基于C-OWA算子的地鐵深基坑施工安全可拓評(píng)價(jià)①

趙德鳳, 洪文霞,2,*, 鹿 乘

(1.青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院,山東 青島266520;2.山東省高校智慧城市建設(shè)管理研究中心,山東 青島266520)

0 引 言

現(xiàn)階段,城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐漸加快,交通堵塞、事故頻發(fā)等問(wèn)題日益嚴(yán)重,在此背景下地鐵憑借噪聲小、客流量大、節(jié)約土地資源等特點(diǎn)迅速崛起[1]。地鐵建設(shè)的規(guī)模正在以驚人的速度擴(kuò)大,同時(shí)也存在大量的安全隱患,尤其是地鐵車站的超大、超深基坑施工,其“深、大、緊、近”的特點(diǎn)使得基坑在施工過(guò)程中面臨更多的不確定風(fēng)險(xiǎn)因素。部分學(xué)者對(duì)地鐵深基坑的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究,劉俊偉[2]、王峰[3]、吳波[4]等人利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。申建紅[5]采用基于證據(jù)理論的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);程敏[6]提出采用二元語(yǔ)義和灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方式來(lái)改進(jìn)失效模式,從而對(duì)深基坑施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析;但是地鐵深基坑在施工過(guò)程中存在較多風(fēng)險(xiǎn),各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)并不都存在于同一范圍內(nèi),以上方法很難對(duì)基坑施工過(guò)程的整體安全進(jìn)行評(píng)價(jià),而且權(quán)重計(jì)算過(guò)程易受調(diào)查專家主觀偏好的影響。因此引入基于C-OWA算子的物元可拓綜合評(píng)估模型,采用C-OWA算子對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)賦權(quán),利用關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,從而確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),為下一步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制奠定基礎(chǔ)。

1 深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立科學(xué)合理的指標(biāo)體系是進(jìn)行深基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)?？紤]到基坑工程具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性及不確定性等特點(diǎn),從深基坑施工的主要內(nèi)容入手,在相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]研究的基礎(chǔ)上,遵循《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)要求,從勘察與監(jiān)測(cè)、土方開(kāi)挖、地基處理、基坑支護(hù)、排水降水、施工環(huán)境6個(gè)方面建立了地鐵深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于C-OWA算子的施工安全可拓模型構(gòu)建

2.1 基于C-OWA算子的指標(biāo)權(quán)重確定

C-OWA算子是國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)Yager教授[10]提出的OWA算子的改進(jìn),相比于層次分析法、熵權(quán)法等傳統(tǒng)的賦權(quán)方法,C-OWA算子較好的考慮了專家的主觀偏好,在專家打分的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行組合數(shù)加權(quán)來(lái)確定指標(biāo)的最終權(quán)重,從而確保賦權(quán)過(guò)程的科學(xué)性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過(guò)程如下[11]:

1)邀請(qǐng)n位從事地鐵車站深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理的專家和管理人員對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行重要度打分(1-10),打分結(jié)果用A=｛a1a2…a f…a n｝表示構(gòu)成初始數(shù)據(jù)集,然后將其進(jìn)行降序處理并從0開(kāi)始編號(hào),得到B=｛b0b1…b f…b n-1｝,其中b0≥b1≥b2≥…≥b f≥…b n-1.

3)用組合數(shù)權(quán)重θf(wàn)+1對(duì)初始數(shù)據(jù)集A進(jìn)行加權(quán)處理得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重ωi'

其中,m為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的數(shù)量。

4)進(jìn)行歸一化處理得到最終權(quán)重ωi

2.2 地鐵深基坑施工安全可拓模型

物元可拓以物元分析模型和可拓?cái)?shù)學(xué)為基礎(chǔ),不僅能夠從定性的角度展現(xiàn)事物的物元及變化過(guò)程,而且能夠定量的計(jì)算指標(biāo)與等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度,同時(shí)通過(guò)將不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)化成相容問(wèn)題能夠很好的解決各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不存在于同一范圍內(nèi)的問(wèn)題,利用物元可拓模型對(duì)地鐵深基坑的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),從而較準(zhǔn)確的得出基坑所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),以便更好的采取措施預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

2.2.1 構(gòu)造評(píng)價(jià)物元

設(shè)R表示評(píng)價(jià)物元,N表示地鐵深基坑施工項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn),D表示m個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的集合,即D=｛D1,D2,…,D m｝,V j表示各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的量值,則有

2.2.2 確定經(jīng)典域和節(jié)域

地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)典域?yàn)?

