基于FAHP−GRA理论的深基坑涌水涌砂风险评价

吴波，陈辉浩，黄惟，蒙国往，李小龙，万荣强

(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004；2. 东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌330013；3. 广州城建职业学院 建筑工程学院，广东 广州510925；4. 中铁北京工程局集团 城市轨道交通工程有限公司，安徽 合肥230088)

深基坑涌水涌砂是地铁施工中较为常见的一种灾害，轻则延缓工期，重则造成周边地面大量沉降，围护结构失稳，基坑垮塌等不可挽回的严重损失。近些年，国内外许多专家学者对地铁深基坑施工风险问题展开研究。彭涛等[1−4]采用层次分析法计算风险因素权重，运用模糊综合评价法对基坑施工安全进行风险评估。吴丹红等[5−6]通过建立可拓评价模型，对基坑工程施工安全评价指标与权重进行可拓运算。此外二维云模型[7]，BP神经网络[8]、贝叶斯网络[9]等也常被运用于基坑工程的风险评估。不难发现，在基坑施工风险评估的研究中，基坑涌水涌砂问题往往只是被视为一个影响因素，甚至是被忽略。针对地铁车站基坑涌水涌砂安全评估的研究并不多见。庄全贵[10]基于疏干井涌水涌砂事故，分析事故原因，优化降水井的参数、设计及位置布置，并经实验验算满足工程施工要求。王洪波等[11]通过连通实验等方法对基坑岩性特征、富水性等进行深入研究，形成临江破碎地层基坑涌水综合分析法，在指导基坑涌水治理中取得很好的效果。牛文宣[12]运用有限元软件ANSYS 对不同工况下基坑的状态及位移变形进行数值模拟，分析基坑涌水对深基坑结构稳定性的影响。显然，目前在地铁深基坑涌水涌砂施工风险评估的理论研究尚未充分，一些系统评价理论还未很好地运用于地铁基坑涌水涌砂风险的评价中，因此在基坑涌水涌砂施工安全风险评估的研究需要进一步开展。本文依托广州某深基坑项目进行涌水涌砂施工风险进行评估。

1 基于FAHP-GRA理论评估模型

1.1 建立评估指标体系

设最高层为地铁深基坑涌水涌砂风险I；第2层为因素集I=(I1,I2,…,Ii)，其中Ii为第1 层第i个子因素集；第3 层因素集为Ii=(Ii1,Ii2,…,Iij)；其中Iij为第1层第i个子因素集中第j个因素集。

1.2 基于FAHP理论的权重计算

模糊层次分析法(FAHP)是由运筹学专家SAA‐TY[13−15]首先提出。其基本思想是分解影响因素，建立递阶层次关系结构，将多因素进行两两比较，将定性问题定量化[16]。在运用FAHP 进行决策时，计算步骤可分为构建模糊判断矩阵、指标权重计算和一致性检验，详细步骤见参考文献[17−18]。三角模糊判断矩阵Sk，调整矩阵Tk，模糊判断矩阵Vk，其中k=1, 2, 3, 4, 5，分别对应5 位评分专家。由模糊层次分析法计算评价指标权重为：

其中m表示评价指标个数。

1.3 基于GRA理论的灰色关联度分析

灰色关联分析(GRA)[19−20]的基本思想是根据序列曲线之间的相似程度来判断序列之间的贴近度，计算序列之间的关联度[21]。具体步骤如下所示：

1) 构造评价指标矩阵

设有n个评价对象，其中某一研究对象有m个评价指标。由k名专家对各评价指标的风险评分数据构成正向化矩阵X。

2) 正向化矩阵X初值化处理

选取正向化矩阵第一列作为标准参考数列，各个评价指标分值与参考数列比值组成初值化后的比较数列如下所示：

其中，xikm(k)表示第k名专家对第i个评价指标下第m个影响因素的评分与参考序列的比值。

3) 计算关联系数

结合文献[22−24]，计算参考序列与其他子序列之间的关联系数，其中取ρ= 0.5。结合式(1)可得关联系数；

4) 计算参考序列与其他子序列之间的关联度。结合各个评价指标权重ω=[ω1,ω2,…,ωm]及式(2)可得关联度；

式中：ωm表示第m个指标的权重。

1.4 建立评价集

结合文献《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析》[25]，将地铁深基坑涌水涌砂施工安全风险分为4级，如表1所示。

表1 事故可能性等级标准Table 1 Criteria for accident possibility grade

2 工程概况

广州市轨道交通7 号线某车站为地下3 层岛式站台车站，设置单渡线。总建筑面积为30 010 m2，外包总长322.3 m，标准段宽度为24.1 m，有效站台宽15 m。车站主体主要采用明挖顺作法施工，在北端河道下方采用局部盖挖，基坑开挖深度26.98 m，围护结构采用1 m 厚地下连续墙+4 道内支撑。基坑底部大部分位于微风化含砾粗砂岩，局部位于中风化含砾粗砂岩，并且车站紧邻珠江，地下水位较高，其变化受珠江潮汐影响较大，基坑涌水涌砂风险较高，施工中应加强防范措施。车站北基坑某处地质纵断面如图1所示。

