模糊綜合評估法在地鐵超深基坑施工風險評估中的應用

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1 概述

近年來，隨著大城市軌道交通網絡的逐步建成，地下換乘車站逐漸增加，基坑開挖深度越來越大，地鐵超深基坑所占比例逐漸提高。

深基坑工程施工受施工區域水文地質條件、施工工藝、周邊環境等多重因素共同影響，施工難度高，風險概率大，一旦發生事故將產生巨大經濟損失和嚴重社會影響，因此，施工前有必要對工程進行風險評估，以便于做好風險全過程控制與管理[1,2]。

目前，風險估計的方法很多，包括專家調查法、層次分析法、事故樹法、模糊綜合評估法、神經網絡法等[3]。前3 種方法簡單方便，應用較為廣泛，后兩者計算過程復雜，目前應用相對較少。而模糊綜合評估法則是根據模糊數學的隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學方法對受到多種因素制約的事物或對象作出總體評價，具有結果清晰、系統性強等優點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。因此，本文選擇用模糊綜合評估法對地鐵超深基坑施工進行風險估計。

2 工程概況

某地鐵車站為地下6 層島式站臺結構，其中標準段長約150 m，寬度約25 m，開挖深度30 m，采用框架逆作法施工。圍護結構采用地下連續墻復合襯砌結構，地下連續墻厚1 200 mm，主體結構墻深為55 m，豎向設10 道支撐，第1道為混凝土支撐，第4、6、8道為下3、下4、下5層板框架逆作，其他為鋼支撐，其中第5道鋼支撐需移位，除第9、10道鋼支撐為φ800 mm鋼支撐外，其他均為φ609 mm鋼支撐。

場區地下土層⑥層受第⑤1c層切割缺失，而⑦層埋深比較深。上部均為飽和黏性土，基坑影響深度范圍內揭露的第⑦1層砂質粉土層屬第1承壓含水層，⑨1層屬第2承壓含水層。

基坑周邊保護建筑物眾多。其中，標準段西側距離某公寓約16 m；北端頭井距離某商廈最近距離為14 m；東南側地下5 層附屬結構距離某高層建筑最近為5 m。經勘查，周邊地下重要市政管線及地面架空線比較多，場內有1根φ1 m的上水管橫穿地鐵車站，埋設深為1.2 m，因此，施工時需要重點保護。

3 風險源識別

風險源識別是指在風險事故發生之前，結合工程實際情況系統地認識所面臨的各種風險以及分析風險事故發生的潛在原因。本工程難點主要在于：

1）場地地處繁華市中心，場地范圍內原建筑密度大，且在城市歷史發展進程中經歷了多次重建、改建和擴建，地下障礙物頗多，埋深范圍大。北側施工范圍內有多座人防沉井等障礙物，外包φ10 m，底板埋深約15 m。地下連續墻施工之前需進行清障處理，因此對導墻的施工要求極為嚴格。

2）地下連續墻厚度1.2 m，深約55 m，施工中對成槽設備性能、槽壁穩定要求極高，鋼筋籠質量最大約65 t，整體吊裝對鋼筋籠制作的整體剛度和吊裝機械的要求也都相當高，如何組織好地下連續墻施工是本工程的一個關鍵點。

3）由于基坑開挖深度比較深，因此對自身變形控制的要求也高。

4）建設場地地下分布有⑤1c層、⑦層等粉砂土，在基坑開挖時易產生流砂及管涌現象；同時存在埋深7.2 ～11.3 m的第⑦層粉砂層承壓水，同時基坑降水又會對周邊環境產生明顯不利影響，實施難度大。

綜合以上因素，運用專家調查法，識別出本工程的施工風險源如表1所示。

表1 施工風險源

4 基于模糊綜合評估法的風險評估

模糊綜合評估法應用模糊數學方法對目標對象所涉及到的因素進行單一評判，然后綜合各方面的情況，對目標對象給出綜合評判。模糊綜合評估法的步驟分為四步，具體如下[4-6]。

