基于集對理論及模糊層次分析的深基坑施工風(fēng)險評價

斯建寧

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067)

隨著城市化的高速發(fā)展，興建了大量地下交通運輸網(wǎng)和高層建筑，城市建筑密集地區(qū)的深基坑工程日益增加。當前我國新建深基坑工程存在與周邊建筑距離近、地下管網(wǎng)密布、工程地質(zhì)復(fù)雜、施工場地狹窄等實況，這些現(xiàn)狀決定了基坑施工過程中必定存在各種不確定性風(fēng)險。如何有效評價深基坑工程施工風(fēng)險，確保工程施工安全已成為當前研究的熱點問題[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對深基坑施工風(fēng)險開展了大量研究[3-7]，Zhou等[8]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了深基坑施工風(fēng)險模糊綜合評價模型，得出深基坑施工過程中各風(fēng)險因子發(fā)生概率；杜修力等[9]基于證據(jù)理論對長春輕軌三期偽皇宮地下車站深基坑施工風(fēng)險進行評價，得到各風(fēng)險指標的估值，實現(xiàn)了風(fēng)險分級；張勝昔等[10]建立了基于灰色系統(tǒng)理論及模糊層次分析法的深基坑施工風(fēng)險評價模型，成功應(yīng)用于青島膠南市某深基坑施工風(fēng)險評價中，得到各風(fēng)險指標的等級排序；王景春等[11]提出了一種基于熵權(quán)二維云模型的風(fēng)險評價方法，定量評價了地鐵車站深基坑施工風(fēng)險等級，取得了較好的效果。

由于深基坑安全施工的風(fēng)險因子較多，施工風(fēng)險難以定量描述，且每個項目各具特色，因此本文在借鑒國內(nèi)外深基坑工程案例的基礎(chǔ)上，依托某高層建筑深基坑工程，識別深基坑施工可能發(fā)生的主要風(fēng)險，采用模糊層次分析法，基于集對理論對深基坑施工風(fēng)險進行分級，建立風(fēng)險評價指標體系，確定各風(fēng)險指標的權(quán)重，提出施工風(fēng)險應(yīng)對措施。

1 基本理論

1.1 集對理論

集對分析法的核心思想是將某一客觀事物中具有一定聯(lián)系的集合A、B組成一個集對H=(A,B)，并從同、異、反3個方面系統(tǒng)研究集合A、B的特性。在集對分析過程中，通常將“同關(guān)系”與“反關(guān)系”劃分為確定性特征，將“異關(guān)系”稱為不確定性特征，并認為同、異、反三者相互聯(lián)系、相互影響、相互制約，又在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化，主要通過聯(lián)系度概念來刻畫系統(tǒng)的不確定性特征，即建立集對H=(A,B)的聯(lián)系度μ(A,B)，表達式為[12]：

(1)

式中：N表示集對中所具有的特性總數(shù)；S、P、F表示集對中 2 個集合的相同特性數(shù)、相反特性數(shù)、既不相同又不相反的特性數(shù)；a、b、c表示集對中 2 個集合在指定問題背景下的同一度、差異度、對立度，且a+b+c=1；i表示差異度系數(shù)，i∈[-1,1]；j表示對立度系數(shù)，恒取為-1。

1.2 模糊層次分析理論

采用模糊層次分析法確定深基坑施工風(fēng)險各項評價指標權(quán)重的基本過程，大致可劃分為以下 5 個基本步驟[13-14]：1) 采用專家調(diào)查法構(gòu)建評價問題的指標體系{ai|i=1,2,…,n}，并構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)；2) 綜合考慮場區(qū)地質(zhì)條件、深基坑設(shè)計、施工技術(shù)及周邊工況等因子，采用 1～9 標度法對各層評價指標進行兩兩重要性比較，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造判斷矩陣；3) 采用特征根法計算判斷矩陣最大特征值λmax及相應(yīng)的特征向量{ωi|i=1,2,…,n}；4) 對特征向量進行一致性檢驗；5) 評價指標權(quán)重計算。

2 風(fēng)險評價指標體系

根據(jù)深基坑設(shè)計、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境情況，可將深基坑施工風(fēng)險評價指標分為：設(shè)計風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、降水風(fēng)險、管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險5個一級指標和設(shè)計荷載取值不當、土體強度指標失真、未嚴格依照規(guī)范設(shè)計、設(shè)計人員技術(shù)水平差、施工方法不當、施工人員技術(shù)水平差、施工超挖、錨索預(yù)應(yīng)力施加不當、排水系統(tǒng)破壞、排水引起的地表沉降、承壓水突涌、降水措施不到位、基坑未及時支護、棄土位置不當、施工管理不嚴、水文地質(zhì)條件差、氣候影響土體強度變化、周邊環(huán)境條件復(fù)雜18個二級指標，如圖1所示。