式中:N j為地鐵深基坑施工所劃分的第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),x ij=(a ji,b ji)為對(duì)應(yīng)于V j各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值范圍,即經(jīng)典域。

地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的節(jié)域?yàn)?

式中:N p為地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)所屬的全部等級(jí),V pm表示評(píng)價(jià)指標(biāo)集C關(guān)于N的全部量值范圍,即節(jié)域。

2.2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

式中:K j(D ik)為地鐵深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)中第k個(gè)二級(jí)關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。

2.2.4 確定評(píng)價(jià)等級(jí)

式中:K j(N)表示綜合關(guān)聯(lián)度,ωi表示各指標(biāo)的權(quán)重,K i(V i)表示關(guān)聯(lián)函數(shù)確定的關(guān)聯(lián)度矩陣。

地鐵深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由最大綜合關(guān)聯(lián)度確定,其所在的評(píng)判等級(jí)即為最終風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3 案例分析

為驗(yàn)證該可拓模型的合理性和有效性,對(duì)青島地鐵4號(hào)線某車站深基坑工程展開(kāi)施工風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)。該車站為明挖三層島式站臺(tái)車站,全長(zhǎng)155m,采用明挖順筑法施工,主體基坑深約25m,土石方總量為10.3萬(wàn)m3,由于其靠近村莊且地下水豐富,地質(zhì)復(fù)雜,爆破難度較大,因此面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。

在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,按照《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》的有關(guān)規(guī)定,結(jié)合深基坑工程的實(shí)際特點(diǎn),將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為{很危險(xiǎn)(I)、危險(xiǎn)(II)、中等(III)、安全(IV)、很安全(V)}五級(jí),其對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域?yàn)閧(0,40)、(40,55)、(55,70)、(70,85)、(85,100)},節(jié)域則為(0,100)。

3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

以一級(jí)指標(biāo)為例,首先邀請(qǐng)包括大學(xué)教授、施工管理人員在內(nèi)的6位專家對(duì)該工程中各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的重要程度進(jìn)行1-10打分,且為保證數(shù)據(jù)規(guī)范,打分時(shí)要求為0.5的倍數(shù),分值的高低代表重要度的大小,即分值越高表明該風(fēng)險(xiǎn)越重要。搜集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理得到表1。

表1 各一級(jí)指標(biāo)重要度得分

首先計(jì)算指標(biāo)D1的權(quán)重,對(duì)初始數(shù)據(jù)集依照從大到小的次序進(jìn)行編排后得到向量B={8.0,7.5,7.0,6.5,6.0,5.5},n=6,依據(jù)公式(1)可計(jì)算出各指標(biāo)的加權(quán)向量為θ=(1/32,5/32,10/32,10/32,5/32,1/32),再由公式(2)(3)獲得指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重為6.7500,相對(duì)權(quán)重為0.154。采用同樣的步驟得出其余一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重分別是ω2=0.168,ω3=0.165,ω4=0.178,ω5=0.175,ω6=0.159。借助Matlab軟件,將該計(jì)算步驟進(jìn)行編程,從而計(jì)算出各個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,見(jiàn)表2。

3.2 物元可拓評(píng)價(jià)

(1)確定評(píng)價(jià)物元

首先就該工程的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)狀況向?qū)＜疫M(jìn)行咨詢和訪談,收集相關(guān)研究人員、管理人員及施工人員的意見(jiàn);其次深入青島地鐵4號(hào)線進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,觀察基坑工程的施工過(guò)程,了解風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生狀況;最后邀請(qǐng)參與該工程的10名專家根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行打分,采取百分制原則,分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率越小,選用專家打分結(jié)果的平均分作為依據(jù),綜合考慮工程的實(shí)際情況得到最終得分,如表2所示,即構(gòu)成待評(píng)價(jià)物元。

(2)確定經(jīng)典域和節(jié)域

以“基坑支護(hù)”指標(biāo)為例,其經(jīng)典域?yàn)?/p>

節(jié)域?yàn)?/p>

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(7)(7-1)(7-2)計(jì)算得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的關(guān)聯(lián)度,如表2所示。

表2 地鐵深基坑施工評(píng)價(jià)體系二級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

(4)確定評(píng)價(jià)等級(jí)

將二級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度與各自的權(quán)重應(yīng)用公式(8)進(jìn)行結(jié)合,計(jì)算求得一級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度,并根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大原則確定該工程中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)所處的等級(jí)。以D4為例以矩陣的形式進(jìn)行計(jì)算,其不同等級(jí)的關(guān)聯(lián)度為:

由此可以看出,“基坑支護(hù)”這一風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在青島地鐵4號(hào)線該深基坑工程施工過(guò)程中處于III級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。同理可得到其他一級(jí)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表3所示。

表3 地鐵深基坑施工評(píng)價(jià)體系一級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

?

