基于IOWA算子的地铁车站深基坑施工安全综合评价

陈 楠

(济源职业技术学院建筑工程系， 河南 济源 459000)

0 引言

地铁作为一种有效的出行方式，在解决城市交通压力方面发挥着重要作用[1]。地铁车站作为整个地铁工程施工的重中之重，除具有深基坑工程“深、大”特征外，同时施工环境复杂、工期短，是地铁建设事故频发的主要源头，给社会带来严重的负面影响[2]。

国外方面，A. Julie等[3]利用EIS模型从施工前期评估地铁施工风险。国内方面，地铁基坑施工安全主要评价方法有故障树法、模糊理论、熵权法、灰色关联、层次分析法等，例如： 周红波等[4]、李朝阳等[5]利用故障树对风险因素进行识别，综合集成风险评估方法确定地铁车站安全等级；刘俊伟等[6]借助模糊理论评估深基坑施工期风险；陈神龙等[7]提出模糊层次分析法的地铁车站深基坑施工风险评价模型；贺跃光等[8]基于现场实测数据利用层次分析法计算深基坑施工安全评价指标权重。上述方法能较好地分析地铁深基坑施工安全风险，但评价结果依赖权重计算的合理性，忽视了指标信息的不完整性。层次分析法、模糊层次分析法易受到决策者主观偏向的影响且未能有效调整主观偏好带来的不利极端影响。熵权法为纯理论数学方法，客观性太强，易出现计算结果与工程实际出现较大偏差的情况。

鉴于此，本文提出基于IOWA算子的地铁车站深基坑施工安全灰色聚类评价方法，全面考虑专家主观极端认知对目标的不利影响，利用正态分布密度函数得到初始权重，引入系数对区间数边界权值作进一步的调整，极好地解决极端认知对评价结果的负面影响。运用灰色聚类法构建安全等级评价模型，增加指标信息的完整性，进一步支撑专家对评价指标做出合理判断，为地铁车站深基坑施工安全评价提供新方法。

1 构建评价指标体系

1.1 WBS-RBS构建指标矩阵

地铁车站深基坑施工是一项复杂的工程，施工安全受到众多指标的影响，即使同一类指标在不同施工阶段也会带来不同的影响。文献[9-10]从车站深基坑风险层(RBS)或施工作业层(WBS)单一维度构建指标体系，而车站深基坑施工安全与作业层和风险层2个层级息息相关。本文借助WBS-RBS理论从作业层和风险层2个维度全方位识别车站深基坑施工安全指标；构建车站深基坑施工安全评价指标矩阵，其中作业层安全指标作为矩阵的行，风险层安全指标作为矩阵的列，行和列的交叉点为最终评价指标。相关步骤如下：

1)明确识别目标。根据不同评价主体的特性，构建不同的WBS-RBS结构。

2)构建作业层(WBS)分解树。按照作业流程构建作业层所有可能面临的风险指标，见图1。

图1作业层分解结构

Fig. 1 Decomposition structure of working layer

3)构建风险层(RBS)分解树。预测风险层所有可能遇到的风险指标并逐层分解，见图2。

图2 项目层分解结构

4)构建地铁车站深基坑施工安全指标矩阵。WBS-RBS风险分解见图3。

图3 WBS-RBS风险分解

分别将WBS和RBS最底层风险因素和工作包作为行向量和列向量，对应耦合形成风险矩阵，矩阵中每个因素是独立的耦合事件。根据实际情况，用0和1分别判定耦合事件是否发生或存在，0表示不发生/不存在，反之则为1。

1.2 地铁车站深基坑施工安全指标体系分解

1.2.1 地铁车站深基坑施工安全WBS分解结构

参考地铁车站深基坑施工工艺流程，将其划分为土方开挖、地基处理、基坑支护、排水降水、基坑监测5个环节。其中，土方开挖分解为土方超挖、顶部压力大、支柱破坏；基坑支护分解为喷浆厚度、止水帷幕、锚杆强度；排水降水分解为降水措施、排水系统、降水设备。总体来看，作业层指标基本上符合风险识别的要求。地铁车站深基坑施工作业层分解结构见图4。

图4 地铁车站深基坑施工作业层分解结构

Fig. 4 Decomposition structure of construction layer of deep foundation pit of metro station

