基于改進可拓理論的地鐵基坑工程施工安全評價

崔起飛

(福州工商學院 福建福州 350715)

0 引言

基坑的施工技術復雜、專業化程度高、施工難度大、施工環境惡劣且控制難度大，其施工的安全性日益受到廣泛關注?；庸こ淌┕ぐ踩L險評估主要包括事故發生概率和風險損失分析，常用的施工安全評價方法，主要包括定性風險評估、定量風險評估、定量與定性相結合的風險評估。針對施工安全評價，國內外專家學者提出了各種不同的解決途徑，例如，謝秀棟[1]運用層次分析法對深基坑工程施工安全風險進行研究，并采用定量與定性的方式，對地基基礎施工安全風險進行評價；王鳴曉[2]通過二級模糊綜合評判法，對地基地質、施工和環境風險進行研究，并提出了風險控制建議。可拓理論是一種新興學科，最早由我國學者蔡文提出，此方法通過研究事物的可拓性和開拓規律及方法，以此對實現對現實生活中難以量化的事物、規律進行研究，從而指導解決現實問題。在工程建設領域，可拓評價是可拓理論主要應用之一，該評價方法已經廣泛應用于工程中。

雖然國內外學者對可拓理論進行了深入的研究和發展，但常見的評價方法不能較好解決風險指標不同屬性的問題，且部分指標權重缺乏一定的客觀性，評價結果與指標相關性較低，無法準確判斷重點控制指標，對施工安全風險控制的指導性有限。為此，本文基于變權理論和可拓理論進行研究，并結合具體案例進行基坑施工安全評價，以期提高安全評價可靠性。

1 基于變權理論的可拓模型

在標準物元可拓模型中主要通過利用物元思想建立評價模型，以此求出事物與各區間加權后的關聯度，并根據關聯度，對安全風險進行識別和判斷[3]。但物元可拓理論在地鐵基坑安全風險評價實踐中存在一些問題，主要體現在：①如待測物元單項指標數值超出節域，則無法得到關聯函數值；②當采用最大隸屬原則關聯度方法評定指標等級時，在部分情況下可能出現低效或無線的情況。變權理論是一種根據不同值時權重值變化，并以此反應指標權重本質屬性的理論[4]。該理論在指標權重方面具有顯著優勢，主要體現在兩個方面：①在指標權重確定中充分考慮客觀指標值；②改善在復雜指標情況下產生的“狀態失衡”問題。

基于可拓理論存在的問題，通過借助變權理論從兩個方面進行改進：①針對部分指標數值超出節域的情況，通過對經典域、節域和待評物的歸一化處理，改善可拓理論指標的關聯度問題；②以貼近度進行綜合評判，改善最大隸屬度失效的問題，提高模型評價的準確性、可靠性。

2 地鐵基坑工程施工安全評價案例分析

2.1 工程案例

以某地鐵工程換乘站地基工程為例，本工程基坑開挖深度為21.5 m，支撐軸力設計值為7000 kN，主體圍護結構采用鉆孔灌注樁結構，樁間采用旋噴止水方案，圍護結構水平受力采用內支撐和預應力錨索方案，內支撐為鋼筋混凝土，錨索則以抗拉力設計值為1320 kN的鋼絲繩制作。

2.2 安全評價指標體系的構建

通過對地鐵基坑施工安全評價指標進行分解，構建地鐵基坑施工安全評價指標體系。即將鉆孔灌注樁施工安全評價指標劃分為樁頂垂直位移、樁頂水平位移、樁體變形、支撐軸力、地表沉降、地下水位，除支撐軸力安全評價指標為軸力值外，其它各項指標均劃分為累計值和變化速率(表1)，從而構建鉆孔灌注樁安全評價體系。

根據改進可拓理論模型，將地鐵基坑工程評價體系監測指標劃分為三個施工安全風險等級[5]：安全(不需要采取措施)、中等(應當加強注意，采取預防和控制措施)、危險(必須采取相應措施)。依據建筑地基基礎設計規范[6]，制定相應的指標等級評價標準，如表1所示。

