哈吉章，楊良義，肖旺檳，李晶生，曠杜敏

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙410000，E-mail：hajizhang@163.com；2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

隨著我國城市建設(shè)進程的快速推進，城市交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)亦同步得以飛速發(fā)展，在城市交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，深基坑工程極為常見[1，2]。對于深基坑工程而言，其自身施工難度較大、工藝復(fù)雜，因而在施工過程中具有較大的安全隱患[3，4]。此外，周邊建筑群及地下管線網(wǎng)絡(luò)分布密集等問題也在一定程度上為深基坑施工作業(yè)增加風(fēng)險。對深基坑施工過程的安全風(fēng)險進行有效評估可有助于深入認識深基坑施工全過程的風(fēng)險因素和作用效應(yīng)，有效降低深基坑工程建設(shè)安全風(fēng)險，在一定程度上保障深基坑施工作業(yè)安全。

考慮到深基坑風(fēng)險評價指標數(shù)據(jù)具有典型的不完整性和模糊性特征，部分學(xué)者嘗試采用基于模糊數(shù)學(xué)理論針對深基坑施工安全風(fēng)險評價問題開展研究，如吳波等[5]通過模糊層次分析法和多級模糊綜合評判法相結(jié)合的方式對深基坑非對稱施工安全風(fēng)險進行了評價，其評價結(jié)果與實際工程情況吻合較好。翟越等[6]基于采用直覺模糊集-動態(tài)加權(quán)的風(fēng)險評價方法有效地實現(xiàn)了深基坑施工風(fēng)險等級的評價。Wei 等[7]基于模糊熵理論提出了地鐵基坑施工整體風(fēng)險情況評價方法。蘭守奇等[8]基于模糊理論有效地實現(xiàn)了深基坑施工期的風(fēng)險評價。Meng等[9]通過細化深基坑作業(yè)過程風(fēng)險指標對模糊層次評價方法進行有效改進，使得風(fēng)險評價結(jié)果更符合實際情況。王成湯等[10]利用多態(tài)模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對地鐵車站深基坑施工風(fēng)險發(fā)生概率進行有效預(yù)測并取得了較為精確的結(jié)果。上述方法中各項風(fēng)險指標的影響權(quán)重多采用專家評分的方式獲取，存在較強的主觀性。為此，王偉等[11]基于熵值法和模糊綜合評判方法對砂卵石地層深基坑開挖過程進行了安全風(fēng)險評價，有效地避免了安全風(fēng)險評價指標權(quán)重確定過程中主觀性過強的問題。王景春等[12]也嘗試采用熵值法獲取深基坑評價權(quán)重，并進一步利用二維云模型對深基坑風(fēng)險等級進行有效評價。程鴻群等[13]則嘗試結(jié)合區(qū)間數(shù)理論與層次分析法，以期盡量降低風(fēng)險指標權(quán)重值獲取過程中的主觀性。盡管已有不同方法可有效獲得風(fēng)險評價指標的客觀權(quán)重，并可實現(xiàn)對深基坑施工過程整體安全風(fēng)險特征進行獨立評價，但其在針對單項評價指標風(fēng)險情況評估方面和全施工過程風(fēng)險情況動態(tài)評估方面仍存在不足。

本文擬以信息熵理論為基礎(chǔ)針對深基坑開挖過程的安全風(fēng)險進行多維度動態(tài)評價。采用熵值法確定各項風(fēng)險指標的權(quán)重值，并進一步給出單項指標的安全風(fēng)險等級評價值和綜合安全風(fēng)險等級評價值的計算方法和安全風(fēng)險等級的量化表征方法。結(jié)合安徽合肥軌道交通7 號線深基坑為案例進行施工開挖過程中的安全風(fēng)險等級評價，以驗證所提方法的合理性和可行性，為深基坑開挖施工過程的安全穩(wěn)定性評價提供一定的理論參考和技術(shù)支撐。

