基于WBS-RBS-G1法的深基坑開挖風險識別與評價

2021-09-10 01:31:10劉碧萍劉祖容龍湖榮

公路交通技術 2021年4期

劉碧萍，劉祖容，龍湖榮

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004； 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

隨著城市用地的日趨緊張，高層建筑建設不斷發展；地下空間日益得到充分利用，城市中涌現出諸多的深基坑開挖工程。但由于深基坑的風險因素多，涉及的專業工程類別較廣且施工難度大，基坑工程事故時有發生，這不僅延誤工期，還會造成巨大的直接經濟損失及人員傷亡。2019年4月揚州古運新苑拆遷安置小區的基坑坍塌事故，造成5人死亡，1人受傷；2017年深圳福田區3號線3期南延工程基坑土方坍塌，造成1人受傷，3人死亡，直接經濟損失345萬元。因此，對深基坑工程進行有效的風險評價及管理至關重要。國內外研究人員對基坑的風險評價及管理進行了相關的研究，并取得了一定的研究成果。Choi等[1]利用可靠性原理對基坑工程進行風險評價。Xu[2]、Huchzermeier[3]提出了基于風險分析的基坑工程管理。劉耀明等[4]將模糊綜合評價法用于EPC隧道項目的風險評價。斯建寧[5]基于集對理論與模糊層次分析法構建了深基坑風險評價模型，并通過計算驗證了該模型的適用性。劉波等[6]建立模糊層次評價模型，通過特征根法計算不同風險因素權重系數，再進行敏感度分析并制定出風險控制措施。曾小明等[7]分析了某地鐵項目的風險源，運用層次分析法進行風險評估，并針對不同的風險源提出了對策。周紅波等[8]利用故障樹分析法找出風險因素，并在此基礎上通過敏感性分析確定了關鍵風險因素。黃建華等[9]基于貝葉斯網絡模糊綜合分析法對基坑的圍護工程進行風險評估。王峰等[10]采用層次分析法確定風險因素權重，由模糊綜合評價法確定各風險因素等級，并提出針對性措施。陳紹清等[11]利用事故樹建立模型，通過層次分析法計算權重及排序，對地鐵深基坑坍塌事故進行了風險分析。

綜上分析，許多學者常使用層次分析法、模糊層次分析法或故障樹分析法進行風險評價，以上方法有一個共同的缺點即主觀性較強。采用層次分析法解決實際問題時，判斷矩陣的構造往往不滿足一致性條件，雖然很多學者提出了諸多的修正辦法，如采用特征向量、遺傳算法等優化，使得修正后的矩陣都能滿足一致性條件，但不同的方法計算得到的指標權重不一致，甚至會因采用不同的方法使得一些指標相互矛盾。郭亞軍[12]基于層次分析法進行改進而提出G1法，該方法無需構造判斷矩陣，可避免一致性檢驗不一致的情況發生[13]，以提高結果準確度。

深基坑開挖是一項復雜的工程，存在著諸多風險因素，系統地識別出潛在風險，至關重要，但前人在該領域的研究主要側重于運用不同的方法對風險進行評價，卻弱化了前期的風險識別。故本文將采用WBS-RBS方法將深基坑施工分解成詳細的工序并細化風險因素，系統地識別出主要風險因素，再運用G1法計算各風險因素權重系數及風險值，進而確定各工序的風險值。

1 風險評價模型

1.1 風險識別

由于深基坑工程結構復雜，涉及專業類型較多，影響因素也較多，故通過WBS-RBS方法將復雜的工程項目與風險因素分別分解成比較簡單的基本單元，再將以上兩者進行耦合，確定不同施工項目對應的風險因素。

WBS-RBS法風險識別的具體步驟[14]：1) 根據深基坑施工步驟分解成詳細的工序，建立WBS工作結構；2) 以深基坑開挖風險評價指標體系為依據對風險因素進行分解，構成RBS風險結構；3) 以WBS為列，RBS為行構建風險識別矩陣。

1.2 風險值的確定

風險值由事故發生的概率與損失相乘而得[15]，然而該公式僅是考慮事故發生概率及事故造成的損失，未考慮勞動者與風險的密切程度。勞動者在工作中不僅關心事件發生的概率大小及后果的嚴重性，更加關注風險是否會威脅到自身安全[16]。格雷厄姆(K.J.Graham)和金尼(G.F.Kinney)認為進行風險衡量應將勞動者與風險密切程度考慮在內，故提出了一種更加全面的風險衡量方法[17]，即風險值(D)由事故發生的概率(L)、勞動者處于風險環境中的概率(E)及事故造成的損失(C)決定。

