基于PCA-逆向云模型的地铁车站深基坑施工风险评价研究

赵金先，陈 涛，刘 环，蒋克洁

(1.青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525；3.山东省青岛市市北区审计局，青岛 266000)

地铁深基坑施工具有内部结构复杂、周围环境复杂、使用的工器具较多、工作条件艰苦等诸多不良因素，导致了深基坑施工具有较多的风险因素，而风险因素在施工系统中传播与耦合提高了施工的风险水平，引发施工安全事故.同时随着地铁建设项目的不断发展，地铁车站深基坑的设计规模越来越大，地铁车站深基坑施工的安全形势日益严峻.通过分析地铁车站深基坑的施工全过程确定其中存在的风险，研究风险间的相互作用以分析研究地铁车站深基坑施工风险水平，确定关键风险，为地铁车站深基坑施工安全管理提供改进方向，对提高地铁深基坑施工安全具有重要意义.

目前，国内学者针对地铁车站深基坑施工风险做了大量研究.郭余根[1]建立三维有限元模型对深基坑施工进行数值模拟分析，模拟结果与现场监控数据基本一致，并提出了应重点监控支护结构的应力变化；吴楠[2]提出通过从预防、分析、诊断、处理四个环节对地铁车站深基坑工程进行全方位动态风险监控，通过安全数据直观地了解工程风险变化，进而提高施工的安全性；王永玮等[3]从风险管理的角度出发对深基坑施工的全过程风险进行分析，构建了风险影响指标体系，并运用模糊模型进行评价，以此确定深基坑工程的风险等级；张胜昔等[4]从系统的角度分析了深基坑施工风险因素，综合考虑了风险的模糊性和不确定性，运用层次分析法和灰色理论构建了G-FAHP评价模型对深基坑施工风险进行排序，提出了支护结构是风险控制的重点；郭健等[5]运用WSB技术建立了深基坑施工风险清单，并运用层次分析法评估主要风险，估计风险发生率与损失率，采用模糊综合评价模型进行评价，为深基坑工程施工风险防控提供了依据，取得了较好的效果.综上所述，对于地铁车站深基坑施工风险的研究多集中于监控预防、风险识别、风险分析等领域，并取得了诸多成果，然而对于地铁车站深基坑施工风险间的相互作用及程度仍有待进一步研究.通过定性与定量分析相结合的方式构建风险指标体系，运用科学的数学模型进行耦合度研究，对提高地铁深基坑施工风险控制具有重要价值.

本文从深基坑施工的全过程出发，运用德尔菲方法和事故致因理论分析地铁深基坑施工中存在的风险，使用主成分分析(PCA)筛选其中的主要风险，构建了人、机、管、环四个方面的地铁车站深基坑施工风险指标体系，运用逆向云模型将定性指标概念转化为数字特征，引入耦合度函数，建立了地铁车站深基坑施工风险评价模型，以期提高地铁车站深基坑施工风险管理水平.

1 地铁深基坑施工风险耦合概述

1.1 地铁车站深基坑施工风险耦合

风险耦合指的是两个或多个风险因素通过相互作用以提高施工风险水平的现象.风险耦合对施工风险的影响并非简单的风险因素叠加，而是随着参与耦合的风险因素增加呈现快速增加的趋势，而耦合的程度越高，说明风险之间的影响程度越大，产生安全事故的可能就越高.

地铁车站深基坑施工是一项错综复杂的项目，其施工风险极多且部分风险贯穿于整个项目全寿命周期之中，虽然安全管理体系对风险进行了有效的预防与控制，确保单一风险因素难以造成施工安全事故，但是安全管理体系难以阻止风险在施工系统中的传播与耦合，风险经过相互耦合，不仅提高了地铁车站深基坑施工风险水平，甚至有可能突破安全管理体系引发安全事故[6-7].

1.2 风险耦合的特点

1) 不确定性.风险产生的时间、地点、方式具有不确定性，同时其耦合的结果也不尽相同.风险耦合后，提高了施工风险，即产生正向耦合；风险耦合后，反而降低了施工风险，即产生负向耦合；风险耦合后，既不降低也不提高施工风险，即产生零耦合.

2) 波动性.由于施工的复杂性，不同项目所产生的风险耦合，其耦合结果具有较大的差异，产生的耦合效果也出现涨落.

3) 发展性.随着施工项目的持续进行，进行耦合的风险会不断地改变，使得风险耦合不会处于稳定的状态，提高风险水平或诱发新的风险.

