姚海星

山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，山西 太原 030031

0 引言

城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快，傳統(tǒng)的地面交通模式無法滿足交通量迅速增長的需求。地鐵是城市公共交通運輸?shù)囊环N新興形式，是解決城市交通擁堵的主要方式。截至2019年初，我國大陸已有32個城市開通地鐵，太原等城市的地鐵也在緊張建設(shè)中。地鐵建設(shè)過程中，基坑開挖深度大，一般在10 m以上（超過5 m為深基坑），有的甚至超過35 m，開挖過程中需清理大量土體，對土體結(jié)構(gòu)是卸載過程，其原平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生較大剪應(yīng)力。隨著開挖深度的不斷增加，剪應(yīng)力越來越大，一旦超過土體抗剪強度，邊坡將失穩(wěn)坍塌［1-2］?；娱_挖過程中可能涉及較厚砂性土層、承壓水層等的安全問題，產(chǎn)生各種巖土力學(xué)現(xiàn)象，如周圍建筑墻體開裂、路面塌陷、市政管網(wǎng)斷裂等。對地鐵車站深基坑進行風險評估研究，通過風險識別—分析評價—風險控制，降低風險發(fā)生的概率。

目前國內(nèi)常用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、模糊分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等分析地鐵車站深基坑施工風險。申建紅等［3］通過模糊集與證據(jù)理論（dempster-shder，D-S）相結(jié)合的風險評價方法，分析不完全信息下的深基坑施工風險程度。劉俊偉等［4］以鄭州軌道交通車站深基坑為例，根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論，評價深基坑施工風險因素。程鴻群等［5］應(yīng)用工作分解結(jié)構(gòu)（work breakdown structure，WBS）-風險分解結(jié)構(gòu)（risk breakdown struckure，RBS）和 0-1 方法識別風險因素，建立深基坑工程施工過程風險評價指標體系。孫敬秋等［6］提出風險評價的指標體系，將小波去噪特性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價特性相結(jié)合，構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對天津市地鐵6號線紅旗南路換乘站進行風險評價。

上述方法從不同角度分析評價地鐵深基坑的施工風險，但深基坑施工風險因素具有傳播性、模糊性、動態(tài)性，很難直觀準確地描述工程安全狀態(tài)。為準確得到風險因素排序及事故等級，本研究采用定性分析和定量分析相結(jié)合的方法，以太原地鐵2號線H站基坑工程為例，運用WBS-RBS法構(gòu)建地鐵深基坑施工風險綜合評價指標體系，并將模糊層次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）與作業(yè)條件危險性評價法（likelihood exposure consequence，LEC）相結(jié)合，建立風險評價模型，計算風險值排序及事故等級，明確安全事故預(yù)防重點，為地鐵深基坑施工風險協(xié)調(diào)控制提供決策依據(jù)。

1 LEC-FAHP風險評價模型

根據(jù)WBS法，將地鐵深基坑按測量—支護—降水—開挖—監(jiān)測階段進行分解，結(jié)合RBS將深基坑面臨的風險按人工、材料、機械、方法、環(huán)境分解到最基本的風險事件，獲得風險因素集U［7-10］。

FAHP法結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)，利用AHP計算各風險因素的權(quán)重，通過模糊運算綜合評估得到風險概率等級，采用LEC計算各風險損失，綜合評價風險因素，得到各風險因素綜合排序［11-14］。

1）確定風險評價集

風險評價集 V由各種風險評價結(jié)果組成，V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，v1～v5分別表示深基坑施工安全風險低（0 ～0.2］、較低（0.2～0.4］、中（0.4～0.6］、較高 （0.6～0.8］、高（0.8～1）。

2）構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

通過因素集U和評價集V之間存在的模糊關(guān)系建立模糊關(guān)系矩陣R。由多名專家組成風險評估組，根據(jù)風險評價集V評判每一個風險因素Uij，確定其隸屬度rij。

