川南山区公路深基坑施工安全风险评估案例研究

(成都理工大学 工程技术学院 资源勘查与土木工程系, 四川 乐山 614000)

1 概述

随着我国经济的快速发展，公路建设显得越来越重要[1]。近年来，我国交通基础设施建设实现了较大发展，山区公路深基坑建设和施工技术有了进一步的提高[2]。然而，因技术、管理、施工环境、基坑挖掘深度、施工强度等各方面原因，在深基坑施工时，有一些事故出现，这不但会给社会、国家造成损失，也会产生不良的社会影响。

深基坑工程的重要性已经受到了广大相关工作者的关注[3]。在任何工程建设过程中，基坑建设都是基础，它是否牢固，会直接影响整个工程的稳定性[4]。而在施工过程中，施工地地质条件复杂，导致工作难度增大，并且若施工区域存在软土层、地下水等不利因素时，更可能发生渗透、突涌等破坏灾害[5]。因此，对施工地的基坑工程进行安全风险评估就显得尤为必要，我们应对潜在的风险进行预判、分析、处理，将施工安全性能提高，将施工时容易发生的事故尽量降低或杜绝，使整个施工过程安全可控，这对于保证施工质量和人身安全有着重要意义[6-7]。 。故建立一套适合深基坑施工的安全风险评估评价体系就非常必要。风险评估是一门新兴交叉边缘学科，其研究已渗透到许多工程领域[8]。本文基于模糊层次分析法，对深基坑施工安全风险评估进行了研究。

2 层次分析法及其权重确定

层次分析法(AHP)是通过充分利用网络系统理论，依据目标综合评价指标体系而提出的一种以层次权重决策的分析方法[9]。本文采用层次分析法进行风险指标影响因素权重的排序，即在其判断矩阵模型中，通过各个层次因素之间的差异状况，进行上一层因素权值的差异排序[8]。单排序即对矩阵的特征根、特征向量进行计算，判断矩阵B满足BW=λmaxW的特征向量、特征根，而矩阵B中所存在的最大特征根表现为λmax；λmax对于其所相互对应的正轨化特征向量可以通过W表示；W可以直观地反馈出评价因素的单排序权值。本研究采用方根法对权重进行计算，表1为Satty标准衡量方法。

表1 Satty标准衡量方法Table 1 Satty standard measurement methodSatty标度含义1通过将风险评价体系中的两个指标进行比较,其重要价值相同3通过将风险评价体系中的两个指标进行比较,其中的一个指标相比于另一个指标而言显得稍微重要些5通过将风险评价体系中的两个指标进行比较,其中的一个指标相比于另一个指标而言具有明显的重要性7通过将风险评价体系中的两个指标进行比较,其中的一个指标相比于另一个指标而言十分的重要9通过将风险评价体系中的两个指标进行比较,其中的一个指标相比于另一个指标而言具有极端重要性2,4,6,8通过上述的两个相邻指标去判断中间指标值相应的上述值的倒数指标Ai和Aj比较获得Aij,则Aj和Ai比较获得Aji

表2 矩阵平均随机一致性指标Table 2 Matrix average random consistency index阶数RI阶数RI10.0061.2520.0071.3330.6081.4240.9291.4651.13

3 模糊综合评价

模糊综合评价(FCE)是把模糊数学技术真正地应用到实际生活工作中一种模式，通过该方法可对多种因素的影响结果进行全方面的评价分析[10]。

3.1 模糊综合评价法的基本步骤

3.1.1备择集建立

备择集是各个专家学者根据自身经验和专业知识，对于项目工程中所存在的风险因素进行多种总的评判结果预估，从而所构成的集合，也存在着：

V={V1，V2，…，Vm}

其中，各种可能总评价结果用Vi(i=1，2，…，m)表示。3.1.2项目风险评价因素的选定

因素集是针对评价对象造成影响的各种因素组成的集合：U={U1，U2，…，Un}(k=1，2，…，n)，按属性将其分成n个子集，U中包含的一级指标数目用n表示；若干个二级指标集组成Uk，即U={Uk1，Uk2，…，Uknk}，Uk包含的二级指标数目为nk。

3.1.3建立模糊关系矩阵

建立模糊关系矩阵，即从U到V的模糊关系R。通过Delphi法对各因素rij进行评价，获取属于第i(i=1，2，…，n)个评语Vi的程度rij，获得模糊评估矩阵：

3.1.4确定相应权重

各个模糊矩阵模型中存在多个影响风险程度的要素，每一个要素的影响程度存在差异，而此差异的来源主要由因素的权重值决定，因素集中每个影响因素其重要程度的差异情况共同构成了权重值，对因素集中的各个因素ui(i=1，2，…，m)赋予相应权数ai(i=1，2，…，m)，从而得到权重集A={a1，a2，…，am}。

