基于CiteSpace的深基坑安全風險管理分析與展望

湯洪霞,劉子軒,2,邵志國

(1.青島理工大學管理工程學院,山東 青島 266520;2.青島理工大學工程質量檢測鑒定中心有限公司,山東 青島 266000)

隨著中國城市空間立體化發展,發展地下空間資源或建設高層乃至超高層建筑成為常態。復雜環境下的深基坑工程不斷涌現,安全風險問題顯得格外突出。深基坑事故的發生會造成重大的人員與財產損失,甚至對社會穩定也有嚴重影響。例如:2005年7月,廣州海珠城廣場基坑坍塌,造成3人死亡,臨時搬遷590余人,直接經濟損失超2億元;2008年11月,杭州地鐵1號線湘湖站基坑坍塌,造成24人死亡,直接經濟損失4 961萬元。從歷次事故調查結論中可以看出:風險事故是由小概率事件導致的鏈式反應,在“事故萌芽—緩慢發展—快速發展—事故險情”這一鏈條上,對每一節點采取有針對性的措施,都可以有效遏制事故的發生。因此,研究深基坑事故孕育演化規律與成災機制,探究深基坑工程風險防控理論與技術,對復雜環境下大型巖土工程施工風險管理、事故預報等具有重要意義[1]。

針對該問題,眾多學者已進行大量相關研究。熊自明等[2]開拓了以風險評估為基礎的風險決策理論,為現階段巖土工程施工安全風險管理研究奠定了堅實基礎;王衛東等[3]結合基坑實驗模擬,探討了風險耦合作用機理;夏天等[4]在風險預警方面貢獻突出,建立基于LSTM的深基坑變形安全風險預警模型,提高了基坑變形預警的精確性;翟越等[5]在風險評價上作出創新,采用IFS-動態加權的方法,并運用到實際工程中,為地下綜合體深基坑工程風險分析提供了合理思路。當前的研究呈現出多主體、多方向等特點,因此,探析該領域的現狀與發展趨勢具有重要現實意義。

本文采用CiteSpace軟件,基于文獻計量方法,分析深基坑安全風險管理領域的研究進程,繪制相應的知識圖譜,以可視化的形式分析總結該領域的研究進展,提出對深基坑安全風險管理現有研究的思考和對未來的展望。

1 數據來源與研究方法

本文選取中國知網數據庫,依托文獻計量學理論[6]利用CiteSpace軟件繪制相關知識圖譜,通過挖據數據、處理信息等手段,了解該領域發展歷程并分析前沿熱點。數據檢索方式采用高級檢索,檢索2000—2021年主題為基坑風險管理、基坑安全評價、基坑預警模式的SCI、EI、CSSCI、CSCD等核心期刊文獻,共獲得文獻433篇,經篩查剔除關聯度不高的文獻,得到具有較強代表性的文獻382篇。

2 文獻數量分析

對文獻按年份統計,得到深基坑安全風險管理領域2000—2021年歷年文獻發表數量(以下簡稱“發文量”),如表1所示。

表1 歷年文獻發表數量

發文量隨時間的變化趨勢一定程度上可以反映社會政策與行業發展的關系。楊德欽等[7]對我國建筑行業傳統的評價體系與現代化評價體系進行對比,認為:我國建筑行業在2012年之前處于高速增長時期,以要素投入驅動為主,注重增量增速,是低質量、單一化的;2012—2020年,處于高質量、可持續發展階段,以技術進步驅動為主,是多元化、可持續性的。

3 核心研究者與研究機構分析

3.1 核心研究者分布

學術帶頭人是文獻的核心作者。為了解深基坑風險管理領域核心作者發文情況,運用CiteSpace軟件得到作者合作共現圖譜(見圖1),并得到2000—2021年該領域作者發文數量在3篇(含)及以上的作者統計表(見表2)。

