基于解釋結(jié)構(gòu)模型的地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)分析

母雪珂 李樂(lè) 馬小云 劉偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通擁堵?tīng)顩r日益嚴(yán)峻。為了解決地面交通堵塞的困境，許多城市積極開(kāi)發(fā)地下交通空間。地鐵是地下交通體系的重要組成部分，具有速度快、安全性高、準(zhǔn)時(shí)性好、客運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于地鐵自身的特點(diǎn)，地鐵基坑周邊管線密布、交通線復(fù)雜，地鐵建設(shè)過(guò)程中的不確定性因素十分復(fù)雜，面臨的風(fēng)險(xiǎn)也較大。因此，針對(duì)地鐵基坑施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和研究，以合理規(guī)避和應(yīng)對(duì)基坑施工過(guò)程中的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵基坑工程進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的成果。Einstein等[1]結(jié)合隧道施工流程，對(duì)施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。Sedigheh等[2]對(duì)德蘭黑地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和資料評(píng)估，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)因子事件樹(shù)，并通過(guò)計(jì)算不同場(chǎng)景的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率，為地鐵系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理提供了有效依據(jù)。唐業(yè)清[3]對(duì)103項(xiàng)基坑工程事故的原因進(jìn)行了調(diào)查分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方法。邊亦海等[4]采用可信性風(fēng)險(xiǎn)分析方法，結(jié)合實(shí)例對(duì)深基坑開(kāi)挖施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。韓永吉[5]利用層次分析法對(duì)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定，提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施。陳博[6]基于德?tīng)柗品▽?duì)深基坑工程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析和研究，驗(yàn)證了德?tīng)柗品ㄔ诠こ填I(lǐng)域應(yīng)用的可行性。李成龍等[7]結(jié)合主成分分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)基坑施工過(guò)程中的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行多向量空間重構(gòu)技術(shù)建模，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效率。劉忠昌[8]利用數(shù)值計(jì)算方法分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中不同土體類型和施工順序?qū)τ谂R近同一建筑物附加變形的發(fā)展規(guī)律，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行附加變形預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其合理性。

基于此，本文采用解釋結(jié)構(gòu)模型分析地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系模式和層級(jí)關(guān)系，以識(shí)別地鐵基坑施工過(guò)程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，為地鐵項(xiàng)目施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

1 地鐵基坑安全影響因素分析

由于影響地鐵基坑施工安全的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，本文基于現(xiàn)有文獻(xiàn)研究和相關(guān)事故案例，利用調(diào)查問(wèn)卷的方式篩選出影響地鐵基坑施工安全的15個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，見(jiàn)表1。

表1 地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素

2 構(gòu)建地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)解釋結(jié)構(gòu)(ISM)模型

2.1 ISM模型概述

ISM模型能夠有效利用系統(tǒng)因素間的已知復(fù)雜關(guān)系，揭示系統(tǒng)因素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)要素關(guān)系轉(zhuǎn)化為直觀的結(jié)構(gòu)模型，并從中準(zhǔn)確辨識(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵因素[9]。相較于其他方法，ISM模型能夠更加清晰地描繪系統(tǒng)因素之間的關(guān)系，所構(gòu)建的模型更加嚴(yán)謹(jǐn)，評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。基于此，本文運(yùn)用ISM模型，分析地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素間的影響關(guān)系。ISM模型構(gòu)建思路如圖1所示。

圖1 ISM模型構(gòu)建思路

2.2 ISM模型實(shí)施步驟

(1)建立鄰接矩陣。鄰接矩陣主要描述系統(tǒng)要素之間的直接聯(lián)系情況。如果要素Si對(duì)要素Sj有影響，則aij記為“1”；如果要素Si對(duì)要素Sj無(wú)影響，則aij記為“0”。得到

(2)計(jì)算可達(dá)矩陣。鄰接矩陣記為A，單位矩陣記為I，對(duì)A+I進(jìn)行布爾運(yùn)算，直到滿足 (A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M為止。此時(shí)，M為鄰接矩陣A的可達(dá)矩陣[10]。若可達(dá)矩陣中mij=1，表示因素Si和因素Sj之間存在能夠到達(dá)的路徑[11]，即因素Si能夠直接或間接影響因素Sj。該過(guò)程可利用Matlab軟件求得。