再根據(jù)上表和公式(8)(9)計(jì)算最終綜合關(guān)聯(lián)度:

最終得出該基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí),即中等。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

1)由表2可以看出,在二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中支護(hù)樁穩(wěn)定性差、降水井破壞、排水系統(tǒng)能力差、土體土層不穩(wěn)定以及基坑涌水等的權(quán)重較大,說(shuō)明其在深基坑施工過(guò)程中對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度較大,在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)著重關(guān)注以避免重大安全事故發(fā)生。

2)由表3可以看出,在實(shí)際工程中,“勘察與監(jiān)測(cè)”指標(biāo)處于很安全狀態(tài),說(shuō)明施工部門(mén)對(duì)勘察資料的準(zhǔn)確性要求較高,當(dāng)發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)預(yù)警較及時(shí),從而能夠較早的采取應(yīng)急方案,降低相關(guān)損失?！巴练介_(kāi)挖”指標(biāo)處于安全狀態(tài),說(shuō)明施工部門(mén)在施工過(guò)程中考慮到了土體土層不穩(wěn)定這一重要因素,采取了一定的措施降低該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率,同時(shí)在基坑開(kāi)挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照制定的方案進(jìn)行,嚴(yán)防超挖或欠挖現(xiàn)象出現(xiàn),以便進(jìn)一步達(dá)到“很安全”狀態(tài)?！暗鼗幚?、基坑支護(hù)、排水降水、施工環(huán)境”四個(gè)指標(biāo)均處于“中等”狀態(tài),其中“基坑支護(hù)”的二級(jí)指標(biāo)“支護(hù)樁穩(wěn)定性差”和“排水降水”的二級(jí)指標(biāo)“排水系統(tǒng)能力差”都與“危險(xiǎn)”相關(guān)聯(lián),應(yīng)該引起高度重視。該地鐵深基坑施工單位要確保在對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行全面勘察的基礎(chǔ)上,深入分析地基土的土層性質(zhì),設(shè)計(jì)該工程項(xiàng)目最優(yōu)的深基坑支護(hù)方案,并加強(qiáng)支護(hù)樁、柱的質(zhì)量,同時(shí),制定嚴(yán)格的排水和降水方法,實(shí)時(shí)對(duì)排水系統(tǒng)能力進(jìn)行監(jiān)測(cè),制定有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和控制措施,避免安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生,并逐漸向“安全”狀態(tài)過(guò)渡。

3)評(píng)價(jià)最終結(jié)果顯示該地鐵深基坑的安全風(fēng)險(xiǎn)處于中等狀態(tài),說(shuō)明工程存在較多的潛在風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加大各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的管控力度,按照相關(guān)規(guī)定,采取有力的措施對(duì)不合格的地方進(jìn)行整改,進(jìn)一步提高地鐵深基坑施工的安全水平。

4 結(jié) 論

通過(guò)運(yùn)用基于C-OWA算子的安全可拓模型對(duì)地鐵深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),得到以下結(jié)論:

(1)在已有相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合深基坑施工的實(shí)際特點(diǎn),著手于施工的全過(guò)程,建立了包含6個(gè)一級(jí)指標(biāo)和18個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,能夠更加全面的評(píng)估地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)情況。

(2)將C-OWA算子和物元可拓模型引入地鐵深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,在充分考慮專家主觀偏好的前提下利用C-OWA算子確定指標(biāo)的權(quán)重及重要度排序,采用物元可拓模型定量的計(jì)算指標(biāo)與等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度,從而更加客觀準(zhǔn)確的得出較為重要的風(fēng)險(xiǎn)因素及工程的實(shí)際安全狀態(tài)。

(3)以青島地鐵4號(hào)線某深基坑實(shí)際工程為依托,得出該基坑的施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí),即中等風(fēng)險(xiǎn),與實(shí)際施工情況一致,并分析了各個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)及相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)處理措施,為進(jìn)一步實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和控制提供參考。