1 基于信息熵的安全風(fēng)險評價方法

1.1 基于信息熵的風(fēng)險因素權(quán)值計算

對于深基坑開挖施工過程而言，假定存在m個施工工況所組成的評價對象集合，表示為A={a1，a2，a3，…，am}。對于不同施工工況而言，采用n個安全風(fēng)險評價指標對其安全風(fēng)險狀況進行有效評價，安全風(fēng)險評價指標采用集合的形式表示為X={x1，x2，x3，…，xn}。綜合評價對象集合A及評價指標集合X則可獲得深基坑開挖施工過程安全風(fēng)險評價指標體系，如表1 所示。

表1 安全風(fēng)險評價指標體系

在實際施工過程中，各項風(fēng)險評價指標對整體施工安全的影響程度并不完全一致，為建立起與實際情況更相符合的施工安全風(fēng)險評價方法，應(yīng)先對各項安全風(fēng)險評價指標的權(quán)重的進行量化獲取。在針對深基坑施工安全風(fēng)險進行綜合評價時，各項風(fēng)險指標值的客觀信息量可由信息熵進行度量，某項評價指標的信息熵越小，則意味著該項指標所能提供的信息量越大，對評價對象最終結(jié)果的影響程度越顯著，亦即權(quán)重越大[16]。信息熵可客觀確定某項風(fēng)險指標對最終評價結(jié)果的權(quán)重，因此，本文擬以信息熵理論為基礎(chǔ)，利用熵值法對各項風(fēng)險評價指標的權(quán)重進行確定。

在采用熵值法進行權(quán)重計算時，應(yīng)結(jié)合表1 所示內(nèi)容，構(gòu)建安全風(fēng)險評價指標數(shù)據(jù)所組成的評價矩陣。

式中，rij為對應(yīng)工況條件下各項安全風(fēng)險評價指標實測數(shù)據(jù)值。

為進一步消除不同指標值之間的量綱差異，對所建立評價矩陣進一步進行標準化處理，得到標準化后的評價矩陣。

利用R'則可按下式進一步計算得到各項指標值所占比重標準化值。

結(jié)合所獲得比重值，第j項安全風(fēng)險評價指標的信息熵可由下式計算得到。

結(jié)合各項評價指標的客觀權(quán)重值及針對某評價對象所獲得評價指標值，針對第i個評價對象的第j項評價指標最終安全風(fēng)險等級評價值sij及其考慮各項評價指標的最終綜合安全風(fēng)險等級評價值si可分別由下式進行確定。

1.2 安全風(fēng)險等級的量化表征

對于某特定深基坑工程而言，其各項安全風(fēng)險指標均存在預(yù)警值。在構(gòu)建安全風(fēng)險等級評價體系過程中，常以安全風(fēng)險指標數(shù)值區(qū)間作為風(fēng)險等級區(qū)分依據(jù)?？紤]到一般城市地下工程的施工監(jiān)測要求及建筑基坑安全判別標準[17]，進一步結(jié)合現(xiàn)有針對深基坑工程施工安全風(fēng)險評價的研究成果[11，18]，本文擬將安全風(fēng)險等級劃分為三級。綜合考慮各項風(fēng)險評價指標，可構(gòu)建得到如表2 所示安全風(fēng)險等級體系。

表2 安全風(fēng)險等級評價體系

結(jié)合表2 所示安全風(fēng)險等級評價體系，采用式（2）和式（3）對其比重值進行計算，即可獲得安全風(fēng)險等級評價體系的比重標準化值如下：

以式（8）所示比重標準化矩陣為基礎(chǔ)，進一步結(jié)合所獲得的各項風(fēng)險評價指標客觀權(quán)重wj以及式（6）和式（7），可分別計算得到某工況下針對xj項風(fēng)險評價指標的安全風(fēng)險等級評價矩陣sxj和該工況的整體安全風(fēng)險等級評價矩陣S。

通過式（9）和式（10）所示安全風(fēng)險等級評價矩陣即可將安全風(fēng)險等級評價指標體系進行量化表征，最終得到考慮風(fēng)險評價指標權(quán)重的風(fēng)險等級評價體系如表3 所示。

