基于CRITIC-TOPSIS法地铁车站基坑开挖施工安全风险评估——以济南地铁9号线开源路站为例

范勇峰, 李 轲, 王军平, 贾兴隆, 朱尚明

(1.中国水利水电第四工程局有限公司, 西宁 810006; 2.中电建铁路建设投资集团有限公司, 北京 100071)

随着城市化进程的加快,城市轨道交通迅猛发展,轨道交通线网密集延伸[1]。地铁车站在建设时因基坑“深、大、近、难”,发生危险的风险较高,易带来较大的损失和影响[2]。因此,对地铁车站基坑在复杂环境下的施工进行合理评估、对深基坑施工进行科学指导,有非常重要的意义。

国内外许多学者对地铁车站开挖过程中可能会产生的风险开展了研究。工程中对风险进行评估有很多方法,常用方法包括定性分析方法、定量分析方法,以及综合分析方法[3]。进行工程风险分析时,通常会根据建设的具体项目、不同建设阶段,以及风险的特点来选取合适的风险分析方法,以获得有效的评估。层次分析法将一个复杂问题作为一个系统,将其分解为多层目标并进行相对优劣的排名,较为简单实用。渠成堃等[4]针对多任务学习模型预测的支护参数,采用层次分析法对比评价了预测与实际支护参数;兰吉涛和柴宗刚[5]构建一个适合当前我国建筑领域的生态建筑评估指标体系,并以兰州新区中建大厦为对象,利用模糊层次分析法进行模糊评判和生态等级确定;王帆等[6]根据工程条件,确定合适的评价指标体系,依据层次分析法确定各评价指标权重,通过模糊数学方法构造隶属函数,对地裂缝发育情况进行模糊综合评价。故障树法是一种由上及下的失效分析法,分析系统中不希望出现的状态,具有直观性强的特点。安慧等[7]为准确进行建筑施工高处坠落全面风险评估,解决事故致因因素存在模糊性与不确定性的问题,提出了一种基于模糊集合理论的故障树分析法;申建红和刘树鹏[8]提出风险因素,并采用故障树对风险因素的因果关系加以表示,构建完整的模型,预测施工风险概率的动态演变。熵权法是一种基于信息熵的权重确定方法,计算简单、操作性强。钱媛[9]针对海外油气多目标多属性的复杂特征,建立了海外油气方案评价指标体系,采用熵权法确定了不同评价指标的客观权重,然后利用逼近理想解排序 (technique for order preference by similarity to an ldeal solution,TOPSIS)法对海外油气项目的各个投资方案进行了排序比选;赵龙和王影[10]通过TOPSIS法对航线进行评估,利用熵权法确定属性指标,之后用TOPSIS法,通过判断航线的选择与理想的贴合度来进行航线评估排序,从而选取更优的航线。

以上分析方法都能对深基坑风险进行比较好的评估,但都有一定的局限性,如层次分析法决策判断比较主观、故障树法计算较为复杂、熵权法无法较好地将客观数据与决策者的经验相结合等。由于地铁车站建设过程中影响因素复杂,如何找到一种分析方法较好地综合评估指标的主观经验与客观数据,并量化权重有一定意义。因此,本文依托济南城市轨道交通9号线一期开源路站,基于CRITIC-TOPSIS(指标相关性权重确定-逼近理想解排序)评估方法,对该深基坑进行风险评估,提出相应的处置措施,降低工程风险。

1 CRITIC-TOPSIS评估基本理论

1.1 CRITIC评估

在综合评估分析中,指标相关性权重确定(criteria importance through intercrieria correlation,CRITIC)法是一种常用的评估方法。该评估方法以指标之间的变异性与冲突性为基础来分配评估体系中各指标的贡献程度。指标之间的变异性通过标准差的形式来表现,冲突性通过相关系数的形式来实现,变异性越大表明指标之间差异较大,能包含更多的信息,与权重赋值正相关;冲突性越大表明指标越相似,包含更多相同的信息,不利于多维度衡量评估体系。CRITIC法获得指标权重的方法如下。

