基于PCA-逆向云模型的地鐵車站深基坑施工風(fēng)險評價研究

趙金先，陳 濤，劉 環(huán)，蔣克潔

(1.青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省高校智慧城市建設(shè)管理研究中心，青島 266525；3.山東省青島市市北區(qū)審計局，青島 266000)

地鐵深基坑施工具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、周圍環(huán)境復(fù)雜、使用的工器具較多、工作條件艱苦等諸多不良因素，導(dǎo)致了深基坑施工具有較多的風(fēng)險因素，而風(fēng)險因素在施工系統(tǒng)中傳播與耦合提高了施工的風(fēng)險水平，引發(fā)施工安全事故.同時隨著地鐵建設(shè)項目的不斷發(fā)展，地鐵車站深基坑的設(shè)計規(guī)模越來越大，地鐵車站深基坑施工的安全形勢日益嚴(yán)峻.通過分析地鐵車站深基坑的施工全過程確定其中存在的風(fēng)險，研究風(fēng)險間的相互作用以分析研究地鐵車站深基坑施工風(fēng)險水平，確定關(guān)鍵風(fēng)險，為地鐵車站深基坑施工安全管理提供改進(jìn)方向，對提高地鐵深基坑施工安全具有重要意義.

目前，國內(nèi)學(xué)者針對地鐵車站深基坑施工風(fēng)險做了大量研究.郭余根[1]建立三維有限元模型對深基坑施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)基本一致，并提出了應(yīng)重點監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化；吳楠[2]提出通過從預(yù)防、分析、診斷、處理四個環(huán)節(jié)對地鐵車站深基坑工程進(jìn)行全方位動態(tài)風(fēng)險監(jiān)控，通過安全數(shù)據(jù)直觀地了解工程風(fēng)險變化，進(jìn)而提高施工的安全性；王永瑋等[3]從風(fēng)險管理的角度出發(fā)對深基坑施工的全過程風(fēng)險進(jìn)行分析，構(gòu)建了風(fēng)險影響指標(biāo)體系，并運(yùn)用模糊模型進(jìn)行評價，以此確定深基坑工程的風(fēng)險等級；張勝昔等[4]從系統(tǒng)的角度分析了深基坑施工風(fēng)險因素，綜合考慮了風(fēng)險的模糊性和不確定性，運(yùn)用層次分析法和灰色理論構(gòu)建了G-FAHP評價模型對深基坑施工風(fēng)險進(jìn)行排序，提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)是風(fēng)險控制的重點；郭健等[5]運(yùn)用WSB技術(shù)建立了深基坑施工風(fēng)險清單，并運(yùn)用層次分析法評估主要風(fēng)險，估計風(fēng)險發(fā)生率與損失率，采用模糊綜合評價模型進(jìn)行評價，為深基坑工程施工風(fēng)險防控提供了依據(jù)，取得了較好的效果.綜上所述，對于地鐵車站深基坑施工風(fēng)險的研究多集中于監(jiān)控預(yù)防、風(fēng)險識別、風(fēng)險分析等領(lǐng)域，并取得了諸多成果，然而對于地鐵車站深基坑施工風(fēng)險間的相互作用及程度仍有待進(jìn)一步研究.通過定性與定量分析相結(jié)合的方式構(gòu)建風(fēng)險指標(biāo)體系，運(yùn)用科學(xué)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合度研究，對提高地鐵深基坑施工風(fēng)險控制具有重要價值.

本文從深基坑施工的全過程出發(fā)，運(yùn)用德爾菲方法和事故致因理論分析地鐵深基坑施工中存在的風(fēng)險，使用主成分分析(PCA)篩選其中的主要風(fēng)險，構(gòu)建了人、機(jī)、管、環(huán)四個方面的地鐵車站深基坑施工風(fēng)險指標(biāo)體系，運(yùn)用逆向云模型將定性指標(biāo)概念轉(zhuǎn)化為數(shù)字特征，引入耦合度函數(shù)，建立了地鐵車站深基坑施工風(fēng)險評價模型，以期提高地鐵車站深基坑施工風(fēng)險管理水平.

1 地鐵深基坑施工風(fēng)險耦合概述

1.1 地鐵車站深基坑施工風(fēng)險耦合

風(fēng)險耦合指的是兩個或多個風(fēng)險因素通過相互作用以提高施工風(fēng)險水平的現(xiàn)象.風(fēng)險耦合對施工風(fēng)險的影響并非簡單的風(fēng)險因素疊加，而是隨著參與耦合的風(fēng)險因素增加呈現(xiàn)快速增加的趨勢，而耦合的程度越高，說明風(fēng)險之間的影響程度越大，產(chǎn)生安全事故的可能就越高.

