母雪珂 李樂 馬小云 劉偉

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通擁堵狀況日益嚴(yán)峻。為了解決地面交通堵塞的困境，許多城市積極開發(fā)地下交通空間。地鐵是地下交通體系的重要組成部分，具有速度快、安全性高、準(zhǔn)時性好、客運量大等優(yōu)點。但是，由于地鐵自身的特點，地鐵基坑周邊管線密布、交通線復(fù)雜，地鐵建設(shè)過程中的不確定性因素十分復(fù)雜，面臨的風(fēng)險也較大。因此，針對地鐵基坑施工過程風(fēng)險進(jìn)行分析和研究，以合理規(guī)避和應(yīng)對基坑施工過程中的各項風(fēng)險，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對地鐵基坑工程進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的成果。Einstein等[1]結(jié)合隧道施工流程，對施工過程中的安全風(fēng)險進(jìn)行了分析。Sedigheh等[2]對德蘭黑地鐵火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分析和資料評估，構(gòu)建了風(fēng)險因子事件樹，并通過計算不同場景的火災(zāi)風(fēng)險事件發(fā)生概率，為地鐵系統(tǒng)風(fēng)險管理提供了有效依據(jù)。唐業(yè)清[3]對103項基坑工程事故的原因進(jìn)行了調(diào)查分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和風(fēng)險應(yīng)對方法。邊亦海等[4]采用可信性風(fēng)險分析方法，結(jié)合實例對深基坑開挖施工風(fēng)險進(jìn)行了研究。韓永吉[5]利用層次分析法對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行評估，并對風(fēng)險等級進(jìn)行判定，提出相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)控措施。陳博[6]基于德爾菲法對深基坑工程進(jìn)行了風(fēng)險分析和研究，驗證了德爾菲法在工程領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。李成龍等[7]結(jié)合主成分分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對基坑施工過程中的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行多向量空間重構(gòu)技術(shù)建模，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測效率。劉忠昌[8]利用數(shù)值計算方法分析了基坑開挖過程中不同土體類型和施工順序?qū)τ谂R近同一建筑物附加變形的發(fā)展規(guī)律，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對構(gòu)筑物進(jìn)行附加變形預(yù)測，并通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證了其合理性。

基于此，本文采用解釋結(jié)構(gòu)模型分析地鐵基坑施工風(fēng)險因素的關(guān)系模式和層級關(guān)系，以識別地鐵基坑施工過程中的關(guān)鍵風(fēng)險因素，為地鐵項目施工動態(tài)風(fēng)險管理提供參考。

1 地鐵基坑安全影響因素分析

由于影響地鐵基坑施工安全的風(fēng)險因素眾多，本文基于現(xiàn)有文獻(xiàn)研究和相關(guān)事故案例，利用調(diào)查問卷的方式篩選出影響地鐵基坑施工安全的15個關(guān)鍵風(fēng)險因素，見表1。

表1 地鐵基坑施工風(fēng)險因素

2 構(gòu)建地鐵基坑風(fēng)險解釋結(jié)構(gòu)(ISM)模型

2.1 ISM模型概述

ISM模型能夠有效利用系統(tǒng)因素間的已知復(fù)雜關(guān)系，揭示系統(tǒng)因素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將錯綜復(fù)雜的系統(tǒng)要素關(guān)系轉(zhuǎn)化為直觀的結(jié)構(gòu)模型，并從中準(zhǔn)確辨識問題的關(guān)鍵因素[9]。相較于其他方法，ISM模型能夠更加清晰地描繪系統(tǒng)因素之間的關(guān)系，所構(gòu)建的模型更加嚴(yán)謹(jǐn)，評價結(jié)果更加可靠?；诖耍疚倪\用ISM模型，分析地鐵基坑施工風(fēng)險因素間的影響關(guān)系。ISM模型構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 ISM模型構(gòu)建思路

2.2 ISM模型實施步驟

(1)建立鄰接矩陣。鄰接矩陣主要描述系統(tǒng)要素之間的直接聯(lián)系情況。如果要素Si對要素Sj有影響，則aij記為“1”；如果要素Si對要素Sj無影響，則aij記為“0”。得到

(2)計算可達(dá)矩陣。鄰接矩陣記為A，單位矩陣記為I，對A+I進(jìn)行布爾運算，直到滿足 (A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M為止。此時，M為鄰接矩陣A的可達(dá)矩陣[10]。若可達(dá)矩陣中mij=1，表示因素Si和因素Sj之間存在能夠到達(dá)的路徑[11]，即因素Si能夠直接或間接影響因素Sj。該過程可利用Matlab軟件求得。