圖1 深基坑施工風(fēng)險評價指標體系

3 風(fēng)險綜合評價模型

3.1 指標權(quán)重的確定方法

采用層次分析法對風(fēng)險因子權(quán)重計算，并進行一致性檢驗得到二級評價指標判斷矩陣A1、A2、A3、A4、A5和一級評價指標的判斷矩陣A總，如表1所示。由表1可知，引起深基坑施工風(fēng)險的主要因子是技術(shù)風(fēng)險、設(shè)計風(fēng)險和降水風(fēng)險。盡管管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險能夠極大地影響風(fēng)險發(fā)生的可能性和后果，但所占權(quán)重小于技術(shù)、設(shè)計和降水風(fēng)險。

表1 深基坑施工風(fēng)險評價指標權(quán)重值

依據(jù)文獻[15]中的量化指標及其標準將各二級評價指標等級進行量化處理，其量化標準如表2所示。然后，可根據(jù)評價指標的實測信息與表2綜合確定各二級評價指標的實際值。

表2 指標評價等級量化標準

3.2 指標聯(lián)系度的確定方法

將深基坑施工風(fēng)險評價等級劃分為Ⅰ級(非常有利)、Ⅱ級(較有利)、Ⅲ級(一般)、Ⅳ級(較不利)、Ⅴ級(很不利)5個等級。再將深基坑施工風(fēng)險的各評價指標與評價標準組成一個集對，符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級標準的分別作為同一度、差異偏同度、差異度、差異偏反度和對立度。再結(jié)合聯(lián)系度表達式(1)，可建立深基坑施工風(fēng)險評價的五元聯(lián)系度表達式為：

(2)

式中：n表示第n項評價指標；N總表示評價指標總數(shù)；SⅠ表示符合Ⅰ級標準的評價指標個數(shù)；F1、F2、F3分別表示符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級標準的評價指標個數(shù)；PⅤ表示符合Ⅴ級標準的評價指標個數(shù)。

1) 二級子系統(tǒng)的五元聯(lián)系度

針對二級子系統(tǒng)各評價指標，本文將采用現(xiàn)有聯(lián)系度計算方法確定各個評價指標實測值相對于評價標準的聯(lián)系度，其表達式為：

(3)

式中：m為一級子系統(tǒng)中第m個評價指標；k為第m個評價指標所對應(yīng)的第k個二級評價指標；S1～S5分別為第k個二級評價指標Ⅰ～Ⅴ級評價標準所對應(yīng)的限值；x為各評價指標的實際值。

為進一步確定一級子系統(tǒng)的五元聯(lián)系度和綜合評價的五元聯(lián)系度，可結(jié)合式(3)，將二級子系統(tǒng)的五元聯(lián)系度表達式寫成：

μmk=rmk1+rmk2i1+rmk3i2+rmk4i3+rmk5j

(4)

式中：rmk1～rmk5為聯(lián)系度分量，取值范圍均為[0, 1]，且滿足rmk1+rmk2+rmk3+rmk4+rmk5= 1。

2) 一級子系統(tǒng)的五元聯(lián)系度

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5j

(5)

式中：rm1+rm2+rm3+rm4+rm5= 1，rml=ωmk·rmkl(l= 1, 2, 3, 4, 5)。

3) 綜合評價的五元聯(lián)系度

μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(6)

3.3 深基坑施工風(fēng)險等級判定方法

求出綜合評價的五元聯(lián)系度后，再依據(jù)最大原則，選取最大聯(lián)系度分量所對應(yīng)的評價標準作為深基坑施工風(fēng)險評價等級，其計算公式為：

δ=max{ri} (i=1,2,3,4,5)

(7)

當綜合評價的五元聯(lián)系度中對應(yīng)于各評價標準的聯(lián)系度分量出現(xiàn)最大值和次大值較接近的情況時，從深基坑施工安全角度考慮，將兩者中所對應(yīng)的較高風(fēng)險等級作為最終判定結(jié)果。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