地鐵車站深基坑施工是一項錯綜復(fù)雜的項目，其施工風(fēng)險極多且部分風(fēng)險貫穿于整個項目全壽命周期之中，雖然安全管理體系對風(fēng)險進(jìn)行了有效的預(yù)防與控制，確保單一風(fēng)險因素難以造成施工安全事故，但是安全管理體系難以阻止風(fēng)險在施工系統(tǒng)中的傳播與耦合，風(fēng)險經(jīng)過相互耦合，不僅提高了地鐵車站深基坑施工風(fēng)險水平，甚至有可能突破安全管理體系引發(fā)安全事故[6-7].

1.2 風(fēng)險耦合的特點

1) 不確定性.風(fēng)險產(chǎn)生的時間、地點、方式具有不確定性，同時其耦合的結(jié)果也不盡相同.風(fēng)險耦合后，提高了施工風(fēng)險，即產(chǎn)生正向耦合；風(fēng)險耦合后，反而降低了施工風(fēng)險，即產(chǎn)生負(fù)向耦合；風(fēng)險耦合后，既不降低也不提高施工風(fēng)險，即產(chǎn)生零耦合.

2) 波動性.由于施工的復(fù)雜性，不同項目所產(chǎn)生的風(fēng)險耦合，其耦合結(jié)果具有較大的差異，產(chǎn)生的耦合效果也出現(xiàn)漲落.

3) 發(fā)展性.隨著施工項目的持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)行耦合的風(fēng)險會不斷地改變，使得風(fēng)險耦合不會處于穩(wěn)定的狀態(tài)，提高風(fēng)險水平或誘發(fā)新的風(fēng)險.

4) 延續(xù)性.在施工項目中，某些風(fēng)險會貫穿于項目的整個壽命周期，對施工風(fēng)險產(chǎn)生影響，比如不安全的行為、安全意識等；而有些會在施工過程中產(chǎn)生，并對后續(xù)的施工產(chǎn)生持續(xù)的影響，比如不合理的設(shè)計等；有些則會在施工過程中產(chǎn)生，持續(xù)一段時間后結(jié)束，比如缺少防護(hù)裝置等[8].

2 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

2.1 確定初始風(fēng)險集合

風(fēng)險識別的全面與否決定了耦合研究的準(zhǔn)確性，為了能夠全面而綜合地反映地鐵車站深基坑施工過程中存在的風(fēng)險，運(yùn)用德爾菲法進(jìn)行風(fēng)險識別，具體步驟如下：

首先，確定調(diào)研的主旨和目的，設(shè)計調(diào)查問卷并附上相關(guān)工程項目的數(shù)據(jù)和資料等等.其次，選擇15位在地鐵車站深基坑施工方面有著豐富經(jīng)驗或者相關(guān)研究的專家.將第一輪調(diào)查問卷及資料發(fā)放給專家，并與專家建立直接函詢關(guān)系，收集調(diào)查問卷.最后，對調(diào)查問卷的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計匯總，并將結(jié)果附于第二輪調(diào)查問卷上再次進(jìn)行調(diào)研，直至進(jìn)行了四輪德爾菲法.得到地鐵車站深基坑施工初始風(fēng)險集合，見表1.

表1 地鐵車站深基坑施工初始風(fēng)險集合

2.2 主成分分析

主成分分析(PCA)的原理是通過線性變換將一組線性相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性無關(guān)的數(shù)據(jù)，即刪除部分低貢獻(xiàn)率的指標(biāo)，降低了指標(biāo)的噪音與冗余，確保指標(biāo)的有效性及準(zhǔn)確性.通過對初始風(fēng)險集合進(jìn)行PCA分析，確定主要成分，對指標(biāo)集合進(jìn)行降維處理，進(jìn)而構(gòu)建評價指標(biāo)體系.

鑒于地鐵車站深基坑項目風(fēng)險多樣性的特點，將風(fēng)險對項目的風(fēng)險影響程度劃分為5個等級：高、較高、中等、較低、低，并運(yùn)用10分制進(jìn)行評分，評分標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 影響程度評分標(biāo)準(zhǔn)

調(diào)研35位在地鐵車站深基坑施工方面有著豐富經(jīng)驗或者相關(guān)研究的專家，篩選出30份有效樣本.匯總整理得到評價矩陣{Xij}m×n，其中，n為39個評價因素，m為30即樣本個數(shù).運(yùn)用Matlab對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到荷載系數(shù)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率，見表3.

