基于LEC-FAHP法的地铁车站深基坑施工安全风险评估

姚海星

山西交通职业技术学院 公路工程系，山西 太原 030031

0 引言

城镇化发展速度加快，传统的地面交通模式无法满足交通量迅速增长的需求。地铁是城市公共交通运输的一种新兴形式，是解决城市交通拥堵的主要方式。截至2019年初，我国大陆已有32个城市开通地铁，太原等城市的地铁也在紧张建设中。地铁建设过程中，基坑开挖深度大，一般在10 m以上（超过5 m为深基坑），有的甚至超过35 m，开挖过程中需清理大量土体，对土体结构是卸载过程，其原平衡状态被破坏，产生较大剪应力。随着开挖深度的不断增加，剪应力越来越大，一旦超过土体抗剪强度，边坡将失稳坍塌［1-2］。基坑开挖过程中可能涉及较厚砂性土层、承压水层等的安全问题，产生各种岩土力学现象，如周围建筑墙体开裂、路面塌陷、市政管网断裂等。对地铁车站深基坑进行风险评估研究，通过风险识别—分析评价—风险控制，降低风险发生的概率。

目前国内常用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、模糊分析法、神经网络法等分析地铁车站深基坑施工风险。申建红等［3］通过模糊集与证据理论（dempster-shder，D-S）相结合的风险评价方法，分析不完全信息下的深基坑施工风险程度。刘俊伟等［4］以郑州轨道交通车站深基坑为例，根据施工现场监测数据，采用模糊数学综合评判理论，评价深基坑施工风险因素。程鸿群等［5］应用工作分解结构（work breakdown structure，WBS）-风险分解结构（risk breakdown struckure，RBS）和 0-1 方法识别风险因素，建立深基坑工程施工过程风险评价指标体系。孙敬秋等［6］提出风险评价的指标体系，将小波去噪特性与神经网络的评价特性相结合，构建小波神经网络模型，对天津市地铁6号线红旗南路换乘站进行风险评价。

上述方法从不同角度分析评价地铁深基坑的施工风险，但深基坑施工风险因素具有传播性、模糊性、动态性，很难直观准确地描述工程安全状态。为准确得到风险因素排序及事故等级，本研究采用定性分析和定量分析相结合的方法，以太原地铁2号线H站基坑工程为例，运用WBS-RBS法构建地铁深基坑施工风险综合评价指标体系，并将模糊层次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，FAHP）与作业条件危险性评价法（likelihood exposure consequence，LEC）相结合，建立风险评价模型，计算风险值排序及事故等级，明确安全事故预防重点，为地铁深基坑施工风险协调控制提供决策依据。

1 LEC-FAHP风险评价模型

根据WBS法，将地铁深基坑按测量—支护—降水—开挖—监测阶段进行分解，结合RBS将深基坑面临的风险按人工、材料、机械、方法、环境分解到最基本的风险事件，获得风险因素集U［7-10］。

FAHP法结合层次分析法和模糊数学，利用AHP计算各风险因素的权重，通过模糊运算综合评估得到风险概率等级，采用LEC计算各风险损失，综合评价风险因素，得到各风险因素综合排序［11-14］。

1）确定风险评价集

风险评价集 V由各种风险评价结果组成，V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，v1～v5分别表示深基坑施工安全风险低（0 ～0.2］、较低（0.2～0.4］、中（0.4～0.6］、较高 （0.6～0.8］、高（0.8～1）。

2）构造模糊关系矩阵

通过因素集U和评价集V之间存在的模糊关系建立模糊关系矩阵R。由多名专家组成风险评估组，根据风险评价集V评判每一个风险因素Uij，确定其隶属度rij。

3）确定权重

地铁车站深基坑施工风险具有随机性和不确定性，采用AHP确定评价因素权重矩阵W=（w1，w2，…，wn）， ∑wi=1。

①采用1～9标度法，将风险因素的重要程度两两比较，得判断矩阵C。②计算判断矩阵C每一行元素的乘积求 Mi的 n次方根，归一化处理后得wt，即风险因素指标权重。③用判断矩阵最大特征根以外的其余特征根的负平均值检验判断矩阵的一致性其中 λmax=若CI=0，判断矩阵完全一致；CI越大，判断矩阵偏离完全一致性的程度越大。④检验矩阵随机一致性比率，CR=CI/RI，随机一致性指标RI取值见表1［15］。 若CR＜0.1，则判断矩阵具有一致性，否则需要调整判断矩阵。

4）逐层计算模糊评价矩阵

表1 RI取值

5）确定各风险因素危险程度

LEC法是一种评价潜在危险性环境作业的半定量评价方法，通过事故发生的可能性L、事故发生的频繁程度E、事故严重程度C三者的乘积D，评估导致事故的危险因素的风险程度［16-18］，如表2～5所示。根据FAHP结果得到L，参考20多个深基坑的施工案例计算得E、C。

表2 可能性等级及得分

表3 频次等级及得分

表4 严重程度等级

表5 风险程度等级

2 工程实例

2.1 工程概况

太原市地铁H站为2号线与3号线同期施工的明挖T形换乘车站，建筑面积约33 706 m2。车站主体结构为2层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站顶板覆土厚度为4.023 m，局部下沉段覆土5.373 m，底板埋深约19.013 m。车站共设置3个出入口及2个风道。车站周边建筑物较多，西北象限为烂尾楼，沿路为8层与12层混凝土建筑，本站场地内钻孔揭露地层主要为第四系全新统、上更新统地层，共3个大层，10个亚层，如图1所示。拟建场地在勘探深度内的地下水类型主要为浅层孔隙潜水，局部存在上层滞水，以2-4、3-5粉细砂及2-5、3-6中砂为主要含水层，含水层渗透系数为5～20 m/d，该站点富水性中等。场地内地下水主要受大气降水及汾河径向径流和城市供水、排水渗漏补给影响。地下水排放方式以蒸发、人工抽取地下水及径向径流补给汾河为主。

