基于物元可拓及理论的深基坑施工定量风险分析

林 青

（福建信息职业技术学院机电工程系，福州350003）

随着城市开发向纵深发展和地下空间的充分利用，深基坑工程日益增多，地铁、地下商城、地下管线众多、建设场地狭小、周围环境要求高等不利因素的矛盾更加突出，尤其是地铁施工越来越多地在建筑物密集和纵横交叉的管线网地区进行，建设过程涉及大量的不确定因素，面临的风险也越来越多，一旦在人员、管理或支护等等任一环节出现问题，都可能导致整个基坑坍塌，造成人员伤亡和财产损失，并严重威胁甚至破坏相邻建（构）筑物或地下设施及各种管线的安全[1]。如2008年11月杭州地铁湘湖站北2基坑现场发生的大面积坍塌事故，地面坍塌导致地下污水等管道破裂、河水倒灌造成基坑和地面坍塌处进水，造成21人死亡，24人受伤，直接经济损失4 961万元。

由于深基坑工程施工中风险因素多，不确定性强，给深基坑施工整体风险性评价带来了困难。这些不确定因素往往难以用准确的定量方法来描述，不同的风险因素重要程度不同，评级标准和自然状态模糊，必须对多个相关因素作综合考虑，综合评估[1]。

基于物元和可拓集合理论的深基坑施工风险定量分析方法，可综合考虑影响深基坑安全可能性的各个风险因素以及可能造成的失效后果，通过构建计算模型和数学函数来解决深基坑施工风险分析问题[2－3]，与其他一些主要依据专家经验打分的主观方法比较而言，该方法更具有客观性和可信度。

本文基于物元和可拓集合相关理论，建立深基坑施工风险评定的物元和可拓评价系统，确定计算模型和数学函数，对某深基坑施工的定量风险分析进行研究。

1 深基坑工程事故主要因素

深基坑工程建设项目中包含了许多相互关联的活动，每一项活动都与成本、进度、质量、安全等施工目标有关，而任一项活动变化对其他活动和施工目标的影响，具有诸多不确定性，如岩土参数的不确定性，荷载计算的不确定性，与支护有关的不确定性，施工环境的不确定性等等[4－5]。正是由于这些不确定性因素，以致使人们很难用一套标准的评估模式分析把握施工过程中可能出现的各种风险。而大量实践表明，深基坑工程中发生工程事故的概率远远高于主体工程。对此，国内有关专家学者专门做了调查和分析工作，从大量事故统计数据可知[6－7]，造成深基坑事故的原因主要在勘查、设计、施工、监理以及投资方等几个方面，这其中施工和设计两方面的因素占比高达85%以上，应是基坑工程风险管理的重心[8－9]。这两方面的具体原因有：（1）施工单位无资质，施工质量差；（2）施工组织方案不合理；（3）随意修改设计，不严格遵守施工规程施工，超挖或支撑不及时；（4）治理地下水的措施不力；（5）现场管理混乱，协调处理不当；（6）施工荷载超载，使得支护结构产生变形；（7）对周边环境保护措施不力；（8）对基坑及周围环境监测数据重视分析不够；（9）无证设计；（10）设计缺陷等等。总的来说深基坑施工事故风险因素可以归纳为4大类：人的素质、施工管理、设计因素和周围环境。

2 基于物元可拓集的深基坑施工风险定量评定模型

2.1 确定深基坑风险因素指标

对于待评深基坑视为事物N，确定其与风险有关的各项特征ci（i＝1，2，…n）。根据上节分析，将深基坑施工风险特征定为：人的素质、施工管理、设计因素和周围环境共4项内容，即n＝4。所以，N＝深基坑，c1＝人的素质，c2＝施工管理，c3＝设计因素，c4＝周围环境。

其中，人的因素包括：安全意识，持证上岗，操作能力，参加教育培训，遵守规章制度，缺乏工作经验等几方面二级要素。

施工管理因素包括：施工单位无资质，随意修改设计，不遵守施工规程导致施工质量差，施工组织不合理现场管理混乱，施工设备调配不当，支护及支力地下水措施不力，不重视监测信息或对监测数据分析不及时等。

设计因素包括：无证设计，盲目设计，不遵守相关设计准则，方案选择不当，参数指标取值不准确，结构设计失误等。

周围环境包括地下管线多，坑周地表沉降，周围建筑物沉降，周围建筑物倾斜，地下水位高，地面及坑周荷载增重等方面的内容。

以上各因素的二级要素参照肯特评分改进方法，结合实际监测数据和专家评分法，获得各项评分。

2.2 确定风险等级

参考美国在“9.11”事件后制定并实施的国土安全国家预警系统，依次用绿色、蓝色、黄色、橙色和红色5种颜色直观地标识基坑的安全状态[1，10]，结合工程案例，将深基坑安全等级划分为安全状态、监视状态、警戒状态、较危险状态、严重危险状态5个等级，则深基坑的风险评价等级集P可表示为：

