基坑工程潜在危险因素评价研究

丁剑敏，贺琳，蔡元梦，张嫄园

（无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡214000）

0 前言

随着国家经济发展，我国对高层建筑的需求与日俱增，同时对住宅及办公楼等的建设提出了高要求即在较小的空间内尽量的满足多住户、多办公室的要求，为了满足这种要求，高层的大面积建设随之而来。但是对于高层而言，面临最大的问题就是基坑的稳定性问题，即使设计者按照规范要求设计，施工者按照设计工况分布施工，但最终还是出现了问题，其中的问题不得不引起人们的反思。因此对影响基坑工程安全的潜在危险因素进行科学的研究与评价，将有效的达到基坑工程安全的目的。

1 基坑工程危险因素的研究现状

改革开放以来，随着城市地下空间的逐步发展，基坑工程事故率呈现居高不下的现状，许多专家学者对此都进行了深入的研究，同时，由于基坑工程的区域性较强，因此受到当地的工程地质条件、水文地质条件以及周围环境影响，并且对事故进行分析可以得到影响基坑工程事故的主要原因为基坑的支护结构等的不合理，施工组织措施不完善，也有基坑工程复杂性造成的偶然性原因等[2]。

对基坑危险因素的研究和问题的总结比较充分，而在潜在危险因素的评价研究则稍有不足，主要集中于评价方法的选择，合适的评价方法能很好的对风险因素的关联性进行分析和评价[6]。

2 基坑工程潜在危险因素评价指标体系设计

通过文献研究法，对基坑工程相关的文献进行搜集、阅读和整理，得到频繁出现的影响基坑工程安全的潜在危险因素。例如，工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等都是影响基坑工程的危险因素[2～5,10]。文章为遴选出更准确的数据，建立了影响因素的指标体系见图1。

图1 评价指标体系

2.1 勘察因素

在勘察阶段，影响因素主要为工程地质条件（C1）、水文地质条件（C2）、周边环境条件（C3）、当地气象资料（C4）等特点。基坑工程涉及土力学中稳定、变形、渗变等，而工程地质条件（C1）和水文地质条件（C2）也是其中的关键因素。国内不同的省份其地质条件不同，会导致其具有不同的地质条件。基坑工程施工时当地的环境条件（C3）和当地气象资料对施工方案和施工工期（C14）都有至关重要的影响。

2.2 设计因素

从基坑工程设计的角度出发考虑潜在危险存在的因素也是减少基坑工程事故发生的方向之一。土工参数取值的计算（C5）和水、土压力值的取值（C6）对基坑工程设计方案的选择和优化，以及选择合适的围护结构都起到决定性作用，并对基坑深度（C7）和基坑形状（C8）有影响。

2.3 施工因素

在施工过程中通过获取岩土工程信息进行分析处理，可以看出合理的施工过程的控制（C10）可以对施工中发生的意外事故做到最优的应急处理并能控制施工工期（C14）。而信息化施工可以及时监测施工中出现的牵连问题以及时间效应所带来的问题，如基坑降水引起地下水位变化（C12）和土体蠕变引起的时间效应（C13）等。

3 基坑工程潜在危险因素评价指标因素影响关系的确定

文章通过调查问卷的方式向长期从事基坑工程施工的人员发放问卷做息调查。同时，问卷问题是基于14个三级指标建立完成，并且设置了非常严重、较严重、一般、较轻和非常轻等五个层级。为使调查问卷真实有效，本次共发放问卷243份，其中收回有效问卷217份，问卷有效回收率为89.3%。

3.1 问卷的信度和效度分析

文章运用SPSS 20.0软件对问卷的信度及效度进行分析。在分析结果中，总量表Cronbach’s Alpha系数为0.785，分量表的Cronbach’s Alpha系数范围为0.762～0.809。对信度进行检验过程中，专家学者均认为Cronbach’s Alpha系数标准为:0.6～0.65(最好不要)；0.65～0.7(最小可接受值)；0.7～0.8(相当好)；0.8～0.9(非常好)[13]。由此可知，问卷具有较好的信度。同时，文章利用因子分析法对效度进行分析，其中KMO系数为0.756，P值为0.001(小于0.01)，达到显著水平；提取出5个公共因子，其累积解释总方差达到67.358(大于0.6)；综合可知，各指标项旋转载荷范围为0.535～0.886，并且多数超过0.6，因此可以判断问卷具有较好的结构效度[12]。

3.2 指标选项的频率统计

调查问卷的选项均是评价研究的第三级指标。通过选项结果的频率统计，为之后建立的模糊评价的评判矩阵汇总基础数据（统计结果见表1）。由表1可得出，在潜在危险影响指标中，选择一般与较严重程度的频率远高于其他选项。

