基于改进证据理论的深基坑施工风险评价

李杨,徐建泽

(华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210)

随着高层建筑和地下工程的发展，深基坑施工项目越来越多，深基坑工程具有开挖深、支护要求高、对周边建筑影响大等特点，易发生塌方等工程事故，并会造成重大人员伤亡和财产损失。因此，深基坑施工风险评价的研究对安全施工具有重要意义。

证据理论能有效融合不确定信息，基于此，相关学者已将证据理论广泛应用于风险分析、风险评价等领域[1-6]。吴贤国等[1]将证据理论应用到盾构下穿既有隧道安全风险评价。杨斯玲等[2]将证据理论应用到装配式建筑施工风险评价。刘沐宇、段含露[3]将证据理论应用到大跨径悬索桥主塔施工风险分析。周盛世等[5]将证据理论应用到地铁施工风险评价。融合不确定的风险指标是深基坑施工风险评价研究的重点，将证据理论应用其中可有效提高评价结果的准确性。

证据理论对特征冲突多源信息融合时，有可能得到与事实相悖的结论[7]，相关学者提出利用不确定墒[8]、最优权重[9]、K-L信息距离[10]等方法改进证据理论。该项研究引用相关参考文献[10]提出的方法改进证据理论的证据冲突问题，为项目管理者提供更加有效的深基坑施工风险评价方法。

1改进的证据理论

1.1 证据理论

当2个证据存在时，证据融合结果为：

(1)

式中：

K——冲突系数，表示各证据信息融合时的冲突程度。

当多个证据存在时，证据融合结果为：

(2)

1.2 K-L信息距离

K-L信息距离理论由Kullback和Leibler[12]，用来判断两个概率分布的接近程度。设同一识别框架"Θ" 下，则2个赋值函数的信息距离为：

(3)

1.3 基于冲突识别的证据理论

Zadeh[7]用实例证明了在证据冲突下应用Dempster合成规则得到的结果与事实相悖。采用文献[10]提出的K-L信息距离证据冲突识别方法，对多指标体系应用D-S证据理论进行改进，两证据间的信息距离公式如下：

(4)

两证据间的均衡信息距离：

(5)

所有证据到第i个证据的信息距离和：

(6)

为体现各证据在整体系统冲突中的影响程度，定义Hi为基于信息距离的证据冲突度：

(7)

该研究认为同类指标应具有信息一致性，因此应对高度冲突证据进行隔离。应用证据理论对隔离后的指标进行融合，减少了高度冲突指标对评价过程的影响，从而提高多指标融合结果收敛性。图1所示为改进证据理论的指标融合流程。

图1 改进证据理论的指标融合流程

2深基坑风险评价指标体系构建

深基坑项目具有开挖深、尺寸大、支护要求高等特点，施工过程存在众多的不确定性风险因素，如人员的安全意识、现场人员的施工经验、原材料质量、天气情况、进度管理等。参考大量文献[13-16]，利用德尔菲法与层次分析法构建深基坑项目施工风险评价指标体系，如表1所示。

表1 深基坑工程施工风险评价指标体系

3基于证据理论的指标集结

3.1 专家对二级指标赋值

设深基坑施工各指标风险等级识别框架：

(8)

式中：

k——风险级别，k=1,2,…,5。

专家N按照Θ框架对二级指标Aij赋值：

(9)

式中：

N——专家序号，N=1,2,…,n；

ij——二级指标序号。

3.2 专家赋值的冲突识别与集结

将专家对二级指标Aij的赋值，带入式(4)得到专家赋值的冲突识别矩阵：

(10)

将上述数据带入式(5)～式(7)得到专家赋值的冲突度Hi，通过设置对应的冲突门限[10]隔离n1个高度冲突的专家赋值，将(n-n1)个专家赋值带入式(2)得到指标Aij的风险评价结果mij(θk)。

3.3 评价指标的集结

最后，利用式(2)对mij(θk)集结，得到一级指标Ai的风险评价结果mi(θk)，进而得到深基坑施工风险评价结果m(θk)。

4算例分析

选用某深基坑施工项目进行算例分析，该项目基坑深度7.5～12.5 m，开挖尺寸73.6 m×31.5 m，地下水位于地面以下5.5 m，施工场地埋有雨水、污水、自来水管线，周边是城市主干道。施工方根据地勘报告，并结合基坑开挖深度、现有建筑、施工道路等情况，确定土钉墙作为基坑支护方案。