(1)首先构建决策矩阵X,它表示了不同方案在不同标准下的表现。

(1)

式中:xij为第i个方案在第j个标准下的取值。

(2)对决策矩阵进行标准化处理。对于极大型指标使用式(2)进行正向化处理。

(2)

对于极小型指标使用式(3)进行逆向化处理。

(3)

(3)计算评价指标体系中指标的变异性。在CRITIC 法中使用标准差的大小来获得权重的多少,标准差的值越大,包含的信息越多,评估强度越高。

(4)

(5)

(4)计算评价指标体系中指标的相关性。在CRITIC 法中使用相关系数的大小来衡量权重赋值,相关系数越大,表明指标之间的相关性越强,包含越多的相同信息,不利于对象评估,因此,需要减少权重赋值。

(6)

(7)

式中:ρjk为评价指标间的相关系数;Rj为指标冲突性。

(5)计算评价指标包含的信息量cj。

(8)

cj值越大,表示该指标在评估指标体系中发挥了更大的作用,需获得更多的权重。

(6)计算评价指标的权重wj。

(9)

1.2 TOPSIS评估

TOPSIS法是一种典型的综合评价法。该评价法将数个评估方案与理想目标的相对接近度进行排序,并在现有的方案中进行相对优劣排序。TOPSIS法具有充分利用原始数据、对数据分布及样本含量无严格限制、计算简单易行的优点,在工程领域中应用广泛。TOPSIS法计算步骤如下。

(1)将各评价指标已有权重值融入决策矩阵,构造加权规范矩阵E。

Z=X″jωj

(10)

式中:X″j为式(1)中决策矩阵:ωj为式(9)中指标权重值。

(3)采用几何欧几里得距离来计算矩阵中各方案到正、负理想解的距离。

(10)

(11)

(4)计算相对贴近度Ci。

(12)

Ci越大表示样本点距离正理想解越近,评估效果越优。

1.3 CRITIC-TOPSIS评估

地铁车站基坑施工风险源多,采用单一的定性或定量分析方法,难以避免主观性较大、可靠性较低的缺点。本文将CRITIC法与TOPSIS法相结合,获取指标相关性权重,将其融入决策矩阵中,获得方案优劣的评价,有效地对地铁车站基坑开挖施工进行安全评估。基于CRITIC-TOPSIS评估方法的地铁车站基坑开挖施工安全风险评估流程如图1所示。

图1 地铁车站基坑开挖施工安全风险评估流程

2 案例分析

2.1 工程概况

拟建济南城市轨道交通9号线一期开源路站位于响泉路与宏昌路交又口西侧,沿响泉路东西向敷设。开源路站为地下二层车站。车站总长224 m,标准段宽21.3 m,盾构井段宽25.6 m。车站拟采用明挖顺作法施工,基坑开挖深度17.4～19.5 m,围护结构形式选用800 mm地下连续墙,竖向设置一道混凝土支撑与两道钢支撑。开源路站平面图如图2所示。

图2 开源路站平面图

2.2 主要风险来源

车站基坑位于东坞断裂、历城断裂之间,毗邻响泉、富水且地质条件复杂,7 m深度以内以淤泥质黏土和填土的敏感性地层为主,基坑降水或渗漏极易导致地面沉降,坑底以下主要为粉土、粉细砂、卵石及胶结砾岩地层,地连墙施工质量控制难度大,极易导致地下水渗流破坏。开源路站基坑典型断面地质情况如图3所示。

图3 开源路站基坑典型断面地质情况

场地周边无明显建筑物,距离车站基坑约4 m处有一个921.5 m2的水塘,水塘内水深约3 m;距离车站基坑约8 m处有一自流井(响泉),常年喷涌已形成流动的地表水系,经现场实地量测,该自喷井出水量每小时不小于87 m3,施工阶段自留井水有涌入基坑的风险;主要管线已迁改至距离基坑约25 m处。

