基于改进熵权-DEMATEL-ISM的富水软土层深基坑施工安全风险评估*

吴 波,杜 君,温小栋,赵勇博

(1.东华理工大学 土木与建筑工程学院,江西 南昌 330013;2.宁波工程学院 浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心,浙江 宁波 315211)

0 引言

随着城市化进程不断提升,轨道交通的日益发展,地下空间广泛应用,深基坑施工越来越多,深基坑施工安全风险控制成为重要的研究课题[1]。富水软土层深基坑施工环境复杂,风险因素众多,对临近建筑(构筑)物下的深基坑开挖、基坑降水及基坑围护等近距离作业对地下工程和相邻建筑物存在较大风险[2]。因此,通过科学开展地下工程施工风险评估,对于指导工程安全建设具有重要的现实意义。

当前,国内外专家、学者对地下施工风险进行研究。He等[3]经过中心度和原因度统计,系统分析风险因子在系统中的重要度,基于ISM剖析各因素在系统中的层级。田雷等[4]运用DEMATEL-ISM-ANP法客观分析“人机管环”对地铁施工运营的影响,融合模糊综合评价指标体系得出韧性分析结论。曾小清等[5]通过研究生态道路建设,找出最符合生态发展的关键性指标。此外,其他专家、学者也基于不同视角对深基坑施工安全提出不同解决办法。例如,刘晶[6]总结现有的风险评估方法,并在其改进基础上经对比分析发现改进模糊综合评价模型在施工安全评价中具有可行性和有效性。吴波等[7]采用模糊综合评价对评价指标进行量化比较,做出综合评价。陈辉华等[8]分析各因素之间的作用机理,明确施工安全风险控制重点。谭孝尘[9]找出建筑施工风险管理关键风险因素,并分析各因素间的关联性。姜安民等[10]从多维角度建立风险评价体系,以权重和隶属度函数相结合的方式确定施工风险等级,实现对风险精准预测。靳亚格[11]综合剖析递阶结构模型中各影响因素间的相互影响路径,以期可为施工安全管理提供参考。

本文结合熵权法、DEMATEL法与解释结构模型,深入分析各致险因子间影响路径,确定风险致因因素及关键因素,并对影响因素进行层次划分,使各制约因素之间层次清晰,经模糊综合评估确定总风险级别,研究结果可为地铁施工安全监督管理提供理论基础和参考依据。

1 深基坑施工风险因素的识别

1.1 主成分法识别风险指标

深基坑施工是由“人-机-路-管-环境”构成的复杂系统,系统内施工安全因素之间相互影响[12]。因此,需要系统地分析深基坑施工影响指标。为解决基坑施工安全风险指标众多且指标之间存在一定关联性,信息重复、不突出等特点,本文选取20个基坑施工安全影响因素,见表1。通过主成分分析降维方法[13],将系统中众多影响因素转化为较少的综合指标,客观反映影响基坑施工实际情况。根据地铁工程施工相关规范及文献,结合广州某地铁工程实际情况确定打分指标并选取90名地铁施工方面专家对影响因素按照重要度打分,区间为[1,5],非常重要5分、很重要4分,比较重要3分、重要2、一般重要1分。经计算,KMO值为0.638,样本适用主成分分析。经计算,线性组合系数如表2所示。经主成分分析得到6个主成分特征值和方差解释率,其中前6项主成分累计贡献率为95.13%,因此选前6项为综合评价指标。

表2 线性组合系数Table 2 Linear combination coefficient

1.2 风险指标体系的构建

本文通过主成分法将深基坑施工风险因素分为6类,即基坑降水(U1)、基坑开挖(U2)、水文地质因素(U3)、施工因素(U4)、机械设备因素(U5)、自然因素(U6),如图1所示。

