模糊綜合評估法在地鐵超深基坑施工風(fēng)險評估中的應(yīng)用

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1 概述

近年來，隨著大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的逐步建成，地下?lián)Q乘車站逐漸增加，基坑開挖深度越來越大，地鐵超深基坑所占比例逐漸提高。

深基坑工程施工受施工區(qū)域水文地質(zhì)條件、施工工藝、周邊環(huán)境等多重因素共同影響，施工難度高，風(fēng)險概率大，一旦發(fā)生事故將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重社會影響，因此，施工前有必要對工程進(jìn)行風(fēng)險評估，以便于做好風(fēng)險全過程控制與管理[1,2]。

目前，風(fēng)險估計的方法很多，包括專家調(diào)查法、層次分析法、事故樹法、模糊綜合評估法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3]。前3 種方法簡單方便，應(yīng)用較為廣泛，后兩者計算過程復(fù)雜，目前應(yīng)用相對較少。而模糊綜合評估法則是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)方法對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞鞒隹傮w評價，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。因此，本文選擇用模糊綜合評估法對地鐵超深基坑施工進(jìn)行風(fēng)險估計。

2 工程概況

某地鐵車站為地下6 層島式站臺結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)準(zhǔn)段長約150 m，寬度約25 m，開挖深度30 m，采用框架逆作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻厚1 200 mm，主體結(jié)構(gòu)墻深為55 m，豎向設(shè)10 道支撐，第1道為混凝土支撐，第4、6、8道為下3、下4、下5層板框架逆作，其他為鋼支撐，其中第5道鋼支撐需移位，除第9、10道鋼支撐為φ800 mm鋼支撐外，其他均為φ609 mm鋼支撐。

場區(qū)地下土層⑥層受第⑤1c層切割缺失，而⑦層埋深比較深。上部均為飽和黏性土，基坑影響深度范圍內(nèi)揭露的第⑦1層砂質(zhì)粉土層屬第1承壓含水層，⑨1層屬第2承壓含水層。

基坑周邊保護(hù)建筑物眾多。其中，標(biāo)準(zhǔn)段西側(cè)距離某公寓約16 m；北端頭井距離某商廈最近距離為14 m；東南側(cè)地下5 層附屬結(jié)構(gòu)距離某高層建筑最近為5 m。經(jīng)勘查，周邊地下重要市政管線及地面架空線比較多，場內(nèi)有1根φ1 m的上水管橫穿地鐵車站，埋設(shè)深為1.2 m，因此，施工時需要重點(diǎn)保護(hù)。

3 風(fēng)險源識別

風(fēng)險源識別是指在風(fēng)險事故發(fā)生之前，結(jié)合工程實際情況系統(tǒng)地認(rèn)識所面臨的各種風(fēng)險以及分析風(fēng)險事故發(fā)生的潛在原因。本工程難點(diǎn)主要在于：

1）場地地處繁華市中心，場地范圍內(nèi)原建筑密度大，且在城市歷史發(fā)展進(jìn)程中經(jīng)歷了多次重建、改建和擴(kuò)建，地下障礙物頗多，埋深范圍大。北側(cè)施工范圍內(nèi)有多座人防沉井等障礙物，外包φ10 m，底板埋深約15 m。地下連續(xù)墻施工之前需進(jìn)行清障處理，因此對導(dǎo)墻的施工要求極為嚴(yán)格。

2）地下連續(xù)墻厚度1.2 m，深約55 m，施工中對成槽設(shè)備性能、槽壁穩(wěn)定要求極高，鋼筋籠質(zhì)量最大約65 t，整體吊裝對鋼筋籠制作的整體剛度和吊裝機(jī)械的要求也都相當(dāng)高，如何組織好地下連續(xù)墻施工是本工程的一個關(guān)鍵點(diǎn)。

3）由于基坑開挖深度比較深，因此對自身變形控制的要求也高。

4）建設(shè)場地地下分布有⑤1c層、⑦層等粉砂土，在基坑開挖時易產(chǎn)生流砂及管涌現(xiàn)象；同時存在埋深7.2 ～11.3 m的第⑦層粉砂層承壓水，同時基坑降水又會對周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯不利影響，實施難度大。

綜合以上因素，運(yùn)用專家調(diào)查法，識別出本工程的施工風(fēng)險源如表1所示。

表1 施工風(fēng)險源

4 基于模糊綜合評估法的風(fēng)險評估

模糊綜合評估法應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對目標(biāo)對象所涉及到的因素進(jìn)行單一評判，然后綜合各方面的情況，對目標(biāo)對象給出綜合評判。模糊綜合評估法的步驟分為四步，具體如下[4-6]。

4.1 第一步：建立因素集和評判集

設(shè)U=｛u1，u2…，un｝為n種因素構(gòu)成的集合，稱為因素集；設(shè)V=｛v1，v2…，vm｝為m種判斷所構(gòu)成的集合，稱為評判集。

