基坑工程潛在危險因素評價研究

丁劍敏，賀琳，蔡元夢，張嫄園

（無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫214000）

0 前言

隨著國家經濟發展，我國對高層建筑的需求與日俱增，同時對住宅及辦公樓等的建設提出了高要求即在較小的空間內盡量的滿足多住戶、多辦公室的要求，為了滿足這種要求，高層的大面積建設隨之而來。但是對于高層而言，面臨最大的問題就是基坑的穩定性問題，即使設計者按照規范要求設計，施工者按照設計工況分布施工，但最終還是出現了問題，其中的問題不得不引起人們的反思。因此對影響基坑工程安全的潛在危險因素進行科學的研究與評價，將有效的達到基坑工程安全的目的。

1 基坑工程危險因素的研究現狀

改革開放以來，隨著城市地下空間的逐步發展，基坑工程事故率呈現居高不下的現狀，許多專家學者對此都進行了深入的研究，同時，由于基坑工程的區域性較強，因此受到當地的工程地質條件、水文地質條件以及周圍環境影響，并且對事故進行分析可以得到影響基坑工程事故的主要原因為基坑的支護結構等的不合理，施工組織措施不完善，也有基坑工程復雜性造成的偶然性原因等[2]。

對基坑危險因素的研究和問題的總結比較充分，而在潛在危險因素的評價研究則稍有不足，主要集中于評價方法的選擇，合適的評價方法能很好的對風險因素的關聯性進行分析和評價[6]。

2 基坑工程潛在危險因素評價指標體系設計

通過文獻研究法，對基坑工程相關的文獻進行搜集、閱讀和整理，得到頻繁出現的影響基坑工程安全的潛在危險因素。例如，工程地質與水文地質條件、基坑類型、基坑開挖掘深度、降排水條件、周邊環境對基坑側壁位移的要求、基坑周邊荷載、施工季節、支護結構使用期限等都是影響基坑工程的危險因素[2～5,10]。文章為遴選出更準確的數據，建立了影響因素的指標體系見圖1。

圖1 評價指標體系

2.1 勘察因素

在勘察階段，影響因素主要為工程地質條件（C1）、水文地質條件（C2）、周邊環境條件（C3）、當地氣象資料（C4）等特點。基坑工程涉及土力學中穩定、變形、滲變等，而工程地質條件（C1）和水文地質條件（C2）也是其中的關鍵因素。國內不同的省份其地質條件不同，會導致其具有不同的地質條件。基坑工程施工時當地的環境條件（C3）和當地氣象資料對施工方案和施工工期（C14）都有至關重要的影響。

2.2 設計因素

從基坑工程設計的角度出發考慮潛在危險存在的因素也是減少基坑工程事故發生的方向之一。土工參數取值的計算（C5）和水、土壓力值的取值（C6）對基坑工程設計方案的選擇和優化，以及選擇合適的圍護結構都起到決定性作用，并對基坑深度（C7）和基坑形狀（C8）有影響。

2.3 施工因素

在施工過程中通過獲取巖土工程信息進行分析處理，可以看出合理的施工過程的控制（C10）可以對施工中發生的意外事故做到最優的應急處理并能控制施工工期（C14）。而信息化施工可以及時監測施工中出現的牽連問題以及時間效應所帶來的問題，如基坑降水引起地下水位變化（C12）和土體蠕變引起的時間效應（C13）等。

3 基坑工程潛在危險因素評價指標因素影響關系的確定

文章通過調查問卷的方式向長期從事基坑工程施工的人員發放問卷做息調查。同時，問卷問題是基于14個三級指標建立完成，并且設置了非常嚴重、較嚴重、一般、較輕和非常輕等五個層級。為使調查問卷真實有效，本次共發放問卷243份，其中收回有效問卷217份，問卷有效回收率為89.3%。

3.1 問卷的信度和效度分析

文章運用SPSS 20.0軟件對問卷的信度及效度進行分析。在分析結果中，總量表Cronbach’s Alpha系數為0.785，分量表的Cronbach’s Alpha系數范圍為0.762～0.809。對信度進行檢驗過程中，專家學者均認為Cronbach’s Alpha系數標準為:0.6～0.65(最好不要)；0.65～0.7(最小可接受值)；0.7～0.8(相當好)；0.8～0.9(非常好)[13]。由此可知，問卷具有較好的信度。同時，文章利用因子分析法對效度進行分析，其中KMO系數為0.756，P值為0.001(小于0.01)，達到顯著水平；提取出5個公共因子，其累積解釋總方差達到67.358(大于0.6)；綜合可知，各指標項旋轉載荷范圍為0.535～0.886，并且多數超過0.6，因此可以判斷問卷具有較好的結構效度[12]。

3.2 指標選項的頻率統計

調查問卷的選項均是評價研究的第三級指標。通過選項結果的頻率統計，為之后建立的模糊評價的評判矩陣匯總基礎數據（統計結果見表1）。由表1可得出，在潛在危險影響指標中，選擇一般與較嚴重程度的頻率遠高于其他選項。

