基于集对理论及模糊层次分析的深基坑施工风险评价

斯建宁

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司， 重庆 400067)

随着城市化的高速发展，兴建了大量地下交通运输网和高层建筑，城市建筑密集地区的深基坑工程日益增加。当前我国新建深基坑工程存在与周边建筑距离近、地下管网密布、工程地质复杂、施工场地狭窄等实况，这些现状决定了基坑施工过程中必定存在各种不确定性风险。如何有效评价深基坑工程施工风险，确保工程施工安全已成为当前研究的热点问题[1-2]。

国内外学者针对深基坑施工风险开展了大量研究[3-7]，Zhou等[8]基于贝叶斯网络构建了深基坑施工风险模糊综合评价模型，得出深基坑施工过程中各风险因子发生概率；杜修力等[9]基于证据理论对长春轻轨三期伪皇宫地下车站深基坑施工风险进行评价，得到各风险指标的估值，实现了风险分级；张胜昔等[10]建立了基于灰色系统理论及模糊层次分析法的深基坑施工风险评价模型，成功应用于青岛胶南市某深基坑施工风险评价中，得到各风险指标的等级排序；王景春等[11]提出了一种基于熵权二维云模型的风险评价方法，定量评价了地铁车站深基坑施工风险等级，取得了较好的效果。

由于深基坑安全施工的风险因子较多，施工风险难以定量描述，且每个项目各具特色，因此本文在借鉴国内外深基坑工程案例的基础上，依托某高层建筑深基坑工程，识别深基坑施工可能发生的主要风险，采用模糊层次分析法，基于集对理论对深基坑施工风险进行分级，建立风险评价指标体系，确定各风险指标的权重，提出施工风险应对措施。

1 基本理论

1.1 集对理论

集对分析法的核心思想是将某一客观事物中具有一定联系的集合A、B组成一个集对H=(A,B)，并从同、异、反3个方面系统研究集合A、B的特性。在集对分析过程中，通常将“同关系”与“反关系”划分为确定性特征，将“异关系”称为不确定性特征，并认为同、异、反三者相互联系、相互影响、相互制约，又在一定条件下可相互转化，主要通过联系度概念来刻画系统的不确定性特征，即建立集对H=(A,B)的联系度μ(A,B)，表达式为[12]：

(1)

式中：N表示集对中所具有的特性总数；S、P、F表示集对中 2 个集合的相同特性数、相反特性数、既不相同又不相反的特性数；a、b、c表示集对中 2 个集合在指定问题背景下的同一度、差异度、对立度，且a+b+c=1；i表示差异度系数，i∈[-1,1]；j表示对立度系数，恒取为-1。

1.2 模糊层次分析理论

采用模糊层次分析法确定深基坑施工风险各项评价指标权重的基本过程，大致可划分为以下 5 个基本步骤[13-14]：1) 采用专家调查法构建评价问题的指标体系{ai|i=1,2,…,n}，并构建层次结构；2) 综合考虑场区地质条件、深基坑设计、施工技术及周边工况等因子，采用 1～9 标度法对各层评价指标进行两两重要性比较，并在此基础上构造判断矩阵；3) 采用特征根法计算判断矩阵最大特征值λmax及相应的特征向量{ωi|i=1,2,…,n}；4) 对特征向量进行一致性检验；5) 评价指标权重计算。

2 风险评价指标体系

根据深基坑设计、工程地质与水文地质条件以及周边环境情况，可将深基坑施工风险评价指标分为：设计风险、技术风险、降水风险、管理风险、环境风险5个一级指标和设计荷载取值不当、土体强度指标失真、未严格依照规范设计、设计人员技术水平差、施工方法不当、施工人员技术水平差、施工超挖、锚索预应力施加不当、排水系统破坏、排水引起的地表沉降、承压水突涌、降水措施不到位、基坑未及时支护、弃土位置不当、施工管理不严、水文地质条件差、气候影响土体强度变化、周边环境条件复杂18个二级指标，如图1所示。

图1 深基坑施工风险评价指标体系

3 风险综合评价模型

3.1 指标权重的确定方法

采用层次分析法对风险因子权重计算，并进行一致性检验得到二级评价指标判断矩阵A1、A2、A3、A4、A5和一级评价指标的判断矩阵A总，如表1所示。由表1可知，引起深基坑施工风险的主要因子是技术风险、设计风险和降水风险。尽管管理风险、环境风险能够极大地影响风险发生的可能性和后果，但所占权重小于技术、设计和降水风险。

表1 深基坑施工风险评价指标权重值

依据文献[15]中的量化指标及其标准将各二级评价指标等级进行量化处理，其量化标准如表2所示。然后，可根据评价指标的实测信息与表2综合确定各二级评价指标的实际值。

表2 指标评价等级量化标准

3.2 指标联系度的确定方法

将深基坑施工风险评价等级划分为Ⅰ级(非常有利)、Ⅱ级(较有利)、Ⅲ级(一般)、Ⅳ级(较不利)、Ⅴ级(很不利)5个等级。再将深基坑施工风险的各评价指标与评价标准组成一个集对，符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级标准的分别作为同一度、差异偏同度、差异度、差异偏反度和对立度。再结合联系度表达式(1)，可建立深基坑施工风险评价的五元联系度表达式为：

(2)

式中：n表示第n项评价指标；N总表示评价指标总数；SⅠ表示符合Ⅰ级标准的评价指标个数；F1、F2、F3分别表示符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级标准的评价指标个数；PⅤ表示符合Ⅴ级标准的评价指标个数。

