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        基于改進可拓理論的地鐵基坑工程施工安全評價

        2021-11-26 00:26:58崔起飛
        福建建筑 2021年10期
        關鍵詞:理論評價施工

        崔起飛

        (福州工商學院 福建福州 350715)

        0 引言

        基坑的施工技術復雜、專業(yè)化程度高、施工難度大、施工環(huán)境惡劣且控制難度大,其施工的安全性日益受到廣泛關注?;庸こ淌┕ぐ踩L險評估主要包括事故發(fā)生概率和風險損失分析,常用的施工安全評價方法,主要包括定性風險評估、定量風險評估、定量與定性相結合的風險評估。針對施工安全評價,國內外專家學者提出了各種不同的解決途徑,例如,謝秀棟[1]運用層次分析法對深基坑工程施工安全風險進行研究,并采用定量與定性的方式,對地基基礎施工安全風險進行評價;王鳴曉[2]通過二級模糊綜合評判法,對地基地質、施工和環(huán)境風險進行研究,并提出了風險控制建議??赏乩碚撌且环N新興學科,最早由我國學者蔡文提出,此方法通過研究事物的可拓性和開拓規(guī)律及方法,以此對實現(xiàn)對現(xiàn)實生活中難以量化的事物、規(guī)律進行研究,從而指導解決現(xiàn)實問題。在工程建設領域,可拓評價是可拓理論主要應用之一,該評價方法已經廣泛應用于工程中。

        雖然國內外學者對可拓理論進行了深入的研究和發(fā)展,但常見的評價方法不能較好解決風險指標不同屬性的問題,且部分指標權重缺乏一定的客觀性,評價結果與指標相關性較低,無法準確判斷重點控制指標,對施工安全風險控制的指導性有限。為此,本文基于變權理論和可拓理論進行研究,并結合具體案例進行基坑施工安全評價,以期提高安全評價可靠性。

        1 基于變權理論的可拓模型

        在標準物元可拓模型中主要通過利用物元思想建立評價模型,以此求出事物與各區(qū)間加權后的關聯(lián)度,并根據關聯(lián)度,對安全風險進行識別和判斷[3]。但物元可拓理論在地鐵基坑安全風險評價實踐中存在一些問題,主要體現(xiàn)在:①如待測物元單項指標數值超出節(jié)域,則無法得到關聯(lián)函數值;②當采用最大隸屬原則關聯(lián)度方法評定指標等級時,在部分情況下可能出現(xiàn)低效或無線的情況。變權理論是一種根據不同值時權重值變化,并以此反應指標權重本質屬性的理論[4]。該理論在指標權重方面具有顯著優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在兩個方面:①在指標權重確定中充分考慮客觀指標值;②改善在復雜指標情況下產生的“狀態(tài)失衡”問題。

        基于可拓理論存在的問題,通過借助變權理論從兩個方面進行改進:①針對部分指標數值超出節(jié)域的情況,通過對經典域、節(jié)域和待評物的歸一化處理,改善可拓理論指標的關聯(lián)度問題;②以貼近度進行綜合評判,改善最大隸屬度失效的問題,提高模型評價的準確性、可靠性。

        2 地鐵基坑工程施工安全評價案例分析

        2.1 工程案例

        以某地鐵工程換乘站地基工程為例,本工程基坑開挖深度為21.5 m,支撐軸力設計值為7000 kN,主體圍護結構采用鉆孔灌注樁結構,樁間采用旋噴止水方案,圍護結構水平受力采用內支撐和預應力錨索方案,內支撐為鋼筋混凝土,錨索則以抗拉力設計值為1320 kN的鋼絲繩制作。

        2.2 安全評價指標體系的構建

        通過對地鐵基坑施工安全評價指標進行分解,構建地鐵基坑施工安全評價指標體系。即將鉆孔灌注樁施工安全評價指標劃分為樁頂垂直位移、樁頂水平位移、樁體變形、支撐軸力、地表沉降、地下水位,除支撐軸力安全評價指標為軸力值外,其它各項指標均劃分為累計值和變化速率(表1),從而構建鉆孔灌注樁安全評價體系。

        根據改進可拓理論模型,將地鐵基坑工程評價體系監(jiān)測指標劃分為三個施工安全風險等級[5]:安全(不需要采取措施)、中等(應當加強注意,采取預防和控制措施)、危險(必須采取相應措施)。依據建筑地基基礎設計規(guī)范[6],制定相應的指標等級評價標準,如表1所示。

        表1 鉆孔灌注樁基礎施工安全評價標準

        2.3 經典域和節(jié)域計算

        結合該工程實際情況和施工安全評價標準,建立域物元、節(jié)域物元和待評物元評價矩陣。為解決可拓物元理論中實測數據超出節(jié)域范圍無法計算的問題,對經典域R(Nj,Ci,Vij)′和待測物元Rp′進行規(guī)格化處理,如式(1)、式(2)所示。

