基于灰色关联模型改进型层次分析法的基坑降水风险评价

李立云，梁湟琴，贾 雷

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京地矿工程建设有限责任公司，北京 100016)

0 引言

随着地下空间开发与利用强度的增大，许多基坑深度已经达到了十几米，这些基坑的底面基本都处于地下水位以下。当基坑内外的水头差较大时，容易产生管涌、流砂等破坏现象，甚至会引起坑壁倾斜等不稳定的现象[1]。已有统计表明，由于地下水处理不当导致的工程事故占基坑工程事故总数的22%[2-4]。因此，降低基坑施工的风险，对基坑降水的风险进行研究十分必要。

随着太原市城市建设的不断加快，交通问题日益突出，拥挤的交通环境已经给社会经济发展带来了严重影响[5]。为了有效拓展城市发展空间、改善市民出行条件、缓解地面交通压力，太原市的地铁工程正式进入全面建设实施阶段[6]。2号线沿线经过的地貌单元主要是汾河东岸漫滩及一级阶地区，涉及的地层主要为人工填土，黏质粉土，粉质黏土，粉细砂，中砂等。地下水以第四系孔隙潜水为主，水位埋深1～8m。基坑深度大于17m，其底面低于地下水埋深，容易出现渗透和破坏的现象。太原地区首次进行此种类型的深基坑施工，降水经验较少，使得基坑降水风险大大提高，而且基坑工程的施工极易受到场地条件和气候水文条件的限制，不确定因素更为突出，因此需要风险管理理论的科学指导。

本文针对太原地铁2号线工程，建立基坑降水工程风险评价模型，设计调查问卷采集专家意见，利用基于灰色关联模型改进型层次分析法[7]对基坑降水进行了风险综合评价，通过组合权重的数值，确定降水工程的风险等级，以期为此工程及类似工程的安全施工提供技术参考。

1 工程概况及研究方法

1.1 工程概况

通达街站为太原市地铁2号线中间车站，沿小店区人民南路北向展布，处于主干道人民南路与通达街交叉口处,起讫里程YCK8+927.4591～YCK9+148.2569，全长220.7978m，周边建筑物较多且地下管线分布密集。该工程所在区域地貌单元属太原盆地汾河漫滩平原，地面平坦，地下水类型总体上属潜水类型。车站西侧约2.3km处为汾河，每年3月和10月两次放水对地下水位影响较大。车站主体为明挖地下两层岛式车站，交叉口处局部铺盖，标准段为单柱双跨箱型框架结构，盾构加宽段为双柱三跨箱型框架结构，总长231.8m，标准段总宽20.1m，总高13.39m，顶板覆土3.128～3.735m，中心里程处地面标高773.622m。车站主体基坑深约16.95m，局部(盾构井处)深度达18.68m。主体围护结构采用钻孔桩+搅拌桩止水帷幕+内支撑的形式，基底局部采用搅拌桩加固。场地位置图见图1。

图1 通达街场地位置图Fig.1 Location of Tongdajie Site

1.2 研究方法

层次分析法是由美国匹兹堡大学教授Satty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法[8]，是一种定性兼定量的网络系统权重分析法，对于多层次、多因素的风险评价十分有效，已广泛应用于土木工程等领域[9—13]，但其两两比较局限性较为突出[7]。笔者将灰色关联模型引入层次分析方法，提出了一种改进型层次分析法(Improved Analytic Hierarchy Process以下简称IAHP)[7]。改进原理如下：在灰色关联模型评价过程中，选择上一级总风险作为标准参考序列，建立全因素整体比较机制，摈弃两两比较环节。基于灰色关联系数矩阵获得一位专家对于总风险贡献度的认知情况，通过标度转换，借助层次分析法的一致性检验甄别打分序列的内部矛盾，同时回避了灰色关联没有测度的不足，使之更适用于复杂工程的风险评价[7]。本改进型层次分析方法具有如下优势：