图1 车站主体围护结构某断面处剖面图Fig.1 Sectional drawing of a section of the main enclosure structure of the station

3 基于FAHP-GRA 理论的地铁深基坑涌水涌砂风险评估

3.1 风险评估指标体系

基坑开挖范围内存在有富水砂层，富水砂层厚约3.5～4 m。按设计要求地连墙深度应确保进入不透水层。该基坑的支撑体系是由3道混凝土支撑和1道钢支撑组成。根据工程经验，涌水涌砂大部分发生在地下连续墙幅与幅之间的接缝位置，因此接缝处的防渗漏设计是否合理极为关键。在实际施工中，地连墙终孔地层应与地勘报告相符。地连墙渗漏大多是发生在幅与幅之间的接缝处，接头的防渗漏效果主要取决于刷壁质量。在混凝土浇筑工序中，泥浆制备需满足泥浆指标与沉渣厚度。浇筑时的施工工艺可直接影响混凝土防水质量。基坑周边水系比较发达，地下水丰富且存在一定水压。基坑开挖前，需要对地连墙进行超声波检查其连续性与完整性，保证围护结构的施工质量。基坑开挖时应，采集各项监测数据，及时预警。在施工开挖进入富水砂层后，可通过掏槽验缝检查接缝情况。

深基坑涌水涌砂的影响因素错综复杂，呈现出模糊性和不确定性。本文结合依托工程，同时参考《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》[26]、《地铁及地下工程建设风险管理指南》[27]，将地铁深基坑施工涌水涌砂风险分为设计因素、地连墙施作因素及基坑开挖因素。在风险分析后，选取易发生施工事故的关键性指标11 个，建立了地铁深基坑涌水涌砂风险评估指标体系，如图2所示。

图2 风险评估指标体系Fig.2 Risk assessment index system

3.2 指标权重计算

邀请了5 组经验丰富的专家，各组5 人，共25人，其中业主单位5 人，监理单位5 人，监测单位5人，第3方风险管控单位5人，高校学者5人，以0.1～0.9 标度对地铁深基坑涌水涌砂风险评估某两两评价指标进行对比打分，每组分别取平均值，得到该两两因素的三角模糊互补判断矩阵。以评分专家组1 为例，将地铁深基坑涌水涌砂风险I作为判断准则，对第1 层次影响因素设计因素I1，地连墙施作因素I2和基坑开挖因素I33 个评价指标进行两两比较建立三角模糊判断矩阵S1如下所示：

结合模糊判断矩阵S1，计算可得调整矩阵T1如下所示：

结合矩阵T1，计算模糊判断矩阵V1如下所示：

同理可得

综上所述，计算各评价指标I1，I2和I3的权重依次为

同样的，以第1 层次评价指标作为判断准则，对其对应的第2层次评价指标进行两两比较，构建三角模糊互补判断矩阵，计算第2层次评价指标的权重，具体结果如表2所示。

表2 评价指标权重Table 2 Evaluation index weights

3.3 灰色关联度分析

专家小组对地铁深基坑涌水涌砂风险评估指标以(0-1]标度进行打分，各个层次评价指标的得分情况如表3所示。

表3 专家打分汇总表Table 3 Summary of expert scores

以分析第1 层次影响因素设计因素I1，地连墙施作因素I2和基坑开挖因素I33 个评价指标与地铁深基坑涌水涌砂风险I之前的关系为例，将地铁深基坑涌水涌砂风险I作为参考数列，其他各个评价指标I1，I2和I3分值与参考数列比值组成初值化后的比较数列为

可得第1 层次评价指标设计因素I1，地连墙施作因素I2和基坑开挖因素I3与地铁深基坑涌水涌砂风险I之间的关联系数如表4 所示，同时结合表2中评价指标权重，可得总风险与第1层次评价指标关联度为

表4 总风险与第1层次评价指标关联系数Table 4 Correlation coefficient of total risk and first-level evaluation index

同理可得，第1 层次评价指标中的设计因素I1与第2层次评价指标地连墙深度I11，基坑支撑体系I12，地连墙接缝设计I13之间的关联度为γ1=[0.288,0.208,0.195]；地连墙施作因素I2与第2层次评价指标地连墙终孔控制I21，接缝刷壁质量I22，泥浆质量控制I23，混凝土夹泥控制I24之间的关联度为γ2=[0.152,0.338,0.106,0.129]；基坑开挖因素I3与监控量测I31，地下水位I32，地连墙施工质量I33，掏槽验缝I34之间的关联度为γ3=[0.154,0.219,0.143,0.175]。