(3)影響因素層級(jí)劃分。根據(jù)可達(dá)矩陣，求得可達(dá)集和先行集，分別用R(i)和Q(i)表示。可達(dá)集指特定的影響因素能夠到達(dá)的全部因素的集合，先行集表示能夠到達(dá)某個(gè)影響因素的集合。由此可以判別各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素的層級(jí)，計(jì)算可達(dá)集與先行集的交集，進(jìn)而對(duì)各影響因素進(jìn)行層級(jí)劃分。

(4)繪制ISM模型圖。根據(jù)矩陣中影響因素之間關(guān)系和層級(jí)劃分結(jié)果繪制相應(yīng)的ISM模型圖，根據(jù)該模型圖分析地鐵基坑施工過(guò)程中各風(fēng)險(xiǎn)因素間的復(fù)雜影響關(guān)系。

2.3 構(gòu)建地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)的ISM模型

2.3.1 建立鄰接矩陣

根據(jù)表1中的風(fēng)險(xiǎn)因素，基于專家調(diào)查結(jié)果，建立地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素的鄰接矩陣A，即

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，繪制地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)因素影響關(guān)系圖

2.3.2 計(jì)算可達(dá)矩陣

基于鄰接矩陣，運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)因素的可達(dá)矩陣M，得到

根據(jù)可達(dá)矩陣，繪制地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。

圖3 地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖

2.3.3 影響因素層次結(jié)構(gòu)劃分

依據(jù)可達(dá)矩陣將基坑風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行層次劃分，分別求得各個(gè)因素的可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)和共同集C(Si)。其中，共同集C(Si)為可達(dá)集R(Si)和先行集A(Si)的交集。當(dāng)可達(dá)集等于共同集時(shí)，R(Si)為最高級(jí)要素集合。在可達(dá)矩陣中，刪除Si所對(duì)應(yīng)的行和列得到新的可達(dá)矩陣，依次迭代，得到所有的要素集合。可達(dá)矩陣劃分結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 可達(dá)矩陣劃分結(jié)果

由表2可知，管線破壞S9、臨近建筑物S15為最高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素。將最高級(jí)因素所對(duì)應(yīng)的行和列在可達(dá)矩陣中剔除，再進(jìn)行第二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分，不斷迭代，直到所有因素都被分解。各因素層級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各因素層級(jí)劃分結(jié)果

2.3.4 建立ISM模型

根據(jù)表3的層級(jí)劃分結(jié)果，結(jié)合可達(dá)矩陣，構(gòu)建地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素ISM模型，如圖4所示。

2.4 ISM模型分析

從表1和圖2可知，影響地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的15個(gè)因素構(gòu)成了6階結(jié)構(gòu)模型。由圖4的結(jié)構(gòu)模型圖可知：

圖4 地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素ISM模型圖

(1)處于結(jié)構(gòu)層底部的風(fēng)險(xiǎn)因素表示能夠影響它但不被它影響的因素較少。該類因素不但不易通過(guò)控制風(fēng)險(xiǎn)因素而間接控制，而且對(duì)很多因素產(chǎn)生影響，在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)該類風(fēng)險(xiǎn)因素給予重視。

(2)處于結(jié)構(gòu)層頂部的風(fēng)險(xiǎn)因素表示能夠影響其但不被其影響的因素較多。在施工過(guò)程中，監(jiān)控該類風(fēng)險(xiǎn)因素的同時(shí)，也可以通過(guò)其自身的表現(xiàn)對(duì)上層因素的控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

(3)處于結(jié)構(gòu)層中層的風(fēng)險(xiǎn)因素表示能夠影響其同時(shí)被其影響的因素較多。該類因素對(duì)系統(tǒng)有一定的影響和依賴性，具有承上啟下的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)梳理地鐵基坑風(fēng)險(xiǎn)研究相關(guān)文獻(xiàn)，分析和歸納了15個(gè)地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素。基于ISM模型，通過(guò)識(shí)別地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素，采用定性和定量分析相結(jié)合的方式對(duì)地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。通過(guò)繪制地鐵基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)構(gòu)圖和風(fēng)險(xiǎn)因素可達(dá)網(wǎng)絡(luò)圖，分析各風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互影響關(guān)系，并指出風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵因素，可為其他項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。