(1)适用性。避免了两两比较的繁琐以及一致性难以满足的劣势，增加了方法的适用性，更适用于复杂工程的风险评价。

(2)简洁性。将复杂问题转化为多层次、单目标的问题，之后只需进行简单的数学计算就可以得到简洁明了的结果。

(3)准确性。可以削弱单个评价人的主观性，提高风险评价准确度。

IAHP的基本流程如图2所示，具体分析步骤如下：

(1)明确问题，建立递阶层次结构，其中包括目标层、准则层、方案层[14]。

(2)构造判断矩阵并赋值。

(3)用灰色关联模型将(2)中的矩阵进行转换。

(4)进行层次单排序，并对层次单排序进行一致性检验，要求CR<0.1[15]。(CR为一致性比率，当CR<0.1时，认为该判断矩阵满足一致性。若一致性不满足，可将其剔除，使之不影响评价结果)

(5)进行层次总排序，并对层次总排序进行一致性检验，要求CR<0.1[15]。

(6)根据结果进行分析，得出风险概率及损失等级，进而得出风险等级，最后给出具体的施工建议以降低工程风险。

图2 改进型层次分析法流程图Fig.2 Flowchart of IAHP

2 建立风险指标体系

工程风险指标体系是一个多因素、多步骤相结合的整体。对一个工程风险进行研究涉及到很多因素，主要包括工程技术风险、工程管理风险、社会经济风险、政治社会风险、周边环境风险、自然环境风险等因素，这些因素相互关联，不能孤立某个因素来研究工程风险，所以必须将各个因素联合研究，形成符合施工实际情况的完整系统，才能得出科学的风险管理体系。根据实际工程情况及其特有因素来构建指标体系，确定为三个层次，分为目标层、准则层、指标层。目标层为工程降水风险，准则层分为如下6个因素。

2.1 工程管理风险(B1)

这一准则层涉及到人的主观因素，管理得当可以大大降低工程的风险，疏于管理则使得风险极大提高。将此因素归纳为四个分指标，分别是施工组织方案不合理(C1)、安全文明施工措施未落实(C2)、监理对材料进场复查及工序检查不仔细(C3)、管理、施工人员思想麻痹(C4)。

2.2 工程技术风险(B2)

该因素是施工的主要支撑点，将其归纳出8个分指标，分别是勘察设计存在缺陷和失误(C5)、钻孔桩质量存在缺陷(C6)、三轴搅拌桩质量存在缺陷(C7)、连续墙施工质量存在缺陷(C8)、土方施工不规范(C9)、降水井施工质量存在问题(C10)、降水运行发生故障(C11)、封井效果不理想(C12)。

2.3 政治社会风险(B3)

一些重大的政策改变往往会对工程有极大的影响，比如保护环境措施等，会影响到工程的施工方案及成本等因素。将此因素归纳为4个分指标，分为工人思想不稳定(C13)、业主干预(C14)、法规、政策发生变化(C15)、与周边单位发生矛盾(C16)。

2.4 自然环境风险(B4)

施工方案、施工工期是否合理，都要受到自然环境的影响。将此因素归纳为4个分指标，分为冬施应对不当影响施工质量(C17)、夏季高温施工应对不当(C18)、春秋季大风施工应对不当(C19)、雨期、汾河放水期施工不当(C20)。

2.5 周边环境风险(B5)

工程施工区域若是处于建筑物密集、地下管线密布的区域，往往会有影响周边环境的风险，一旦周边构筑物发生变形将会产生严重的影响，因此这一因素在施工风险中是必须考虑的。将此因素归纳为3个分指标，分为引起临近建筑变形损坏(C21)、开挖造成管线破坏(C22)、开挖造成周围主干道沉陷开裂(C23)。

2.6 社会经济风险(B6)

经济问题对工程施工有一定的影响，涉及到工程进度的快慢以及设备的成本等问题。将此因素归纳为3个分指标，分别为原材料、劳动力价格上涨(C24)、资金周转不灵(C25)、预付款、进度款划拨不及时(C26)。