圖1 作者合作共現圖譜

表2 作者發文數量統計

圖1顯示出各作者之間相互合作的關系網絡。作者間的合作關系通過線條連接,連線越密集說明作者間的合作越緊密。圖1中展現出分別以宋二祥、周紅波、劉濤、吳波為中心(以時間先后排序)的4個主要團體,團體成員間存在較強的合作關系。同時,圖1中其他作者較為分散,表明作者在文獻研究上缺乏溝通。整體來看,在深基坑安全風險管理領域下的研究者較分散,研究方向多樣,表明在深基坑安全風險管理領域存在著許多分支,亟待深入挖掘。

發文量在3篇(含)以上的作者統計情況,如表2所示。其中,宋二祥最早開始在深基坑安全風險管理領域進行研究,隨后是周紅波、王洪新和黃宏偉,以周紅波研究成果最多。另一方面,以下作者在該領域持續研究并取得豐碩成果:吳波在2020—2021年發表多篇研究成果,涉及地鐵車站風險評估、數值模擬分析、模糊綜合評判及時空效應實測分析的應用研究;王洪新、宋二祥在2020—2021年開展有關基坑坑底穩定性的研究,涉及定量分析及驗算方法的改進;魏道江分別在2020年和2021年應用模糊理論進行深基坑風險評估及等級評價的研究。

3.2 核心研究機構分布

表3 核心機構及其發文數量統計

由表3可知,發文數量多于5篇(含)的核心機構有20所,共發表文獻145篇。核心機構有15所高校、1所科研院所、4所社會單位。縱觀核心機構的隸屬分布,高校是工程理論的研究主陣地,充分發揮了其專業性,產生許多科研成果,并具有實際應用及生產價值,貫徹“產—學—研”深度融合理念。同時各科研院所與社會單位依據其自身的優勢力量,發揮了實踐操作能力,帶動了“產—研”的良性循環。

3.3 論文發表期刊統計

對382篇文獻的來源期刊進行整理,按刊發數量排序,得到排名前10位的期刊,見表4?？d量最多的期刊是《巖土工程學報》(37篇),涉及深基坑安全風險管理領域的工程研究、技術開發、工程與項目管理、應用基礎研究及政策研究。

表4 期刊發文數量統計

4 研究熱點及研究前沿分析

4.1 高頻關鍵詞共現及聚類分析

關鍵詞是對文獻的高度凝練,突出文獻的基本研究內容。高度凝練的關鍵詞具有很強的濃縮性、可計量性,并在一定程度上具有相互鏈接的功能。因此研究樣本文獻的關鍵詞可以迅速窺探該領域的文獻全貌,了解文獻之間的潛在聯系,并為文獻的定量研究奠定良好基礎。

CiteSpace軟件算法認為出現頻次越高、中心度越大的關鍵詞是在一段時期內某一研究領域的熱點和主要研究方向。分析樣本數據,得到深基坑安全風險管理領域關鍵詞共現圖譜,見圖2。圖2中所示各關鍵詞間具有十分密切的聯系,呈現鏈狀或鏈群關系,鏈群越緊密,關鍵詞引用越頻繁,表明在該鏈群中研究者產生的成果越多。反之,越在鏈群外圍或兩鏈群相聯系處,分枝越疏松,表明該范圍內缺乏深入研究,越容易產生科研成果。

圖2 關鍵詞共現圖譜

圖2中共有網絡節點579個,節點連線1 511條,網絡密度0.009。節點的中心度用來表明某個領域的指標重要程度,由此,按照共現頻次的大小,對關鍵詞進行排序,列舉排名前20的關鍵詞,見表5。其中,深基坑、基坑、風險評估和基坑工程出現的頻次和中心度均排名靠前,而監測、風險評價、風險管理、基坑開挖、數值模擬等關鍵詞出現頻次相對較低,但中心度相對較高,表明這些關鍵詞在深基坑安全風險管理領域缺乏更進一步的探索,具有廣泛深入的研究價值。

