基于C-OWA算子的地铁深基坑施工安全可拓评价①

赵德凤, 洪文霞,2,*, 鹿 乘

(1.青岛理工大学管理工程学院,山东 青岛266520;2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心,山东 青岛266520)

0 引 言

现阶段,城镇化进程逐渐加快,交通堵塞、事故频发等问题日益严重,在此背景下地铁凭借噪声小、客流量大、节约土地资源等特点迅速崛起[1]。地铁建设的规模正在以惊人的速度扩大,同时也存在大量的安全隐患,尤其是地铁车站的超大、超深基坑施工,其“深、大、紧、近”的特点使得基坑在施工过程中面临更多的不确定风险因素。部分学者对地铁深基坑的风险进行了研究,刘俊伟[2]、王峰[3]、吴波[4]等人利用模糊综合评判法对安全风险进行了评估。申建红[5]采用基于证据理论的施工风险评价模型确定风险等级;程敏[6]提出采用二元语义和灰色关联分析相结合的方式来改进失效模式,从而对深基坑施工的关键风险因素进行分析;但是地铁深基坑在施工过程中存在较多风险,各个风险指标并不都存在于同一范围内,以上方法很难对基坑施工过程的整体安全进行评价,而且权重计算过程易受调查专家主观偏好的影响。因此引入基于C-OWA算子的物元可拓综合评估模型,采用C-OWA算子对风险指标进行科学赋权,利用关联函数对地铁深基坑风险进行分析,从而确定风险等级,为下一步进行风险控制奠定基础。

1 深基坑施工风险评价指标体系

建立科学合理的指标体系是进行深基坑风险评价的重要基础。考虑到基坑工程具有系统性、复杂性及不确定性等特点,从深基坑施工的主要内容入手,在相关文献[7-9]研究的基础上,遵循《建筑深基坑工程施工安全技术规范》等相关要求,从勘察与监测、土方开挖、地基处理、基坑支护、排水降水、施工环境6个方面建立了地铁深基坑施工安全风险评价指标体系,如图1所示。

图1 地铁深基坑施工风险评价指标体系

2 基于C-OWA算子的施工安全可拓模型构建

2.1 基于C-OWA算子的指标权重确定

C-OWA算子是国内学者对Yager教授[10]提出的OWA算子的改进,相比于层次分析法、熵权法等传统的赋权方法,C-OWA算子较好的考虑了专家的主观偏好,在专家打分的基础上对其进行组合数加权来确定指标的最终权重,从而确保赋权过程的科学性和计算结果的准确性。其指标权重计算过程如下[11]:

1)邀请n位从事地铁车站深基坑施工安全风险管理的专家和管理人员对上述风险指标进行重要度打分(1-10),打分结果用A=｛a1a2…a f…a n｝表示构成初始数据集,然后将其进行降序处理并从0开始编号,得到B=｛b0b1…b f…b n-1｝,其中b0≥b1≥b2≥…≥b f≥…b n-1.

3)用组合数权重θf+1对初始数据集A进行加权处理得到评价指标的绝对权重ωi'

其中,m为风险指标的数量。

4)进行归一化处理得到最终权重ωi

2.2 地铁深基坑施工安全可拓模型

物元可拓以物元分析模型和可拓数学为基础,不仅能够从定性的角度展现事物的物元及变化过程,而且能够定量的计算指标与等级之间的关联度,同时通过将不相容问题转化成相容问题能够很好的解决各个风险指标不存在于同一范围内的问题,利用物元可拓模型对地铁深基坑的风险进行分析和评价,从而较准确的得出基坑所处的风险等级,以便更好的采取措施预防风险发生。

2.2.1 构造评价物元

设R表示评价物元,N表示地铁深基坑施工项目安全风险,D表示m个二级风险指标的集合,即D=｛D1,D2,…,D m｝,V j表示各风险指标的量值,则有

2.2.2 确定经典域和节域

地铁深基坑施工风险的经典域为:

式中:N j为地铁深基坑施工所划分的第j个风险等级,x ij=(a ji,b ji)为对应于V j各评价指标的量值范围,即经典域。

地铁深基坑施工风险的节域为:

式中:N p为地铁深基坑施工风险所属的全部等级,V pm表示评价指标集C关于N的全部量值范围,即节域。

2.2.3 计算关联度

式中:K j(D ik)为地铁深基坑施工安全风险评价体系中第i个一级指标中第k个二级关于风险等级j的关联度。

2.2.4 确定评价等级

式中:K j(N)表示综合关联度,ωi表示各指标的权重,K i(V i)表示关联函数确定的关联度矩阵。

地铁深基坑施工安全风险等级由最大综合关联度确定,其所在的评判等级即为最终风险等级。

3 案例分析

为验证该可拓模型的合理性和有效性,对青岛地铁4号线某车站深基坑工程展开施工风险分析与评价。该车站为明挖三层岛式站台车站,全长155m,采用明挖顺筑法施工,主体基坑深约25m,土石方总量为10.3万m3,由于其靠近村庄且地下水丰富,地质复杂,爆破难度较大,因此面临较大的风险。

在阅读大量相关文献的基础上,按照《地铁及地下工程建设风险管理指南》的有关规定,结合深基坑工程的实际特点,将风险等级划分为{很危险(I)、危险(II)、中等(III)、安全(IV)、很安全(V)}五级,其对应的经典域为{(0,40)、(40,55)、(55,70)、(70,85)、(85,100)},节域则为(0,100)。