表3 考慮風(fēng)險評價指標權(quán)重的風(fēng)險等級評價體系

1.3 深基坑開挖安全風(fēng)險動態(tài)評價流程

在采用上述單項指標安全風(fēng)險等級評價值和綜合安全風(fēng)險等級評價值對深基坑開挖過程的安全風(fēng)險進行動態(tài)評價時，首先應(yīng)依據(jù)實際工程情況和相關(guān)工程規(guī)范構(gòu)建相應(yīng)的評價指標體系，即選取合適的監(jiān)測指標反映特點工況條件下的基坑變形或受力情況。在此基礎(chǔ)上，以實際工程為依托獲取開挖過程中各項評價指標的變化情況，進一步利用熵值法確定各項安全風(fēng)險評價指標的客觀權(quán)重值。此外，應(yīng)當進一步依據(jù)實際工程情況和相關(guān)已有的安全風(fēng)險等級體系，結(jié)合所建立的安全風(fēng)險評價指標體系構(gòu)建適用于當前工程實例的安全風(fēng)險等級體系和等級判別標準，進而結(jié)合各項風(fēng)險評價指標的客觀權(quán)重值，對安全風(fēng)險等級判別標準進行量化表征，以便于對基坑開挖過程中的安全風(fēng)險情況進行量化分析和安全風(fēng)險等級確定，以期確定各項評價指標安全風(fēng)險等級和基坑整體安全風(fēng)險等級的動態(tài)評估。綜合上述討論，安全風(fēng)險動態(tài)評價流程如圖1 所示。

圖1 安全風(fēng)險動態(tài)評價流程

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

本文選取合肥市軌道交通7 號線一期工程為例，該地鐵車站外包總長為293.21m，標準段寬為22.7m，其東部端頭井段開挖深度為17.45m。該基坑工程圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，內(nèi)加設(shè)一道混凝土支撐和兩道鋼支撐。該地鐵車站沿線分布有大量具有吸水膨脹、失水收縮特征的膨脹性土，對開挖過程的安全穩(wěn)定性存在一定程度的影響。此外，該工程周邊存在較多高層建筑，地下管線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜密集，因而對基坑整體的安全穩(wěn)定性要求較高。

2.2 安全評價指標體系的建立及數(shù)據(jù)獲取

為對上述實際工程安全風(fēng)險等級進行多維度動態(tài)評估，依據(jù)動態(tài)評價流程進行安全評價指標體系的建立。針對深基坑施工過程進行安全風(fēng)險評估，王偉等[11]和魏新江等[18]建議以地面沉降、管線沉降、周邊建筑物沉降、支護結(jié)構(gòu)變形特征和地下水位等指標作為主要安全風(fēng)險評價指標。以上述所建議的安全評價指標為基礎(chǔ)，進一步考慮到該實際工程項目存在膨脹性巖土分布較多、工程量大、工期緊張、周邊存在較多建筑物以及地下管線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜等的特點。本文擬選定地面沉降（a1），周邊建筑物沉降（a2），樁頂水平位移（a3），樁頂沉降（a4），內(nèi)支撐軸力（a5），管線沉降（a6）以及支護結(jié)構(gòu)水平位移（a7）7 項代表性指標作為安全評價指標，構(gòu)建得到安全風(fēng)險評價指標體系。

本文擬選取其東部端頭井開挖過程中所獲取的評價指標監(jiān)測數(shù)據(jù)對整體基坑開挖過程的安全風(fēng)險進行綜合量化評估。考慮到在實際施工過程中所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)量偏大，因而僅選取該基坑從初始開挖到挖至相應(yīng)設(shè)計標高過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進一步依據(jù)等時間隔對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行整理后得到如表4 所示結(jié)果。

表4 安全風(fēng)險評價指標監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.3 安全評價指標客觀權(quán)重值

以表4 所示監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合式（1）～式（5）所給定的熵值法計算流程，可計算得到各項安全評價指標的客觀權(quán)重值，分別為0.138，0.103，0.179，0.132，0.187，0137 和0.124。對于各項指標而言，內(nèi)支撐軸力和樁頂水平位移的客觀權(quán)重值較大，分別為0.187 和0.179，即意味著對于該實際工程案例而言，內(nèi)支撐軸力和樁頂水平位移對基坑開挖過程整體的安全性影響較大，在施工過程中應(yīng)當著重監(jiān)測該兩項指標的變化。