3）確定權(quán)重

地鐵車站深基坑施工風險具有隨機性和不確定性，采用AHP確定評價因素權(quán)重矩陣W=（w1，w2，…，wn）， ∑wi=1。

①采用1～9標度法，將風險因素的重要程度兩兩比較，得判斷矩陣C。②計算判斷矩陣C每一行元素的乘積求 Mi的 n次方根，歸一化處理后得wt，即風險因素指標權(quán)重。③用判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負平均值檢驗判斷矩陣的一致性其中 λmax=若CI=0，判斷矩陣完全一致；CI越大，判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大。④檢驗矩陣隨機一致性比率，CR=CI/RI，隨機一致性指標RI取值見表1［15］。 若CR＜0.1，則判斷矩陣具有一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

4）逐層計算模糊評價矩陣

表1 RI取值

5）確定各風險因素危險程度

LEC法是一種評價潛在危險性環(huán)境作業(yè)的半定量評價方法，通過事故發(fā)生的可能性L、事故發(fā)生的頻繁程度E、事故嚴重程度C三者的乘積D，評估導(dǎo)致事故的危險因素的風險程度［16-18］，如表2～5所示。根據(jù)FAHP結(jié)果得到L，參考20多個深基坑的施工案例計算得E、C。

表2 可能性等級及得分

表3 頻次等級及得分

表4 嚴重程度等級

表5 風險程度等級

2 工程實例

2.1 工程概況

太原市地鐵H站為2號線與3號線同期施工的明挖T形換乘車站，建筑面積約33 706 m2。車站主體結(jié)構(gòu)為2層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站頂板覆土厚度為4.023 m，局部下沉段覆土5.373 m，底板埋深約19.013 m。車站共設(shè)置3個出入口及2個風道。車站周邊建筑物較多，西北象限為爛尾樓，沿路為8層與12層混凝土建筑，本站場地內(nèi)鉆孔揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層，共3個大層，10個亞層，如圖1所示。擬建場地在勘探深度內(nèi)的地下水類型主要為淺層孔隙潛水，局部存在上層滯水，以2-4、3-5粉細砂及2-5、3-6中砂為主要含水層，含水層滲透系數(shù)為5～20 m/d，該站點富水性中等。場地內(nèi)地下水主要受大氣降水及汾河徑向徑流和城市供水、排水滲漏補給影響。地下水排放方式以蒸發(fā)、人工抽取地下水及徑向徑流補給汾河為主。

2.2 地鐵車站深基坑風險因素

分析多個地鐵車站深基坑塌方實例資料，整理和總結(jié)影響深基坑塌方的因素，結(jié)合太原地鐵2號線H車站的工程概況，遴選主要風險因素，構(gòu)建評價體系，如表6所示。

圖1 H站地質(zhì)剖面圖

表6 H車站深基坑風險因素WBS-RBS矩陣

2.3 各風險因素危險程度

邀請10位專家對太原地鐵H車站風險評判因素U，確定錄屬度函數(shù)矩陣，通過AHP法計算各風險因素權(quán)重，并進行一致性檢驗，檢驗滿足一致性要求后進行模糊評價，采用LEC法計算各風險因素的損失值，從而對風險因素進行排序。