2.3 确定量域和节域

量域V0j即为各项风险特征ci（i＝1，2，…4）所有可能的取值范围，节域VPn即为评价对象的等级全体P关于各项风险特征ci（i＝1，2，…4）所取的量值总范围。

深基坑风险特征的量域表示为：

vki为N关于ci的量值，即待评对象各项指标的实测值。

深基坑的风险等级全体关于风险特征的节域表示为：

与风险级别p1，p2，…，pm，（本文中风险级别为Ⅰ～Ⅴ，m＝5）相对应，将在各风险级别下的各项风险特征的取值范围Vij（i＝1，2，…4；j ＝1，2，…5）合并表示，形成同征物元体：

2.4 确定待评物元

对待评深基坑，确定各评价指标的取值，用物元表示：

关于各项风险特征ci（i＝1，2，…4）的量值vki（i＝1，2，…4）参照肯特评分法改进方法，结合实际工程监测数据和专家评分法得出。

2.5 计算各特征的关联函数

当vki∈V0ji时，按公式

计算各项风险特征ci（i＝1，2，…4）关于风险等级pj（j＝1，2，…5）的关联函数值。

当vki∉V0ji时，则有：

2.6 确定风险特征的权系数

各风险特征ci（i＝1，2，…，4）的权系数ωi（i＝1，2，…，4）确定进行归一化处理，则有

设各项风险特征ci（i＝1，2，…，4）对于深基坑事故的判断矩阵为A，则将判断矩阵A的4个行向量归一化后的算术平均值，近似作为权重向量，即

2.7 计算深基坑风险等级评价因素的关联函数

由式（1）～（9）可以计算深基坑关于各风险级别pj（j＝1，2，…5）的关联函数值为

2.8 确定风险等级

取对应关联函数最大时的风险等级为评价结果，即根据：

判定该深基坑的风险等级为j0。

3 案例应用

3.1 工程概况

某地铁车站深基坑工程，为地下二层岛式站台标准站，结构全长207.3m，基坑采用0.8m厚地下连续墙作围护结构，墙深28m，基坑开挖深度约17.2m，设6（5）道Φ609钢管支撑。基坑保护等级设计为一级。

3.2 计算

3.2.1 风险特征评分和计算关联函数值

参照肯特改进评分法，结合监测数据和专家打分，得出该工程的各项风险特征评分的最终统计结果见表1。

表1 深基坑的各项风险特征评分统计结果

计算各项风险特征ci（i＝1，2，…4）关于各风险等级Nj（j＝1，2，…5）的关联函数值，见表2。

表2 基坑各风险特征关于各风险等级的关联函数值

3.2.2 确定权重

根据工程有关资料和专家的建议和意见，该案例工程事故的判断矩阵见表3。

表3 该深基坑工程两因素判断表

分别求出各项风险特征ci（i＝1，2，…，4）对于该工程各风险等级的相对权重ω1，ω2，…，ω4，计算得ω1≈0.444 5，同理可得：ω2≈0.283 2，ω3≈0.165 1，ω4≈0.107 2。计算随机一致性比率CR ≈0.026 5＜0.10，即判断矩阵和层次排序结果具有满意的一致性。

3.2.3 确定风险等级

计算该工程关于各风险级别pj（j＝1，2，…5）的关联度，见表4。

表4 基坑各风险等级的关联度

取对应关联度最大时的风险等级为该工程的风险等级评价结果，计算得该工程的等级变量特征值j＊≈3.9，已知该工程的j0＝4，而j＊＝3.9，表示该工程施工的风险等级属于第4级偏向第3级，严格地讲应属于3.9级。

此外，由表6可知，该工程关于各风险等级的关联度值之间悬殊较大，会影响到风险等级的评定结果，使得其风险等级取值偏高，也就是说该工程精确风险等级应为Ⅳ级，而不是Ⅴ级，属于较危险等级，应立即采取技术管理措施预防事故的发生。

4 结语

深基坑施工风险定量评定是一个较为复杂的过程，需要综合考虑各种风险影响因素、风险特征的权重赋值，风险等级评定方法、构建计算模型和数学函数等等方面。基于物元理论和可拓集合的方法，从深基坑施工中影响安全的多个因素出发，能最大限度地利用监测数据和专家所评得分，数据较为客观，并将定性的定级方法转化为定量的定级方法，能较全面地反映出深基坑工程施工安全状态符合评价等级的程度，较好地解决了评价中定性与定量因素综合评价的问题。实例应用表明，该评价方法是有效可行的。但是该方法应用中受到评价系统各风险特完善。

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