3.1.5确定综合评价结果

综合评价结果通过模糊数学运算方法进行确定。采用M(·，⊕)算子确定评估项目风险的向量元素集，即B={b1，b2，…，bn}=K·R。其中K={K1，K2，…，Kn}表示其与之对应的每一个Uk的权重向量。

3.1.6归一化处理

3.2 确定指标风险评价标准

在进行安全风险评估时，确定各因素评估标准是评估关键。本文结合实际施工作业工程项目，通过咨询多位专家学者意见，将该工程项目中风险程度分为四个级别，4级代表该项目风险系数十分大，3级表示风险较大，2级表示风险中等，1级表示风险小。

4 工程实例

4.1 工程概况

本工程为川南某山区公路在建项目，该公路全长240.38 km，工程所在区域地貌受构造影响，山脉水系与构造线近与一致，多呈南北向展布，区内以中低山及中山为主，测区上元古界、古生界等底层均有出露，分布面积较大的有二迭系、白垩系、第四系等，沿线地形复杂，沟谷重多，整个施工作业工程由上而下进行划分，采用人工填砂技术，填充材质为砂岩风化土，厚度为0.35～0.45 m，残积粘性土产生过程则相反，即混合变质砂岩后通过风化作用得到，按照其性质分为塑、硬两个亚层，基岩的岩性为混合变质砂岩。

4.2 数据的获取

在本文中以该基坑的施工作业安全风险作为最终评判标准，通过设计相应的风险程度评价打分表，分发给该行业领域的专家学者52名，最后收集有效打分表50份，回收率为96.15%。通过和打分成员多次沟通，对该项目风险程度评价指标进行反复修改和优化，使之可以更加全面客观地反映出该项目工程施工作业的安全评价结果。

4.3 基于层次分析法的指标权重的确定

4.3.1建立基坑工程安全风险评价指标体系

本文结合法规、法律、文献资料、调研数据，采用层次分析法，建立基坑工程施工安全风险指标评价体系。体系中一级指标包含了工程项目组织和管理中所产生的风险、施工作业工程周边环境带来的风险、项目工程在施工中导致的风险因素、由于施工过程中技术不达标所导致的风险、施工现场管理水平不足所存在的风险等5个因素，二级指标共16个因素，具体见表3。

表3 基坑安全风险评价指标Table 3 Safety risk assessment index of foundation pit一级指标二级指标气候气象b11工程环境B1水文、地质条件b12基坑特征b13作业环境b14施工人员管理b21组织与管理B2分包管理b22基坑安全风险评价体系安全培训b23设计方案b31技术因素B3地质勘查b32施工准备b33支护作业b41施工作业B4降水、排水作业b42土方开挖、运输b43交叉作业b44现场管理B5施工设备、设施b51临边保护b52

4.3.2设计专家调查表

本文对收回的调查问卷中专家学者的打分情况进行分析研究，而后根据各个指标相应得分情况求其加权平均，而后通过层次分析方法从而得到各个指标的权重。

a.第一层指标权重计算及分析。

表4为第一层各因素间相对重要性关系及权重。

表4 第一层各因素间相对重要性关系及权重表Table 4 Relative importance relations and weight tables among the first level factorsB1B2B3B4B5uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)B117235841.23.0830.3762.0581.095B21/711/51/51/30.000.2820.1350.8211.216B31/2612591.012.1280.1660.8120.978B41/351/2135.0021.3190.1580.9931.267B51/531/51/310.0210.5320.1650.4080.495

由表4可知：

1.267+0.495=5.051;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(5.051-5)/ (5-1)=0.013。

由表查得R.I.为1.13，计算：C.R.=C.I./R.I.=0.013/1.13=0.011<0.1，通过计算，可得出以下结果，其第一层指标权重满足一次性检验结果。

b.第二层各个指标之间的相对重要性及其权重值。

表5为工程环境各指标间相对重要性及权重。

表5 工程环境各指标间相对重要性及权重表Table 5 Relative importance and weight tables among indicators of engineering environmentb11b12b13b14uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b1111/41/320.1690.6600.1240.4971.002b12412648.022.6430.4952.0271.024b1331/2157.5011.6660.3171.2761.006b141/21/61/510.0180.3700.0640.2851.113

由表5可知：

1.113=4.145;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(4.145-4)/ (4-1)=0.048。