3 降水施工风险分析

3.1 确定风险发生概率及损失权重

使用IAHP建立判断矩阵，确定各层次的指标权重值(其中，判断矩阵的建立是通过设计工程风险概率及损失的调查问卷，交给专家进行判断和选择，并对得出的结果进行合理处理)。将IAHP计算方法用Matlab编程对数据进行处理，得到体系各层的权重，研究工程风险损失等级与概率等级的计算方法相同，计算结果见表1～6。

3.2 确定施工风险等级

确定风险概率及损失等级后，将其进行组合，并依据《建设工程项目管理规范》(GB/T 50326—2006)[16]将工程风险等级由高到低划分为5级。工程风险等级划分结果见表1～6最后一列。

3.3 分析

由表1可知，概率等级很大的风险因素有：管理、施工人员思想麻痹；资金周转不灵，付款、进度款划拨不及时；法规、政策发生变化；引起临近建筑变形损坏，开挖造成管线破坏，开挖造成周围主干道沉陷破坏。综合分析可得，工程技术风险发生概率较小，而对周边环境产生危害这项指标风险较大，在施工过程中需要格外注意对周边构筑物的保护以及控制基坑变形量。

表1 工程管理风险等级表

表2 工程技术风险等级表

表3 政治社会风险等级表

表4 自然环境风险等级表

表5 周边环境风险等级表

表6 社会经济风险等级表

由表2可知，风险损失很大的风险因素有：施工组织方案不合理，监理对材料进场复查及工序检查不仔细，管理、施工人员思想麻痹；原材料劳动力等价格上涨，资金周转不灵，预付款、进度款划拨不及时；开挖造成管线破坏，开挖造成周围主干道沉陷破坏。综合分析可得，施工技术风险及自然环境因素风险产生损失等级较低，施工管理不当、社会经济因素、对周围构筑物产生破坏这些指标造成的损失等级较高，因此为控制施工损失，要在这三个方面加强控制。

4 对策和建议

综合分析可得，管理、施工人员思想麻痹，资金周转不灵，预付款、进度款划拨不及时，开挖造成管线破坏，开挖造成周围主干道沉陷开裂这些风险因素发生等级较高。因此，需要加强安全意识培训以及注意对周边筑物的保护以及控制基坑变形量。根据上述分析提出以下具体对策和建议：

(1)工程技术风险控制。设计人员应在全面了解场地水文地质条件、基坑围护结构特点及各工况条件的前提下进行降水设计；对于复杂工程，降水设计方案应通过具有丰富降水经验的专家论证；降水井成井验收要严格把控。

(2)工程管理风险控制。设计安全管理网络，建立健全的安全管理制度及安全生产责任制，加强施工现场安全教育，对安全技术交底，对进场材料进行严格的监督及记录。

(3)社会经济风险控制。合作双方提前拟好款项合同，项目预留资金以备不时之需。

(4)政治社会风险控制。这一风险属于社会风险，国家统一调控，当法律法规发生较大调整并且涉及到项目时，及时研读相关政策及法律条文以修正项目方向与进展。

(5)周边环境风险控制。对既有构筑物、管线进行工前调查，降水应选取对环境影响最小的方案进行实施，严格按“按需取水”的原则开启、关闭井点，严格监控周围构筑物及管线的变形，对一些构筑物采取提前保护的措施，若无法避免周边构筑物的巨幅沉降，则要采取局部回灌的方法以减少和控制降水对环境的影响。

(6)自然环境风险控制。及时掌握天气动态，合理安排施工计划；坚持防洪、防风值班制度。

本文基于灰色关联模型的改进型层次分析法对通达街站的降水风险进行了分析。建立了完整的风险体系，对各风险发生概率及损失进行了计算，得出风险等级，根据风险等级给出具体的建议和措施以降低风险水平。此工作对于降低基坑降水的风险有着重要意义，也对太原地区地铁施工风险管理有着指导意义。