超大面积软土基坑施工风险评价指标与综合评价方法

覃子玲 李镜培，* 姚建平 李林

超大面积软土基坑施工风险评价指标与综合评价方法

覃子玲1李镜培1，*姚建平2李林1

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092； 2.上海南汇建工建设（集团）有限公司，上海 201399）

近年来软土地区超大面积基坑工程不断涌现，相较于普通基坑工程，软土地区超大面积基坑工程施工的风险性和风险控制难度都显著增加，软土地区超大面积基坑工程的风险评价已经成为一个急需解决的课题。基于超大面积软土基坑的施工工序，对施工期的潜在风险进行识别，构建了超大面积软土基坑施工风险评价指标体系，通过专家评价建立基坑风险判断矩阵，得到各风险评价指标的相对权重。采用三角隶属函数和岭形隶属函数得到定性评价指标和定量评价指标的隶属度，提出了超大面积软土基坑施工风险的模糊层次综合评价方法。在此基础上，依托上海国际医学园区生物医药加速器（一期）项目基坑工程，对超大面积软土基坑施工的风险进行了实例分析。研究结果表明，超大面积软土基坑施工的主要风险来源于土方工程和支护工程。本文方法为软土地区超大面积基坑施工风险评价和控制提供了有效评价途径与理论依据，具有重要的理论价值与工程实际意义。

超大面积软土基坑， 评价指标体系， 层次分析法， 模糊综合评价， 隶属度

0 引 言

随着我国经济社会的高速发展，城市化进程不断加快，近几十年来各大城市建设项目的数量和规模迅速增大，涌现出了诸如地下停车库、地下商场、地下变电站等大量面积超大的基坑工程项目。据统计，至2009年上海地区地下空间开挖达10万～30万m2的地下综合体项目多达数十个，基坑开挖面积一般可达2万～4万m2［1］。在上海软土地层中进行基坑施工时，由于软土地层强度低、地下水位高、土压力分布复杂和承压水分布广泛等特点，使得超大面积基坑施工面临土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、围护结构严重漏水、突涌、流土等难题。若在基坑施工过程中对变形控制措施不到位或支护体系承载力不足时，会导致基坑变形超标从而影响到基坑周边环境，严重时会由于变形过大发生基坑坍塌事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。由此可见，评估基坑施工的主要风险因素，提出合理的风险评价模型，对于保证软土地区超大面积基坑的安全十分必要。目前，国内外众多学者通过实测数据［2-4］、理论分析［5-8］、数值模拟［9-10］、模型试验［11-12］等方法，在基坑开挖的综合特性、对周边环境的影响等方面取得了丰硕的研究成果，为基坑工程的风险评价提供了一定的依据。

模糊综合评价法利用模糊数学的隶属度理论，将定性评价转化为定量评价，其适用于解决各种模糊的、难以量化的问题，且模型简单，对多因素多层次的复杂问题评价效果好，已经广泛应用于基坑工程的风险评价当中。何锡兴等［13］采用WBS法首先将深基坑施工工序分解为桩基础施工、地下连续墙施工、地基加固、土方开挖及支撑、降水施工，并结合故障树法建立了风险清单，通过层次分析法得到各风险事件的权重，最后利用模糊综合评价法得出了基坑总体施工风险等级；兰守奇等［14］引入模糊隶属函数降低专家估值的主观性，进而求得深基坑施工期各风险事故的权重，基于此得到某一具体深基坑工程施工期的总体风险等级；陈晓勇等［15］总结了深基坑支护体系的不同破坏模式，选取稳定计算指标和变形计算指标作为各单因素评价指标，并通过模糊综合评判得出某深基坑工程综合风险状态，且与实际结果相符合；包小华等［16］对大量基坑事故调查分析得到了影响深基坑安全性的主要因素，并通过建立模糊综合评判模型对某深基坑的安全等级进行评价，证明了该方法的可行性；张彬等［17］运用模糊层次综合评价模型对某一深基坑工程进行风险评估，指出施工人员是基坑施工过程中最大的风险因素，并提出了相应的风险控制措施。前人的研究成果充分证明了模糊综合评价法应用于基坑工程的合理性和有效性。但对于超大面积软土基坑，其建造规模大，开挖影响范围广，施工工序和地层情况复杂，影响因素众多，以往针对单一指标或简单的评价方法难以合理、全面评价超大面积软土基坑的施工风险。