通過表1可看出影響程度為一般與較嚴重的頻率遠高于其他選項。

4 基于ANP指標的網絡模型和權重計算

評價指標因素的影響關系（%） 表1

4.1 基于ANP指標的網絡模型

根據上述的基坑工程潛在危險因素的評價指標體系，通過分析各個指標之間的影響關系，進而比較各個元素之間的相對重要性，進而構造判斷矩陣。并且利用Satty的1～9標度法對不同元素進行賦值，從而生成專家權重調查問卷，并邀請9位專家對各指標的重要性進行評分，且均通過了判斷矩陣的一致性檢驗。判斷矩陣的評分標度如表2所示[7-11]。

評分標度 表2

如果有5名以上的專家認為兩個指標之間存在影響，則可以認定這兩個指標之間存在相互影響的關系，而得出基坑工程潛在危險因素評價指標因素的影響關系[7]，見表3。

通過以上數據進行分析可以得到基坑工程潛在危險因素評價指標因素的網絡模型圖。在此模型中控制層為基坑工程潛在危險因素評價指標因素，網絡層為B1基坑工程自身因素、B2設計管理、B3施工組織管理[1-8]。基坑工程潛在危險因素評價指標因素的網絡模型見圖2。

4.2 基于網絡模型的權重結果

評價指標因素的影響關系 表3

ANP的控制層中有元素B1，B2，B3，控制層下，網絡層有元素組C1，…，C14。以控制層元素B1，B2，B3為準則，每個元素集Bi中的二級風險元素Ci（i=1，2，3，…，14）當成次準則，其中Bi中有元素Ci1,…，Cini,i=1,…，N;Bj中有元素Cjl(l=1,…，N)，元素Bi中元素按其對Cjl的影響力大小進行間接優勢度比較,即構造判斷矩陣[1]。

由于判斷矩陣較多，在此僅分別列舉一個一級指標和二級指標的判斷矩陣，具體如表4、5所示。

圖2 評價指標因素的網絡模型

一級指標對評價指標目標的判斷矩陣 表4

B1的二級指標對B1準則的判斷矩陣 表5

并由特征根法得排序向量Wil(jl),Wi2(jl),…,Wini(jl).記Wij為

這樣的權重超矩陣共有3個，由于該指標體系只有一級、二級指標因素，所得矩陣計算結果即為加權超矩陣[1]。由于ANP網絡中各元素間的影響關系較為復雜，為了計算出元素較為準確的相對權重，需對加權超矩陣求極限，進而得到極限加權超矩陣∞。

參考王蓮芬的理論方法[9]，并利用Super Decision程序，進而對超矩陣和極限加權超矩陣進行運算。通過選擇[Computions][Unweighted Super Matrix][Text]得到超矩陣，選擇[Computions][weighted Super Matrix][Text]得到加權超矩陣。

4.3 評價指標因素權重的計算和分析

通過選擇[Computions][Priorities]可得到評價指標的局部權重和全部權重。排序結果在表6中顯示。

在所有二級指標中，勘察因素B1權重為0.373，設計因素B2權重為0.436，施工因素B3權重為0.191，因此二級指標的重要程度依次是：設計因素、勘察因素、施工因素。

ANP權重大于0.1且排名前的是C3周邊環境條件、C9地面超載，可以將其稱為基坑工程潛在危險因素中的高度風險。在施工過程中，經常會有對周邊環境條件勘察不夠嚴謹或者由于忽視了周邊環境導致在基坑開挖過程造成事故。而地面超載會對基坑施工時的支護結構產生變形的影響，隨著超載的增大，地表的沉降量隨之增大。

ANP權重在0.05～0.1之間的C8基坑形狀、C7基坑深度、C6水、土壓力值的取值、C5土工參數取值的計算、C1工程地質條件、C2水文地質條件可以劃歸為中等風險。其中，基坑壁的承載能力與坑壁穩定性受到基坑整體形狀和基坑整體深度的影響。而基坑工程產生穩定和變形問題的主要原因是土壓力問題和處理地下水的問題。而土壓力值既土層的分布規律和計算模式有關，也和圍護樁(墻)的位移方向和大小密切相關[5]。則直接影響工程地質條件和水文地質條件，難以準確分析，需要依據具體工程的情況具體分析。

評價指標因素的權重 表6

基坑工程的一般風險則主要是在ANP權重為0.01～0.05之間的6項風險指標，也是基坑工程在方案設計時需要多組方案對比，多角度考慮設計的問題。

5 結論

文章根據基坑工程潛在危險因素關系復雜特點，通過問卷法獲取評價指標，采用網絡層次分析法建立風險評價指標體系，在網絡層充分考慮各三級指標之間的傳遞關系，基于ANP理論構建模型，得到基坑工程潛在危險因素三級評價指標權重并對其排序結果進行了分析。經過系統的方法分析，得到二級指標設計因素為重要的潛在危險因素。對三級指標進行分析可以得到周邊環境條件、地面超載是影響基坑安全穩定的高度風險，需要著重重視。同時，由于基坑工程的復雜性和特殊性，需要在規范及經驗的基礎上預留出額外的安全儲備。