(3)影響因素層級劃分。根據(jù)可達(dá)矩陣，求得可達(dá)集和先行集，分別用R(i)和Q(i)表示?？蛇_(dá)集指特定的影響因素能夠到達(dá)的全部因素的集合，先行集表示能夠到達(dá)某個影響因素的集合。由此可以判別各個風(fēng)險要素的層級，計算可達(dá)集與先行集的交集，進(jìn)而對各影響因素進(jìn)行層級劃分。

(4)繪制ISM模型圖。根據(jù)矩陣中影響因素之間關(guān)系和層級劃分結(jié)果繪制相應(yīng)的ISM模型圖，根據(jù)該模型圖分析地鐵基坑施工過程中各風(fēng)險因素間的復(fù)雜影響關(guān)系。

2.3 構(gòu)建地鐵基坑風(fēng)險的ISM模型

2.3.1 建立鄰接矩陣

根據(jù)表1中的風(fēng)險因素，基于專家調(diào)查結(jié)果，建立地鐵基坑施工風(fēng)險因素的鄰接矩陣A，即

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，繪制地鐵基坑施工風(fēng)險因素之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險因素影響關(guān)系圖

2.3.2 計算可達(dá)矩陣

基于鄰接矩陣，運用Matlab軟件計算地鐵基坑風(fēng)險因素的可達(dá)矩陣M，得到

根據(jù)可達(dá)矩陣，繪制地鐵基坑風(fēng)險因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。

圖3 地鐵基坑風(fēng)險因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖

2.3.3 影響因素層次結(jié)構(gòu)劃分

依據(jù)可達(dá)矩陣將基坑風(fēng)險因素進(jìn)行層次劃分，分別求得各個因素的可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)和共同集C(Si)。其中，共同集C(Si)為可達(dá)集R(Si)和先行集A(Si)的交集。當(dāng)可達(dá)集等于共同集時，R(Si)為最高級要素集合。在可達(dá)矩陣中，刪除Si所對應(yīng)的行和列得到新的可達(dá)矩陣，依次迭代，得到所有的要素集合。可達(dá)矩陣劃分結(jié)果見表2。

表2 可達(dá)矩陣劃分結(jié)果

由表2可知，管線破壞S9、臨近建筑物S15為最高級風(fēng)險因素。將最高級因素所對應(yīng)的行和列在可達(dá)矩陣中剔除，再進(jìn)行第二級風(fēng)險因素劃分，不斷迭代，直到所有因素都被分解。各因素層級劃分結(jié)果見表3。

表3 各因素層級劃分結(jié)果

2.3.4 建立ISM模型

根據(jù)表3的層級劃分結(jié)果，結(jié)合可達(dá)矩陣，構(gòu)建地鐵基坑施工風(fēng)險因素ISM模型，如圖4所示。

2.4 ISM模型分析

從表1和圖2可知，影響地鐵基坑施工風(fēng)險的15個因素構(gòu)成了6階結(jié)構(gòu)模型。由圖4的結(jié)構(gòu)模型圖可知：

圖4 地鐵基坑施工風(fēng)險因素ISM模型圖

(1)處于結(jié)構(gòu)層底部的風(fēng)險因素表示能夠影響它但不被它影響的因素較少。該類因素不但不易通過控制風(fēng)險因素而間接控制，而且對很多因素產(chǎn)生影響，在施工過程中應(yīng)對該類風(fēng)險因素給予重視。

(2)處于結(jié)構(gòu)層頂部的風(fēng)險因素表示能夠影響其但不被其影響的因素較多。在施工過程中，監(jiān)控該類風(fēng)險因素的同時，也可以通過其自身的表現(xiàn)對上層因素的控制效果進(jìn)行檢驗。

(3)處于結(jié)構(gòu)層中層的風(fēng)險因素表示能夠影響其同時被其影響的因素較多。該類因素對系統(tǒng)有一定的影響和依賴性，具有承上啟下的作用。

3 結(jié)語

本文通過梳理地鐵基坑風(fēng)險研究相關(guān)文獻(xiàn)，分析和歸納了15個地鐵基坑施工風(fēng)險因素。基于ISM模型，通過識別地鐵基坑施工風(fēng)險因素，采用定性和定量分析相結(jié)合的方式對地鐵基坑施工風(fēng)險因素進(jìn)行分析。通過繪制地鐵基坑施工風(fēng)險因素結(jié)構(gòu)圖和風(fēng)險因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖，分析各風(fēng)險因素間的相互影響關(guān)系，并指出風(fēng)險系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵因素，可為其他項目的風(fēng)險管理提供參考。