一种深基坑开挖风险控制方法设计与仿真

刘艳萍，姜 岳*，许晓文，张立峰

(1. 河北水利电力学院土木工程系，河北 沧州 061001；2. 河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)

1 引言

地下综合体、高层建筑、地下车库和地下隧道等建筑在城市建设速度不断提高的背景下逐渐兴起。建筑整体的稳定性依靠埋深，基坑工程为了扩大地下空间开始向大深度、大面积方向发展。相关管理人员和施工人员在设计这些工程时面临着新的挑战和机遇。技术的管理水平和发展速度在大量工程的实践下不断提升，但同时在工程的不同方面也面临着更多的危险。针对深基坑风险，国内外的相关研究还处于起步阶段，关于深基坑开挖风险的研究较少。在实际应用和理论方面缺少定量和定性的风险评判和风险控制方法，因此需要对深基坑开挖风险控制方法进行分析和研究。

陈楠在WBS-RBS两个方面选取渗流破坏、支撑失稳、突涌破坏、土体滑坡和机械伤人等因素建立风险评价指标体系，排序初始专家决策数据，并通过IOWA算子对风险指标的权重进行计算，针对边界权值，利用相关系数进行调整，结合灰色聚类评价方法实现基坑开挖风险的评价，根据评价结果对其进行控制，该方法无法准确地识别深基坑开挖过程中存在的风险，存在风险识别率低的问题。王建波等人在WBS-RBS的基础上获取风险因素，采用层次分析法对风险因素进行计算，建立指标体系，以此为依据构建评判矩阵，通过数据包络对风险指标的权重进行计算，在BP神经网络中输入指标权重值，完成风险的预测控制，该方法没有对深基坑开挖过程进行分析，导致风险误判率高。申建红等人在D-S证据理论的基础上构建风险评价模型，通过COWA算子计算风险指标的权重，mass函数选取高斯隶属度函数，结合权值分配方法和矩阵分析方法对专家评价意见进行融合处理，完成风险评估，该方法得到的评估结果均方根误差较大，存在风险控制效果差的问题。

为了解决上述方法中存在的问题，提出复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法。

2 深基坑开挖风险指标体系

2.1 风险识别

复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法通过事故树分析方法对深基坑开挖风险进行分析和识别。可以获得产生深基坑开挖风险的直接原因，还可以获得深基坑开挖风险的潜在原因，事故树分析方法在不同领域中得到了广泛的应用。

2.2 指标体系

采用事故树分析方法结合深基坑开挖风险致因，对开挖关键风险进行识别，在“4M1E”系统安全理论、相关标准规范的基础上，结合深基坑施工技术难度和复杂环境等特点，遵循可行性原则、客观性原则和科学性原则建立深基坑开挖风险评价指标体系，具体指标体系如表1所示。

表1 深基坑开挖风险指标体系

3 深基坑开挖风险评估

复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法采用模糊综合评判法对深基坑开挖风险进行评价。模糊综合评判法在系统评估和风险评估等领域中得到了广泛的应用，复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法采用模糊综合评判法一级模糊综合评价处理子制约层中存在的因素，并二级模糊综合评价深基坑开挖风险等级。

3.1 评语集

根据构建的深基坑开挖风险指标体系，用U={U}表示深基坑开挖风险评价指标，U描述的是不同的影响因素。深基坑开挖安全性通常情况下可以分为不安全、很安全、较安全和安全四个等级，深基坑开挖风险可通过上述等级得以反映，构建深基坑开挖风险评判语等集V

V

={很安全，安全，较安全，不安全}

(1)

量化处理上述评判等级，减少计算量V={4，3，2，1}。

3.2 评判矩阵

邀请多名专家作为评估组，采用德菲尔法确定针对评语等级集合V不同风险评估指标的隶属度，构建评判矩阵R。

1)邀请若干名专家对下述因素集U、U、U、U、U、U进行评分

(2)

在评语等级集合V中不同风险评价指标的隶属度为r，隶属度在区间(0，1)内取值，深基坑开挖风险等级的影响因素可通过隶属度r得以反映，深基坑风险开挖风险受风险评价指标的影响程度随着隶属度r增大而增大。

选取多名专家对影响因素U进行评价，评语v、评语v、评语v和评语v的数量分别为m、n、p、q，则影响因素U的隶属向量R可通过下式进行描述

(3)

2)模糊综合评判

根据评判侧重点的不同，模糊综合评判可以分为以下几种：

1)加权平均型；

2)主因素突出型；

3)主因素决定型。

所提方法选用加权平均型模糊综合评价模型对深基坑开挖风险进行评价。

3.3 风险模糊评价

一级模糊综合评判：

复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法建立如下加权平均型模糊综合评价模型R

R

=

A

′×

R

′

(4)

式中，R为针对V影响因素对应的隶属向量；R′为单因素评判矩阵；A′为影响因素对应的权重向量。

设B代表的是针对评语等级集合V深基坑开挖风险评价指标U对应的向量，该向量可通过评判矩阵R和风险评价指标U对应的权向量A计算得到，其表达式如下

B

=

A

×

R

(5)