4) 延续性.在施工项目中，某些风险会贯穿于项目的整个寿命周期，对施工风险产生影响，比如不安全的行为、安全意识等；而有些会在施工过程中产生，并对后续的施工产生持续的影响，比如不合理的设计等；有些则会在施工过程中产生，持续一段时间后结束，比如缺少防护装置等[8].

2 构建评价指标体系

2.1 确定初始风险集合

风险识别的全面与否决定了耦合研究的准确性，为了能够全面而综合地反映地铁车站深基坑施工过程中存在的风险，运用德尔菲法进行风险识别，具体步骤如下：

首先，确定调研的主旨和目的，设计调查问卷并附上相关工程项目的数据和资料等等.其次，选择15位在地铁车站深基坑施工方面有着丰富经验或者相关研究的专家.将第一轮调查问卷及资料发放给专家，并与专家建立直接函询关系，收集调查问卷.最后，对调查问卷的结果进行统计汇总，并将结果附于第二轮调查问卷上再次进行调研，直至进行了四轮德尔菲法.得到地铁车站深基坑施工初始风险集合，见表1.

表1 地铁车站深基坑施工初始风险集合

2.2 主成分分析

主成分分析(PCA)的原理是通过线性变换将一组线性相关的数据转变为线性无关的数据，即删除部分低贡献率的指标，降低了指标的噪音与冗余，确保指标的有效性及准确性.通过对初始风险集合进行PCA分析，确定主要成分，对指标集合进行降维处理，进而构建评价指标体系.

鉴于地铁车站深基坑项目风险多样性的特点，将风险对项目的风险影响程度划分为5个等级：高、较高、中等、较低、低，并运用10分制进行评分，评分标准见表2.

表2 影响程度评分标准

调研35位在地铁车站深基坑施工方面有着丰富经验或者相关研究的专家，筛选出30份有效样本.汇总整理得到评价矩阵{Xij}m×n，其中，n为39个评价因素，m为30即样本个数.运用Matlab对原始数据进行主成分分析，得到荷载系数矩阵、特征值、贡献率、累计贡献率，见表3.

表3 主成分指标向量(荷载系数×100)

按照特征值大于1的原则，得到6个主成分指标，且6个主成分指标的方差累计贡献率η=0.8533>0.85.

2.3 降维分析

根据荷载矩阵对风险进行分类，重新定义各主成分指标的含义：Z1的贡献率为20.68%，其于X5(生理不适)、X20(不安全行为)、X26(心理素质稳定性)、X31(专业操作水平)、X35(安全观念和安全意识)上均有较高的荷载，风险与该主成分相关性较大，因此Z1可以视作是由人为因素引起的风险；Z2的贡献率为17.69%，其于X24(地下管线及构筑物)、X25(不良地质)、X28(周边震动影响)、X33(不可预见的自然环境)上均有较高的荷载，因此Z2可以视作是由自然环境引起的风险；Z3与X8(现场安全管理)、X10(安全激励不足)、X21(管理部门沟通不到位)、X29(风险应对措施不完善)相关，因此Z3主要反映管理方面的风险；Z4与X6(原材料质量问题)、X15(缺少安全防护装置)、X36(设备老化及磨损)相关，因此Z4主要反映设备及材料方面的风险；Z5与X23(监控设备设置不合理)、X32(通讯设备信号差)相关，因此Z5主要反映信息管理方面的风险；Z6与X19(照明不充分)、X34(工作噪声大)、X37(工作空间狭小)、X38(工作温度恶劣)相关，因此Z6主要反映工作环境方面的风险[9].

2.4 指标体系构建

结合地铁车站深基坑项目的实际情况，将上述6个主成分进行重新整理组合，将Z2与Z6合并，将其作为环境的风险；将Z4与Z5合并，将其作为物的风险.由此建立了一个涵盖人、机、管、环四个方面的地铁车站深基坑施工风险指标体系，如图1所示.

图1 地铁车站深基坑施工风险指标体系

3 基于逆向云的风险耦合模型

3.1 逆向云模型

具体计算步骤如下：

输入：N个云滴样本的定量值xi(i=1，…,N).