1.2.2 地铁车站深基坑施工安全RBS分解结构

地铁车站深基坑施工安全风险指标种类繁多，本文按照风险特征不同将其分为施工风险、技术风险、管理风险和环境风险。其中，施工风险包括施工质量、机械设备；技术风险包括设计参数、勘察质量；管理风险包括违章作业、安全意识；环境风险包括不良地质障碍物、复杂地下管线。风险分解结构见图5。

Fig. 5 Decomposition structure of risk layer in deep foundation pit construction of metro station

1.2.3 构建地铁车站深基坑施工安全WBS-RBS风险矩阵

将WBS和RBS分解的最底层单元耦合，利用0和1判断耦合元素是否存在，同时结合文献[9-12]的研究成果确定耦合元素的代表事件。地铁车站深基坑施工安全WBS-RBS耦合矩阵见表1。

1.3 构建地铁车站深基坑施工安全评价指标体系

根据表1地铁车站深基坑施工安全WBS-RBS耦合矩阵可知共有24个耦合为“1”的事件，即R11W11：土方超挖；R11W12：坡顶荷载；R11W2：接缝开裂；R11W33： 槽壁坍塌；R12W12： 支撑荷载超标；R12W13： 支撑抗力不足；R12W2： 地下连续墙插入深度不够；R12W32： 机械操作不当；R12W33： 与围檩连接不可靠；R12W41/ R12W43： 降水不到位；R21W11： 土体自稳定性能下降；R21W12： 坡度太大；R21W2： 承压水参数设计失误；R21W33/R31W32： 施工位置不合理；R22W11/R22W2： 底部土体强度低；R31W13： 围护体蜂窝/离层；R31W43： 降水井破坏；R32W12/R32W32： 工人安全意识不强；R41W32： 支撑失抗力不足；R42W11： 机械操作不当。文献[9]指出渗流破坏、支撑失稳、坑内滑坡、踢脚破坏、突涌破坏、机械伤人是影响地铁车站深基坑施工安全的主要指标，其占比分别为62%、13%、13%、8%、2%、2%。结合文献[11-12]的研究和《建筑深基坑工程施工安全技术规范》以及现场实际施工情况，将上述指标归类到渗流破坏、突涌破坏、机械伤人、坑内土体滑坡、支撑失稳、踢脚破坏6大类。地铁车站深基坑施工安全评价指标体系见表2。

表1 地铁车站深基坑施工安全WBS-RBS耦合矩阵

表2 地铁车站深基坑施工安全评价指标体系

1.4 指标无量纲化处理

表2中评价指标多数为定性指标，各指标标度不尽相同，需要对各指标进行无量纲化处理。考虑灰色聚类法评价结果特征，将变量的取值控制在区间[0, 10]内。为保证评价指标一致性，结合概率论相关知识将地铁深基坑施工安全等级划分为不安全、较安全、安全、很安全、非常安全5个等级，具体见表3。

表3地铁车站深基坑施工安全等级

Table 3 Safety level of deep foundation pit construction of metro station

区间范围安全等级[0, 2]不安全 (2, 4]较安全 (4, 6]安全 (6, 8]很安全 (8, 10]非常安全

2 评价方法的构建

2.1 IOWA算子赋权

地铁车站深基坑施工安全评价指标的特性决定了评价过程需要充分借助专家的经验知识，不可否认专家个人能力不同，在评判过程中容易产生极端值现象。有学者通过“柔性”区间数代替 “刚性”点值的形式扩大专家对指标认知度，在一定程度上降低决策极端值的可能性[13]。IOWA算子是由Yager提出介于数据最大值和最小值之间的一种信息集成方法[14]，被广泛运用在预测领域。核心思想对初始数据按照从小到大的顺序重新排序得到新数据，通过对新数据加权利用正态分布密度函数求得权重，同时引入θ系数调整区间边界权重，进一步消除极端评价带来的不利影响，具体计算步骤如下：

(1)

(2)

(3)

5)权重调整，引入θ系数调整区间权重ωi。

(4)

式中：θ为左边界权值占组合权重大小； 1-θ为右边界权值占组合权重大小。

为降低组合权值与区间左、右边界权值的偏差，令θ=0.5。

(5)