        (1)

        (2)

        式中:Nj為標準物元劃分的評價等級;

        ci為相應評價等級的評價指標;

        Vij則表示為該評價等級,Nj評價指標,ci的取值范圍,Vij=[aij,bij]。

        將表1數據代入式(1)、式(2)中,得到經典域、節(jié)域如式(3)、式(4)所示:

        (3)

        (4)

        2.4 待測物元模型的建立

        基于變權理論改進型物元評價模型權重的確定,需要確定常權權重向量,借助AHP層次分析法確定指標常權,以此計算局部變權向量,如式(5)、式(6)所示。

        (5)

        根據上述計算所得的常權向量和局部變權向量,以此計算綜合權重向量如公式(6)所示。

        (6)

        式中:m為指標個數;

        本工程地鐵基坑開挖深度為21.5 m,支撐軸力設計值為7000 kN,經專家評價各項指標權重,得到各指標權重值,如表2所示。

        表2 指標權重值

        2.5 變權向量的確定

        根據評價指標體系和檢測值,借助層次分析法,確定常權權重。指標評價標準主要包括累計值和變化速率。由于累計值主要體現(xiàn)指標累計變形情況,而變形速率則體現(xiàn)指標變化情況,因此,在施工安全評價中,將累計變形值權重設為0.4,最大變形速率權重按0.6計,根據變權理論和施工經驗確定變權向量,則變權向量水平為:否定水平(a)為0.3,及格水平(b)為0.6,激勵水平(c)為0.85,調整水平(d)為0.25,激勵調節(jié)水平(e)為0.8,計算變權向量sk(x)=(0.277,0.341,0.771,0.25,1.045,0.961,1.012,0.251,0.491,,0.274,0.25),計算評價指標監(jiān)測值如表3所示。

        表3 評價指標監(jiān)測值

        2.6 監(jiān)測指標貼近度計算

        根據改進型可拓理論模型,計算指標對應等級貼近度和等級距離,如表4~表5所示。

        表4 評價指標等級距離

        表5 評價指標等級

        2.7 敏感性分析

        為有效區(qū)分評價指標中對地鐵基坑施工安全評價結果敏感性,綜合評價指標權重值和總管和評價指標實際值變化波動情況,以此計算各評價指標對整體安全評價結構的影響。為實現(xiàn)敏感性量化,采用評價指標標準差分析方法,以此分析安全評價結果對評價指標變化的敏感性,從而實現(xiàn)各指標優(yōu)先級排序,為施工安全控制提供指導。

        如前文所述,鉆孔灌注樁基坑基礎中,施工安全評價指標包括11項,根據權重和特征值標變化標準差計算指標敏感性,如表6所示。

        表6 權重和特征值標變化標準差及影響等級

        根據表6數據顯示,從安全評價指標權重變化來看,樁頂垂直位移變化速率(C2)、樁頂水平位移變化速率(C4)、樁體變形累計值(C5)和樁體變形速率(C6)標準差值較大,表明各項指標變化較為顯著,應引起重點關注。

        從安全評價指標權重影響等級來看,樁體變形速率(C6)權重影響最高,其影響等級顯著高于其它指標,其次為樁頂水平位移變化速率(C4)、樁體變形累計值(C5),與工程實踐經驗相符。

        從安全評價指標特征值研究來看,樁體變形速率(C6)變化幅度和影響等級最高,與權重結果一致,充分說明樁體變形在鉆孔灌注樁施工影響顯著。

        此外,根據基于變權理論的可拓模型,當地鐵基坑施工安全評標實際值發(fā)生變化時,其安全評價權重和評價特征值也相應發(fā)生變化。即在不同地質條件下,安全評價指標的安全評價權重和特征值會存在一定的變化,對地鐵基坑工程施工安全影響程度不一。因此,在實際工程應用中,應結合具體工程項目特點和各項安全評價指標實際值,合理計算該項目安全評價等級,并對影響顯著的安全評價指標進行重點監(jiān)控,以此降低工程項目施工安全風險。

        3 結語

        (1)基于對可拓評價理論的弊端進行分析,借助變權理論對可拓評價理論模型進行改進。通過對基坑施工安全評價指標進行分解,構建地基基礎施工安全評價指標體系,將基坑工程評價體系監(jiān)測指標劃分為安全、中等、危險3個施工安全風險等級。通過充分考慮指標實際值變化和特征值范圍,建立的改進型可拓評價模型。

        (2)以實際工程項目為例,構建了鉆孔灌注樁施工安全評價體系。通過工程項目案例對改進型可拓理論模型進行應用研究,得出樁體變形在鉆孔灌注樁施工影響顯著,與工程實踐經驗相符,實現(xiàn)了地鐵基坑施工安全評價體系敏感性指標的量化和排序,為工程風險控制提供了有效的指導。

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