基于AHP和熵权法的地铁车站深基坑施工安全评价

张　栋，庄其建，赖理文

（中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430074）



基于AHP和熵权法的地铁车站深基坑施工安全评价

张栋，庄其建，赖理文

（中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430074）

摘要：为准确了解地铁车站深基坑施工安全状况，文章系统考虑人、设备、环境、管理以及工程等影响深基坑施工的安全因素，建立地铁车站深基坑施工安全评价指标体系。综合使用层次分析法和熵权法确定权重，建立安全性评判模型，评价施工安全等级；最后利用反馈回的数据对施工现场安全性进行评价，验证了模型的适用性和科学性，同时表明熵权法在一定的情况下也可用于单一评价对象的权重计算。

关键词：地铁；深基坑；施工安全；层次分析法；熵权法

1　概述

随着经济的发展以及城市化进程的推进，地铁建设已成为城市建设的主旋律，截至到2014年，我国已有20个城市地铁正在运营当中，总计里程1 000多公里。然而在地铁如火如荼的建设中，各种安全事故频发，特别是在地铁车站基坑修建过程中，坍塌、水害等事故容易发生。

目前针对地铁车站深基坑的风险研究集中在基坑稳定性、事故统计分析以及风险管理方面。杨庆年［1］运用FLAC3D模拟并结合实测值分析了武汉中山公园站、积玉桥站等基坑开挖引起的包括围护结构挠曲变形、基坑地层位移和坑底隆起3个方面的变形规律；周传波运用有限元、遗传算法以及MATLAB等研究手段以武汉地铁积玉桥站基坑为背景对地铁深基坑支护参数进行优化；王坤［2］研究了天津地区地下水对深基坑施工带来的浮托、管涌、流土等危害，并用COMSOL Multphysics软件以天津地铁2号线青年路站基坑为例计算了降水带来的孔隙率和沉降变化；龙小梅［3］运用FTA方法对基坑开挖排桩支护体系等多种结构体系进行安全评价，并运用实例证明评价的有效性；周志鹏等［4］在统计了126起地铁施工事故基础之上分析了坍塌事故的机理，并基于杭州地铁坍塌事故实例，在人、环境、材料、设备4个方面提出坍塌事故预防措施；毛星［5］分析了148例深基坑坍塌资料，在此基础上建立了深基坑坍塌事故预测模型；郑永伟［6］、黄银虎［7］、周光辉［8］、任振［9］、李立［10］等人分别从不同的角度对地铁车站施工风险进行了研究。地铁深基坑车站施工是一个复杂的系统工程，涉及到人、设备、材料、环境、管理等诸多方面，而上述研究缺乏从安全角度对施工安全进行综合评价。本文采用主观赋权法里面的层次分析法和客观赋权法里面的熵权法分别赋权［11］，然后按照一定关联将其融合为新的权重值，以提高地铁车站深基坑施工安全评价结果的全面性和科学性。

2　基于评价模型的安全性级别评价模型

目前，在评价指标赋权中运用较多的有层次分析法、统计平均法、熵权法、集值统计法，这些方法要么主观性较强、忽略因素间的联系［12］，要么太客观、忽视专家宝贵经验。层次分析法计算简便、结果明确，将对象看为一个系统进行分解、比较判断，是一种广泛运用的系统分析工具，但是在给出判断矩阵中，人的主观因素影响较大。熵权法是根据指标的变异程度来确定指标权重，变异程度越大，权重越大，反之亦然，是一种客观的赋权方法，能够避免人为因素干扰，但由于其严格的遵循数学规律，往往忽略决策者的主观意图。因此本文综合考虑两种方法的优缺点，将二者结合使用确定最终权重。

2.1安全性矩阵

对于研究样本的m个指标Ii（i=1，2，3，…，m），每个指标的分类标准已知，根据标准对指标进行安全性分割，设F=（Y1，Y2，…，Yk）为安全性分割的标准，且满足Y1≤Y2≤…≤Yk，则安全性矩阵如下：