1) 二级子系统的五元联系度

针对二级子系统各评价指标，本文将采用现有联系度计算方法确定各个评价指标实测值相对于评价标准的联系度，其表达式为：

(3)

式中：m为一级子系统中第m个评价指标；k为第m个评价指标所对应的第k个二级评价指标；S1～S5分别为第k个二级评价指标Ⅰ～Ⅴ级评价标准所对应的限值；x为各评价指标的实际值。

为进一步确定一级子系统的五元联系度和综合评价的五元联系度，可结合式(3)，将二级子系统的五元联系度表达式写成：

μmk=rmk1+rmk2i1+rmk3i2+rmk4i3+rmk5j

(4)

式中：rmk1～rmk5为联系度分量，取值范围均为[0, 1]，且满足rmk1+rmk2+rmk3+rmk4+rmk5= 1。

2) 一级子系统的五元联系度

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) 综合评价的五元联系度

μ=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(6)

3.3 深基坑施工风险等级判定方法

求出综合评价的五元联系度后，再依据最大原则，选取最大联系度分量所对应的评价标准作为深基坑施工风险评价等级，其计算公式为：

δ=max{ri} (i=1,2,3,4,5)

(7)

当综合评价的五元联系度中对应于各评价标准的联系度分量出现最大值和次大值较接近的情况时，从深基坑施工安全角度考虑，将两者中所对应的较高风险等级作为最终判定结果。

4 工程应用

4.1 工程概况

1) 地质条件

某高层建筑深基坑工程，该建筑物共29层，建筑外地面标高71.1 m，设计地下室底板标高62.1 m，基坑底标高61.1 m，基坑侧壁安全等级为一级，基坑工程状况如图 2 所示。施工场地基坑地层分布自上而下为：第①层杂填土，由粘性土、建筑垃圾等堆填，松散饱和状态，层厚0.5 m～4.2 m；第②层粉质粘土，残积形成，硬塑饱和状态，层厚0.6 m～6.0 m；第③层强风化砂质泥岩，局部为粉砂岩，泥质胶结，层状构造，风化裂隙发育，层厚8.4 m～19.2 m；第④层中风化砂质泥岩，局部夹砂岩，裂隙较发育，层厚10.0 m～15.6 m。根据勘测结果，稳定水位标高为58.0 m～65.0 m。

图2 基坑照片

2) 基坑支护

在平面上将基坑侧壁分为4段，分别为ABC段、CD段、DEF段和FA段。其中ABC段、CD段、DEF段采用放坡与土钉墙+预应力锚索相结合的支护方式，而FA段没有放坡空间，采用土钉墙加钢管桩的支护方式，具体如表3所示。

表3 支护结构设计方案

3) 基坑排水

由于在坡面可见污水出露，用Φ150 mm PVC排水管接至主干道污水管网中；网喷坡面按3 m×3 m布置泄水管，孔深1.0 m，孔径120 mm，内置Φ50PVC花管排水。

4) 基坑监测

桩顶水平位移及沉降监测点间距小于20 m；坡后地面水平位移及沉降监测点间距小于15 m；基坑支护桩后侧布置测斜孔，从地表测至桩底；在各排锚索近锚头处设置监测点监测锚索应力；在基坑周边地下管线布置沉降观测点。

4.2 指标联系度的确定

依托某高层建筑深基坑工程案例，依据表2指标评价等级量化标准，采用问卷调查形式邀请10位国内知名基坑工程专家，对各二级评价指标实际值逐一进行评分，同时再考虑到各位专家权重，将评分结果进行加权平均处理，即可得到各二级评价指标实际值，如表4所示。

表4 深基坑施工风险各二级评价指标实际值

根据前文所建立的深基坑施工风险集对分析模型进行计算分析，首先将表4中各二级评价指标实际值代入式(3)，再分别求取各二级评价指标的五元联系度。然后，根据式(4)、式(5)以及评价指标权重值，得到该深基坑施工风险一、二级评价指标五元联系度，计算结果如表5所示。由表5可知，一级评价指标的风险等级排序为：环境风险(Ⅳ级)>降水风险(Ⅳ级)>技术风险(Ⅳ级)>设计风险(Ⅲ级)>管理风险(Ⅲ级)。

4.3 深基坑施工风险等级判定

将一级评价指标五元联系度和指标权重值代入式(6)可得到综合评价的五元联系度表达式为：μ=0.045+0.140i1+0.354i2+0.368i3+0.093j，得出其相对于Ⅳ级风险的同一程度最大，为36.8%，故判定该深基坑施工风险等级为Ⅳ级(高度风险)，与该工程实际情况相吻合。深基坑施工风险评价集对分析模型在该高层建筑深基坑工程中的成功应用证明了集对分析法用于深基坑施工风险评价具有较高的准确度，能很好地满足工程应用需求。

表5 风险判别结果

5 结束语

1) 选取设计风险、技术风险、降水风险、管理风险、环境风险 5 个一级指标和 18 个二级指标，基于集对理论及模糊层次分析法建立了深基坑施工风险评价模型。

2) 运用该模型对某高层建筑深基坑施工风险进行评价，得到该深基坑施工风险等级为Ⅳ级(高度风险)，其中一级评价指标的风险等级排序为：环境风险(Ⅳ级)>降水风险(Ⅳ级)>技术风险(Ⅳ级)>设计风险(Ⅲ级)>管理风险(Ⅲ级)。

3) 基于集对理论及模糊层次分析的深基坑施工风险评价模型能够有效评判深基坑施工的风险水平，验证了该模型的适用性与有效性，可为后续同类深基坑工程施工风险控制提供参考。