D=L·E·C

(1)

由式(1)可計算得到WBS-RBS耦合矩陣中作業風險的風險值。

1.3 G1法確定權重系數

設X1，X2，…，Xm(m≥2)是經過指標類型一致化和無量綱化處理的m個極大型指標。

1) 確定序關系

按照X1>X2>…>Xm將評價指標進行排序，相對重要的指標排在前面。

2) 確定Xk-1與Xk間的比值

表1 賦值參考

3) 計算權重系數λk

(2)

λk-1=λk*rkk=s，s-1，…，2

(3)

公式(2)的證明見文獻[8]。

1.4 總風險值計算

由式(1)得到各風險因素的風險值D，通過G1法計算得到各風險因素的權重系數λk，則矩陣作業單元的總風險值由下式得到：

(4)

式中：Di代表第i個作業單元的風險值；λij和Dij分別表示第i個作業單元第j種風險的權重系數及風險值；n表示第i個作業單元中的風險數量。

2 案例分析

2.1 工程概況

南寧市地鐵5號線的乘車站——金凱路站，其結構形式為地下2層單柱雙跨矩形結構，地勢起伏大，總體上西高東低，車站主體長200 m，寬19.7 m，深16.8 m，地下埋設有天燃氣、污水管道，基坑施工區域周圍車流量大。完工后的的基坑及周圍環境如圖1所示。

1) 水文地質條件

該地鐵站地層分布自上而下分別為：第①層為素填土，以粘性土為主，含大量砂礫，層厚1.00 m～2.80 m；第②層為粘土，局部有粉質粘土，層厚1.00 m～3.10 m；第③層為泥巖，局部夾粉質泥質及粉砂巖薄巖，為古近系巖層，層厚24.4 m～29.4 m。根據勘察結果，該場地穩定水位埋深在9.30 m～10.20 m。

圖1 完工后的基坑

2) 基坑排水

基坑土方開挖前進行坑內降水，設有20口降水井，梅花形布置。井底位于基坑底面以下不少于3 m。管井井徑600 mm，采用Φ250 mm，t=5 mm的PVC排水管，使地下水位降至坑底0.5 m以下，四周開挖截水溝。

3) 基坑支護

該基坑采用地下連續墻，3道支撐組成的支護體系，其中第1道為800 mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐，第2、第3道為Φ609 mm，壁厚t=6 mm的鋼支撐，如圖2所示?；娱_挖采用明挖法施工，遵循“先上后下、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則進行作業。

單位：mm

2.2 WBS-RBS法風險識別

1) 建立WBS施工單元分解結構。根據明挖基坑的施工流程，將該車站主體開挖分解成5個作業單元：地下降水A1、地下連續墻施工A2、基坑開挖A3、地基加固A4、主體結構施工A5。

2) 建立RBS風險因素分解結構。深基坑開挖涉及到不同專業領域，地下管線繁多，該車站在開挖過程中存在的風險因素經過分解如表2所示，分一級風險因素層、二級風險因素層，共包含16個風險因素。用Bj(j=1，2，…，16)代表風險因素。

表2 金凱路站基坑施工風險因素

3) 構建WBS-RBS矩陣。以WBS為列，RBS為行，建立如表3所示的矩陣。為了直觀表達不同施工階段可能存在的風險，進行風險因素判斷時采用數值的方式表示，0表示該施工單元不產生風險或風險值極小，其他不同的數值則表示該施工單元發生風險事件的風險大小。通過矩陣既可全面了解工程項目概況，也可清晰看到不同風險因素對各施工單元的影響程度。

2.3 確定風險值

深基坑在開挖過程中涉及到眾多不同專業類型，該工程地下管道較多，故筆者結合實際情況，采用格雷厄姆和金尼提出的LEC風險評價法，通過邀請專家打分確定L、E、C的取值，由式(1)計算得出風險值D。結果如表3所示。風險等級劃分如表4所示，其依據見文獻[15]。

2.4 計算權重系數

筆者以基坑開挖A3為例來說明該方法的應用。根據表2建立的施工風險評價指標體系，運用G1法確定風險因素指標的權重，邀請5位專家根據實際工程經驗，結合表2風險因素的重要度進行排序并對rk賦值，由式(2)、式(3)計算一級風險因素權重、二級風險因素權重及綜合權重，結果如表5所示。通過分析可知，綜合權重高的施工風險因素其風險值也高，故該模型的評價結果可靠性較高。