2.2层次分析法

（1）构建层次结构模型

层次结构模型的建立是层次分析的第一步，在构建层次结构模型时要遵循科学性和合理性原则。地铁车站深基坑施工中，影响施工安全的影响因素很多，涉及到人、机、环、管理等方面［2］。通过参考文献资料和现场实地考察，既考虑深基坑工程固有的工程因素和环境因素，又综合考虑勘察、设计、监理业主等方面因素，构建的地铁深基坑施工层次结构模型见图1。

图1　地铁车站深基坑施工安全性评价层次结构

在层次结构体系中，指标X11主要考察勘察和设计方的资质、勘察方法是否规范仔细，设计是否合理等；指标X12主要考察施工方资质、招投标是否规范，施工人员是否具备相应素质等；指标X13主要考察业主项目立项、审查、组织管理和协调是否规范，责任是否履行到位；指标X14主要考察监理方资质、监理人员素质，监理责任是否落实。在地铁车站深基坑施工中，涉及到的设备因素较少，因此在设备因素中只选设备适用性X21和设备可用性X22两个指标，设备的适用性是考察设备是否会对周围环境造成不良影响，设备的可用性是考察设备是否供应及时、是否定期检查。指标X31是考察基坑周围的建筑、道路、管线的复杂性，是否下穿既有线、桥梁及程度等；指标X32主要是考察软土层厚度以及不良地层；指标X33考察地下水头高度对基坑开挖的影响；指标X34主要是考察现场光照、噪声、降雨等对施工安全的影响。指标X41主要考虑围护结构和支撑体系的类型和材质；指标X42主要考虑施工工艺的合理性和科学性；指标X43考察基坑深度，基坑越深，施工越难，在一定情况下，发生事故概率越大，后果更严重；指标X51主要考虑安全管理制度的健全性，安全人员的配备比例等；指标X52主要考虑监测方资质、监测设备的精确度及监测频率等；指标X53主要考察应急物资的储备和应急预案的科学性和应急演练等。

（2）构建判断矩阵

在决策者看来，准则层中指标的重要性不一定相同，各指标进行对比之后，对相对权重值应用1~9及其倒数来构造成判断矩阵：1表示同等重要，3表示稍微重要，5表示明显重要，7表示强烈重要，9表示极端重要，2，4，6，8表示重要程度处于相邻状态。判断矩阵见式（2）。

式中

（3）权重计算

在层次分析法中权重计算通常有几何平均法、最小二乘法、算数平均法、特征向量法4种，本文采用几何平均法，计算步骤如下：

①将判断矩阵中每行元素相乘得一新向量L= （l1，l2，…li，…，ln），其中

②计算新向量每一分量li的n次方根，

③对向量进行归一化处理即为权重向量，

（4）一致性检验

为评价判断矩阵的有效性需对其进行一致性检验。利用CR公式检验一致性，步骤如下：

表1　随机一致性指标

假设层次结构P层含n有个因素Pi（i=1，2，…，n），这n个因素相对于上一层的权重为bi（i=1，2，…，n），对于下一层的一致性指标为CIi，相应的平均随机一致性指标为RIi，则P层总排序一致性比例

2.3熵权法

设xij（i=1，2，…，n；j=1，2，…m）为第i个样品的第 j个指标的观测值，构成指标的样本数据矩阵X=（xij）n×m，指标权重确定步骤如下：

（1）将观测值进行归一化处理，归一化矩阵如下

式中：xjmax，xjmin分别为指标 j（j=1，2，…，m）下不同样品观测值的最满意值和最不满意值。

（3）熵权确定

第j个指标的权重

2.4组合权重计算

式中：λ为主观系数，取值为0~1，由实际情况确定。

2.5安全性测度

对于观测值xij，其安全性测度vijk=v，建立样本i 安全性测度矩阵V=（xijt）n×k。对于式（1）中，假设fi1≤fi2≤…≤fik，任意观测值的安全性测度［12］如下：