1）建立模糊關(guān)系矩陣

邀請10位資深專家對風險指標U根據(jù)評價集V做出評判，確定其隸屬度函數(shù)矩陣，如表7所示。

表7 H車站深基坑風險因素隸屬度

2）計算風險權(quán)重

H地鐵車站整體、測量、支護、降水、開挖、監(jiān)測風險判斷矩陣分別為

H車站深基坑風險因素的各檢驗指標及權(quán)重如表8所示。

表8 風險因素各檢驗指標及權(quán)重

3）風險評價

計算中間層的模糊綜合評價B1、B2、B3、B4、B5，再計算總體模糊評價集B，得

B1=W1R1=｛0.387 5，0.500 0，0.112 5，0，0｝，

B2=W2R2=｛0.063 3，0.089 38，0.326 66，0.383 96，0.136 67｝，

B3=W3R3=｛0.100 0，0.210 99，0.308 33，0.208 33，0.172 35｝，

B4=W4R4=｛0.038 35，0.174 79，0.230 77，0.382 06，0.174 03｝，

B5=W5R5=｛0.176 62，0.190 51，0.131 11，0.263 92，0.237 84｝，

B=WR=｛0.105 338，0.159 725，0.248 184，0.317 631，0.169 123｝。

4）風險排序

根據(jù)風險評價結(jié)果可知，H車站深基坑施工整體安全的概率為0.105 338，較安全的概率為0.159 725，一般的概率為0.248 184，較危險的概率為0.317 631，很危險的概率為0.169 123，所以評價H車站深基坑整體風險高，其中測量因素施工較安全，支護較危險，降水安全性中，開挖因素較危險，監(jiān)測因素較危險。

采用LEC計算各風險損失，結(jié)合AHP法得到權(quán)重，根據(jù)結(jié)果排序。邀請資深專家對H車站的深基坑施工風險因素的L、E、C賦值，并計算D。將U11～U54全局因素的權(quán)重歸一化處理得Wt，計算所有因素的加權(quán)風險值D×Wt，對結(jié)果排序，如表9所示。

表9 H車站深基坑風險危險程度

從表9可以看出：影響H車站深基坑施工安全的風險因素依次是不良地質(zhì)、預(yù)報不及時、違規(guī)操作、地下水、支護方案不合理、混凝土強度不足、鋼材不合格、超挖、監(jiān)測點數(shù)量不足、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理有誤、交叉作業(yè)、測量數(shù)據(jù)處理有誤、降水措施有誤、設(shè)備損壞、排水系統(tǒng)失效、測量精度不足。

2.4 H車站深基坑風險控制措施

針對表9排序，采取風險規(guī)避、轉(zhuǎn)移、緩解、自留、保險等風險控制措施，如表9所示［19-22］。地鐵車站深基坑施工是一項系統(tǒng)性工程，測量、支護、開挖、降水、監(jiān)測各個工序之間相互聯(lián)系，互相影響。施工前要注意收集地質(zhì)、水文、氣象等信息資料并逐一核實，調(diào)查基坑周邊建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式，周邊管線布置情況，制定安全保護措施。

施工中加強風險監(jiān)控，及時識別并分析評價新風險，調(diào)整風險應(yīng)對計劃，實施風險動態(tài)管理與控制。根據(jù)基坑設(shè)計深度、施工工法、支護結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境等條件，H車站監(jiān)測橫向監(jiān)測范圍為38m，分主要影響區(qū)和次要影響區(qū)，主要影響區(qū)為0.7倍基坑深度，約為13m，次要影響范圍為13～38m。風險監(jiān)測的對象主要是基坑工程中的圍護樁（墻）、立柱、支撐等結(jié)構(gòu)，和基坑周圍土體、地下水及地表，基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、城市道路等城市基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。監(jiān)測組人員按照監(jiān)測頻率和監(jiān)測精度要求，采用相關(guān)儀器設(shè)備取得現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將其上傳到平臺進行后期數(shù)據(jù)的處理，繪制時間位移曲線散點圖和距離位移曲線散點圖，如圖2、3所示。如果位移的變化隨時間（或距開挖面距離）而漸趨穩(wěn)定，說明基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護系統(tǒng)有效可靠，如圖2、3中的正常曲線。圖2、3中的反常曲線出現(xiàn)反彎點，說明位移出現(xiàn)反常的急驟增長現(xiàn)象，表明圍巖和支護已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，需要分析風險因素，進行風險評價，根據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)的風險控制措施。

圖2 時間-位移曲線

圖3 距離-位移曲線

3 結(jié)語

采用WBS-RBS法構(gòu)建地鐵車站深基坑風險評價指標體系，利用LEC法和AHP法建立深基坑施工安全評價模型，將定量與定性分析相結(jié)合，綜合考慮影響地鐵車站深基坑施工安全性的各個風險因素。以太原地鐵2號線H車站深基坑為例，進行整體施工安全性評價，并對各風險要素進行排序。模擬結(jié)果驗證了模型的可行性，為今后的類似風險評估項目提供相應(yīng)借鑒。