本文根据施工工序对超大面积软土基坑施工的潜在风险进行识别，构建了超大面积软土基坑施工风险评价指标体系，结合层次分析法确定了各风险评价指标的权重。同时引入模糊数学理论，将定性评价转化为模糊数学语言，通过三角隶属函数和岭形隶属函数分别确定了定性指标和定量指标的隶属度，建立了超大面积软土基坑施工风险的模糊层次综合评价模型，进而依托上海国际医学园区生物医药加速器（一期）项目基坑工程，对超大面积软土基坑施工的风险等级和风险评价指标权重进行了探讨。预期为上海软土地区后续类似超大面积基坑工程的风险评价提供参考。

1 超大基坑施工风险评价指标体系

1.1　基坑施工风险因素

基坑施工主要包括土方工程、支护工程、降排水工程和监测工程［18-21］，各工程涉及的潜在风险如下（图1）：

（1） 土方工程在基坑施工的安全管理上起着决定性的作用，其风险因素主要包括开挖次序、开挖尺寸（深度、面积、形状等）、放坡坡度、坑底暴露时间、土方地质条件、坑边堆载、坡面防护方法、超挖或偏称以及土方运输的距离、路线、设备载重等。

（2） 支护工程作为临时性工程，其设计的安全储备相比永久性结构较小，存在的安全隐患也较多。其风险因素主要包括混凝土的强度及养护时间、支撑设置是否及时、立柱垂直度、支撑节点的刚度、围护结构插入深度、钻孔灌注桩垂直度、工法桩型钢定位、桩的界面刚度以及斜撑间距、坡度、混凝土注浆技术等。

（3） 降排水工程是基坑施工中一项必不可少的工作，很多基坑工程事故的发生，譬如流砂、管涌、基底破坏、边坡失稳等，都是由于水处理不当引起的。降排水工程的风险因素主要包括水文地质条件（地层分布、承压水）、降雨或地下管道漏水、降水方法的选择、排水沟集水井布置、止水帷幕设置等。

（4） 监测是保证工程施工安全性及合理性的重要方法。监测工程的风险因素主要包括监测项目的完备性、监测数据的处理、监测点的布置、监测频率、监测警戒值的设置、监测设备的精度、稳定性和耐久度等。

图1　超大面积软土基坑施工风险评价指标体系

1.2　基坑施工风险评价指标体系

超大面积软土基坑施工的安全受很多因素影响，各因素间重要性、影响度不同，若将所有风险因素均作为风险评价指标，则会增加不必要的计算量；若采用过少风险因素作为风险评价指标，则难以准确反映基坑工程的安全度。因此，本文基于上海国际医学园区生物医药加速器（一期）项目基坑工程的工程资料和现场环境，对关键风险因素进行辨识，提取了主要的风险因素，建立了超大面积软土基坑施工的风险评价指标体系，如图1所示。其中，一级指标共4个，分别为土方工程1、支护工程2、降排水工程3、监测工程4；二级指标共18个，1包含11～15共5个，2包含21～26共6个，3包含31～33共3个，4包含41～44共4个。

2 基坑施工风险模糊层次综合评价

2.1　超大面积软土基坑施工风险层次分析

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是将与决策有关的元素分解成目标、准则、子标准等层次，并在此基础上进行定性和定量分析的决策方法［22］，其主要步骤如下。

1） 构建层次结构

层次分析法通过建立一个层次结构来表示需要解决的问题，一般包括目标层、准则层和子标准层［23］。根据图1所建立的风险评价指标体系，目标为超大面积软土基坑施工，其下包括四个准则1～4，各准则下分别包括5个、6个、2个、3个子标准。

2） 构造判断矩阵

判断矩阵用于判断同层元素间的相对重要程度，是层次分析法的重要步骤。对图1准则层间元素1～4构造判断矩阵，通过元素间的两两对比来判断同层元素的相对重要性，见表1。其中，23表示支护工程2相对于降排水工程3的重要程度，其比较的标度如表2所示。

表1　 判断矩阵A

表2　 比较的标度

3） 层次单排序及一致性检验

（1） 计算相对权重

基于特征向量法，可以得到判断矩阵的特征向量：

式中，max为最大特征值。

进而按照元素的权重从高到低排序，即可得到该层元素相对于其上层元素的层次单排序。

（2） 一致性检验

表3　 平均一致性指标RI［25］

4） 层次总排序及一致性检验

对于层次结构有三层及以上的问题，应先通过判断矩阵计算从低到高各层元素间的相对权重，再计算最底层元素对总目标的合成权重，并进行总的一致性检验。对于图1所建立的层次结构，建立一级判断矩阵、二级判断矩阵1～4，先分别计算准则元素1～4及其下各子标准的相对权重，再计算各子标准对目标的相对权重。

