简论干地施工码头深基坑坍塌风险分析

2024-03-21邹德臣王海亮

港工技术 2024年1期

邹德臣，王海亮，边超

（1.天津深基工程有限公司，天津 300222；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛 266400）

引言

干地施工码头在所有结构形式码头中占比较小，安全风险相较于水上施工有较大的不同，其中深基坑坍塌是一项独有的较大风险。目前深基坑坍塌风险相关研究主要针对城市地下工程，对干地施工码头基坑坍塌风险的研究基本没有。

风险评估起源于美国保险行业，于20 世纪60年代应用于导弹和核武器领域并逐步形成系统方法和理论[1]。风险评估分析方法有多种，其中研究深基坑风险使用较多的有事故树法(FTA)、模糊综合评判法、层次分析法(AHP)、蒙特卡罗模拟法、神经网络法及其组合[2-5]。主要为定性和半定量分析，完全量化分析较少。

事故树分析理论形成较早并被广泛认可和使用，缺点是事故树分析为半定量分析，如果要进行定量分析必须确定基本事件发生的概率。蒙特卡罗模拟法通过构造被求解对象的边界条件，并在其中大量随机抽样验证，求解该对象出现的概率，适用于离散或连续数据概率模拟。

总体来说，事故树法、模糊综合评判法、层次分析法、神经网络法风险评估的思路都是先对事件分层分解，然后逐层求解。模糊综合评判法、层次分析法、神经网络法评估过程中均需构造判断矩阵，但判断矩阵的构造有一个缺点，它加入了人为主观判断的因素，这使得评估结果可信度降低。同时所有定量分析方法普遍存在一个缺点即缺乏真实量化数据支撑，难以验证所建立模型的有效程度。

本文结合工程实例和事故统计数据采用事故树与层次分析相结合的方法对干地施工码头深基坑坍塌风险进行定性与定量相结合的研究，探讨该风险评估方法的优缺点，分析重要危险因素，评定基坑风险等级。

1 工程概况

某杂货泊位工程位于挖入式内港池的东岸线，钢铁厂西侧。码头东西岸线长552 m，为地连墙板桩结构，止水采用水泥旋喷桩。地质为粉细砂和粉土，年最高高潮位为+3.38 m，年最低低潮位为 +0.14 m。现场地面高程为+5.0 m，基槽底开挖高程为-0.2 m，倒滤层开挖到-2.3 m，放坡开挖设计边坡为1:1.5。胸墙中心线距海岸约30 m，地下水位约为+3.0 m。

2 事故树定性分析

绘制事故树首先需要确定研究对象，本文研究对象为“干地施工基坑”，最危险的状态为“放坡开挖至-2.3 m 标高的基坑”，最危险的部位“基坑海侧边坡”。其次确定顶上事件“基坑坍塌”，然后追根溯源导致顶上事件的原因，绘制事故树。

事故树的顶上事件发生默认了“管理失效”这种情况，且本文研究对象不是“人”，所以“管理原因”没有单列为一个事件。通过分解得到23 个事件15个为基本事件，绘制事故树见图1，事件及代号见表10。

表1 深基坑坍塌事故原因统计Tab.1 Causing Statistics on deep foundation pit collapse

图1 基坑坍塌事故树Fig.1 Fault tree of deep foundation pit collapse

此事故树结构简单，最小割集、最小径集、结构重要度求解不再赘述。事故树分析是多种定性和定量分析方法的基础和辅助工具，为后面层次分析奠定基础。

顶上事件分解过程中因个人认知、研究对象、方向、深度不同分解结果相差较大，比如图1 中“施工管理(M12)”可以向“人、机、料、法、环”方向分解，“设计失误(X1)”和“未按操作规程作业(X11)”可以继续向下细分为多个基本事件，是否继续分解关键看研究需要及掌握的资料，本文研究偏总体不再继续分解。

3 层次分析法定量分析

以分解的事故树为研究对象建立分析指标体系，首先通过分层构造判断矩阵，由底部向上求解特征向量，然后根据已知顶上事件或基本事件概率向上或向下求解目的事件概率，最后将计算概率与已有统计数据对比，查找偏差并分析原因和不足。

一般事故数据比较敏感，干地施工码头事故记录几乎没有。考虑文中实例工程开挖深度最深 7.2 m，从边亦海统计的342 起[6]基坑事故中选取开挖深度包含5～8 m 的深基坑，共93 起，进行分析。由于部分事故包括多种原因，计算总起数为162 起，结果见表1。该统计数据用作计算标度值及验证计算概率。