表5 排名前20的關鍵詞

關鍵詞聚類分析是將關鍵詞聚成不同的類別,清晰地反映出該領域的研究范圍。本文在圖譜分析前,首先對圖譜的合理性進行綜合判斷,確定圖譜聚類的合理性,通常圖譜繪制的合理性參考聚類模塊值Q與聚類平均輪廓值S兩個指標評價:Q大于0.3,說明圖譜網絡結構合理;S大于0.7,則說明可信[9]。采用對數釋然率(LLR)算法對關鍵詞進行聚類,得到關鍵詞聚類圖譜,見圖3。

圖3 關鍵詞聚類圖譜

繪制的關鍵詞聚類圖譜Q≈0.647,S=0.880 3,表明該圖譜的網絡結構合理,圖譜繪制較為成功。

本文采用對數釋然率(LLR)算法對關鍵詞進行聚類分析,該關鍵詞聚類圖譜中除動態設計(#12)以外的其他聚類單元的容量均大于10,表示聚類效果良好;其次,每個聚類單元的同質性均大于0.7,可認為每個聚類單元中各要素間緊密程度較好,聚類是成功的。這382篇文獻數據被分為13個聚類單元,見表6,分別是深基坑(#0)、基坑(#1)、安全系數(#2)、地鐵(#3)、風險評估(#4)、控制措施(#5)、風險評價(#6)、基坑開挖(#7)、基坑監測(#8)、地鐵車站(#9)、地鐵基坑(#10)、基坑安全(#11)、動態設計(#12)。下面對主要聚類單元進行分析總結。

表6 關鍵詞聚類信息表

1)聚類#0深基坑。基坑工程的顯著特點是綜合性、系統性,尤其是在不同復雜環境下,支護體系的選取、建立及過程監測尤為重要,并要求實現其經濟性與可靠性。

早在1992年,程良奎[10]就結合國內外典型巖土工程,詳細論述了預應力錨桿體系在邊坡加固、地下工程支護、深基坑支擋及結構抗浮中的特點,并提出可以發展錨桿新工藝改善錨固效果,以保證其經濟合理和穩定可靠。2000年,龐寶根[11]分析了深基坑圍體發生流沙的搶救措施,強調了施工中實時數據的動態監測和動態管理的作用。隨著理論研究的不斷深入,更加經濟安全穩定的基坑支護體系應運而生,在特殊險情處置上提出了更有效的應對措施,并取得了良好效果。2021年,馬加志等[12]在富水砂層超深基坑開挖突涌應急處置技術上取得新突破,提出“坑內混凝土反壓+控制坑內水位+外圍注漿圍堵的綜合注漿法”的處置方法,為類似工程預防和應急處置提供了科學參考。2022年,閆騰飛等[13]深入研究了深基坑地連墻支護體系變形規律,解決了因軸力不足、局部應力集中導致支撐失穩的問題,進一步提高了支護結構利用效率。

2)聚類#2安全系數、聚類#11基坑安全。處于城市環境下的深基坑工程,其特點是周邊既包含建筑、交通設施,又有復雜的地下管線。在控制基坑變形過程中,研究者針對不同地質情況,運用有限元思想,結合MIDAS/GTS/NX等模擬軟件,對基坑動態開挖過程進行建模分析,能夠更有效地指導現場施工。例如:運用有限元分析理論,結合空間效應和反演方法,得到樁身受力變形的力學模型[14];從地質特性、事故原因及處理措施等方面更新基坑圍護結構安全性驗算方法[15]。

2010年以后,學者們更多地傾向于從工程環境與建設各方的角度出發,探究影響基坑安全的相關因素,取得重大突破。2015年,閆懷瑞等[16]從工程地質學角度對軟土深基坑中可能出現的不良地質環境效應進行研究;2020年,張立天[17]從建設工程五方責任主體入手,應用基于BIM技術的深基坑安全管理信息集成平臺,形成BIM+安全管控的4D模擬模式,以提高項目的信息化建設。

3)聚類#4風險評估、聚類#6風險評價。風險不單單來源于地質環境、機械等因素,現階段的風險評估還將社會因素作為重點,主要是“人”的因素:工程的實施主體是人,人為差錯會產生管理漏洞,導致在風險決策上產生偏差,引發工程風險;其次建設各方是以利益為共同體的團隊,開發商需要控制投資,設計方要在控制投資的前提下預留最多的安全余量,施工方要節省成本,以上因素也加劇了工程風險。