2.2 地铁车站深基坑风险因素

分析多个地铁车站深基坑塌方实例资料，整理和总结影响深基坑塌方的因素，结合太原地铁2号线H车站的工程概况，遴选主要风险因素，构建评价体系，如表6所示。

图1 H站地质剖面图

表6 H车站深基坑风险因素WBS-RBS矩阵

2.3 各风险因素危险程度

邀请10位专家对太原地铁H车站风险评判因素U，确定录属度函数矩阵，通过AHP法计算各风险因素权重，并进行一致性检验，检验满足一致性要求后进行模糊评价，采用LEC法计算各风险因素的损失值，从而对风险因素进行排序。

1）建立模糊关系矩阵

邀请10位资深专家对风险指标U根据评价集V做出评判，确定其隶属度函数矩阵，如表7所示。

表7 H车站深基坑风险因素隶属度

2）计算风险权重

H地铁车站整体、测量、支护、降水、开挖、监测风险判断矩阵分别为

H车站深基坑风险因素的各检验指标及权重如表8所示。

表8 风险因素各检验指标及权重

3）风险评价

计算中间层的模糊综合评价B1、B2、B3、B4、B5，再计算总体模糊评价集B，得

B1=W1R1=｛0.387 5，0.500 0，0.112 5，0，0｝，

B2=W2R2=｛0.063 3，0.089 38，0.326 66，0.383 96，0.136 67｝，

B3=W3R3=｛0.100 0，0.210 99，0.308 33，0.208 33，0.172 35｝，

B4=W4R4=｛0.038 35，0.174 79，0.230 77，0.382 06，0.174 03｝，

B5=W5R5=｛0.176 62，0.190 51，0.131 11，0.263 92，0.237 84｝，

B=WR=｛0.105 338，0.159 725，0.248 184，0.317 631，0.169 123｝。

4）风险排序

根据风险评价结果可知，H车站深基坑施工整体安全的概率为0.105 338，较安全的概率为0.159 725，一般的概率为0.248 184，较危险的概率为0.317 631，很危险的概率为0.169 123，所以评价H车站深基坑整体风险高，其中测量因素施工较安全，支护较危险，降水安全性中，开挖因素较危险，监测因素较危险。

采用LEC计算各风险损失，结合AHP法得到权重，根据结果排序。邀请资深专家对H车站的深基坑施工风险因素的L、E、C赋值，并计算D。将U11～U54全局因素的权重归一化处理得Wt，计算所有因素的加权风险值D×Wt，对结果排序，如表9所示。

表9 H车站深基坑风险危险程度

从表9可以看出：影响H车站深基坑施工安全的风险因素依次是不良地质、预报不及时、违规操作、地下水、支护方案不合理、混凝土强度不足、钢材不合格、超挖、监测点数量不足、监测数据处理有误、交叉作业、测量数据处理有误、降水措施有误、设备损坏、排水系统失效、测量精度不足。

2.4 H车站深基坑风险控制措施

针对表9排序，采取风险规避、转移、缓解、自留、保险等风险控制措施，如表9所示［19-22］。地铁车站深基坑施工是一项系统性工程，测量、支护、开挖、降水、监测各个工序之间相互联系，互相影响。施工前要注意收集地质、水文、气象等信息资料并逐一核实，调查基坑周边建筑结构的基础形式，周边管线布置情况，制定安全保护措施。

施工中加强风险监控，及时识别并分析评价新风险，调整风险应对计划，实施风险动态管理与控制。根据基坑设计深度、施工工法、支护结构形式、地质条件和周边环境等条件，H车站监测横向监测范围为38m，分主要影响区和次要影响区，主要影响区为0.7倍基坑深度，约为13m，次要影响范围为13～38m。风险监测的对象主要是基坑工程中的围护桩（墙）、立柱、支撑等结构，和基坑周围土体、地下水及地表，基坑周边建（构）筑物、地下管线、城市道路等城市基础设施环境。监测组人员按照监测频率和监测精度要求，采用相关仪器设备取得现场监测数据，并将其上传到平台进行后期数据的处理，绘制时间位移曲线散点图和距离位移曲线散点图，如图2、3所示。如果位移的变化随时间（或距开挖面距离）而渐趋稳定，说明基坑处于稳定状态，支护系统有效可靠，如图2、3中的正常曲线。图2、3中的反常曲线出现反弯点，说明位移出现反常的急骤增长现象，表明围岩和支护已呈不稳定状态，需要分析风险因素，进行风险评价，根据评价结果采取相应的风险控制措施。

图2 时间-位移曲线

图3 距离-位移曲线

3 结语

采用WBS-RBS法构建地铁车站深基坑风险评价指标体系，利用LEC法和AHP法建立深基坑施工安全评价模型，将定量与定性分析相结合，综合考虑影响地铁车站深基坑施工安全性的各个风险因素。以太原地铁2号线H车站深基坑为例，进行整体施工安全性评价，并对各风险要素进行排序。模拟结果验证了模型的可行性，为今后的类似风险评估项目提供相应借鉴。