1) 地質(zhì)條件

某高層建筑深基坑工程，該建筑物共29層，建筑外地面標高71.1 m，設(shè)計地下室底板標高62.1 m，基坑底標高61.1 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級，基坑工程狀況如圖 2 所示。施工場地基坑地層分布自上而下為：第①層雜填土，由粘性土、建筑垃圾等堆填，松散飽和狀態(tài)，層厚0.5 m～4.2 m；第②層粉質(zhì)粘土，殘積形成，硬塑飽和狀態(tài)，層厚0.6 m～6.0 m；第③層強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育，層厚8.4 m～19.2 m；第④層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，局部夾砂巖，裂隙較發(fā)育，層厚10.0 m～15.6 m。根據(jù)勘測結(jié)果，穩(wěn)定水位標高為58.0 m～65.0 m。

圖2 基坑照片

2) 基坑支護

在平面上將基坑側(cè)壁分為4段，分別為ABC段、CD段、DEF段和FA段。其中ABC段、CD段、DEF段采用放坡與土釘墻+預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合的支護方式，而FA段沒有放坡空間，采用土釘墻加鋼管樁的支護方式，具體如表3所示。

表3 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3) 基坑排水

由于在坡面可見污水出露，用Φ150 mm PVC排水管接至主干道污水管網(wǎng)中；網(wǎng)噴坡面按3 m×3 m布置泄水管，孔深1.0 m，孔徑120 mm，內(nèi)置Φ50PVC花管排水。

4) 基坑監(jiān)測

樁頂水平位移及沉降監(jiān)測點間距小于20 m；坡后地面水平位移及沉降監(jiān)測點間距小于15 m；基坑支護樁后側(cè)布置測斜孔，從地表測至樁底；在各排錨索近錨頭處設(shè)置監(jiān)測點監(jiān)測錨索應(yīng)力；在基坑周邊地下管線布置沉降觀測點。

4.2 指標聯(lián)系度的確定

依托某高層建筑深基坑工程案例，依據(jù)表2指標評價等級量化標準，采用問卷調(diào)查形式邀請10位國內(nèi)知名基坑工程專家，對各二級評價指標實際值逐一進行評分，同時再考慮到各位專家權(quán)重，將評分結(jié)果進行加權(quán)平均處理，即可得到各二級評價指標實際值，如表4所示。

表4 深基坑施工風(fēng)險各二級評價指標實際值

根據(jù)前文所建立的深基坑施工風(fēng)險集對分析模型進行計算分析，首先將表4中各二級評價指標實際值代入式(3)，再分別求取各二級評價指標的五元聯(lián)系度。然后，根據(jù)式(4)、式(5)以及評價指標權(quán)重值，得到該深基坑施工風(fēng)險一、二級評價指標五元聯(lián)系度，計算結(jié)果如表5所示。由表5可知，一級評價指標的風(fēng)險等級排序為：環(huán)境風(fēng)險(Ⅳ級)>降水風(fēng)險(Ⅳ級)>技術(shù)風(fēng)險(Ⅳ級)>設(shè)計風(fēng)險(Ⅲ級)>管理風(fēng)險(Ⅲ級)。

4.3 深基坑施工風(fēng)險等級判定

將一級評價指標五元聯(lián)系度和指標權(quán)重值代入式(6)可得到綜合評價的五元聯(lián)系度表達式為：μ=0.045+0.140i1+0.354i2+0.368i3+0.093j，得出其相對于Ⅳ級風(fēng)險的同一程度最大，為36.8%，故判定該深基坑施工風(fēng)險等級為Ⅳ級(高度風(fēng)險)，與該工程實際情況相吻合。深基坑施工風(fēng)險評價集對分析模型在該高層建筑深基坑工程中的成功應(yīng)用證明了集對分析法用于深基坑施工風(fēng)險評價具有較高的準確度，能很好地滿足工程應(yīng)用需求。

表5 風(fēng)險判別結(jié)果

5 結(jié)束語

1) 選取設(shè)計風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、降水風(fēng)險、管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險 5 個一級指標和 18 個二級指標，基于集對理論及模糊層次分析法建立了深基坑施工風(fēng)險評價模型。

2) 運用該模型對某高層建筑深基坑施工風(fēng)險進行評價，得到該深基坑施工風(fēng)險等級為Ⅳ級(高度風(fēng)險)，其中一級評價指標的風(fēng)險等級排序為：環(huán)境風(fēng)險(Ⅳ級)>降水風(fēng)險(Ⅳ級)>技術(shù)風(fēng)險(Ⅳ級)>設(shè)計風(fēng)險(Ⅲ級)>管理風(fēng)險(Ⅲ級)。

3) 基于集對理論及模糊層次分析的深基坑施工風(fēng)險評價模型能夠有效評判深基坑施工的風(fēng)險水平，驗證了該模型的適用性與有效性，可為后續(xù)同類深基坑工程施工風(fēng)險控制提供參考。