对于图1所建立的层次结构，i为各准则的相对权重值，i和i表示与之对应的判断矩阵1～4的一致性指标和平均一致性指标。

2.2　超大面积软土基坑施工风险模糊层次综合评价

本文采用二级模糊层次综合评价对超大面积软土基坑施工的风险进行评价，其具体步骤如下：

（1） 建立评价因素集合

层次分析法的目标为模糊层次综合评价的目标，各准则元素为一级指标U，为准则数量，其下各子标准为二级指标U，为U下子标准数量，所有指标构成了评价因素集合。在图1的层次结构中，=［1，2，3，4］，U=［U1，U2，…，U］。

（2） 建立评价因素权重向量

根据层次分析法的结果确定评价因素的权重向量。一级指标i权重向量记为，各二级指标ij的权重向量记为i。

（3） 建立评语集

评语集是各指标可能出现的结果所组成的集合，其表示为=［1，2，…，V］，表示评语数量。

根据超大面积软土基坑施工的实际情况，将其基坑施工安全程度划分为5个风险等级，即Ⅰ级（安全）、Ⅱ级（较安全）、Ⅲ级（一般）、Ⅳ级（危险）、Ⅴ级（很危险），并建立评语集=［1，2，3，4，5］，为便于后续风险等级的判断，将其量化为=［5，4，3，2，1］。

（4） 确定隶属度，建立评价矩阵

确定各风险评价指标的隶属度是模糊综合评价的关键。通常通过邀请专业技术人员结合工程资料及项目现场情况对二级指标进行评价，把评价结果带入隶属函数中，可以得到各二级指标隶属度向量1～，组合可得到对应一级指标的单因素评价矩阵i：

针对图1所建立评价指标体系，将指标分为定量评价指标和定性评价指标，定性评价指标有13、14、15，其余为定量评价指标。根据隶属函数选取凸函数、重叠不交叉、对称性和平衡性等特性，本文采用指派法评价指标的隶属函数［27］。对于定量评价指标，考虑到岭型函数图像为曲线且形状较尖，能够使评价更准确快速，采用岭形隶属函数［28］确定其隶属度：

式中：、、、、分别为计算参数；为评价值。

岭形隶属函数的图像见图2。

图2　岭形隶属函数

为使定性指标能够运用数值直观表示，对5个评价等级量化处理［28］，将评价等级“安全”“较安全”“一般”“危险”“很危险”分别赋值为95、85、75、65、55，并采用三角形隶属函数求出指标的隶属度：

式中，为量化后的等级评价值。

三角形隶属函数图像见图3。

图3　三角形隶属函数

（5） 一级模糊综合评价

将单因素评价矩阵与对应二级指标的权重向量进行模糊运算，可以得到一级指标的模糊向量：

（6） 二级模糊综合评价

将各一级模糊向量进行组合，构成一级指标的评价矩阵，=［，，…，］T。将与权重向量进行模糊运算，可以得到目标的评价向量：

为确定最后的评价值，对评价向量根据风险等级进行加权平均：

式中，为评语集，=［5，4，3，2，1］。

3 基坑施工风险实例分析

本文以上海国际医学园区生物医药加速器（一期）项目基坑工程为例，基于第2章中建立的模糊层次综合评价模型，对超大面积软土基坑施工进行风险评价。

3.1　工程概况

项目位于上海市浦东新区，场地东至41-08地块、康新公路，南至五灶港，西至景观纵三河，北至紫萍路，见图4。基坑总面积约32 180 m2，总延长米约834 m，基坑规模超大。基坑主要包括能源站区域（A坑）和一层地下室区域（B坑），A坑开挖深度为11.85 m，B坑开挖深度为6.75 m。

图4　项目地理位置及建筑红线

项目场地位于上海地区典型的软土地层，其地基土分布情况如下：第②层为灰黄色粉质黏土，厚0.4～2.0 m；第③层为灰色淤泥质粉质黏土，厚约0.5～5.3 m；部分场地第③层分布灰色黏质粉土夹层，厚0.6～2.5 m；第④层为灰色淤泥质黏土，厚7.1～9.2 m；第⑤层为灰色黏土，厚5.7～8.4 m；第⑥层为暗绿～草黄色粉质黏土，厚2.5～4.0 m；第⑦层分为两个亚层，⑦1层为草黄色粉质黏土与黏质粉土互层，厚7.3～14.2 m，⑦2层为草黄～灰色粉砂，未钻穿。

场地浅部地下水为潜水，潜水位的动态变化主要受降雨、地面蒸发、地表水等影响。承压水赋存于⑦层（⑦1层粉质黏土与黏质粉土互层、⑦2层粉砂）中，设计时采用降压井对其进行处理。

