劉艷萍，姜 岳*，許曉文，張立峰

(1. 河北水利電力學(xué)院土木工程系，河北 滄州 061001；2. 河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071000)

1 引言

地下綜合體、高層建筑、地下車庫和地下隧道等建筑在城市建設(shè)速度不斷提高的背景下逐漸興起。建筑整體的穩(wěn)定性依靠埋深，基坑工程為了擴(kuò)大地下空間開始向大深度、大面積方向發(fā)展。相關(guān)管理人員和施工人員在設(shè)計(jì)這些工程時(shí)面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。技術(shù)的管理水平和發(fā)展速度在大量工程的實(shí)踐下不斷提升，但同時(shí)在工程的不同方面也面臨著更多的危險(xiǎn)。針對深基坑風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外的相關(guān)研究還處于起步階段，關(guān)于深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的研究較少。在實(shí)際應(yīng)用和理論方面缺少定量和定性的風(fēng)險(xiǎn)評判和風(fēng)險(xiǎn)控制方法，因此需要對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法進(jìn)行分析和研究。

陳楠在WBS-RBS兩個(gè)方面選取滲流破壞、支撐失穩(wěn)、突涌破壞、土體滑坡和機(jī)械傷人等因素建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，排序初始專家決策數(shù)據(jù)，并通過IOWA算子對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，針對邊界權(quán)值，利用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合灰色聚類評價(jià)方法實(shí)現(xiàn)基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果對其進(jìn)行控制，該方法無法準(zhǔn)確地識別深基坑開挖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，存在風(fēng)險(xiǎn)識別率低的問題。王建波等人在WBS-RBS的基礎(chǔ)上獲取風(fēng)險(xiǎn)因素，采用層次分析法對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行計(jì)算，建立指標(biāo)體系，以此為依據(jù)構(gòu)建評判矩陣，通過數(shù)據(jù)包絡(luò)對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入指標(biāo)權(quán)重值，完成風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測控制，該方法沒有對深基坑開挖過程進(jìn)行分析，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)誤判率高。申建紅等人在D-S證據(jù)理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，通過COWA算子計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重，mass函數(shù)選取高斯隸屬度函數(shù)，結(jié)合權(quán)值分配方法和矩陣分析方法對專家評價(jià)意見進(jìn)行融合處理，完成風(fēng)險(xiǎn)評估，該方法得到的評估結(jié)果均方根誤差較大，存在風(fēng)險(xiǎn)控制效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法。

2 深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識別

復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法通過事故樹分析方法對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和識別?？梢垣@得產(chǎn)生深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的直接原因，還可以獲得深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的潛在原因，事故樹分析方法在不同領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 指標(biāo)體系

采用事故樹分析方法結(jié)合深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)致因，對開挖關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，在“4M1E”系統(tǒng)安全理論、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合深基坑施工技術(shù)難度和復(fù)雜環(huán)境等特點(diǎn)，遵循可行性原則、客觀性原則和科學(xué)性原則建立深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，具體指標(biāo)體系如表1所示。

表1 深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

3 深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評估

復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法采用模糊綜合評判法對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。模糊綜合評判法在系統(tǒng)評估和風(fēng)險(xiǎn)評估等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法采用模糊綜合評判法一級模糊綜合評價(jià)處理子制約層中存在的因素，并二級模糊綜合評價(jià)深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)等級。

3.1 評語集

根據(jù)構(gòu)建的深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，用U={U}表示深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，U描述的是不同的影響因素。深基坑開挖安全性通常情況下可以分為不安全、很安全、較安全和安全四個(gè)等級，深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)可通過上述等級得以反映，構(gòu)建深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評判語等集V

V

={很安全，安全，較安全，不安全}

(1)

量化處理上述評判等級，減少計(jì)算量V={4，3，2，1}。

3.2 評判矩陣

邀請多名專家作為評估組，采用德菲爾法確定針對評語等級集合V不同風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的隸屬度，構(gòu)建評判矩陣R。

1)邀請若干名專家對下述因素集U、U、U、U、U、U進(jìn)行評分

(2)

在評語等級集合V中不同風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度為r，隸屬度在區(qū)間(0，1)內(nèi)取值，深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)等級的影響因素可通過隸屬度r得以反映，深基坑風(fēng)險(xiǎn)開挖風(fēng)險(xiǎn)受風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的影響程度隨著隸屬度r增大而增大。

選取多名專家對影響因素U進(jìn)行評價(jià)，評語v、評語v、評語v和評語v的數(shù)量分別為m、n、p、q，則影響因素U的隸屬向量R可通過下式進(jìn)行描述

(3)

2)模糊綜合評判

根據(jù)評判側(cè)重點(diǎn)的不同，模糊綜合評判可以分為以下幾種：

1)加權(quán)平均型；

2)主因素突出型；

3)主因素決定型。

所提方法選用加權(quán)平均型模糊綜合評價(jià)模型對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)模糊評價(jià)

一級模糊綜合評判：

復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法建立如下加權(quán)平均型模糊綜合評價(jià)模型R

R

=

A

′×

R

′

(4)

式中，R為針對V影響因素對應(yīng)的隸屬向量；R′為單因素評判矩陣；A′為影響因素對應(yīng)的權(quán)重向量。

設(shè)B代表的是針對評語等級集合V深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)U對應(yīng)的向量，該向量可通過評判矩陣R和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)U對應(yīng)的權(quán)向量A計(jì)算得到，其表達(dá)式如下

B

=

A

×

R

(5)

