基于解释结构模型的地铁基坑施工风险分析

母雪珂 李乐 马小云 刘伟

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

0 引言

近年来，随着社会经济的快速发展，城市交通拥堵状况日益严峻。为了解决地面交通堵塞的困境，许多城市积极开发地下交通空间。地铁是地下交通体系的重要组成部分，具有速度快、安全性高、准时性好、客运量大等优点。但是，由于地铁自身的特点，地铁基坑周边管线密布、交通线复杂，地铁建设过程中的不确定性因素十分复杂，面临的风险也较大。因此，针对地铁基坑施工过程风险进行分析和研究，以合理规避和应对基坑施工过程中的各项风险，具有十分重要的现实意义。

国内外学者对地铁基坑工程进行了大量的研究，并取得了丰富的成果。Einstein等[1]结合隧道施工流程，对施工过程中的安全风险进行了分析。Sedigheh等[2]对德兰黑地铁火灾风险进行分析和资料评估，构建了风险因子事件树，并通过计算不同场景的火灾风险事件发生概率，为地铁系统风险管理提供了有效依据。唐业清[3]对103项基坑工程事故的原因进行了调查分析，并提出了相应的预防措施和风险应对方法。边亦海等[4]采用可信性风险分析方法，结合实例对深基坑开挖施工风险进行了研究。韩永吉[5]利用层次分析法对深基坑施工风险进行评估，并对风险等级进行判定，提出相应的风险预控措施。陈博[6]基于德尔菲法对深基坑工程进行了风险分析和研究，验证了德尔菲法在工程领域应用的可行性。李成龙等[7]结合主成分分析法和BP神经网络方法对基坑施工过程中的变形数据进行多向量空间重构技术建模，提高了神经网络的预测效率。刘忠昌[8]利用数值计算方法分析了基坑开挖过程中不同土体类型和施工顺序对于临近同一建筑物附加变形的发展规律，利用BP神经网络对构筑物进行附加变形预测，并通过现场测试数据验证了其合理性。

基于此，本文采用解释结构模型分析地铁基坑施工风险因素的关系模式和层级关系，以识别地铁基坑施工过程中的关键风险因素，为地铁项目施工动态风险管理提供参考。

1 地铁基坑安全影响因素分析

由于影响地铁基坑施工安全的风险因素众多，本文基于现有文献研究和相关事故案例，利用调查问卷的方式筛选出影响地铁基坑施工安全的15个关键风险因素，见表1。

表1 地铁基坑施工风险因素

2 构建地铁基坑风险解释结构(ISM)模型

2.1 ISM模型概述

ISM模型能够有效利用系统因素间的已知复杂关系，揭示系统因素的内部结构，从而将错综复杂的系统要素关系转化为直观的结构模型，并从中准确辨识问题的关键因素[9]。相较于其他方法，ISM模型能够更加清晰地描绘系统因素之间的关系，所构建的模型更加严谨，评价结果更加可靠。基于此，本文运用ISM模型，分析地铁基坑施工风险因素间的影响关系。ISM模型构建思路如图1所示。

图1 ISM模型构建思路

2.2 ISM模型实施步骤

(1)建立邻接矩阵。邻接矩阵主要描述系统要素之间的直接联系情况。如果要素Si对要素Sj有影响，则aij记为“1”；如果要素Si对要素Sj无影响，则aij记为“0”。得到

(2)计算可达矩阵。邻接矩阵记为A，单位矩阵记为I，对A+I进行布尔运算，直到满足 (A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M为止。此时，M为邻接矩阵A的可达矩阵[10]。若可达矩阵中mij=1，表示因素Si和因素Sj之间存在能够到达的路径[11]，即因素Si能够直接或间接影响因素Sj。该过程可利用Matlab软件求得。

(3)影响因素层级划分。根据可达矩阵，求得可达集和先行集，分别用R(i)和Q(i)表示。可达集指特定的影响因素能够到达的全部因素的集合，先行集表示能够到达某个影响因素的集合。由此可以判别各个风险要素的层级，计算可达集与先行集的交集，进而对各影响因素进行层级划分。

(4)绘制ISM模型图。根据矩阵中影响因素之间关系和层级划分结果绘制相应的ISM模型图，根据该模型图分析地铁基坑施工过程中各风险因素间的复杂影响关系。

2.3 构建地铁基坑风险的ISM模型

2.3.1 建立邻接矩阵

根据表1中的风险因素，基于专家调查结果，建立地铁基坑施工风险因素的邻接矩阵A，即

根据调查结果，绘制地铁基坑施工风险因素之间的关系，如图2所示。

图2 风险因素影响关系图

2.3.2 计算可达矩阵

基于邻接矩阵，运用Matlab软件计算地铁基坑风险因素的可达矩阵M，得到

根据可达矩阵，绘制地铁基坑风险因素可达网络图，如图3所示。

图3 地铁基坑风险因素可达网络图

2.3.3 影响因素层次结构划分

依据可达矩阵将基坑风险因素进行层次划分，分别求得各个因素的可达集R(Si)、先行集A(Si)和共同集C(Si)。其中，共同集C(Si)为可达集R(Si)和先行集A(Si)的交集。当可达集等于共同集时，R(Si)为最高级要素集合。在可达矩阵中，删除Si所对应的行和列得到新的可达矩阵，依次迭代，得到所有的要素集合。可达矩阵划分结果见表2。

表2 可达矩阵划分结果

由表2可知，管线破坏S9、临近建筑物S15为最高级风险因素。将最高级因素所对应的行和列在可达矩阵中剔除，再进行第二级风险因素划分，不断迭代，直到所有因素都被分解。各因素层级划分结果见表3。

表3 各因素层级划分结果

2.3.4 建立ISM模型

根据表3的层级划分结果，结合可达矩阵，构建地铁基坑施工风险因素ISM模型，如图4所示。

2.4 ISM模型分析

从表1和图2可知，影响地铁基坑施工风险的15个因素构成了6阶结构模型。由图4的结构模型图可知：

图4 地铁基坑施工风险因素ISM模型图

(1)处于结构层底部的风险因素表示能够影响它但不被它影响的因素较少。该类因素不但不易通过控制风险因素而间接控制，而且对很多因素产生影响，在施工过程中应对该类风险因素给予重视。

(2)处于结构层顶部的风险因素表示能够影响其但不被其影响的因素较多。在施工过程中，监控该类风险因素的同时，也可以通过其自身的表现对上层因素的控制效果进行检验。

(3)处于结构层中层的风险因素表示能够影响其同时被其影响的因素较多。该类因素对系统有一定的影响和依赖性，具有承上启下的作用。

3 结语

本文通过梳理地铁基坑风险研究相关文献，分析和归纳了15个地铁基坑施工风险因素。基于ISM模型，通过识别地铁基坑施工风险因素，采用定性和定量分析相结合的方式对地铁基坑施工风险因素进行分析。通过绘制地铁基坑施工风险因素结构图和风险因素可达网络图，分析各风险因素间的相互影响关系，并指出风险系统中的核心关键因素，可为其他项目的风险管理提供参考。