表2 中“i与j概率比参考取值”是根据已有统计数据计算提出，便于标度取值有统一的参考。对于基坑坍塌事故来说，因素i、j的比较值是两因素导致事故概率的比值，因为只有部分概率统计数据，所以没有统计数据的按经验选取。

表2 标度衡量表Tab.2 Scale measurements

根据T.L.Saaty引入的1～9 标度法[7]，构造n阶判断矩阵A，A=(Xij)nxn。特征向量即权重向量Wi=(w1,w2…wn)T，对于二、三阶矩阵可采用线性代数法求解最大特征值λmax和权重向量Wi，四阶及以上高阶矩阵计算复杂通常采用方根法求近似解，见式1 和式2，一致性验证指标C.I.、C.R.见式3，R.I.通过查表获得。

表3“未按操作规程作业(X11)”如偷工减料、焊接不合格导致的事故明显大于“原材料不合格(X10)”，根据表2 取标度值5，求解后对权重向量归一化处理得到Wi。表4 中各因素均为基坑坍塌重要因素，重要性相差不大，其中边坡超载事故占比较多，所以综合排序X14>X15>X12=X13。

表3 M31 对应的λmax、WiTab.3 Corresponding M31 to λmax、Wi

表4 M32 对应的λmax、Wi 及一致性检验Tab.4 Corresponding M32 to λmax、Wi and consistency check

M22对应的三项因素对比标度取值和计算结果见表5。计算M12时结合前文中已有统计事故概率“ 施工管理”M12=0.4691，“ 监测预报失误”X2=0.0185，计算“未按照方案施工”概率M22=0.4506，M22>>X2，根据表2 概率比取M22比X2的标度为9，计算结果见表6。

表5 M22 对应的λmax、WiTab.5 Corresponding M22to λmax、Wi

表6 M12 对应的λmax、WiTab.6 Corresponding M12 to λmax、Wi

表7 顶上事件T 对应的λmax、Wi 及一致性检验Tab.7 Corresponding top event T to λmax、Wi and consistency check

同理，求解M21、M11、M13、M14对应的λmax、Wi。计算M11时“设计原因”M11=0.3642，“勘察失误”M21=0.0556，计算“设计失误”概率X1=0.3086，根据概率比取标度为7。

最后求解“基坑坍塌(T)”对应的四项因素，已知概率：M12=0.4691，M11=0.3642，M14=0.0926，“自然环境” 根据经验取标度值，总体上M12>M11>M14>M13，根据表2 概率比建立判断矩阵。

根据权重向量分层计算每个事件发生的概率，该概率是顶上事件发生概率为1 时相对应的概率，见表8。

表8 事件计算概率Tab.8 Calculated probability of event

风险较高的基本事件有“设计失误(X1)”“未按操作规程作业(X11)”，“边坡上堆物或作业超载(X14)”，这三项风险需要重点关注。

以统计概率为基准对比，见表9，可以看出二者总体趋势具有较高一致性，这说明通过构造判断矩阵的层次分析具有较高的实用性和适用性。

表9 统计概率与计算概率对比Tab.9 Comparison between statistical probability and calculated probability

通过对比可以看出误差率最高的是“X2 监测预报失误”，查找误差原因发现问题出现在M22、X2判断矩阵，构造判断矩阵时二者统计概率比为24.4，标度值取9，表2 中概率比为5 时标度值取7，取值区分度较小，对此不做调整，相差悬殊的因素计算概率以较大者准确作为基本原则。

表9 中出现误差还有一个主要原因是事故树分层导致，第一顶上事件分层可能包含其它未列出的因素，第二分层时将“M21勘察失误”、“X2监测预报失误”归为第二层，而已有事故数据统计时二者与第一层是平级的关系。同时，第一层增加了“M13自然环境”，因为无事故统计数据，所以无法平衡概率和。这些问题需要通过细致研究逐一平衡或解决。

参考2004～2012 年建筑事故类型统计[8]，坍塌事故占比平均值为16.09 %，据此结合权重向量可以分别计算出每个事件在建筑施工领域基坑坍塌事故中发生的概率。根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[9]评定顶上事件T和风险较高的X1、X11、X14的风险等级，见表10。