2009年,許朝陽等[18]綜合施工動態變化和人為差錯失效模式,結合模糊綜合評判法,建立動態風險分析體系,提出風險分析中最急需的是建立工程人為因素數據庫;2012年,張姣[19]通過優化盧克模型,研究深基坑工程的人因失效概率方法,建立以工序為層級的人為差錯模型,并研究每個差錯導致工程失效的概率,使得風險評價結果更準確;2017年,孫開暢等[20]提出動態貝葉斯網絡人為因素風險評價模型,對人為因素進行定量分析,從而達到有效控制事故發生的目的;2019年,王曉彥等[21]對PPP項目各利益相關者的利益訴求和沖突進行博弈分析,認為厘清不同利益主體之間的關系可以有效管控PPP項目風險,建立合理的利益分配和風險分擔機制,有利于激發利益主體的活力。

4)聚類#5控制措施。深基坑工程的風險控制措施,一定程度上基于工程風險分析和風險管理的方法。目前研究者關注的主要風險類型分為社會風險、政治風險和現場風險:社會風險研究主要針對社會風險與利益相關者之間的關系;政治風險主要包括政策對不同類型項目的影響;現場風險則側重環境、人因、管理等因素。此外,建筑領域融入信息化技術,使參建各方信息協同與交互模式發生根本性的變革,隨著大數據、物聯網技術的廣泛應用,出現了結合物聯網技術和WebGIS技術,利用開源Cesium三維可視化引擎以及開源PostgreSQL數據庫,研發出三維深基坑實時監測平臺并成功應用于工程實際,實現了三維可視化和在線監測功能,便于項目管理各方對工程整體的把控。

5)聚類#12動態設計。動態設計理念在巖土工程中具有重要作用,其在巖溶基坑、軟土基坑中的研究較為深入。2000年,范益群等[22]將工程控制論與軟土基坑時空效應理論相結合,提出以時空效應理論為基石的軟土深基坑工程現代設計理念;2017年,黃俊光等[23]結合溶巖地區基坑支護工程,進行信息化的動態設計,在基坑支護選型、支護樁嵌固等方面取得重大突破。

4.2 高頻關鍵詞時序分析

借助CiteSpace軟件中的時間線(Timeline)視圖也可了解該領域的研究關系、發展歷程及演化情況。本文繪制的2000—2021年關鍵詞時間線圖譜見圖4?；臃€定性作為深基坑風險研究開展最早的內容,是一項基礎性研究。從2000—2013年,多數研究是從工程實體的結構展開的,傾向于數值分析。近3年的研究以數據庫為基礎的多元信息化為主,并融合BIM、VR、RFID等可視化信息管理手段,綜合提高深基坑風險管理及預警預報時效。

圖4 關鍵詞時間線圖譜

5 結論與展望

綜上所述,在深基坑安全風險管理研究領域,研究者從不同角度,運用不同的模型及算法,建立了科學的理論體系。隨著國家政策的逐步完善、科學技術的不斷發展,新發展理念對建筑行業提出更高要求,從傳統轉型到數字化賦能,同時融入更多的人本理念,而基坑工程作為建筑施工的起始階段,在規避風險、提升管控能力上值得持續研究。同時,該領域的未來研究方向應側重以下3點:

1)風險評價體系中除考慮施工現場環境、機械、材料、工序的不安全狀態影響外,還應充分考慮人的不安全行為等因素,并賦予相關權重,建立更加全面的指標評價體系。

2)出于各參建方獲利考慮,應深入研究風險分擔、措施保障與收益之間的博弈關系,由不想為而為之轉變成積極應對,提高風險防控意識。

3)基于地區范圍內在建工程的信息庫,對復雜地質、復雜工序的重點項目進行重點監管,可適當接入實時影像資料,用于政府相關管理部門的分級分類監管,同時放開各參建單位的訪問權限,以便于項目各方參考學習。