一種深基坑開挖風險控制方法設(shè)計與仿真

劉艷萍，姜 岳*，許曉文，張立峰

(1. 河北水利電力學院土木工程系，河北 滄州 061001；2. 河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

1 引言

地下綜合體、高層建筑、地下車庫和地下隧道等建筑在城市建設(shè)速度不斷提高的背景下逐漸興起。建筑整體的穩(wěn)定性依靠埋深，基坑工程為了擴大地下空間開始向大深度、大面積方向發(fā)展。相關(guān)管理人員和施工人員在設(shè)計這些工程時面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。技術(shù)的管理水平和發(fā)展速度在大量工程的實踐下不斷提升，但同時在工程的不同方面也面臨著更多的危險。針對深基坑風險，國內(nèi)外的相關(guān)研究還處于起步階段，關(guān)于深基坑開挖風險的研究較少。在實際應用和理論方面缺少定量和定性的風險評判和風險控制方法，因此需要對深基坑開挖風險控制方法進行分析和研究。

陳楠在WBS-RBS兩個方面選取滲流破壞、支撐失穩(wěn)、突涌破壞、土體滑坡和機械傷人等因素建立風險評價指標體系，排序初始專家決策數(shù)據(jù)，并通過IOWA算子對風險指標的權(quán)重進行計算，針對邊界權(quán)值，利用相關(guān)系數(shù)進行調(diào)整，結(jié)合灰色聚類評價方法實現(xiàn)基坑開挖風險的評價，根據(jù)評價結(jié)果對其進行控制，該方法無法準確地識別深基坑開挖過程中存在的風險，存在風險識別率低的問題。王建波等人在WBS-RBS的基礎(chǔ)上獲取風險因素，采用層次分析法對風險因素進行計算，建立指標體系，以此為依據(jù)構(gòu)建評判矩陣，通過數(shù)據(jù)包絡對風險指標的權(quán)重進行計算，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡中輸入指標權(quán)重值，完成風險的預測控制，該方法沒有對深基坑開挖過程進行分析，導致風險誤判率高。申建紅等人在D-S證據(jù)理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建風險評價模型，通過COWA算子計算風險指標的權(quán)重，mass函數(shù)選取高斯隸屬度函數(shù)，結(jié)合權(quán)值分配方法和矩陣分析方法對專家評價意見進行融合處理，完成風險評估，該方法得到的評估結(jié)果均方根誤差較大，存在風險控制效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法。

2 深基坑開挖風險指標體系

2.1 風險識別

復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法通過事故樹分析方法對深基坑開挖風險進行分析和識別?？梢垣@得產(chǎn)生深基坑開挖風險的直接原因，還可以獲得深基坑開挖風險的潛在原因，事故樹分析方法在不同領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。

2.2 指標體系

采用事故樹分析方法結(jié)合深基坑開挖風險致因，對開挖關(guān)鍵風險進行識別，在“4M1E”系統(tǒng)安全理論、相關(guān)標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合深基坑施工技術(shù)難度和復雜環(huán)境等特點，遵循可行性原則、客觀性原則和科學性原則建立深基坑開挖風險評價指標體系，具體指標體系如表1所示。

表1 深基坑開挖風險指標體系

3 深基坑開挖風險評估

復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法采用模糊綜合評判法對深基坑開挖風險進行評價。模糊綜合評判法在系統(tǒng)評估和風險評估等領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法采用模糊綜合評判法一級模糊綜合評價處理子制約層中存在的因素，并二級模糊綜合評價深基坑開挖風險等級。

3.1 評語集

根據(jù)構(gòu)建的深基坑開挖風險指標體系，用U={U}表示深基坑開挖風險評價指標，U描述的是不同的影響因素。深基坑開挖安全性通常情況下可以分為不安全、很安全、較安全和安全四個等級，深基坑開挖風險可通過上述等級得以反映，構(gòu)建深基坑開挖風險評判語等集V

V

={很安全，安全，較安全，不安全}

(1)

量化處理上述評判等級，減少計算量V={4，3，2，1}。

3.2 評判矩陣

邀請多名專家作為評估組，采用德菲爾法確定針對評語等級集合V不同風險評估指標的隸屬度，構(gòu)建評判矩陣R。

1)邀請若干名專家對下述因素集U、U、U、U、U、U進行評分

(2)

在評語等級集合V中不同風險評價指標的隸屬度為r，隸屬度在區(qū)間(0，1)內(nèi)取值，深基坑開挖風險等級的影響因素可通過隸屬度r得以反映，深基坑風險開挖風險受風險評價指標的影響程度隨著隸屬度r增大而增大。

選取多名專家對影響因素U進行評價，評語v、評語v、評語v和評語v的數(shù)量分別為m、n、p、q，則影響因素U的隸屬向量R可通過下式進行描述

(3)

2)模糊綜合評判

根據(jù)評判側(cè)重點的不同，模糊綜合評判可以分為以下幾種：

1)加權(quán)平均型；

2)主因素突出型；

3)主因素決定型。

所提方法選用加權(quán)平均型模糊綜合評價模型對深基坑開挖風險進行評價。

3.3 風險模糊評價

一級模糊綜合評判：

復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法建立如下加權(quán)平均型模糊綜合評價模型R

R

=

A

′×

R

′

(4)

式中，R為針對V影響因素對應的隸屬向量；R′為單因素評判矩陣；A′為影響因素對應的權(quán)重向量。

設(shè)B代表的是針對評語等級集合V深基坑開挖風險評價指標U對應的向量，該向量可通過評判矩陣R和風險評價指標U對應的權(quán)向量A計算得到，其表達式如下

