意識淡薄（0.108）。

（3）地下連續墻工程和內支撐工程是本工程重點控制的工程。與以上兩個工程相關的風險因素綜合權重之和達到0.485。

參考文獻

［1］陳邵清，熊思斯，何朝遠，等.地鐵深基坑坍塌事故安全風險分析［J］.安全與環境學報，2020，20（1）：52-58.

［2］陳云敏，胡琦，陳仁朋.杭州地鐵湘湖車站基坑坍塌引起的基底土深層擾動與沉降分析［J］.土木工程學報，2014，47（7）：110-117.

［3］張曠成，李繼民.杭州地鐵湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析［J］.巖土工程學報，2010，32（S1）：338-342.

［4］牛豐，王昱，周誠.基于STAMP模型的地鐵施工安全事故致因分析［J］.土木工程與管理學報，2016，33（1）：77-82.

［5］姚國偉，呂高峰，楊永平，等.某地鐵車站基坑坍塌引發的施工安全問題［J］.都市快軌交通，2008，21（4）：71-78.

［6］來杰，郭利剛.某地鐵出入口基坑坍塌案例分析［J］.北京測繪，2015，29（1）：114-118.

［7］劉緒普，饒彩琴.某地鐵深基坑工程坍塌原因分析及建議［J］.低溫建筑技術，2009，31（11）：117-119.

［8］李宏偉，王國欣.某地鐵站深基坑坍塌事故原因分析與建議［J］.施工技術，2010（3）：61-63，67.

［9］湯育春，夏侯遐邇，陸瑩，等.中國地鐵工程安全風險管理研究綜述［J］.工程管理學報，2018，32（6）：69-74.

［10］丁烈云，周誠.復雜環境下地鐵施工安全風險自動識別與預警研究［J］.中國工程科學，2012，14（12）：85-93.

［11］解東升，錢七虎，戎曉力.地鐵工程建設安全風險管理研究［J］.土木工程與管理學報，2012，29（1）：61-67.

［12］錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現狀、問題及相關建議［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（4）：649-655.

［13］劉俊怡.深圳某地鐵深基坑工程坍塌原因分析及建議［J］.工程建設與設計，2012（7）：149-151.

［14］田中興，楊新苗，周嗣恩.基于層次分析法的道路工程社會穩定性風險評價——以北京市某國道改建工程為例［J］.公路工程，2018，43（2）：265-269.

［15］劉波，王凱強，黃冕，等.地鐵深基坑工程風險模糊層次分析研究［J］.地下空間與工程學報，2015，11（S1）：257-264.

［16］李達，洪開榮，譚忠盛.渤海海峽隧道TBM施工風險評估及關鍵風險對策探討［J］.中國工程科學，2013，15（12）：95-100.

PMT

收稿日期：2022-09-21

作者簡介：

石嶺（1989—），男，工程師，研究方向：城市軌道交通工程建設管理。