3.2 构建基于逆向云的风险评价模型

运用耦合度函数分析系统中两个及以上风险因素之间的作用程度，以反映施工的风险水平，具体步骤如下：

1) 构建功效函数：

2) 构建线性加权函数：

3) 构建耦合度函数运算各级风险间的耦合强度：

Km∈[0,1]反映耦合强度.参考物理学对耦合状态的划分：①当Km=0时，各变量间无耦合现象.②当Km∈(0,0.3]时，各变量间耦合强度较低.③当Km∈(0.3,0.7]时，各变量间耦合强度中等.④当Km∈(0.7,1)时，各变量间的耦合强度较高.⑤当Km=1时，耦合强度达到最大值[8].

由风险耦合的定义可知，风险间的耦合程度越大，则风险等级越高，对施工的影响越大，容易导致施工安全事故.

4 实例分析

4.1 工程概况

青岛地铁二号线某车站结构为双层双柱三跨框架结构，车站标准段宽20.7 m，有效站台长118 m，车站总长234.5 m，总建筑面积12 149.45 m2，其中竖井施工采用倒挂井壁法施工，施工横通道采用拱形直墙断面，复合式衬砌.竖井内净尺寸5 m×8 m，基坑深度32.5 m.基坑开挖前布置降水点8处，采取钻孔、埋管(管身钻孔、密网包裹)潜水泵抽水，降水水位标高达到开挖坑底下1 m后，即可开始土方开挖.基坑采取钻孔灌注桩作为围护结构，土钉支护作为基坑支护结构.

4.2 数字特征计算

通过专家打分的方式收集风险因素评价的原始数据，邀请地铁车站深基坑施工领域的相关专家及现场管理人员共10名，依据风险的划分定义(表4)对前述图1指标体系中的风险因素进行评价.

表4 地铁车站深基坑施工风险划分定义

运用Matlab软件进行逆向云模型的运算，得到各风险因素的数字特征，受篇幅所限，以二级指标“人的风险因素”下的三级风险指标为例，见表5，并使用超熵检验其离散性，确保专家评价的有效性.

表5 风险指标数字特征

4.3 风险耦合计算

1) 依据耦合度模型计算三级风险指标的耦合度.以二级指标“人的风险因素”下的三级风险指标为例，见表6.

表6 风险指标耦合度

2) 计算二级风险指标的耦合度.

①二级指标双因素耦合值见表7.

表7 二级指标双因素耦合程度

②二级指标三因素人-机 -管的风险因素耦合值：

③二级指标三因素人-机 -环的风险因素耦合值：

④二级指标三因素人-管 -环的风险因素耦合值：

⑤二级指标三因素机-管 -环的风险因素耦合值：

⑥二级指标四因素人-机 -管-环的风险因素耦合值：

4.4 计算结果分析

由耦合程度的计算结果及耦合度的划分可知：

1) 三级风险因素的同质或异质的耦合程度均为中等水平，其中C6(原材料质量问题)与C9(监控设备设置不合理)的耦合程度为0.5948，说明这两个因素耦合后导致施工风险较高.结合工程实际情况可知：本工程的土质为粗砂、黏土、花岗岩等，其承载力各不相同且结构特性较差，同时周边的建筑物及地下的管线错综复杂，对建筑物和管线的安全保护措施要求较高，故对深基坑整体的支护体系和围护结构的强度、刚度、稳定性要求极高.而原材料的质量不仅会对支护体系与围护结构的施工质量产生影响，也会对深基坑的整体结构安全产生重要影响.在施工过程中，需要密切监视支护体系与围护结构的位移及受力，观测周边建筑物构筑物的沉降及裂缝，当支护系统施工质量不佳时，监控措施又没有检测到位，不能及时发现安全事故预兆，采取必要的预防措施，当安全事故由预兆变为征兆时，施工安全事故将不可避免[12-13].

2) 二级指标双因素耦合程度均属中等水平耦合，其中人-环的耦合程度最高，相较于其他风险因素的组合，人-环组合引起的施工风险最高，这与地铁车站深基坑的施工环境以及人的生理特性有关.

3) 二级指标三因素耦合程度均属中等水平耦合，其中人-机-环的耦合程度最高.

4) 二级指标四因素耦合程度K4=0.6006，可知本工程深基坑施工整体风险水平为中等，同时四因素风险耦合程度明显大于其他风险因素的耦合程度，与风险耦合的概述相符合.

5 结论

1) 本文运用德尔菲法与事故致因理论分析了地铁车站深基坑施工中存在的风险，并建立了风险集合，使用PCA法对39个风险进行降维处理，构建了人、机、管、环四个方面的风险耦合评价指标体系，运用定性与定量分析相结合的方式构建了指标体系，提高了指标体系的客观性、准确性和全面性.