项目A区采用钻孔灌注桩+二道混凝土内支撑+三轴水泥土搅拌桩止水帷幕+坑底加固搅拌桩的支护形式，B区采用SMW工法桩+前撑注浆钢管（局部采用一道钢筋混凝土角撑）+坑底加固搅拌桩的支护形式。项目具有开挖面积超大、多种支护形式并存等特点，且其面临工作量大、时间紧等难题，同时任务重、质量要求高。

3.2　风险评价指标权重

根据所构建的超大面积软土基坑风险评价指标体系（图1），采用层次分析法计算各指标的相对权重。

根据式（1）计算判断矩阵的最大特征值，得到max=4.128，将其对应的特征向量进行归一化处理后得到各一级指标的相对权重i，=［1，2，3，4］=［0.390，0.448，0.100，0.062］。一级指标的判断矩阵及相对权重如表4所示。

表4　 一级指标的判断矩阵A及相对权重w

根据式（1）计算出各二级判断矩阵i的最大特征值及各二级指标的相对权重：1max=5.304，1=［0.135，0.224，0.054，0.265，0.322］；2max=6.464，2=［0.076，0.180，0.479，0.124，0.052，0.089］；3max=3.100，3=［0.263，0.072，0.665］；4max=4.064，4=［0.534，0.152，0.174，0.140］。

将各判断矩阵的最大特征值带入式（2）进行一致性检验，得到一级判断矩阵的一致性比例为0.048，二级判断矩阵的一致性比例分别为0.068、0.074、0.096、0.024，均小于0.1，满足一致性条件。

计算各二级指标的相对于目标的总权重，并进行总的一致性检验。将各一级指标权重i分别对其下所有二级指标进行加权，得到各二级指标相对于目标的总权重0，见表5。

表5　 各二级指标相对于目标的权重向量

将各一级指标的权重、二级判断矩阵的一致性指标和平均一致性指标带入式（3），可得=0.064<0.1，满足一致性条件。

3.3　模糊综合评价

根据图1所建立的超大面积软土基坑施工风险评价指标体系，结合每个指标对基坑安全性的影响特征和取值范围，确定了定量评价指标13～15、定性评价指标41、43、44以及其余定性评价指标的等级划分参数，见表6。

表6　 评价指标的分级标准

注：①坑底暴露时间14的单位为小时（h）；②坑边堆载15的单位为kN/m2；③监测项目完备性41的分级标准及评价参考《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019）中表4.2.1的要求；④监测频率43和监测警戒值设置44的分级标准及评价参考《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019）的相关规定。

根据项目的资料对各指标进行评价，并将评价值分别带入式（5）和式（6）中，得到单因素评价矩阵1～4，将其与对应的权重向量i带入式（7）进行模糊运算，可以得到一级指标的模糊向量1～4，组合得到目标元素的评价矩阵：

将1～4与权重向量带入式（8）进行模糊运算，得到目标的评价向量，=［0.112，0.315，0.448，0.125，0］。将带入式（9），确定目标的评价值=3.415。

同理，将1～4带入式（9），可以得到各施工工序的风险评价值，土方工程1=2.903，支护工程2=3.397，降排水工程3=4.928，监测工程4=4.314。

3.4　模糊综合评价结果分析

1） 权重分析

从图5可以看出，对于超大面积软土基坑的施工风险而言，支护工程所占权重最大，为44.8%，土方工程所占权重次之，为39.0%，且二者权重之和超过80%，监测工程所占权重最小。这表明土方工程和支护工程对项目的安全性影响最大，在项目进行该工序的施工时，应该给予足够的重视。

图5　一级指标权重分布

从图6（a）可以看出，对于土方工程的施工风险而言，坑边堆载所占的权重最大，为32.2%，风险评价指标的权重排序如下：坑边堆载>坑底暴露时间>开挖尺寸>开挖次序>放坡坡度。这表明在土方工程进行时，若出现坑边堆载，或当坑底暴露的时间过长，将会对项目的安全性产生很大影响。

从图6（b）可以看出，对于支护工程施工风险而言，围护结构的插入深度所占权重为47.9%，接近一半，风险评价指标的权重排序如下：围护结构插入深度＞混凝土强度＞注浆钢管斜撑的布置＞坑底加固＞混凝土养护时间＞注浆方法。一般来说，围护结构插入深度不足易造成墙体倒塌，引起墙后土体整体滑移破坏，影响恶劣；围护结构插入深度过大则是一种浪费，且在经济上也会有所损失，该结果符合工程的实际情况。在施工时应该严格按照图纸施工，将误差控制在指定范围之内。