2.4 安全風(fēng)險評價等級

根據(jù)本案例的具體工程特性，綜合該工程相應(yīng)的監(jiān)測控制要求和建筑基坑安全判別標準[17]，并以現(xiàn)有針對深基坑開挖過程安全風(fēng)險等級評價體系為參考[11，18]，構(gòu)建了安全風(fēng)險等級評價體系和判別標準如表5 所示。安全風(fēng)險評價等級共計劃分為三級，I 級為危險狀態(tài)，II 級為預(yù)警狀態(tài)，III 級為安全狀態(tài)。在進行判別指標的計算過程中，基坑開挖深度取值為17.45m，內(nèi)支撐軸力設(shè)計值為4500kN。

表5 安全風(fēng)險等級評價體系和判別標準

2.5 單項風(fēng)險指標評價結(jié)果分析

以所構(gòu)建安全風(fēng)險評價指標體系、安全風(fēng)險評價指標監(jiān)測數(shù)據(jù)和安全風(fēng)險評價指標權(quán)重值為基礎(chǔ)，結(jié)合式（5）和式（6）可計算得到單項指標安全風(fēng)險等級評價值的變化規(guī)律如圖2 所示。整體而言，各項指標安全風(fēng)險等級評價值均表現(xiàn)為隨開挖深度增加而增加的趨勢，表明隨著基坑開挖施工的進行，各項指標所反映的安全風(fēng)險情況逐步增大。此外，由圖2（a）可知，對于地面沉降（a1），周邊建筑物沉降（a2），樁頂沉降（a4）和管線沉降（a6）4 項沉降指標而言，其安全風(fēng)險等級評價值大致呈現(xiàn)出線性增長趨勢，意味著隨著開挖施工的進行，監(jiān)測獲取的各項沉降指標值并未趨于穩(wěn)定。對于周邊建筑物沉降（a2）指標而言，其整體增長趨勢較緩，可認為基坑開挖的持續(xù)推進對周邊建筑物沉降變形的影響并不十分顯著。對于兩項位移指標而言，其增長趨勢與沉降指標相似，見圖2（b）。此外，支護結(jié)構(gòu)水平位移在開挖深度從5m增加至11m過程中并未呈現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢，可認為由于該施工段中多次加設(shè)了鋼支撐，從而在一定程度上有效地降低了支護結(jié)構(gòu)水平位移。另外，由圖2（c）可知，隨著開挖深度增加，內(nèi)支撐軸力的安全風(fēng)險等級評價值呈現(xiàn)出非線性增加趨勢，在開挖深度大于11m 后，其風(fēng)險等級評價值基本趨于穩(wěn)定，進一步結(jié)合針對支護結(jié)構(gòu)水平位移指標變化情況的分析，可認為開挖過程中所加設(shè)的鋼支撐不僅可有效約束坑體周邊土體的變形且可從一定程度上降低第一道混凝土支撐的安全風(fēng)險，有效提升基坑開挖過程中的整體安全穩(wěn)定性。

圖2 單項指標安全風(fēng)險等級評價值變化特征

結(jié)合所獲得的單項指標安全風(fēng)險等級評價值進行安全風(fēng)險等級分級評價得到如表6 所示結(jié)果。從表中可知，對于各項安全風(fēng)險評價指標而言，隨著開挖深度的逐步增加，其安全風(fēng)險等級并未出現(xiàn)顯著變化。此外，可知地面沉降（a1），周邊建筑物沉降（a2），樁頂沉降（a4）和管線沉降（a6）4 項安全評價指標處于II 級狀態(tài)，意味著該4 項指標有較大可能引起基坑施工開挖過程中的安全問題。由于該工程沿線分布特殊巖土介質(zhì)且其與周邊建筑物距離較近，因而存在較為顯著的沉降指標過大問題。在后續(xù)同類別工程實例中需對上述4 項指標加強監(jiān)測，并針對實際情況制定相應(yīng)的控制措施，以降低開挖過程所引起的沉降變形。對于樁頂水平位移（a3），內(nèi)支撐軸力（a5）和支護結(jié)構(gòu)水平位移（a7）3 項指標而言，其安全風(fēng)險等級始終處于III級狀態(tài)，因而暫可不采取相應(yīng)的控制措施。