3.1 指标权重确定

以一级指标为例,首先邀请包括大学教授、施工管理人员在内的6位专家对该工程中各个风险的重要程度进行1-10打分,且为保证数据规范,打分时要求为0.5的倍数,分值的高低代表重要度的大小,即分值越高表明该风险越重要。搜集相关数据并进行整理得到表1。

表1 各一级指标重要度得分

首先计算指标D1的权重,对初始数据集依照从大到小的次序进行编排后得到向量B={8.0,7.5,7.0,6.5,6.0,5.5},n=6,依据公式(1)可计算出各指标的加权向量为θ=(1/32,5/32,10/32,10/32,5/32,1/32),再由公式(2)(3)获得指标的绝对权重为6.7500,相对权重为0.154。采用同样的步骤得出其余一级指标的相对权重分别是ω2=0.168,ω3=0.165,ω4=0.178,ω5=0.175,ω6=0.159。借助Matlab软件,将该计算步骤进行编程,从而计算出各个二级指标的权重,见表2。

3.2 物元可拓评价

(1)确定评价物元

首先就该工程的实际风险状况向专家进行咨询和访谈,收集相关研究人员、管理人员及施工人员的意见;其次深入青岛地铁4号线进行实地调研,观察基坑工程的施工过程,了解风险的发生状况;最后邀请参与该工程的10名专家根据相关规范对各个风险因素进行打分,采取百分制原则,分数越高说明该风险发生的概率越小,选用专家打分结果的平均分作为依据,综合考虑工程的实际情况得到最终得分,如表2所示,即构成待评价物元。

(2)确定经典域和节域

以“基坑支护”指标为例,其经典域为

节域为

(3)计算关联度

根据式(7)(7-1)(7-2)计算得到各个风险因子的关联度,如表2所示。

表2 地铁深基坑施工评价体系二级指标关联度与风险等级

(4)确定评价等级

将二级指标的关联度与各自的权重应用公式(8)进行结合,计算求得一级指标的关联度,并根据关联度最大原则确定该工程中一级风险所处的等级。以D4为例以矩阵的形式进行计算,其不同等级的关联度为:

由此可以看出,“基坑支护”这一风险指标在青岛地铁4号线该深基坑工程施工过程中处于III级风险。同理可得到其他一级指标的关联度和风险等级如表3所示。

表3 地铁深基坑施工评价体系一级指标关联度与风险等级

?

再根据上表和公式(8)(9)计算最终综合关联度:

最终得出该基坑工程的风险等级为III级,即中等。

3.3 评价结果分析

1)由表2可以看出,在二级风险指标中支护桩稳定性差、降水井破坏、排水系统能力差、土体土层不稳定以及基坑涌水等的权重较大,说明其在深基坑施工过程中对安全风险的影响程度较大,在实际施工过程中应着重关注以避免重大安全事故发生。

2)由表3可以看出,在实际工程中,“勘察与监测”指标处于很安全状态,说明施工部门对勘察资料的准确性要求较高,当发生异常现象时预警较及时,从而能够较早的采取应急方案,降低相关损失。“土方开挖”指标处于安全状态,说明施工部门在施工过程中考虑到了土体土层不稳定这一重要因素,采取了一定的措施降低该风险的发生概率,同时在基坑开挖时应严格按照制定的方案进行,严防超挖或欠挖现象出现,以便进一步达到“很安全”状态。“地基处理、基坑支护、排水降水、施工环境”四个指标均处于“中等”状态,其中“基坑支护”的二级指标“支护桩稳定性差”和“排水降水”的二级指标“排水系统能力差”都与“危险”相关联,应该引起高度重视。该地铁深基坑施工单位要确保在对周边环境进行全面勘察的基础上,深入分析地基土的土层性质,设计该工程项目最优的深基坑支护方案,并加强支护桩、柱的质量,同时,制定严格的排水和降水方法,实时对排水系统能力进行监测,制定有效的风险预防和控制措施,避免安全风险发生,并逐渐向“安全”状态过渡。

3)评价最终结果显示该地铁深基坑的安全风险处于中等状态,说明工程存在较多的潜在风险,应加大各项风险的管控力度,按照相关规定,采取有力的措施对不合格的地方进行整改,进一步提高地铁深基坑施工的安全水平。

4 结 论

通过运用基于C-OWA算子的安全可拓模型对地铁深基坑施工风险进行评价,得到以下结论:

(1)在已有相关文献研究的基础上,结合深基坑施工的实际特点,着手于施工的全过程,建立了包含6个一级指标和18个二级指标的评价指标体系,能够更加全面的评估地铁深基坑风险的真实情况。

(2)将C-OWA算子和物元可拓模型引入地铁深基坑施工安全风险评价中,在充分考虑专家主观偏好的前提下利用C-OWA算子确定指标的权重及重要度排序,采用物元可拓模型定量的计算指标与等级之间的关联度,从而更加客观准确的得出较为重要的风险因素及工程的实际安全状态。

(3)以青岛地铁4号线某深基坑实际工程为依托,得出该基坑的施工风险等级为III级,即中等风险,与实际施工情况一致,并分析了各个一级风险指标的风险状态及相关的风险处理措施,为进一步实施风险预防和控制提供参考。