B

=

A

×

R

(5)

二級模糊綜合評判：

在二級評判過程中通過上述獲取的一級評判結(jié)果R構(gòu)成評判矩陣，針對評判語集合，影響因素對應的隸屬向量B可通過二級評判矩陣R和風險評價指標U對應的權(quán)向量A計算得到，歸一化處理隸屬向量B。

3.4 綜合價值系數(shù)

用四分制表示深基坑開挖風險，分別用4分、3分、2分和1分表示“很安全、安全、較安全、不安全”，構(gòu)建向量C，其表達式如下：

C

=[4，3，2，1]

(6)

通過上述計算結(jié)果，獲得深基坑開挖風險的最終得分W，其計算公式如下：

W

=

B

×

V

(7)

1)當W在區(qū)間(0，1.5)內(nèi)取值時，表明深基坑開挖不安全；

2)當W在區(qū)間(3.5，4)內(nèi)取值時，表明深基坑開挖很安全；

3)當W在區(qū)間(1.5，2.5)內(nèi)取值時，表明深基坑開挖較安全；

4)當W在區(qū)間(2.5，3.5)內(nèi)取值時，表明深基坑開挖安全。

4 深基坑開挖風險控制

根據(jù)上述風險評價結(jié)果制定深基坑開挖風險控制策略，并對深基坑開挖風險的發(fā)展情況進行監(jiān)測，為了達到期望目標需要糾正目標發(fā)生的偏差。

4.1 風險跟蹤管理

管理、監(jiān)測、跟蹤風險因子的狀態(tài)就是風險跟蹤管理的目的，在實施風險控制措施的過程中，需要進行檢查和督促工作，并監(jiān)測沒有識別的開挖風險，對其進行及時處理。深基坑開挖風險跟蹤管理的主要工作如下：

1)查詢并記錄深基坑開挖風險的發(fā)生狀況；

2)動態(tài)管理深基坑開挖風險的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

3)監(jiān)測深基坑開挖過程中的突發(fā)風險和已辨識風險。

通過上述工作內(nèi)容及時發(fā)現(xiàn)深基坑開挖過程中的危險情況和異常情況，并制定相應的控制策略。

4.2 風險預警

根據(jù)深基坑開挖工程的特點，制定相關(guān)預警標準是風險預警工作中的重點內(nèi)容，具體內(nèi)容是建立深基坑開挖風險事故與監(jiān)測結(jié)果之間的對應關(guān)系，并動態(tài)評價監(jiān)測結(jié)果。如果發(fā)現(xiàn)深基坑開挖過程中存在危險狀態(tài)和異常狀態(tài)，需要進行相關(guān)預警，并制定相應的風險控制策略。

5 實驗與分析

為了驗證復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法的整體有效性，需要對深基坑開挖風險控制方法進行測試。

分別采用復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對深基坑開挖過程中存在的風險進行識別，對比不同方法的識別率和誤判率，測試結(jié)果分別如圖1所示。

圖1 不同方法的風險識別率與誤判率

對圖1(

a

)進行分析可知，采用所提方法對深基坑開挖風險進行判別時，獲得的識別率均在80

%

以上，誤判率均在10

%

以下，對圖1(

b

)和圖1(

c

)中的數(shù)據(jù)進行分析可知，文獻[3]方法和文獻[4]方法的識別率較低、誤判率較高。對比所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的測試結(jié)果可知，三種方法對環(huán)境因素中存在的風險進行識別時，獲得的識別率均較低，因為環(huán)境因素的不可控性較高，因此在眾多因素中，該因素的識別率較低，在相同風險因素下，所提方法獲得的識別率均高于文獻[3]方法和文獻[4]方法，獲得的誤判率是三種方法中最低的。

通過上述測試結(jié)果可知，所提方法可準確地識別深基坑開挖過程中存在的風險，并對其進行判斷。因為所提方法采用事故樹分析方法分析了事故發(fā)生因素，以此為依據(jù)對開挖過程中存在的風險進行識別與判斷，提高了所提方法的風險識別率，降低了所提方法的風險誤判率。

將均方根誤差作為指標，采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對深基坑開挖風險進行評估，對比不同方法評估結(jié)果的均方根誤差，均方根誤差越小，表明方法的評估結(jié)果越準確，風險控制效果越好，相反，均方根誤差越大，表明方法的評估結(jié)果與實際值之間的誤差越大，風險控制效果越差，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的均方根誤差測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的均方根誤差

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，隨著迭代次數(shù)的增加，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的均方根誤差均有所下降，但在相同迭代次數(shù)下，所提方法的均方根誤差遠低于文獻[3]方法和文獻[4]方法的均方根誤差，表明所提方法可準確地完成深基坑開挖風險的評價，制定相應的風險控制策略，提高了方法的風險控制效果。

6 結(jié)束語

我國建筑形式和結(jié)構(gòu)隨著地下空間和高層建筑的大量開發(fā)變得越來越復雜，在此背景下人們提高了對深基坑工程的要求。地下管線和附近建筑物在深基坑施工過程中產(chǎn)生的附加變形程度都不相同。在復雜地質(zhì)條件下開挖深基坑時的施工和設(shè)計難度較大，容易發(fā)生風險事故，因此對深基坑開挖風險事故控制方法進行研究具有重要意義。目前深基坑開挖風險控制方法的風險識別率低、風險誤判率高、風險控制效果差，提出復雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風險控制方法，該方法根據(jù)深基坑開挖風險評價結(jié)果制定相關(guān)風險控制策略，降低了深基坑開挖過程中發(fā)生風險的概率。