二级模糊综合评判：

在二级评判过程中通过上述获取的一级评判结果R构成评判矩阵，针对评判语集合，影响因素对应的隶属向量B可通过二级评判矩阵R和风险评价指标U对应的权向量A计算得到，归一化处理隶属向量B。

3.4 综合价值系数

用四分制表示深基坑开挖风险，分别用4分、3分、2分和1分表示“很安全、安全、较安全、不安全”，构建向量C，其表达式如下：

C

=[4，3，2，1]

(6)

通过上述计算结果，获得深基坑开挖风险的最终得分W，其计算公式如下：

W

=

B

×

V

(7)

1)当W在区间(0，1.5)内取值时，表明深基坑开挖不安全；

2)当W在区间(3.5，4)内取值时，表明深基坑开挖很安全；

3)当W在区间(1.5，2.5)内取值时，表明深基坑开挖较安全；

4)当W在区间(2.5，3.5)内取值时，表明深基坑开挖安全。

4 深基坑开挖风险控制

根据上述风险评价结果制定深基坑开挖风险控制策略，并对深基坑开挖风险的发展情况进行监测，为了达到期望目标需要纠正目标发生的偏差。

4.1 风险跟踪管理

管理、监测、跟踪风险因子的状态就是风险跟踪管理的目的，在实施风险控制措施的过程中，需要进行检查和督促工作，并监测没有识别的开挖风险，对其进行及时处理。深基坑开挖风险跟踪管理的主要工作如下：

1)查询并记录深基坑开挖风险的发生状况；

2)动态管理深基坑开挖风险的监测数据；

3)监测深基坑开挖过程中的突发风险和已辨识风险。

通过上述工作内容及时发现深基坑开挖过程中的危险情况和异常情况，并制定相应的控制策略。

4.2 风险预警

根据深基坑开挖工程的特点，制定相关预警标准是风险预警工作中的重点内容，具体内容是建立深基坑开挖风险事故与监测结果之间的对应关系，并动态评价监测结果。如果发现深基坑开挖过程中存在危险状态和异常状态，需要进行相关预警，并制定相应的风险控制策略。

5 实验与分析

为了验证复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法的整体有效性，需要对深基坑开挖风险控制方法进行测试。

分别采用复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法、文献[3]方法和文献[4]方法对深基坑开挖过程中存在的风险进行识别，对比不同方法的识别率和误判率，测试结果分别如图1所示。

图1 不同方法的风险识别率与误判率

对图1(

a

)进行分析可知，采用所提方法对深基坑开挖风险进行判别时，获得的识别率均在80

%

以上，误判率均在10

%

以下，对图1(

b

)和图1(

c

)中的数据进行分析可知，文献[3]方法和文献[4]方法的识别率较低、误判率较高。对比所提方法、文献[3]方法和文献[4]方法的测试结果可知，三种方法对环境因素中存在的风险进行识别时，获得的识别率均较低，因为环境因素的不可控性较高，因此在众多因素中，该因素的识别率较低，在相同风险因素下，所提方法获得的识别率均高于文献[3]方法和文献[4]方法，获得的误判率是三种方法中最低的。

通过上述测试结果可知，所提方法可准确地识别深基坑开挖过程中存在的风险，并对其进行判断。因为所提方法采用事故树分析方法分析了事故发生因素，以此为依据对开挖过程中存在的风险进行识别与判断，提高了所提方法的风险识别率，降低了所提方法的风险误判率。

将均方根误差作为指标，采用所提方法、文献[3]方法和文献[4]方法对深基坑开挖风险进行评估，对比不同方法评估结果的均方根误差，均方根误差越小，表明方法的评估结果越准确，风险控制效果越好，相反，均方根误差越大，表明方法的评估结果与实际值之间的误差越大，风险控制效果越差，所提方法、文献[3]方法和文献[4]方法的均方根误差测试结果如图2所示。

图2 不同方法的均方根误差

根据图2中的数据可知，随着迭代次数的增加，所提方法、文献[3]方法和文献[4]方法的均方根误差均有所下降，但在相同迭代次数下，所提方法的均方根误差远低于文献[3]方法和文献[4]方法的均方根误差，表明所提方法可准确地完成深基坑开挖风险的评价，制定相应的风险控制策略，提高了方法的风险控制效果。

6 结束语

我国建筑形式和结构随着地下空间和高层建筑的大量开发变得越来越复杂，在此背景下人们提高了对深基坑工程的要求。地下管线和附近建筑物在深基坑施工过程中产生的附加变形程度都不相同。在复杂地质条件下开挖深基坑时的施工和设计难度较大，容易发生风险事故，因此对深基坑开挖风险事故控制方法进行研究具有重要意义。目前深基坑开挖风险控制方法的风险识别率低、风险误判率高、风险控制效果差，提出复杂地质条件下深基坑开挖风险控制方法，该方法根据深基坑开挖风险评价结果制定相关风险控制策略，降低了深基坑开挖过程中发生风险的概率。