城市地下綜合管廊基坑施工風險評價研究★

李紅山，匡 銳，尹春杰

(1.中鐵二十局集團第三工程有限公司,陜西 西安 710032; 2.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002)

在城市建設快速推進的背景下,國內建設了一大批城市地下綜合管廊工程。城市地下綜合管廊工程不同于傳統地下工程項目,大多分布在人口稠密的城市區域。此類基坑工程開挖過程中多臨近城市建(構)筑物,對基坑本身和臨近建(構)筑物的安全造成較大風險[1]。因此,構建一套完善的城市地下綜合管廊基坑施工風險評價體系對項目風險管理具有重要意義。

目前,國內許多學者對基坑開挖工程風險評價展開相關研究。翟越等[2]采用直覺模糊集的動態加權風險評價方法對地下綜合體基坑開挖工程進行風險評價;王景春等[3]通過云模型法驗證基坑工程風險評價的可行性;王廣月[4]通過熵模糊層次分析模型為深基坑支護的決策提供了一種新的思路;唐建新等[5]通過模糊層次分析法和模糊數學理論構建深基坑穩定性評價模型并成功運用于實際工程。以上方法在基坑工程風險評價中具有一定的有效性和實用性,但大多數評價指標數據過于主觀,導致評價結果有一定程度的失真。

針對城市地下綜合管廊基坑施工風險評級中評價數據存在的模糊性和不確定性,本文建立模糊層次分析法、CEEMDAN和云模型的風險評價模型,并結合西安某城市地下綜合管廊基坑工程進行分析,驗證該模型的有效性。

1 風險評價體系構建

基坑工程廣泛應用于建筑工程,在基坑施工的過程中會對周邊的環境和周圍建筑產生影響,因此研究基坑工程的穩定性,首先要研究造成基坑施工風險的因素。結合相關文獻[6],將城市地下綜合管廊基坑施工過程風險分為5個方面,其中包括地質風險、建筑環境、設計風險、施工風險和偶然風險。

地質風險:由于我國不同區域的地質條件迥異,地下工程開發面臨的地質難題,如地質裂縫、地下高水位及濕陷性黃土引起的地質問題。基坑工程設計與施工過程中,要充分考慮到地質風險對其產生的影響。

建筑環境:地下綜合管廊基坑工程大多分布在繁華的市區,周邊除了地鐵及各種市政管線之外,一些區域還有古墓群及其他人工坑洞,很容易發生基坑坍塌,周圍建筑物毀壞,以及管線破壞等危險。另外,在施工過程中還可能導致施工路段完全密閉,原有交通壓力將會向其他路段轉移,容易引發交通事故及阻塞。

設計風險:基坑工程的設計風險主要包括基坑邊坡支護、基坑的排水和降水、土方開挖等。

施工風險:施工組織設計方案對基坑工程的施工安全有著直接的影響,除了常規工期及開挖技術上的風險外,城市區域基坑周邊建筑及市政設施所處環境比較復雜,往往還會涉及很多環境保護方面的問題。

偶然風險:指在人流密集的城市區域進行基坑施工過程中火災和行人受傷等其他偶然事件的發生造成較大的影響,影響工程施工。

基于上述分析,結合基坑工程相關技術規范[7],將城市地下綜合管廊基坑施工風險問題歸類形成層次結構,最高層為目標層、準則層和因素層分別對應5個方面因素和13個評價指標,構成臨近地鐵的基坑施工風險評價指標體系,如圖1所示。

2 風險評價模型

2.1 F-AHP(模糊層次分析法)

層次分析法(AHP)是一種將決策過程中的各個元素拆分為目標層、準則層以及因素層,并結合定性和定量分析的綜合決策分析方法[8]。F-AHP(模糊層次分析法)是將模糊綜合評價和層次分析法結合,在傳統的層次分析法中,專家打分采用點值法,這就可能導致專家評價過程中受主觀因素的影響而無法準確反映項目的真實風險情況。