从图6（c）可以看出，对于降排水工程的安全性而言，止水帷幕的设置所占权重最大，为66.5%，降水方法的选择次之，为26.3%，排水沟集水井布置所占权重最小，为7.2%。在止水帷幕施工时，施工单位应当给予足够的重视。

从图6（d）可以看出，对于监测工程而言，权重排序如下：监测项目的完备性＞监测频率＞监测点的布置＞监测警戒值的设置。施工单位应当严格按照国家和地区的规范及标准进行项目的监测，并且对监测中发现的问题进行及时的反馈，确保基坑的安全在可控范围之内。

图6　各二级指标权重分布

将各级指标相对于目标的权重按照权重值的大小排序，见图7。可以看出，围护结构插入深度对于基坑的安全性影响很大，其权重占比为0.214；坑边堆载和坑底暴露时间对基坑也有一定的影响。在基坑工程进行施工之前，应该分别针对土方工程、支护工程、降排水工程和监测工程等做好施工计划方案，并针对潜在风险因素做好相应的应急预案。

图7　各级指标对于目标的合成权重

2） 风险等级分析

对于软土超大面积基坑施工而言，其风险评价值为=3.415，基坑总体的风险等级处于Ⅱ～Ⅲ级之间，见图8。降排水工程和监测工程的安全度较高，其风险等级均处于Ⅰ～Ⅱ级之间；土方工程的风险评价值为所有施工工序中的最低值，风险等级处于Ⅲ～Ⅳ级之间，相比之下较为危险，说明土方工程在整个施工过程中风险最高，安全度最低，在施工时应该引起足够的重视。

图8　各级指标的评价值

4 结 论

本文在已有的模糊综合评价法基础上，针对超大面积软土基坑施工安全性的问题，引入层次分析法对其进行风险的综合评价，并通过实例验证了模型的有效性。主要得出以下结论：

（1） 基于工程的特点和建设要求，考虑基坑开挖四个主要的施工步骤土方工程、支护工程、降排水工程和监测工程，确定了影响超大面积软土基坑施工安全性的主要因素，在此基础上建立了超大面积软土基坑施工风险评价指标体系。

（2） 针对传统模糊综合评价法中专家评价的主观性，引入层次分析法确定各个风险评价指标的权重，针对定量指标和定性指标，分别采用岭形隶属函数和三角隶属函数确定指标的隶属度，建立了超大面积软土基坑施工风险模糊层次综合评价模型。

（3） 应用所建立的模型针对软土地区某一超大面积基坑施工风险进行评价，风险权重排序为：支护工程＞土方工程＞降排水工程＞监测工程。该结果对同一地区类似工程的施工具有指导意义，同时也为类似工程的风险评价提供了参考。

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Department of Construction in Shandong Province.GB 50497—2009 Technical standard for monitoring of building excavation engineering［S］.Beijing：China Planning Press，2009.（in Chinese）

Risk Assessment Index and Comprehensive Evaluation Method for Construction of Super Large Excavation in Soft Soils

QINZiling1LIJingpei1，*YAOJianping2LILin1

（1.Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.Shanghai Nanhui Construction Group Co. Ltd.， Shanghai 201399， China）

Recently， more and more super large excavations are emerging in soft soil areas. Compared with ordinary excavation， the risk and the control difficulty of super large excavation in soft soils are significantly increased. Therefore， risk assessment of super large excavation in soft soils has become an important topic. Based on the construction process of super large excavation in soft soils， potential risks are identified and then the weight of each risk is given by establishing judgment matrix by experts. The membership degrees of qualitative and quantitative indexes are determined by triangular membership function and ridge membership function， respectively， and a fuzzy AHP comprehensive evaluation method is proposed for super large excavation in soft soils finally. A case study on risk during construction of a super large excavation of Biomedicine Accelerator （Phase Ⅰ） Project in Shanghai International Medical Zone is performed based on the proposed model. The results show that the main risks of super large excavation during construction lie in the earthwork and supporting engineering. The proposed method provides an effective approach and theoretical basis for risk assessment and control during construction of super large excavation in soft soils， which has important theoretical and practical values.

super large excavation in soft soils， assessment index， AHP， fuzzy comprehensive evaluation， membership degree

2021-07-11

上海市浦东新区城建系统科学技术研究项目（PCKY202005）

覃子玲（1996-），女，硕士研究生。E-mail：1932328@tongji.edu.cn

联系作者：李镜培（1963-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为基坑工程及岩土可靠度。E-mail：lijp2773@tongji.edu.cn