通过表1可看出影响程度为一般与较严重的频率远高于其他选项。

4 基于ANP指标的网络模型和权重计算

评价指标因素的影响关系（%） 表1

4.1 基于ANP指标的网络模型

根据上述的基坑工程潜在危险因素的评价指标体系，通过分析各个指标之间的影响关系，进而比较各个元素之间的相对重要性，进而构造判断矩阵。并且利用Satty的1～9标度法对不同元素进行赋值，从而生成专家权重调查问卷，并邀请9位专家对各指标的重要性进行评分，且均通过了判断矩阵的一致性检验。判断矩阵的评分标度如表2所示[7-11]。

评分标度 表2

如果有5名以上的专家认为两个指标之间存在影响，则可以认定这两个指标之间存在相互影响的关系，而得出基坑工程潜在危险因素评价指标因素的影响关系[7]，见表3。

通过以上数据进行分析可以得到基坑工程潜在危险因素评价指标因素的网络模型图。在此模型中控制层为基坑工程潜在危险因素评价指标因素，网络层为B1基坑工程自身因素、B2设计管理、B3施工组织管理[1-8]。基坑工程潜在危险因素评价指标因素的网络模型见图2。

4.2 基于网络模型的权重结果

评价指标因素的影响关系 表3

ANP的控制层中有元素B1，B2，B3，控制层下，网络层有元素组C1，…，C14。以控制层元素B1，B2，B3为准则，每个元素集Bi中的二级风险元素Ci（i=1，2，3，…，14）当成次准则，其中Bi中有元素Ci1,…，Cini,i=1,…，N;Bj中有元素Cjl(l=1,…，N)，元素Bi中元素按其对Cjl的影响力大小进行间接优势度比较,即构造判断矩阵[1]。

由于判断矩阵较多，在此仅分别列举一个一级指标和二级指标的判断矩阵，具体如表4、5所示。

图2 评价指标因素的网络模型

一级指标对评价指标目标的判断矩阵 表4

B1的二级指标对B1准则的判断矩阵 表5

并由特征根法得排序向量Wil(jl),Wi2(jl),…,Wini(jl).记Wij为

这样的权重超矩阵共有3个，由于该指标体系只有一级、二级指标因素，所得矩阵计算结果即为加权超矩阵[1]。由于ANP网络中各元素间的影响关系较为复杂，为了计算出元素较为准确的相对权重，需对加权超矩阵求极限，进而得到极限加权超矩阵∞。

参考王莲芬的理论方法[9]，并利用Super Decision程序，进而对超矩阵和极限加权超矩阵进行运算。通过选择[Computions][Unweighted Super Matrix][Text]得到超矩阵，选择[Computions][weighted Super Matrix][Text]得到加权超矩阵。

4.3 评价指标因素权重的计算和分析

通过选择[Computions][Priorities]可得到评价指标的局部权重和全部权重。排序结果在表6中显示。

在所有二级指标中，勘察因素B1权重为0.373，设计因素B2权重为0.436，施工因素B3权重为0.191，因此二级指标的重要程度依次是：设计因素、勘察因素、施工因素。

ANP权重大于0.1且排名前的是C3周边环境条件、C9地面超载，可以将其称为基坑工程潜在危险因素中的高度风险。在施工过程中，经常会有对周边环境条件勘察不够严谨或者由于忽视了周边环境导致在基坑开挖过程造成事故。而地面超载会对基坑施工时的支护结构产生变形的影响，随着超载的增大，地表的沉降量随之增大。

ANP权重在0.05～0.1之间的C8基坑形状、C7基坑深度、C6水、土压力值的取值、C5土工参数取值的计算、C1工程地质条件、C2水文地质条件可以划归为中等风险。其中，基坑壁的承载能力与坑壁稳定性受到基坑整体形状和基坑整体深度的影响。而基坑工程产生稳定和变形问题的主要原因是土压力问题和处理地下水的问题。而土压力值既土层的分布规律和计算模式有关，也和围护桩(墙)的位移方向和大小密切相关[5]。则直接影响工程地质条件和水文地质条件，难以准确分析，需要依据具体工程的情况具体分析。

评价指标因素的权重 表6

基坑工程的一般风险则主要是在ANP权重为0.01～0.05之间的6项风险指标，也是基坑工程在方案设计时需要多组方案对比，多角度考虑设计的问题。

5 结论

文章根据基坑工程潜在危险因素关系复杂特点，通过问卷法获取评价指标，采用网络层次分析法建立风险评价指标体系，在网络层充分考虑各三级指标之间的传递关系，基于ANP理论构建模型，得到基坑工程潜在危险因素三级评价指标权重并对其排序结果进行了分析。经过系统的方法分析，得到二级指标设计因素为重要的潜在危险因素。对三级指标进行分析可以得到周边环境条件、地面超载是影响基坑安全稳定的高度风险，需要着重重视。同时，由于基坑工程的复杂性和特殊性，需要在规范及经验的基础上预留出额外的安全储备。