图1 深基坑施工风险影响因素Fig.1 Risk influencing factors of deep foundation pit construction

2 基于改进熵值-DEMATEL-ISM法因素分析

本文采用决策实验和评价实验室法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL),运用图论和矩阵工具对系统进行因子分析,将中心度指标和原因度指标结合识别关键影响因子。本文将DEMATEL法与解释结构模型法(interpretative structural modeling method,ISM)结合,既可直观清晰表达系统中各因素之间的因果关系以及关键因素,也能得出各因素之间递阶结构和影响路径,便于复杂系统的分析与决策。基于传统DEMATEL主观打分降低最终结果的精准度和可信度,而改进熵权法[13]利用信息熵的原理对研究对象赋予权重,消除主观因素的干扰,又能在客观评价系统整体水平时,提高评价系统整体的准确性和真实性。因此,该方法在此类问题研究上具有显著优势。具体流程见图2。

图2 改进熵权-DEMATEL-ISM流程Fig.2 Improved entropy weight-DEMATEL-ISM flowchart

本文运用熵值-DEMATEL-ISM组合法对深基坑施工风险评估,具体步骤如下:

1)形成指标间初始直接影响矩阵A。

2)初始直接影响矩阵A经规范化处理。得到规范化矩阵B如式(1)所示:

(1)

3)计算综合影响矩阵T如式(2)所示:

T=B+B2+…Bn=B(I-B)-1

(2)

式中:I为单位阵。

4)计算风险因素的影响度Ri和被影响度Cj,计算公式如式(3)～(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ri为矩阵T的第i行的行和;Cj为矩阵T的第j列的列和;tij因素i对因素j的影响程度。

5)计算各个因素的中心度Mj和原因度Nj如式(5)～(6)所示:

Mj=Ri+Cj

(5)

Nj=Ri-Cj

(6)

6)计算综合权重:对评价指标建立矩阵,邀请10位专家按照指标对基坑施工影响重要度打分,区间为[1,5],并对矩阵归一化处理。

因素信息熵ej与权重Wj如式(7)～(8)所示:

(7)

(8)

式中:yij为专家对影响因素打分后的标准化值;Pij为第j个因素对第i个因素对象的比重。

计算综合中心度如式(9)所示:

Kj=Wj·Mj

(9)

7)确定阈值λ如式(10)所示:

λ=α+β

(10)

式中:α为综合影响矩阵的算术平均值;β为标准差。

8)确定可达矩阵G如式(11)所示:

(11)

9)为明确系统中各因素之间的层次关系,对可达矩阵层级分解。按照选取可达集与先行集的交集为原则进行迭代。

10)根据中心度和原因度做出因果关系图,通过将传递性联系消除,利用可达矩阵开发有向图,以用语句替换节点数的方式将有向图转换为关键的ISM模型。

11)模糊综合评价

V={V1,V2,V3,V4,V5},风险分为5个等级,代表风险出现的概率“几乎不可能、不可能、偶然、可能、很可能”其对应风险量化区间为[1,5]。

由熵权权重矩阵W与隶属度矩阵R结合确定综合评价矩阵B′如式(12)所示,根据隶属度最大原则,最大隶属度所对应的等级为深基坑施工风险等级。

(12)

3 工程实例

该项目为广州市某地铁深基坑项目,车站周边环境极其复杂,施工组织难度大,主要体现在主体基坑深度23.930 m,基坑周围距离建构筑物较近,深基坑开挖过程中可能发生围护结构渗漏水,出现突涌水,导致坑外土体损失或坍塌;支护施工不当或支撑体系破坏或导致坑内土体溜塌、滑移,引发基坑失稳,是施工重难点,需要对风险进行有效管理和控制,依托此项目,经主成分分析确定风险指标评价体系,采用熵权-DEMATEL-ISM定量定性融合方式构建风险评价模型,对风险因素加以管理和控制。

3.1 DEMATEL法计算矩阵

将基坑施工安全影响因素记为A=(A1,A2,…,A17),由10名专家对影响因素划分5个等级并赋值标度0～5表示由低到高受影响强度。经过式(1)～(2),得到规范直接影响矩阵和综合影响矩阵,见表3～4。