由查表得R.I.的为0.92，计算：C.R.=C.I./R.I.=0.048/0.92=0.053<0.1，通过计算结果，可以发现该指标满足一次性检验结果。

表6为组织与管理各指标间相对重要性及权重表。由表6可知：

表6 组织与管理各指标间相对重要性及权重表Table 6 Relative importance and weight tables between organizational and management indicatorsb21b22b23uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b211326.0111.8280.5251.6351.038b221/311/20.1780.5610.1700.5030.986b231/2211.0021.0120.2950.9051.023

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(3.047-3)/ (3-1)=0.024。

由查表得R.I.为 0.60，计算：C.R.=C.I./R.I.=0.024/0.60=0.004<0.1，因此，满足一次性检验。

表7为技术因素各指标间相对重要性及权重。

由表7可知：

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(3.047-3)/ (3-1)=0.024。

表7 技术因素各指标间相对重要性及权重表Table 7 Relative importance and weight tables among indicators of technical factorsb31b32b33uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b311236.0121.8280.5381.6351.011b321/2121.0051.0110.3000.9051.001b331/31/210.1690.5610.1620.5031.035

由查表得R.I.为0.60，计算：C.R.=C.I./R.I.=0.024/0.60=0.004<0.1，因此，满足一次性检验。

表8为施工作业各指标间相对重要性及权重。

由表可知：

1.070=4.192;

C.I.=(λmax-n)/(n-1)=(4.192-4)/ (4-1)=0.064。

由查表得R.I.为0.92，计算：C.R.=C.I./R.I.=0.064/0.92=0.070<0.1，因此，满足一次性检验。

表8 施工作业各指标间相对重要性及权重表Table 8 Relative importance and weight tables among indicators of construction workb41b42b43b44uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b41135345.122.6010.5072.1491.060b421/31434.0101.4250.2801.1761.050b431/51/411/20.0270.4090.0810.3281.012b441/31/3210.2330.6980.1320.5651.070

表9为现场管理各指标间相对重要性及权重。由表9知，满足一次性检验。

表9 现场管理各指标间相对重要性及权重表Table 9 Relative importance and weight tables among in-dicators of field managementb51b52uijuiWiA*Wi(A*Wi)/(n*Wi)b5111/20.1360.5120.3650.4230.597b52210.6780.8860.6350.7310.576

c.而后根据所排列的指标层权重向量，对影响风险因素按照其大小进行排序，表10为风险因素排序。

表10 风险因素排序Table 10 Ranking of risk factors指标代号总排序权重/总排序 指标代号总排序权重/总排序 指标代号总排序权重/总排序b110.057/6b230.021/15b430.024/14b120.199/1b310.152/2b440.033/11b130.129/3b320.089/5b520.026/13b140.037/10b330.054/8b530.051/9b210.029/12b410.093/4b220.016/16b420.056/7

4.4 风险等级的确定

4.4.1确定风险评估因素集和评判集

本文所确定的评估因素集合为U={U1，U2，

U3，U4，U5，U6}，其中对于施工作业工程环境的风险用U1表示；组织和管理过程中所产生风险用U2表示；其技术因素的风险用U3表示；施工作业风险用U4表示；现场管理风险用U5表示。使用模糊综合分析评估方式最终确定本文中深基坑施工作业安全风险评估等级，从而创建公式(1)中所表达的评判集：

V={V1，V2，V3，V4}

(1)

式中:风险较小的用V1表示，进行依次叠加类推，风险程度最为严重的可以用V4进行表达。

4.4.2模糊综合评价

表11为收集的50名基坑工程施工安全风险等级评价打分表。

表11 各指标风险等级评价表Table 11 Risk level assessment tables for indicators评价指标评价得分 评价指标评价得分气候气象2地质勘查3水文、地质条件3施工准备3基坑特征2支护作业3作业环境3土方开挖、运输2作业人员管理2交叉作业2分包管理1施工设备、设施2安全培训1临边保护3设计方案2降水、排水作业3

根据各指标风险等级及权重得分，对上一层次一级指标来进行分析评估，从而针对于安全工程项目的等级进行划分。

工程环境风险评分为：

5 结论

本文以川南某山区公路在建项目为研究对象，基于模糊层次分析法，对深基坑施工安全风险进行评估并作分析研究，最终得到以下的结论：

a.基于模糊层次分析方法为背景，构建深基坑项目作业施工安全性能指标并进行管理评估，其中一级指标包含5个因素，二级指标共16个。

b.通过邀请相关专家进行打分，获得评估数值，运用德尔菲法、层次分析法对指标权重进行确定；采用模糊综合评价法确定项目风险等级。

c.研究分析结果显示，本文研究中深基坑的安全评价等级为V3，风险程度较大，风险因素指标排序为：现场管理风险>施工作业风险>工程环境风险。