二級模糊綜合評判：

在二級評判過程中通過上述獲取的一級評判結(jié)果R構(gòu)成評判矩陣，針對評判語集合，影響因素對應(yīng)的隸屬向量B可通過二級評判矩陣R和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)U對應(yīng)的權(quán)向量A計(jì)算得到，歸一化處理隸屬向量B。

3.4 綜合價(jià)值系數(shù)

用四分制表示深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)，分別用4分、3分、2分和1分表示“很安全、安全、較安全、不安全”，構(gòu)建向量C，其表達(dá)式如下：

C

=[4，3，2，1]

(6)

通過上述計(jì)算結(jié)果，獲得深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的最終得分W，其計(jì)算公式如下：

W

=

B

×

V

(7)

1)當(dāng)W在區(qū)間(0，1.5)內(nèi)取值時(shí)，表明深基坑開挖不安全；

2)當(dāng)W在區(qū)間(3.5，4)內(nèi)取值時(shí)，表明深基坑開挖很安全；

3)當(dāng)W在區(qū)間(1.5，2.5)內(nèi)取值時(shí)，表明深基坑開挖較安全；

4)當(dāng)W在區(qū)間(2.5，3.5)內(nèi)取值時(shí)，表明深基坑開挖安全。

4 深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果制定深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制策略，并對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測，為了達(dá)到期望目標(biāo)需要糾正目標(biāo)發(fā)生的偏差。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)跟蹤管理

管理、監(jiān)測、跟蹤風(fēng)險(xiǎn)因子的狀態(tài)就是風(fēng)險(xiǎn)跟蹤管理的目的，在實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)控制措施的過程中，需要進(jìn)行檢查和督促工作，并監(jiān)測沒有識別的開挖風(fēng)險(xiǎn)，對其進(jìn)行及時(shí)處理。深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)跟蹤管理的主要工作如下：

1)查詢并記錄深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生狀況；

2)動(dòng)態(tài)管理深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

3)監(jiān)測深基坑開挖過程中的突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和已辨識風(fēng)險(xiǎn)。

通過上述工作內(nèi)容及時(shí)發(fā)現(xiàn)深基坑開挖過程中的危險(xiǎn)情況和異常情況，并制定相應(yīng)的控制策略。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

根據(jù)深基坑開挖工程的特點(diǎn)，制定相關(guān)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作中的重點(diǎn)內(nèi)容，具體內(nèi)容是建立深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)事故與監(jiān)測結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系，并動(dòng)態(tài)評價(jià)監(jiān)測結(jié)果。如果發(fā)現(xiàn)深基坑開挖過程中存在危險(xiǎn)狀態(tài)和異常狀態(tài)，需要進(jìn)行相關(guān)預(yù)警，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法的整體有效性，需要對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法進(jìn)行測試。

分別采用復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對深基坑開挖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，對比不同方法的識別率和誤判率，測試結(jié)果分別如圖1所示。

圖1 不同方法的風(fēng)險(xiǎn)識別率與誤判率

對圖1(

a

)進(jìn)行分析可知，采用所提方法對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判別時(shí)，獲得的識別率均在80

%

以上，誤判率均在10

%

以下，對圖1(

b

)和圖1(

c

)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的識別率較低、誤判率較高。對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的測試結(jié)果可知，三種方法對環(huán)境因素中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別時(shí)，獲得的識別率均較低，因?yàn)榄h(huán)境因素的不可控性較高，因此在眾多因素中，該因素的識別率較低，在相同風(fēng)險(xiǎn)因素下，所提方法獲得的識別率均高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，獲得的誤判率是三種方法中最低的。

通過上述測試結(jié)果可知，所提方法可準(zhǔn)確地識別深基坑開挖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，并對其進(jìn)行判斷。因?yàn)樗岱椒ú捎檬鹿蕵浞治龇椒ǚ治隽耸鹿拾l(fā)生因素，以此為依據(jù)對開挖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別與判斷，提高了所提方法的風(fēng)險(xiǎn)識別率，降低了所提方法的風(fēng)險(xiǎn)誤判率。

將均方根誤差作為指標(biāo)，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，對比不同方法評估結(jié)果的均方根誤差，均方根誤差越小，表明方法的評估結(jié)果越準(zhǔn)確，風(fēng)險(xiǎn)控制效果越好，相反，均方根誤差越大，表明方法的評估結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差越大，風(fēng)險(xiǎn)控制效果越差，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的均方根誤差測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的均方根誤差

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，隨著迭代次數(shù)的增加，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的均方根誤差均有所下降，但在相同迭代次數(shù)下，所提方法的均方根誤差遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的均方根誤差，表明所提方法可準(zhǔn)確地完成深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略，提高了方法的風(fēng)險(xiǎn)控制效果。

6 結(jié)束語

我國建筑形式和結(jié)構(gòu)隨著地下空間和高層建筑的大量開發(fā)變得越來越復(fù)雜，在此背景下人們提高了對深基坑工程的要求。地下管線和附近建筑物在深基坑施工過程中產(chǎn)生的附加變形程度都不相同。在復(fù)雜地質(zhì)條件下開挖深基坑時(shí)的施工和設(shè)計(jì)難度較大，容易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故，因此對深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)事故控制方法進(jìn)行研究具有重要意義。目前深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法的風(fēng)險(xiǎn)識別率低、風(fēng)險(xiǎn)誤判率高、風(fēng)險(xiǎn)控制效果差，提出復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制方法，該方法根據(jù)深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果制定相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制策略，降低了深基坑開挖過程中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率。