3 建立评估模型

3.1 构建评估体系

由于施工场地环境复杂、作业场地狭小、施工作业复杂、设计人员多、施工风险大,构成风险可能性难以评估。经过现场实地调研与查阅相关资料,遵循系统性、科学性、全面性的特点,参考具有丰富经验深基坑专家的建议,对开源路站基坑开挖施工风险进行评估,构建包含环境因素、设计因素、人员因素、材料因素、设备因素、管理因素6个二级风险来源指标、16个三级风险来源指标的风险评估体系。完整的基坑开挖施工安全风险评估体系如图4所示。

图4 开源路站基坑开挖施工安全风险评估指标体系

为对施工风险进行有效评估,将评估指标进行定量评估,参考文献[3]中风险等级划分标准,将风险源等级由高至低分为四个级别,各等级风险接受准则见表1。规定各级别计分标准为100～85、85～70、70～55、55～0。

表1 基坑工程风险接受准则及风险处置原则

3.2 CRITIC法获取指标权重

结合开源路站施工现场基坑开挖分段,以及周边环境,选取基坑施工第1段、第3段、第8段、第10段有代表性的基坑进行研究,分析施工各代表段的发生风险可能性的大小。第1段基坑毗邻鱼塘且基坑宽度及深度相对较大,第3段基坑毗邻泉眼,第8段基坑毗邻鱼塘,第十段上方有电力管线跨越。代表段位置如图5所示。

图5 开源路站基坑开挖分段图

根据已经构建的评估指标体系,邀请行业专家对开源路站代表段基坑开挖施工安全风险评估指标进行打分,代表段评分情况统计见表2。

表2 代表段基坑得分

将各代表段评估指标得分构成决策矩阵,进行标准化处理后,应用CRITIC评估法中式(2)～式(9)计算三级风险来源指标权重。计算值汇总见表3。

表3 评估指标权重

由评估指标权重可以看出,该基坑开挖时,风险来源较大的因素有地质条件复杂C11、基坑支护不足C23、响泉C15,除此之外,工作人员作业不规范C32、材料质量问题C4也极容易造成地铁车站基坑开挖出现风险。因此,在地铁车站基坑开挖施工过程中,要加强监控量测、严格控制基坑变形,基坑支护应当严格按照图纸施工,保证施工精度,施工时对泉眼进行核查,检查钢管各部位是否完整、存在裂隙等影响安全隐患的情况。同时,还要落实施工现场的各项管理规章制度,加强对工作人员的管理,作业时满足安全要求。

3.3 TOPSIS法进行优劣排序

将表3中统计的CRITIC评估法计算出的三级风险来源指标权重融入规范矩阵,利用TOPSIS法中式(10)～式(13)求各样本到正、负理想解的距离,并计算相对贴近度(表4),以对各代表段风险发生可能性进行评价。

表4 代表段评价结果

由评价结果可知,基坑的第1段、第3段发生风险可能性较大,这与它们近接鱼塘及响泉,且端头井基坑相对宽度及埋深更大有关。因此,端头井段及靠近鱼塘、响泉基坑段施工应该分层开挖、及时支护、严禁超挖,鱼塘中对浮泥进行清淤换填并控制回填土质量及压实度,应当加强对围护结构以及地表的变形监测,如若超标,需要及时查明来源并采取一定的加固措施。同时由于基坑中分布着不稳定的承压含水层,需要对含水层进行减压,降低突涌风险。

4 结论

依托在建济南城市轨道交通9号线一期开源路站,对车站基坑开挖施工进行安全风险评估,梳理了本站的风险来源,构建包含环境因素、设计因素、人员因素、材料因素、设备因素、管理因素6个二级指标及16个三级指标的风险评估体系。通过CRITIC-TOPSIS法分析了车站基坑开挖施工风险评价指标的相互重要性,并分段对基坑风险发生可能性进行评价。结果表明:基坑周边环境与支护不足是构成基坑风险发生的主要来源,端头井处由于基坑的宽度、深度相对更大,施工时也应当加强监测。总的来说,地铁车站施工时风险来源因素多,有必要从多风险作用的角度去采取措施,降低风险。