同理可得一级指标权重ω*。

2.2 灰色聚类分析

地铁车站深基坑施工安全涉及指标众多、内部关系难以表达、数据收集困难，评价过程的科学合理性主要建立在专家的经验知识和个人偏好，导致决策过程充满灰色性、不确定性，故将车站深基坑施工安全评价作为一个灰色系统，以此满足部分指标信息完整、部分指标信息不透明的特点。灰色聚类作为灰色理论中重要部分，在聚类分析评价领域发挥重要作用，极好地解决样本数量缺乏、信息不透明造成评价困难的难题，核心思想是对不同的评价属性进行不同的归类，最终得出目标综合评价值。借鉴文献[11]利用灰色聚类解决指标灰色性的研究成果，本文利用灰色聚类评价地铁车站深基坑施工安全，以期指导现场施工。

2.2.1 灰色白化权函数

根据刘思峰教授提出的灰色白化权函数核心思想并结合文献[15]的研究成果，令最大值作为灰类中心点结合地铁车站深基坑施工安全等级范围表，取中心点向量为Q=(9，7，5，3，1)，对应灰色白化权函数见表4。

表4 灰色白化权函数

2.2.2 灰色聚类评价

1)构建矩阵。参考表3车站深基坑安全等级范围向p个专家发放问卷调查并对指标Aij打分，得到矩阵Di=[dijk]n×p，dijk表示第k个专家对指标i下的分指标j的评价。k=1,2,…,p;n为风险因子的数量。

(6)

(7)

构建指标评价矩阵Z=[Z1,Z2,…,Zn]，得到一级指标评价向量

M=ω*×Z=[M1,M2,…,Mn]。

(8)

4)计算综合评价值。采用指标评价向量和测度阈值集结规避信息传递过程数据丢失，实现对传统聚类评价的改进；再将综合评价值L落位到表3地铁车站深基坑施工安全等级范围，得到目标安全等级。

L=M×QT。

(9)

3 案例分析

紫荆山车站是郑州地铁首条换乘站，地处闹市区，周边交通繁忙，地下管线复杂。车站共4层，开挖深度为35 m，其中负1层和负2层为车站大厅，负3层为1号线区域，负4层为2号线区域。整个车站开挖难度大、地质条件复杂、工期紧，施工过程存在较大的安全隐患。运用本文构建的安全评价模型对该基坑施工安全进行评价，以期为施工提供科学的指导意见，确保施工安全。

3.1 计算指标权重

邀请5位行业专家，包括不限于高校老师、施工单位负责人、学者，根据地铁车站深基坑施工安全等级利用0～10打分法确定指标重要性。本文以A1渗流破坏下4个2级为例演示权重计算过程，指标得分见表5。

表5 二级指标决策数据

利用式(1)、(2)得到权向量H11=(0.157,0.268,0.354,0.342,0.298)。

其余指标权重如下：

ω*=(0.212,0.109,0.207,0.135,0.198,0.139)。

3.2 灰色聚类评价

根据表4灰色白化权函数隶属度结合地铁车站深基坑施工安全等级范围，构建矩阵Di=[dijk]n×p：

运用式(6)构建权矩阵Ri：

利用式(7)构建矩阵Zi，求得矩阵

运用式(8)计算地铁车站施工安全一级指标评价向量

M=ω*×Z=[0.296,0.310,0.264,0.316,0.000]。

利用式(9)得到地铁车站深基坑施工安全综合评价值L=M×QT=7.102。

结合表3地铁车站深基坑施工安全等级范围，紫荆山地铁车站深基坑施工很安全，根据IOWA算子求得权重认为渗流破坏、坑内土体滑坡、支撑失稳、踢脚破坏是影响深基坑施工安全的主要风险指标。在施工过程中需做好车站基坑降水专项施工方案，密切关注接缝不规则变化防止出现开裂和夹泥；土方施工阶段防止土方超挖、合理控制放坡坡度和避免坡顶堆放过多物品；严格控制地下连续墙插入深度和降水井的保护，为保证车站深基坑施工安全提供可行性建议。

4 结论与讨论

1)根据WBS-RBS 2个维度并结合现场施工实际情况构建指标体系，融合了理论与实践使得郑州地铁1号线紫荆山车站深基坑施工安全评价指标体系更具实用性。

2)在指标权重计算中引入IOWA算子和系数调整边界权重，弱化专家打分极端值对结果的影响，提升赋权科学性。

3)将地铁车站深基坑施工安全评价视为灰色系统，利用灰色三角白化权函数实现指标信息透明化同时结合IOWA算子求得的权重，认为紫荆山车站深基坑施工安全等级高并指出主要风险安全评价指标，但缺少专项提升措施。在后续的研究中，应加强该领域的研究，力求为地铁车站深基坑施工安全管理提供保障。