2.2 CEEMDAN(改進集合經驗模態分解)

法國學者Colominas等[9]2014年提出了CEEMDAN的概念,其核心思想是將不穩定的信息序列拆分為有限數量的IMF(固有模態函數),并對原始信號進行了穩定化處理。CEEMDAN實際上是EMD的一種優化算法,通過加入均勻分布的白噪聲來降低模態混疊的影響。這種方法可根據數據自身的尺度特性進行分解,從而得到更為客觀的計算結果,它適合于多種信號的分解,并在機械檢測、管道泄漏分析以及地震預測等領域得到廣泛應用[10]。在群體決策方法的應用中,與使用OWA和算術平均算子等集成算子來進行信息集合的方式相比,這種方法的優勢在于它能夠區分主觀的影響因素,同時保留客觀的趨勢,使得評價結果更為客觀[11]。

2.3 云模型

云模型是由李德毅等[12]所提出的一種將隨機性和模糊性進行定性和定量轉換的不確定性數學模型。其本質為:設U為一個定量論域,Z為U上的一個定性概念。若定量值x∈U,且為Z的一次隨機實現,則x對Z的隸屬度(x)∈[0,1]是按一定概率分布的隨機數,即μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),則x在論域U上的分布稱為云,每一個x稱為一個云滴[13]。

期望Ex、熵En和超熵He是云模型的特征參數。其中期望Ex是反映云滴在論域的中心值;熵En反映定性概念的不確定性,即熵越大,概念越宏觀;超熵He即是熵的熵,反映了熵的不確定性程度,體現了模糊性和隨機性的關聯。

2.4 城市地下綜合管廊基坑施工風險評價模型

1)利用0.1～0.9標度來構造判斷矩陣A=(aij)k×k,可看出判斷矩陣A是具有aij+aji=1性質的模糊互補矩陣[14]。將判斷矩陣A進行按行求和。

(1)

做出如下變化:

(2)

2)根據式(2)得到模糊一致性矩陣R=(rij)k×k,并通過一致性矩陣行和歸一化求得排序ω=(ω1,ω2,…,ωk)T:

(3)

根據式(3)可計算得到各評價指標的權重ω。

3)設P名專家在第i個元素上的初始權重序列記為S(i),并添加D次自適應白噪聲序列εvd(i);ε為白噪聲的標準差,通常取0.3,生成新的信息序列,即S(i)+εvd(i)。利用EMD算法對其進行分解得到第一個模態分量。

(4)

4)計算出第一個唯一的分解余項為:

(5)

5)設算子Ek(·),(k=1,2,…,K)為EMD分解出的h個IMF。進行d(d=1,2,…,D)次試算,每次都對信號S(i)+εvd(i)進行分解,在此基礎上進行第二次計算:

(6)

6)對于k=2,3,…,K計算第k個分解余項為式(7),計算到第k+1個模態分量(式(8)):

(7)

(8)

7)重復步驟6),直至分解余項不可進行分解時為止,即分解余項的極值點數不大于兩個。則最終的分解余項為:

(9)

(10)

9)根據評價等級劃分標準,采用黃金分割率生成法[15]生成標準云模型Cb,計算其特征值為:

(11)

其中,Cmax和Cmin分別為某等級標準取值的上下限;k為系數,根據模糊程度進行調整,本文取0.1。

10)通過逆向云發生器,由專家評語集合{P1,P2,…,Pk,…,PP}的評價云模型Cb,其中Pk為第K(K=1,2,…,P)位專家對某風險因素的評分,特征值計算為:

(12)

11)根據已知最終權重ω=(ω1,ω2,…,ωk)T,生成綜合評價云模型Cz,特征值計算為:

(13)

3 工程實例分析

3.1 工程概況

西安某城市地下綜合管廊工程與地鐵區間平面斜交,相交角度約62°,區間隧道采用盾構法施工。綜合管廊結構尺寸為9.2 m(寬)×3.85 m(高)(結構外輪廓),采用明挖法施工,旋噴樁加固,底板埋深約4.8 m,距離地鐵區間隧道結構凈距約6.1 m。

工程位于咸陽到西安的主干道,道路車流量大,管線遷改范圍大,涉及面廣,改遷管線專業種類多,管線分部復雜,涉及相關產權單位多,遷改報停手續辦理比較困難,部分老舊管線敷設不規范,許多管線資料因年代久缺失,物探困難。