表1 鉆孔灌注樁基礎施工安全評價標準

2.3 經典域和節域計算

結合該工程實際情況和施工安全評價標準，建立域物元、節域物元和待評物元評價矩陣。為解決可拓物元理論中實測數據超出節域范圍無法計算的問題，對經典域R(Nj,Ci,Vij)′和待測物元Rp′進行規格化處理，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Nj為標準物元劃分的評價等級；

ci為相應評價等級的評價指標；

Vij則表示為該評價等級，Nj評價指標，ci的取值范圍,Vij=[aij,bij]。

將表1數據代入式(1)、式(2)中，得到經典域、節域如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

2.4 待測物元模型的建立

基于變權理論改進型物元評價模型權重的確定，需要確定常權權重向量，借助AHP層次分析法確定指標常權，以此計算局部變權向量，如式(5)、式(6)所示。

(5)

根據上述計算所得的常權向量和局部變權向量，以此計算綜合權重向量如公式(6)所示。

(6)

式中：m為指標個數；

本工程地鐵基坑開挖深度為21.5 m，支撐軸力設計值為7000 kN，經專家評價各項指標權重，得到各指標權重值，如表2所示。

表2 指標權重值

2.5 變權向量的確定

根據評價指標體系和檢測值，借助層次分析法，確定常權權重。指標評價標準主要包括累計值和變化速率。由于累計值主要體現指標累計變形情況，而變形速率則體現指標變化情況，因此，在施工安全評價中，將累計變形值權重設為0.4，最大變形速率權重按0.6計，根據變權理論和施工經驗確定變權向量，則變權向量水平為：否定水平(a)為0.3，及格水平(b)為0.6，激勵水平(c)為0.85，調整水平(d)為0.25，激勵調節水平(e)為0.8，計算變權向量sk(x)=(0.277,0.341,0.771,0.25,1.045,0.961,1.012，0.251,0.491，，0.274,0.25)，計算評價指標監測值如表3所示。

表3 評價指標監測值

2.6 監測指標貼近度計算

根據改進型可拓理論模型，計算指標對應等級貼近度和等級距離，如表4～表5所示。

表4 評價指標等級距離

表5 評價指標等級

2.7 敏感性分析

為有效區分評價指標中對地鐵基坑施工安全評價結果敏感性，綜合評價指標權重值和總管和評價指標實際值變化波動情況，以此計算各評價指標對整體安全評價結構的影響。為實現敏感性量化，采用評價指標標準差分析方法，以此分析安全評價結果對評價指標變化的敏感性，從而實現各指標優先級排序，為施工安全控制提供指導。

如前文所述，鉆孔灌注樁基坑基礎中，施工安全評價指標包括11項，根據權重和特征值標變化標準差計算指標敏感性，如表6所示。

表6 權重和特征值標變化標準差及影響等級

根據表6數據顯示，從安全評價指標權重變化來看，樁頂垂直位移變化速率(C2)、樁頂水平位移變化速率(C4)、樁體變形累計值(C5)和樁體變形速率(C6)標準差值較大，表明各項指標變化較為顯著，應引起重點關注。

從安全評價指標權重影響等級來看，樁體變形速率(C6)權重影響最高，其影響等級顯著高于其它指標，其次為樁頂水平位移變化速率(C4)、樁體變形累計值(C5)，與工程實踐經驗相符。

從安全評價指標特征值研究來看，樁體變形速率(C6)變化幅度和影響等級最高，與權重結果一致，充分說明樁體變形在鉆孔灌注樁施工影響顯著。

此外，根據基于變權理論的可拓模型，當地鐵基坑施工安全評標實際值發生變化時，其安全評價權重和評價特征值也相應發生變化。即在不同地質條件下，安全評價指標的安全評價權重和特征值會存在一定的變化，對地鐵基坑工程施工安全影響程度不一。因此，在實際工程應用中，應結合具體工程項目特點和各項安全評價指標實際值，合理計算該項目安全評價等級，并對影響顯著的安全評價指標進行重點監控，以此降低工程項目施工安全風險。

3 結語

(1)基于對可拓評價理論的弊端進行分析，借助變權理論對可拓評價理論模型進行改進。通過對基坑施工安全評價指標進行分解，構建地基基礎施工安全評價指標體系，將基坑工程評價體系監測指標劃分為安全、中等、危險3個施工安全風險等級。通過充分考慮指標實際值變化和特征值范圍，建立的改進型可拓評價模型。

(2)以實際工程項目為例，構建了鉆孔灌注樁施工安全評價體系。通過工程項目案例對改進型可拓理論模型進行應用研究，得出樁體變形在鉆孔灌注樁施工影響顯著，與工程實踐經驗相符，實現了地鐵基坑施工安全評價體系敏感性指標的量化和排序，為工程風險控制提供了有效的指導。