表3 规范直接影响矩阵Table 3 Specification direct influence matrix

表4 综合影响矩阵Table 4 Comprehensive influence matrix

3.2 基于改进熵权-DEMATEL法计算“四度”及组合权重结果

基于上述步骤,利用熵权法计算各评价指标权重,并结合DEMATEL法得到的各指标之间影响程度,即“中心度”修正熵值,进而按照式(9)得到风险的组合权重,结果见表5。

表5 DEMATEL计算指标值Table 5 DEMATEL calculation index values

由表5可知,预警应急、地震、暴雨因素影响度相对较大,表明该3种因素对基坑施工安全及其他因素影响较高,因此,要加强自然因素和施工因素的管理。从被影响度知,地表沉降、土体纵向滑坡、基坑坍塌因素在系统中被影响程度较深;在原因度方面,预警应急、施工单位资质、监测设备故障、气候、地震、暴雨因素结果为正,为原因因素,其余因素原因度为负,均为结果因素。在基坑施工管理中,原因因素功能综合体现结果因素的状态,因而要对原因因素重点控制;在中心度方面,施工质量管理、基坑开挖及基坑降水中心度值位居前列,因此,此类因素是基坑施工安全重要影响因素,在基坑施工过程中,应着重监测基坑开挖、基坑降水出现的问题,加强施工质量管理。为了数据直观清晰展示基坑施工安全影响因素之间的关系及重要度,绘制影响度-被影响度及中心度-原因度关联图,如图3～4所示。

图3 影响度和被影响度Fig.3 Influence degree and affected degree

图4 中心度和原因度Fig.4 Centrality and cause degree

3.3 可达矩阵递阶模型

为得到可达矩阵,剔除影响程度的关系,需要引入阈值[14]。文中阈值分别取0.10,0.11,0.12,0.13,得到不同阈值下深基坑施工风险要素节点度衰散的散点图如图5所示,阈值为0.12时,节点度较为适中。并由式(11)得到可达矩阵,见表6。

图5 不同阈值下节点度变化曲线Fig.5 Change curves of node degree under different thresholds

3.4 层次结构图(ISM)

为进一步研究各影响因子之间层次关系,按照上文步骤9)对可达矩阵进行层次梳理,逐次抽取可达矩阵先行集与可达集交集中的影响因子,重复此过程直至结束,最后将17个影响因素分为5层,L1={U11,U23,U24,U31,U33,U52,U61};L2={U12,U21};L3={U22,U43};L4={U32,U41,U42,U62};L5={U51,U63},根据分层结果及因素之间的关联性,构造出解释结构图如图6所示。

图6 层级结构Fig.6 Hierarchical structure diagram

3.5 影响路径分析

根据DEMATEL-ISM图层次划分,可达多条影响路径,其中关键影响路径为U51→U22→U11;U63→U43→U21→U23;U63→U32→U22→U11。其为实现基坑安全施工的有效途径,深基坑开挖前,探明地质情况,机械设备监测复杂地层、暴雨、地震带来的影响,加强施工质量管理,要注意暴雨及基坑降水量变化,尽量防止雨水量过大造成土体沉降过快;其他深层次影响路径为U41→U22→U11;U42→U43→U24,施工前筛选施工单位资质,施工现场的工作人员严格按照施工安全管理规定执行,通过预警应急机制,对基坑开挖过程中易出现的滑坡、涌水、渗漏不同情况制定应急处理措施确保基坑施工安全。

3.6 模糊综合评价

本文通过熵权法确定指标权重,结合模糊综合评价法得到隶属度函数并计算综合隶属度,经与熵权权重运算得到综合评价值。邀请10位专家按照0～5打分法对深基坑施工各致险因子影响程度量化评估,根据打分表构造隶属度矩阵如下。

结合熵权权重,得到总目标评价结果为:(0.043 2,0.219 6,0.305 1,0.301 27,0.130 8),将评价结果转化为综合分值,将评价指标总分按照评分等级及其赋值,带入隶属度函数,根据最大隶属度原则,求出的综合评价值为2.240,富水软土层深基坑施工评价等级为Ⅱ级,评价结果与工程实际情况相符,即安全性较高。