3.4 结果分析

由最终计算所得各个层次指标的关联度可知，在对地铁深基坑涌水涌砂风险与第1层次的评价指标的关联度计算中发现γ02＞γ03＞γ01，地连墙施作因素I2对地铁深基坑涌水涌砂风险的影响最大，其次是基坑开挖因素I3，设计因素I1最小，因此在深基坑的施工建设中，应重点做好地连墙施工的各个工序，把关好各个工序的施工质量，并制定应急处置灾害措施，注意预防灾害发生，同时在基坑施工开挖中规范施工步骤，在设计阶段考虑设计的合理性。

在设计因素中有γ11＞γ12＞γ13，因此应重点确保地连墙的埋设深度应达到抗管涌要求或是进入相对不透水层，合理设计基坑的支撑体系，同时充分考虑地连墙幅与幅之间的防渗漏设计。在地连墙施作因素中有γ22＞γ21＞γ24＞γ23，因此应重点严格把控地连墙接缝刷壁质量，确保地下连续墙终孔位置位于相对不透水层，并控制好水下混凝土浇筑前的泥浆质量和地连墙混凝土夹泥质量。在基坑开挖因素中有γ32＞γ34＞γ31＞γ33，因此在基坑开挖前，关键做好对未开挖部分进行掏槽验缝，实时监控测量，及时评估围护结构的施工质量，同时做好基坑降水，排除隐患。

4 案例分析

2020 年10 月20 日20:36 左右，在车站北基坑B28与A29地连墙接缝位置开挖至第3道支撑下1.0～1.5 m 处(开挖深度约16.5 m)，在进行地连墙接缝钢板封缝期间出现接缝渗漏水，渗漏水逐渐发展为涌水涌砂。漏水点位于原河涌底部9 m，距附近建筑物A8 楼水平距离约10 m。评估结果与现场施工情况相符。在出现险情后，项目部立即启动应急预案，多个应急小组各司其职，保证抢险有序进行，因此此次险情并无造成设备损失或人员伤亡，各项损失被降到最低。涌水涌砂抢险现场如图3所示。

图3 涌水涌砂抢险现场Fig.3 Emergency scene of water and sand gushing

在对此次基坑涌水涌砂事件原因分析中发现，地连墙超声波成像显示B28和A29地连墙垂直度良好，地连墙净空满足要求，端头超声波检测，B29位置工字钢底部成像不清晰，表面岩层较厚，渗漏水位置为地连墙接缝处，因此断定此次涌水涌砂的主要原因是地连墙工字钢刷壁不彻底，接缝夹杂着沙袋，导致工字钢接缝处混凝土不密实。从开挖揭露地层来看，涌水部位位于富水砂层，厚约3.5～4 m，涌水部位开挖深度达16.5 m。在基坑开挖前，项目部对地连墙接缝处进行了注浆的预处理，处理深度18 m，未穿透富水砂层，注浆未达到预期效果，因此地连墙埋设深度未进入相对不透水层是此次施工事故的间接原因。涌水部位位于河涌下部，且河涌与珠江相连，基坑周边水系比较发达，地下水水位较高且存在一定水压也是造成此次事故的原因之一。

综上所述，此次涌水涌砂事故的主要原因是地连墙接缝刷壁不彻底，次要原因是地连墙埋设深度并未进入不透水层，而基坑周边地下水位较高并存在一定水压也是此次事故的原因之一。

5 结论

1) 依托实际工程项目，对基坑施工涌水涌砂风险影响因素进行风险辨识，建立了地铁深基坑涌水涌砂风险评估指标体系，构建了基于FAHPGRA理论的地铁深基坑涌水涌砂风险评估模型。

2)以专家调查法为基础，结合依托工程项目，运用模糊层次分析法对地铁深基坑涌水涌砂的影响因素进行赋权，同时运用灰色关联度理论对各层次评价指标与基坑涌水涌砂总风险之间的关系进行灰色关联度分析，得出各个评价指标与总风险的灰色关联度，对基坑涌水涌砂施工风险进行评估。

3)由评估结果可知，地连墙施作因素I2与基坑涌水涌砂总风险I发生的灰色关联度最大，也即是深基坑涌水涌砂事故在地连墙施作阶段发生的可能性最大，其中地连墙施作因素I2中的接缝刷壁质量I22与地连墙终孔控制I21的灰色关联度较大，也即接缝刷壁质量I22与地连墙终孔控制I21对基坑涌水涌砂总风险的影响较大。评估结果与现场施工情况相符。

4) FAHP-GRA 理论将定性问题定量化，对地铁深基坑涌水涌砂施工风险评估的分析层次分明，条理清晰合理，能够做到对多影响因素之间的模糊关系进行系统评价，可为类似的基坑工程施工风险提供一种可行、有效的评估方法。