2.6安全性评价

对于样本i的安全性由式（12）确定

3　实例计算

3.1构建判断矩阵

某在建深基坑工程采用明挖法分段开挖，设计深度25.7 m，围护结构为地下连续墙，支撑结构为混凝土支撑与钢支撑结合使用。基坑位于市中心，周围环境复杂，上方有两道高架桥，周围有大型商场和高层建筑；水位埋深1.10~4.60 m。

令Y1=（安全性低），Y2=（安全性一般），Y3=（安全性高），根据式（1）构建安全性矩阵。

各指标和比重方式取值是向施工项目部管理（G）、监理（J）、监测（M）和施工人员（C）发送问卷及向参与项目的高校师生（T、P）现场咨询。问卷发送18份，有效问卷13份，咨询师生2名。综合之后各指标取值见表2。

各指标的判断矩阵如下：

3.2运用层次分析法确定指标权重

判断矩阵权重见表3。

由CR值可看出各判断矩阵都通过了一致性检验，根据式（6）得综合一致性比例CR=0.000 65 ＜0.10，层次总排序满足一致性要求。指标的综合权重见表4。

表2　施工安全性专家评分表

表3　判断矩阵权重

3.3运用熵权法确定指标权重

在一般情况下，熵权法是运用在多个对象评价中，利用不同对象相同指标的差异来确定权重。在本次评价中，评价对象只有一个，但指标赋值是来自与工程相关人员，可以将这些人员看成都属于基坑施工系统内，他们对地铁车站基坑施工安全影响以及对当前施工中不同指标的安全性有一定的差异，侧重点有所不同，比如在土层特性、开挖深度、安全管理以及应急管理等三个指标上，老师和学生给的评价要比其他人员低，原因可能是因为其他人员有地铁施工经验，对地质环境和开挖深度不如师生敏感，同时师生对安全管理和应急管理要求较高；在现场因素上施工人员给的评价要比其他人低，说明施工人员比较在意现场光照、噪声等因素对他们安全的影响。

表4　综合权重

根据式（6）（7）（8）计算得到的各指标权重β= （0.035 3，0.030 6，0.054 4，0.047 2，0.056 4，0.042 8，0.103 3，0.098 5，0.099 8，0.054 4，0.043 7，0.078 9，0.045 3，0.056 8 ，0.098 4，0.054 2）。

3.4组合权重的计算

根据式（10）计算得组合权重，征询相关专家意见λ取0.6，得W=（0.041 5，0.040 9，0.036 1，0.031 8，0.040 0，0.030 8，0.099 8，0.085 1，0.085 6，0.033 4，0.073 3，0.072 7，0.072 4，0.086 5，0.101 4，0.068 7）。将3个权重进行比较，结果见表5。

从表中可以看出层次分析法和熵权法两种方法所确定的权重有较大的差别，说明层次分析法的主观性和熵权法的客观性发挥了作用。在组合权重中，监测、周围环境、安全管理、支护体系、施工工艺、开挖深度等重要性较高，说明在地铁车站深基坑施工中，最重要地是通过监测反馈基坑的真实状态，实时掌握基坑稳定性及周围环境的变形信息，并及时发布预警信息，从而提前做好预防措施，避免基坑坍塌、建筑物变形过大、管线泄漏等恶性事故发生；周围环境的复杂性很大程度上决定了基坑变形控制的严格性，对基坑安全施工影响较大；同时要做好安全管理工作，规范人的行为，杜绝施工中物的不安全状态，从而消除事故隐患。在组合权重中，勘察设计方和施工方重要性大体相同，在基坑施工中，勘察的精确性、设计的合理性是基坑工程施工的基础，施工方案的科学性和施工组织的协调性是安全施工的前提，因此勘察设计方和施工方对施工安全来说都很重要。以上重要性结果与实际情况基本符合，从而证明了组合权重方法的全面性和科学性。