評判集表示被評價對象對各指標(biāo)等級隸屬程度的信息，體現(xiàn)了評判的模糊特性。在多因素的風(fēng)險綜合評估體系中，風(fēng)險指標(biāo)體系的建立是前提條件，是整個評估問題的核心，風(fēng)險因素指標(biāo)的選取應(yīng)結(jié)合風(fēng)險的識別和單個風(fēng)險因素的評估結(jié)果來進(jìn)行。因素集用于確定評價因素體系，解決從哪些因素來評價客觀對象的問題。在復(fù)雜的風(fēng)險評估系統(tǒng)中，需要考慮的因素往往很多，因素還要分成若干層次，形成評估樹狀結(jié)構(gòu)，對各層次的因素劃分評估等級。

各層次劃分的評估等級數(shù)應(yīng)相同、上一層次與下一層次劃分的評估等級要有一一對應(yīng)的關(guān)系，以便數(shù)學(xué)處理運(yùn)算，并確定各因子的隸屬函數(shù)，并以此求得各層次的模糊矩陣。

根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》（GB 50652—2011），建立評判集V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝，等級值取為V＝｛5，4，3，2，1｝。根據(jù)表1識別出的施工風(fēng)險源，一級風(fēng)險源包括4 個因素：地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地基處理、基坑開挖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每個一級風(fēng)險源又可分解為若干二級風(fēng)險源，具體如表1所示。

4.2 第二步：建立綜合評判矩陣

通過建立模糊隸屬函數(shù)的方法生成綜合評判矩陣R=（rij）n×m。其中，rij表示因素ui對評判vj的隸屬度，ri·=（ri1，ri2，…，rim）表示因素ui對評判集V的隸屬向量，由n個隸屬向量生成判斷矩陣R=（r1·，r2·，…，rn·）T。

在普通集合理論中，任何一個元素或者是屬于某集合U，或者是不屬于它。而在模糊集合理論中，由于存在著模糊性，論域中的元素對一個模糊子集的關(guān)系就不再是“屬于”和“不屬于”那么簡單，其對該模糊子集的隸屬程度大小即為隸屬度，取值在0～1之間。v1～v5隸屬函數(shù)和參數(shù)的選擇如下。

v1的隸屬函數(shù)采用降半梯形分布函數(shù)，參數(shù)a1取1，a2取3，即：

v2、v4的隸屬函數(shù)采用尖Γ分布函數(shù)，參數(shù)a分別取2，4，k取2，即：

v3的隸屬函數(shù)采用降半梯形正態(tài)分布函數(shù)，參數(shù)a取3，k取2，即：

v5的隸屬函數(shù)采用升半梯形分布函數(shù)，參數(shù)a1取3，a2取5，即：

根據(jù)地質(zhì)條件和施工方法參數(shù)綜合評估，通過專家調(diào)查，得出二級風(fēng)險源的風(fēng)險等級如表1。

現(xiàn)以工程中地下連續(xù)墻施工為例，將單因素風(fēng)險等級值依次帶入v1～v5的5 個隸屬函數(shù)，得到一個3 行5 列的模糊變換矩陣：

4.3 第三步：綜合評判

對于因素集U上的模糊集A=（a1，a2，…，an），通過R變換為評判集V上的模糊集：

以地下連續(xù)墻施工為例，根據(jù)層次分析法，得到權(quán)重向量：

A1=[0.16 0.467 0.278 0.095]

合成運(yùn)算采用加權(quán)平均，計算結(jié)果為：

同理，求得B2=[0.833 0.424 0.045 0.006 0] ；

4.4 第四步：計算綜合評判值

N=W。B

其中W=[w1，w2，…，wm]是評判集的權(quán)值分配向量，按照普通矩陣的乘法，可得到綜合評判值。

假設(shè)4 個一級風(fēng)險源權(quán)重相當(dāng)，分別取0.25，則模糊評價向量

根據(jù)“最大隸屬度原則”，判斷該地鐵超深基坑總體風(fēng)險等級為一級。故在基坑施工過程中，必須采取嚴(yán)格控制措施，避免風(fēng)險事故的發(fā)生。從安全管理方面來說，可以在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行條件驗收，對施工前的安全條件進(jìn)行梳理和驗證，若施工準(zhǔn)備不充分或達(dá)不到要求者不得開工，真正做好風(fēng)險預(yù)控，杜絕重大安全事件發(fā)生。從質(zhì)量控制方面來說，需要做好一個分部或分項工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)條件驗收，對上道工序進(jìn)行驗收檢查，對下道工序做好預(yù)控檢查。

5 結(jié)語

從以上模糊綜合評估的過程可以看出：模糊綜合評估結(jié)果本身是一個向量，而不是一個單點(diǎn)值，并且這個向量是一個模糊子集，較為準(zhǔn)確地刻畫了對象本身的模糊狀況，提供的評價信息比其他方法更全面更系統(tǒng)。

應(yīng)用模糊綜合評估法進(jìn)行工程風(fēng)險評估的關(guān)鍵在于2 個方面：一是風(fēng)險源識別。不同深基坑工程風(fēng)險源差別很大，要結(jié)合工程特點(diǎn)和難點(diǎn)確定；二是隸屬函數(shù)確定。在進(jìn)行模糊評估時，如何確立各個因素對應(yīng)于各個評估等級的隸屬程度的大小，是整個評估能否進(jìn)行的關(guān)鍵。隸屬函數(shù)選擇要結(jié)合評估參數(shù)的實際分布情況確定[7,8]。