4.1 二级指标的赋值

专家按照识别框架对指标Aij赋值，以8位专家对指标A11的赋值为例：

m11(θk)1=[0.1,0.1,0.2,0.4,0.2]

m11(θk)2=[0.1,0.1,0.1,0.3,0.4]

m11(θk)3=[0.1,0.1,0.3,0.3,0.2]

m11(θk)4=[0.1,0.3,0.2,0.2,0.2]

m11(θk)5=[0.1,0.2,0.5,0.1,0.1]

m11(θk)6=[0.1,0.1,0.1,0.4,0.3]

m11(θk)7=[0.1,0.1,0.2,0.4,0.2]

m11(θk)8=[0.1,0.1,0.2,0.3,0.3]

4.2 冲突信息的识别与集结

将8组赋值带入式(4)～式(7)可得8位专家对指标A11赋值的冲突度Hi，计算结果见表2。

表2 指标A11赋值的K-L信息距离与证据冲突度

为便于识别，将表2中Hi数据可视化(如图2所示)。

图2 证据冲突特征识别与时序趋势

由图2可得H5、H7具有显著冲突度，该冲突是专家5、专家7与其他专家对指标A11的赋值高度冲突导致的，即专家5、专家7与其他专家对同一指标A11的意见高度不一致，所以需要对专家5、专家7的赋值进行隔离。

将隔离后的赋值带入式(2)得到：

m11(θk)=[0.000 85,0.002 54,0.020 34,0.732 20,0.244 07]

通过m11(θk)可得该项目人员安全意识的风险等级为较高，同时，高风险等级排在第二位，风险等级有向更高等级发展的趋势，说明相关人员缺少安全意识，需要采取必要措施，如加强员工三级安全教育、举办安全培训班、引进安全管理人才等降低施工风险。利用相同的方法对二级指标A12至A14进行融合，将二级指标的风险评价结果m11(θk)至m14(θk)带入式(2)得到一级指标A1的风险评价结果：

m1(θk)=[0.009 14,0.918 19,0.000 81,0.064 32,0.007 54]

同理，可得其他一级指标的风险评价结果：

m2(θk)=[0.012 50,0.025 00,0.750 00,0.200 00,0.012 50]

m3(θk)=[0.017 24,0.517 24,0.137 93,0.258 63,0.068 96]

m4(θk)=[0.009 71,0.019 41,0.077 67,0.699 02,0.194 17]

m5(θk)=[0.256 41,0.115 38,0.461 55,0.115 38,0.051 28]

m6(θk)=[0.024 09,0.072 28,0.433 73,0.433 76,0.036 14]

分析以上结果可得：施工方法A4风险等级为较高，需要采取措施，如聘请专业人员完善施工组织设计、增加深基坑测量点位、选用更安全的加固技术等降低风险；施工机械A2、环境因素A5、管理因素A6风险等级为中等，施工风险时刻在变化，需要时刻对这些指标保持关注，必要时采取相应措施，防止施工风险向更高等级发展；人员因素A1、材料因素A3风险等级分别为低、较低，建议继续保持对人员和材料的严格管理，使其风险等级始终处于较低水平。

最后将上述一级指标风险评价结果带入式(2)得：

m(θk)=[0.000 01,0.016 00,0.010 89,0.973 01,0.000 09]

根据隶属度大小，该深基坑项目施工风险综合评价结果为较高等级，说明该项目存在较大的施工风险，需要重点加强对施工方法A4采取风险管控措施，并加强对施工机械A2、环境因素A5、管理因素A6的风险监控，保持对人员因素A1、材料因素A3的严格管理，以便减少施工风险发生的可能性。

5结论

(1)深基坑施工项目存在诸多风险因素，提出了人、机、料、法、环、管六大方面评价指标，确保评价指标更加科学全面。

(2)相关学者创建的K-L信息距离改进证据理论的方法可在风险评价过程中识别出高度冲突的专家赋值，通过隔离高度冲突的赋值，降低其对评价结果的影响，使得评价结果更加收敛。

(3)深基坑施工风险具有不确定性等特点，算例分析结果表明证据理论能有效融合不确定的风险指标，彰显出证据理论在深基坑施工风险评价领域的适用性。