表3 主成分指標(biāo)向量(荷載系數(shù)×100)

按照特征值大于1的原則，得到6個主成分指標(biāo)，且6個主成分指標(biāo)的方差累計貢獻(xiàn)率η=0.8533>0.85.

2.3 降維分析

根據(jù)荷載矩陣對風(fēng)險進(jìn)行分類，重新定義各主成分指標(biāo)的含義：Z1的貢獻(xiàn)率為20.68%，其于X5(生理不適)、X20(不安全行為)、X26(心理素質(zhì)穩(wěn)定性)、X31(專業(yè)操作水平)、X35(安全觀念和安全意識)上均有較高的荷載，風(fēng)險與該主成分相關(guān)性較大，因此Z1可以視作是由人為因素引起的風(fēng)險；Z2的貢獻(xiàn)率為17.69%，其于X24(地下管線及構(gòu)筑物)、X25(不良地質(zhì))、X28(周邊震動影響)、X33(不可預(yù)見的自然環(huán)境)上均有較高的荷載，因此Z2可以視作是由自然環(huán)境引起的風(fēng)險；Z3與X8(現(xiàn)場安全管理)、X10(安全激勵不足)、X21(管理部門溝通不到位)、X29(風(fēng)險應(yīng)對措施不完善)相關(guān)，因此Z3主要反映管理方面的風(fēng)險；Z4與X6(原材料質(zhì)量問題)、X15(缺少安全防護(hù)裝置)、X36(設(shè)備老化及磨損)相關(guān)，因此Z4主要反映設(shè)備及材料方面的風(fēng)險；Z5與X23(監(jiān)控設(shè)備設(shè)置不合理)、X32(通訊設(shè)備信號差)相關(guān)，因此Z5主要反映信息管理方面的風(fēng)險；Z6與X19(照明不充分)、X34(工作噪聲大)、X37(工作空間狹小)、X38(工作溫度惡劣)相關(guān)，因此Z6主要反映工作環(huán)境方面的風(fēng)險[9].

2.4 指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合地鐵車站深基坑項目的實際情況，將上述6個主成分進(jìn)行重新整理組合，將Z2與Z6合并，將其作為環(huán)境的風(fēng)險；將Z4與Z5合并，將其作為物的風(fēng)險.由此建立了一個涵蓋人、機(jī)、管、環(huán)四個方面的地鐵車站深基坑施工風(fēng)險指標(biāo)體系，如圖1所示.

圖1 地鐵車站深基坑施工風(fēng)險指標(biāo)體系

3 基于逆向云的風(fēng)險耦合模型

3.1 逆向云模型

具體計算步驟如下：

輸入：N個云滴樣本的定量值xi(i=1，…,N).

3.2 構(gòu)建基于逆向云的風(fēng)險評價模型

運(yùn)用耦合度函數(shù)分析系統(tǒng)中兩個及以上風(fēng)險因素之間的作用程度，以反映施工的風(fēng)險水平，具體步驟如下：

1) 構(gòu)建功效函數(shù)：

2) 構(gòu)建線性加權(quán)函數(shù)：

3) 構(gòu)建耦合度函數(shù)運(yùn)算各級風(fēng)險間的耦合強(qiáng)度：

Km∈[0,1]反映耦合強(qiáng)度.參考物理學(xué)對耦合狀態(tài)的劃分：①當(dāng)Km=0時，各變量間無耦合現(xiàn)象.②當(dāng)Km∈(0,0.3]時，各變量間耦合強(qiáng)度較低.③當(dāng)Km∈(0.3,0.7]時，各變量間耦合強(qiáng)度中等.④當(dāng)Km∈(0.7,1)時，各變量間的耦合強(qiáng)度較高.⑤當(dāng)Km=1時，耦合強(qiáng)度達(dá)到最大值[8].

由風(fēng)險耦合的定義可知，風(fēng)險間的耦合程度越大，則風(fēng)險等級越高，對施工的影響越大，容易導(dǎo)致施工安全事故.

4 實例分析

4.1 工程概況

青島地鐵二號線某車站結(jié)構(gòu)為雙層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，有效站臺長118 m，車站總長234.5 m，總建筑面積12 149.45 m2，其中豎井施工采用倒掛井壁法施工，施工橫通道采用拱形直墻斷面，復(fù)合式襯砌.豎井內(nèi)凈尺寸5 m×8 m，基坑深度32.5 m.基坑開挖前布置降水點8處，采取鉆孔、埋管(管身鉆孔、密網(wǎng)包裹)潛水泵抽水，降水水位標(biāo)高達(dá)到開挖坑底下1 m后，即可開始土方開挖.基坑采取鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘支護(hù)作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu).

