基于模糊证据推理的地铁深基坑施工风险评价

周春海

(广西高速公路发展中心南宁分中心，南宁 530000)

1 引言

地铁深基坑工程施工时，复杂的地质条件和周边环境常常导致大规模破坏性事故。能否对地铁深基坑的施工风险进行及时、客观评估，不仅关系到安全性和维护成本，而且关系到保障施工人员和居民的安全。

许多学者采用一系列模糊评价方法来评估地铁深基坑施工风险，但模糊综合评价法在评价时太过主观，而模糊层次分析法（FAHP）在对于多因素多层次的复杂评价中计算过程过于烦琐。模糊证据推理方法是将模糊集理论与信度结构相结合的评价方法，可对风险的不确定性进行建模，通过模糊证据推理方法实现风险信息融合，最终得出具有不同信度等级的评价结果[1]。故本文基于模糊证据推理方法，对地铁深基坑风险建立评估体系。最后通过南宁地铁5 号线某地铁站深基坑施工工程实例对该方法的可行性进行验证。

2 工程概况

南宁地铁5 号线一期工程中降桥站位于昆仑大道与降桥路交叉口，车站总长156.2 m，宽22.1 m，底板埋深21.5～23.6 m。降桥站为地下三岛式站台车站，施工方法为明挖法。

工程场地范围内分布的各岩土层从上到下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩，其中炭质泥岩遇水较易软化，地基承载力会降低。需要对基坑施工进行风险评价，防止出现安全事故。

3 地铁深基坑风险评估模型

3.1 专家权重

每个专家的专业水平、综合能力等有着不同的差异，本文需根据每位专家的背景来确定每位专家的评价权重。确定专家权重的指标打分表见表1。

表1 专家权重指标表

3.2 获取危险事件风险等级

用WBS-RBS 识别出所有与地铁深基坑施工相关的风险事件后，逐层归类，建立地铁深基坑施工风险指标体系，同时根据专家打分得到各风险事件的评价权重，如图1 所示。根据《地铁及地下工程建设风险管理指南》[2]（以下简称《指南》），风险值通常表示为Rl=PlCl（l=1，…，l）。式中，Rl为第l 件风险发生的风险值；Pl为第l 件风险发生的概率；Cl为第l 件风险所引起的损失。风险因素发生的概率及损失均可分5 个等级，每个等级划分标准可根据《指南》中的建议来设定，并得出每个等级相对应的隶属函数，其中风险损失的隶属函数需用最小-最大归一化（MMN）方法做归一化处理，见表2。

图1 深基坑施工风险体系

表2 归一化处理后风险损失等级与隶属函数的关系

归一化处理后的各风险损失评价按照相等权重进行融合，形成每个风险事件总风险损失的隶属函数。得到风险事件发生的概率及总体风险损失后，可根据式（1）来建立风险识别框架，如表3 所示。

表3 风险等级标准与隶属函数的对应关系（风险识别框架）

式中，“[]”表示只取有效组合，即某一等级的风险隶属函数需考虑哪些概率和后果的组合需查看指南上的风险评价矩阵来评定，称为有效组合；a、b、c、d 用于区别不同位置隶属函数数值；Rk为第k 级风险，k=1，2，…，5；Rk由p 组概率和c 组风险损失组合得到，1≤p≤5，1≤c≤5；Ppi和Cci分别为 《地铁及地下工程建设风险管理指南》中的概率值和风险值。

3.3 指标风险置信结构转换

可用以下方法进行风险水平置信结构的转换。

1）绘制地铁深基坑施工风险等级隶属函数曲线H={Hn，n=1，2，…，5}以及各风险事件l 的风险事件的风险水平Rl的隶属函数曲线。

2）求出各事件l 的风险水平Rl的隶属函数与风险识别框架中各等级Hn的隶属函数的相交面积，即为风险事件l 对于整体风险被评为Hn的隶属度。最后，将以上求得的隶属度进行归一化处理，可得到各事件风险水平在风险识别框架上的信度结构n=1，2，…，5）。

3.4 基于证据推理的风险信息融合

通过融合运算式（6）～式（9）得基坑风险评价基本可信度在风险等级Hn和Hn，（n+t）上的mass 函数σn和σn，n+t。

式中，Hn，（n+t）为模等级Hn，H（n+t）的交集；k 为归一化系数为隶属函数在交集Hn，（n+t）处的最大隶属度。

然后通过式（10）和式（11）得到各个等级的信度。

式中，βn为综合了l 个风险因素后，整个基坑风险被评价到模糊风险评价等级Hn上的组合信度；βn，（n+t）（n=1，2，…4，t=1，2，…4，n+t≤5）为在模糊风险等 级Hn，（n+t）上的未分 配 信度，需要根据不同的评价等级Hn和H（n+t）之间交集的不同情况（交集的最大隶属度）重新分配。重新分配的信度与式（10）的求得的组合信度相叠加，得到最终的βn。

3.5 基于模糊证据推理的施工安全风险分析

根据3.2 节介绍的方法来构建风险识别框架，随后把地铁深基坑施工风险事件的风险水平隶属函数通过风险识别框架转化为置信结构，根据式（2）和式（3）计算每个风险事件l 的基本信度分配函数及未分配信度。通过式（7）～式（9）进行融合运算，可得降桥站深基坑施工的总体风险被评为Hn的基本可信度σn和被评为Hn，（n+t）的基本可信度σn，（n+t）。根据模糊风险等级交集的不同情形将模糊交集信度进行分配，最后与非交集信度进行叠加得到水深基坑被评为各个等级的最终信度，见表4。最终结果显示，总体地铁深基坑风险的最可能隶属于二级风险，概率为0.247 9，风险程度可接受。由表3 可知，该风险等级的地铁深基坑需加强日常管理审视。

表4 降桥地铁站深基坑整体风险的信度

3.6 敏感性分析

图2 各事件风险水平变化对基坑整体风险水平的影响

4 结论

1）本文对南宁地铁5 号线降桥站深基坑实例分析，结果表明：该基坑深整体被评为二级风险，只需加强日常管理审视。也说明模糊证据推理方法能为评价系统可靠性提供定量依据。

2）运用模糊证据推理对深基坑施工风险进行评估不但可以反映基坑被评判为某一风险等级的信度，更重要的是能找出影响基坑总体风险水平的关键风险事件（因素）。

3）本研究的评估体系和评估方法不仅可用在地铁深基坑，还可用在其他建设项目，甚至别的领域如金融、核电、铁路运输安全等，本方法都将给其提供宝贵的参考建议。