表6 單項指標安全風(fēng)險等級評價結(jié)果

2.6 綜合評價結(jié)果分析

上述單項風(fēng)險指標評價結(jié)果僅從單個維度對該實際工程案例的風(fēng)險情況進行等級評價，難以完備地反映實際工程的整體風(fēng)險等級情況。對于不同實際工程而言，各單項風(fēng)險指標對工程整體安全風(fēng)險情況的影響效應(yīng)存在一定區(qū)別，因而通過確定各單項風(fēng)險指標權(quán)重的方式實現(xiàn)各單項風(fēng)險指標對工程整體安全風(fēng)險影響效應(yīng)的量化，并進一步進行綜合安全風(fēng)險評價，可有效地實現(xiàn)單項風(fēng)險指標與工程整體安全風(fēng)險情況的多維度有機結(jié)合。綜合安全風(fēng)險等級評價值隨開挖過程的變化規(guī)律如圖3 所示。對于各施工階段而言，該基坑安全風(fēng)險等級均為III 級，亦即表明在全施工過程中均處于安全狀態(tài)。此外，隨著開挖深度的逐步增加，安全風(fēng)險綜合評價值逐步增加，即意味著隨著基坑開挖施工的逐步進行，基坑整體安全風(fēng)險逐漸增加。劉國龍等[19]采用所提出的基坑整體風(fēng)險度指標對基坑開挖過程安全風(fēng)險進行量化評估時也發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律。

圖3 綜合安全風(fēng)險等級評價值變化特征

結(jié)合所獲得的綜合安全風(fēng)險等級評價值進行安全風(fēng)險等級分級評價得到如表7 所示結(jié)果。對于該工程實例而言，全開挖過程中基坑安全風(fēng)險等級均為III 級，即表明全開挖過程該基坑均處于安全狀態(tài)。結(jié)合上述針對單項風(fēng)險指標的安全風(fēng)險等級評價結(jié)果可知，盡管該基坑整體處于安全狀態(tài)，但仍需針對其中部分安全風(fēng)險評價指標進行持續(xù)監(jiān)測，以更有效地規(guī)避施工風(fēng)險。

表7 綜合安全風(fēng)險等級評價結(jié)果

3 結(jié)語

本文基于信息熵理論構(gòu)建了針對深基坑開挖施工安全風(fēng)險的多維度動態(tài)評價方法，進一步以安徽合肥地鐵車站7 號線為實際工程案例，采用所提出方法對其深基坑開挖施工過程的安全風(fēng)險狀態(tài)進行評估，得到如下主要結(jié)論：一是提出了基于信息熵理論的深基坑開挖施工安全風(fēng)險多維度評價方法和基本流程，采用熵值法計算各項安全風(fēng)險評價指標的客觀權(quán)重值，有效克服了采用傳統(tǒng)方法確定權(quán)重值過程中所存在的主觀性過強的問題；二是提出了單項安全風(fēng)險指標安全風(fēng)險等級評價值和綜合安全風(fēng)險等級評價值，用以對深基坑開挖施工過程中的單項風(fēng)險評價指標安全風(fēng)險狀態(tài)和整體安全風(fēng)險狀態(tài)進行多維度動態(tài)評價。結(jié)合上述兩類指標和安全風(fēng)險等級評價體系，有效地實現(xiàn)了安全風(fēng)險狀態(tài)的定量化描述。并采用所提出評價方法對安徽合肥地鐵車站7 號線深基坑開挖過程進行安全風(fēng)險評價，有效識別獲取了不同開挖階段的關(guān)鍵風(fēng)險指標，驗證了該評價方法的可行性，可為深基坑開挖施工過程的風(fēng)險管理提供一定技術(shù)支撐。