4.2 數(shù)字特征計算

通過專家打分的方式收集風(fēng)險因素評價的原始數(shù)據(jù)，邀請地鐵車站深基坑施工領(lǐng)域的相關(guān)專家及現(xiàn)場管理人員共10名，依據(jù)風(fēng)險的劃分定義(表4)對前述圖1指標(biāo)體系中的風(fēng)險因素進(jìn)行評價.

表4 地鐵車站深基坑施工風(fēng)險劃分定義

運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行逆向云模型的運(yùn)算，得到各風(fēng)險因素的數(shù)字特征，受篇幅所限，以二級指標(biāo)“人的風(fēng)險因素”下的三級風(fēng)險指標(biāo)為例，見表5，并使用超熵檢驗其離散性，確保專家評價的有效性.

表5 風(fēng)險指標(biāo)數(shù)字特征

4.3 風(fēng)險耦合計算

1) 依據(jù)耦合度模型計算三級風(fēng)險指標(biāo)的耦合度.以二級指標(biāo)“人的風(fēng)險因素”下的三級風(fēng)險指標(biāo)為例，見表6.

表6 風(fēng)險指標(biāo)耦合度

2) 計算二級風(fēng)險指標(biāo)的耦合度.

①二級指標(biāo)雙因素耦合值見表7.

表7 二級指標(biāo)雙因素耦合程度

②二級指標(biāo)三因素人-機(jī) -管的風(fēng)險因素耦合值：

③二級指標(biāo)三因素人-機(jī) -環(huán)的風(fēng)險因素耦合值：

④二級指標(biāo)三因素人-管 -環(huán)的風(fēng)險因素耦合值：

⑤二級指標(biāo)三因素機(jī)-管 -環(huán)的風(fēng)險因素耦合值：

⑥二級指標(biāo)四因素人-機(jī) -管-環(huán)的風(fēng)險因素耦合值：

4.4 計算結(jié)果分析

由耦合程度的計算結(jié)果及耦合度的劃分可知：

1) 三級風(fēng)險因素的同質(zhì)或異質(zhì)的耦合程度均為中等水平，其中C6(原材料質(zhì)量問題)與C9(監(jiān)控設(shè)備設(shè)置不合理)的耦合程度為0.5948，說明這兩個因素耦合后導(dǎo)致施工風(fēng)險較高.結(jié)合工程實際情況可知：本工程的土質(zhì)為粗砂、黏土、花崗巖等，其承載力各不相同且結(jié)構(gòu)特性較差，同時周邊的建筑物及地下的管線錯綜復(fù)雜，對建筑物和管線的安全保護(hù)措施要求較高，故對深基坑整體的支護(hù)體系和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求極高.而原材料的質(zhì)量不僅會對支護(hù)體系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，也會對深基坑的整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重要影響.在施工過程中，需要密切監(jiān)視支護(hù)體系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及受力，觀測周邊建筑物構(gòu)筑物的沉降及裂縫，當(dāng)支護(hù)系統(tǒng)施工質(zhì)量不佳時，監(jiān)控措施又沒有檢測到位，不能及時發(fā)現(xiàn)安全事故預(yù)兆，采取必要的預(yù)防措施，當(dāng)安全事故由預(yù)兆變?yōu)檎髡讜r，施工安全事故將不可避免[12-13].

2) 二級指標(biāo)雙因素耦合程度均屬中等水平耦合，其中人-環(huán)的耦合程度最高，相較于其他風(fēng)險因素的組合，人-環(huán)組合引起的施工風(fēng)險最高，這與地鐵車站深基坑的施工環(huán)境以及人的生理特性有關(guān).

3) 二級指標(biāo)三因素耦合程度均屬中等水平耦合，其中人-機(jī)-環(huán)的耦合程度最高.

4) 二級指標(biāo)四因素耦合程度K4=0.6006，可知本工程深基坑施工整體風(fēng)險水平為中等，同時四因素風(fēng)險耦合程度明顯大于其他風(fēng)險因素的耦合程度，與風(fēng)險耦合的概述相符合.

5 結(jié)論

1) 本文運(yùn)用德爾菲法與事故致因理論分析了地鐵車站深基坑施工中存在的風(fēng)險，并建立了風(fēng)險集合，使用PCA法對39個風(fēng)險進(jìn)行降維處理，構(gòu)建了人、機(jī)、管、環(huán)四個方面的風(fēng)險耦合評價指標(biāo)體系，運(yùn)用定性與定量分析相結(jié)合的方式構(gòu)建了指標(biāo)體系，提高了指標(biāo)體系的客觀性、準(zhǔn)確性和全面性.