表5　3种权重对比表

3.5指标安全性测度确定

将15名人员打分情况进行算数平均处理，然后依据安全性矩阵F中的标准值，通过式（11）计算各指标的安全性测度，由于篇幅原因，不列出计算结果。

3.6安全性判定

根据式（12），该基坑施工安全性S=WV= （0.269 7，0.207 5，0.522 8），即属于安全性差的概率为0.269 7，属于安全性一般的概率为0.207 5，属于安全性高的概率为0.522 8。综上该基坑整体的安全性较高，但由于该基坑周边环境复杂、软土层较厚、水位埋深浅、基坑开挖深度深等固有危险性较高，所以在施工中要特别注意采取有效的防范措施控制固有危险。

4　结论

地铁车站基坑施工安全性评判是对基坑施工安全系统性的评判，评价结果对当前施工情况有一个整体性了解，为工程管理人员的安全决策提供支持。本文通过将层次分析法和熵权法结合使用确定指标权重，既考虑到决策者的主观倾向，又遵循数据的客观性，使权重的确定更加科学性，使评价结果更具全面性和准确性。在熵权法确定权重过程中，考虑到评价人员都参与到该项目中，他们对系统的安全性看法有一定差异，侧重点不同，因此将不同评价人员的评价当做样本，实现了熵权法在单个评价对象中应用。

参考文献

［1］杨庆年．武汉地铁车站深基坑变形特性分析［D］．武汉：华中科技大学，2010.

［2］王坤．天津地区地下水对深基坑开挖的影响研究［D］．成都：西南交通大学，2010.

［3］龙小梅，陈龙珠．基坑工程安全的故障树分析方法研究［J］．防灾减灾工程学报，2005，25（4）：365-368，393.

［4］周志鹏，李启明，邓小鹏等．基于事故机理和管理因素的地铁坍塌事故分析—以杭州地铁坍塌事故为实证［J］．中国安全科学学报，2009，19（9）：139-145.

［5］毛星．基于支持向量机的坤铁车站深基坑坍塌风险预测研究［D］．长沙：中南大学，2013．

［6］郑永伟．地铁车站施工风险分析理论与方法研究［D］．西安：长安大学，2009.

［7］黄银虎．地铁车站施工风险管理研究与应［D］．武汉：武汉理工大学，2012.

［8］周光辉． 地铁车站施工机械作业安全风险评价［D］．武汉：华中科技大学，2012．

［9］任振． 地铁车站深基坑施工风险耦合模型研究［D］．武汉：华中科技大学，2013.

［10］李立． 地铁车站施工风险管理研究［D］．徐州：中国矿业大学，2014.

［11］苏观南，付修庆，刘天祥．改进的博弈论综合权重在大坝安全综合评价中的应用［J］．中国农村水利水电，2014 （11）：82-85.

［12］张文会，李德才，罗文文．基于熵权的交通事故现场安全属性识别模型［J］． 交通运输系统工程与信息，2013，13（2）：136-140，163.

Safety Evaluation for Deep Foundation Pit Construction in Metro Station Based on AHP-Entropy Method

Zhang Dong， Zhuang Qijian， Lai Liwen
（Faculty of Engeering， China University of Geoscience， Wuhan 430074， China）

Abstract:To understand the safety situation of deep foundation pit construction in metro station， the evaluation index system is established based on systematic considerations of safety factors， such as people， devices， environment， management and engineering factors. The weight of evaluation index is calculated by use of AHP and entropy method， then the safety evaluation model is established to determine the safety level of construction. Finally， the applicability and scientificity of the model are verified based on safety assessment of construction site. The results also show that entropy method can be used to calculate the weight of single evaluation object under certain circumstances.

Key words:metro； deep foundation pit； construction safety； AHP； entropy method

中图分类号：U231+.3

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0080–06

收稿日期：（2015-07-09）

作者简介：张栋（1992-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向为地铁施工安全。