3.7 评价结果对比分析

为验证研究的实用性和准确性,本文采用组合权重-模糊综合评价法和CRITIC-TOPSIS法[15]对深基坑施工安全风险评估。

首先对CRITIC客观权重和组合权重对比计算,结果如图7所示。由图7可知,2种方法的权重存在略微差异,这是因为CRITIC权重是根据各风险因素的重要度得出,而组合权重是由DEMATEL得出的中心度再利用熵权值修正,更能反映各因素之间的关系。

图7 CRITIC与组合权重对比Fig.7 Comparison of CRITIC and combination weights

基于上述步骤计算出的权重结果,分别求出 TOPSIS和模糊综合评价的隶属度,如图8所示。模糊综合评价二级指标对应的安全等级均为Ⅱ级,综合评估等级为Ⅱ级,TOPSIS安全评价等级区间范围[0,1],各级指标对应的隶属度在区间[0.4,0.6]范围内,等级为Ⅲ级,均在安全等级范围内。TOPSIS法易受极端值影响,而模糊综合评价可充分利用数据,弥补TOPSIS 的劣势,适用范围更广,可对系统综合评价,反映施工过程整体趋势变化,结果更可靠、有效。

图8 综合评价结果对比Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation results

3.8 评价结果验证与分析

地铁站基坑范围内分布有杂填土(主要为近10 a内人工填筑而成,由煤灰、混凝土路面、黏性土、粗砂、碎、块石及建筑垃圾、生活垃圾组成),成分复杂,欠团结,均匀性差,压缩性高,结构较松散;软土(淤泥和淤泥质土,局部为冲洪积淤质土)天然含水量较大、孔隙比大,压缩性高;风化岩和残积土,天然状态下物理力学性能较好,但水理性质较差,浸水易软化,地铁站西南侧300 m外,江面宽阔,流量较大,受地震、暴雨等自然因素影响,车站处集水量大,场地范围内砂层发育普遍,层厚较大;地表水与地下水水力联系密切,导致工程中出现突涌水、纵坡失稳、滑坡等现象。

结合具体的工程实例,对其进行风险评估。得出以下结论:

1)由施工因素组合权重计算可知U43>U41>U42,施工质量管理权重值较大,由于施工现场出现杂物乱堆放现象,故应加强施工现场管理,在坡顶严禁堆载土方及其它重物,避免对坡脚产生额外荷载。

2)降水处理过程中,设置监控点,对地管线渗漏、基坑突涌水、不均匀沉降等问题做好预警应急处理措施,完善监督管理体系,加强现场各部门施工管理与安全管控,培训从业人员实地操作,提高工作人员专业素养。

3)对于基坑开挖和基坑降水得出权重值U23>U12>U21>U22>U24,承压水突涌权重值较高,由于在开挖过程中围护结构薄弱处围岩突然变化没有及时采取相应的支护措施,故应在基坑底设置集水坑;启动备用抽水设施,启动备用水泵,由现场启用移动水泵下坑以增大排水能力。

4)土体纵向滑坡、基坑坍塌权重值较高,是由于受暴雨等因素影响,土层开挖时未采取有效的排水措施排除地表水,故应在基坑开挖前对开挖地段进行降水,将地下水位降至开挖面以下3 m,将相应土层中的水疏干,增强其抗剪强度。根据现场施工组织情况,降水井在基坑开挖前即全部施工完成,在每段基坑土方开挖前预降水,确保疏干效果。基坑开挖台阶纵坡按照1∶3进行控制,减小纵坡坡度,防止边坡坍塌。

综上所述,根据施工动态监测进行风险评估,降低施工风险水平,验证本文评估方法的实用性和可靠性,为地铁安全施工提供有效的参考依据。

4 结论

1)根据中心度和组合权重得出施工质量管理为影响深基坑施工安全的关键影响因素,依据影响路径可看出基坑降水及开挖是直接影响因素,施工管理及水文地质因素为深层次影响因素,机械及自然因素为根源性因素。

2)基于熵权的模糊综合评价对风险变化区间加以量化,对隶属度函数综合评价,确定本文案例工程的深基坑施工的风险级别为Ⅱ级。