4.1 第一步：建立因素集和評判集

設U=｛u1，u2…，un｝為n種因素構成的集合，稱為因素集；設V=｛v1，v2…，vm｝為m種判斷所構成的集合，稱為評判集。

評判集表示被評價對象對各指標等級隸屬程度的信息，體現了評判的模糊特性。在多因素的風險綜合評估體系中，風險指標體系的建立是前提條件，是整個評估問題的核心，風險因素指標的選取應結合風險的識別和單個風險因素的評估結果來進行。因素集用于確定評價因素體系，解決從哪些因素來評價客觀對象的問題。在復雜的風險評估系統中，需要考慮的因素往往很多，因素還要分成若干層次，形成評估樹狀結構，對各層次的因素劃分評估等級。

各層次劃分的評估等級數應相同、上一層次與下一層次劃分的評估等級要有一一對應的關系，以便數學處理運算，并確定各因子的隸屬函數，并以此求得各層次的模糊矩陣。

根據《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》（GB 50652—2011），建立評判集V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝，等級值取為V＝｛5，4，3，2，1｝。根據表1識別出的施工風險源，一級風險源包括4 個因素：地下連續墻圍護結構、地基處理、基坑開挖和內部結構，每個一級風險源又可分解為若干二級風險源，具體如表1所示。

4.2 第二步：建立綜合評判矩陣

通過建立模糊隸屬函數的方法生成綜合評判矩陣R=（rij）n×m。其中，rij表示因素ui對評判vj的隸屬度，ri·=（ri1，ri2，…，rim）表示因素ui對評判集V的隸屬向量，由n個隸屬向量生成判斷矩陣R=（r1·，r2·，…，rn·）T。

在普通集合理論中，任何一個元素或者是屬于某集合U，或者是不屬于它。而在模糊集合理論中，由于存在著模糊性，論域中的元素對一個模糊子集的關系就不再是“屬于”和“不屬于”那么簡單，其對該模糊子集的隸屬程度大小即為隸屬度，取值在0～1之間。v1～v5隸屬函數和參數的選擇如下。

v1的隸屬函數采用降半梯形分布函數，參數a1取1，a2取3，即：

v2、v4的隸屬函數采用尖Γ分布函數，參數a分別取2，4，k取2，即：

v3的隸屬函數采用降半梯形正態分布函數，參數a取3，k取2，即：

v5的隸屬函數采用升半梯形分布函數，參數a1取3，a2取5，即：

根據地質條件和施工方法參數綜合評估，通過專家調查，得出二級風險源的風險等級如表1。

現以工程中地下連續墻施工為例，將單因素風險等級值依次帶入v1～v5的5 個隸屬函數，得到一個3 行5 列的模糊變換矩陣：

4.3 第三步：綜合評判

對于因素集U上的模糊集A=（a1，a2，…，an），通過R變換為評判集V上的模糊集：

以地下連續墻施工為例，根據層次分析法，得到權重向量：

A1=[0.16 0.467 0.278 0.095]

合成運算采用加權平均，計算結果為：

同理，求得B2=[0.833 0.424 0.045 0.006 0] ；

4.4 第四步：計算綜合評判值

N=W。B

其中W=[w1，w2，…，wm]是評判集的權值分配向量，按照普通矩陣的乘法，可得到綜合評判值。

假設4 個一級風險源權重相當，分別取0.25，則模糊評價向量

根據“最大隸屬度原則”，判斷該地鐵超深基坑總體風險等級為一級。故在基坑施工過程中，必須采取嚴格控制措施，避免風險事故的發生。從安全管理方面來說，可以在關鍵節點進行條件驗收，對施工前的安全條件進行梳理和驗證，若施工準備不充分或達不到要求者不得開工，真正做好風險預控，杜絕重大安全事件發生。從質量控制方面來說，需要做好一個分部或分項工程的關鍵節點條件驗收，對上道工序進行驗收檢查，對下道工序做好預控檢查。

5 結語

從以上模糊綜合評估的過程可以看出：模糊綜合評估結果本身是一個向量，而不是一個單點值，并且這個向量是一個模糊子集，較為準確地刻畫了對象本身的模糊狀況，提供的評價信息比其他方法更全面更系統。

應用模糊綜合評估法進行工程風險評估的關鍵在于2 個方面：一是風險源識別。不同深基坑工程風險源差別很大，要結合工程特點和難點確定；二是隸屬函數確定。在進行模糊評估時，如何確立各個因素對應于各個評估等級的隸屬程度的大小，是整個評估能否進行的關鍵。隸屬函數選擇要結合評估參數的實際分布情況確定[7,8]。