工程綜合管廊施工線路長,截面尺寸多,結構形式復雜,局部基坑深度達到20.95 m,整體施工工程量較大,項目區場地層主要由雜填土、素填土、黃土狀土(粉質黏土)、砂類土及粉質粘土組成:0 m～3 m范圍內主要為雜填土及素填土,3 m～10 m范圍內主要為細砂層,10 m～21 m中砂層;綜合管廊防水等級為Ⅰ級,采用結構自防水P8抗滲混凝土和全包外防水卷材結構。

3.2 模型構建

根據上述工程實際情況,邀請10位行業專家按照風險指標評價體系進行風險評價,各專家按照0.1～0.9標度對各個風險評價指標進行評價,構建每位專家準則層和指標層的判斷矩陣(以專家1為例)。

每位專家每層判斷矩陣按式(1)—式(3)的變化的得到每一層風權重結果,匯總結果,見表1。

根據各位專家對每個指標的權重,運用MATLAB軟件按照式(4)—式(9)操作,得到最終的分解余項,以X1為例,如圖2所示。

按式(10)計算各指標權幾何均值,得到最終權重如表2所示。

根據邀請專家的實際工程經驗和實際工程狀況,在城市地下綜合管廊基坑施工風險分析中采用黃金分割率法對項目風險評價因素進行劃分,分別為“極低風險(0,2)”“較低風險[2,4)”“一般風險[4,6)”“較高風險[6,8)”和“極高風險[8,10)”等五個風險評價等級。根據專家對該項目風險的評分通過式(12)計算各指標的評價云模型參數,見表3。

表2 最終權重匯總表

表3 評價云模型特征參數

由式(13)計算得到整個項目風險的綜合云模型特征參數為(3.565,0.426,0.086),并將標準云模型和評價云模型繪制在同一坐標系下對比,如圖3所示。

4 評價結果分析

根據各評價指標最終權重值和評價云模型的數據得出以下結果:

1)地質風險的權重值為0.240,不良地質、地下水和特殊巖土的權重值為0.096,0.084,0.060。在進行開挖前,進行詳細的地質勘察,了解土層情況和地質結構,預測可能發生的地質災害,然后制定相應的施工方案。

2)建筑環境的權重值為0.227,其中鄰近地鐵、人為坑洞和地下管線的權重值分別為0.146,0.121,0.091。因此需根據相關規范加強對周圍建筑物的監測,當建筑物位移過大時,必須立即停止施工,并根據實際情況采取應急措施;在施工前,應進行地下管線的勘察和標識,確保施工過程中不會對管線造成損壞。

3)設計風險權重值為0.200,邊坡支護形式、降水排水措施和建筑基礎加固的權重值為0.076,0.083和0.040。在進行邊坡開挖前,要進行充分的地質勘察和分析,結合所選擇的邊坡支護形式,對該形式下的邊坡穩定性進行評估;需要制定降水排水方案,并合理安排施工進度和設備;應制定基礎加固措施的相關方案,并制定相應的施工計劃。在基坑開挖過程中,要注意周圍環境情況的變化和調整,以及對當時實際情況進行及時處理。

4)施工風險權重值為0.190,組織管理和環境保護的權重值為0.114和0.076。參建各方應規范項目溝通方式,保證信息傳達正確;加強各部門之間的溝通,建立嚴格的內部監督機制;施工設備和機械的使用前應進行檢查和維護,確保其工作正常,操作人員應接受專業培訓,熟悉設備和機械的使用方法,嚴格按照操作規范進行操作。

5)偶然風險權重值為0.144,火災風險和行人傷害的權重值為0.064和0.076。施工時應加強現場管理:對施工現場實行24 h監控,對來往人員進行登記、安檢,并加強安全知識教育、警示標志的設置等,以確保人員安全和消防設備處于可用狀態。

6)綜合評價云圖85%落在[2,4),基于標準評價云模型,表明該項目風險處于“較低風險”。本次評價綜合評價特征值為(3.565,0.426,0.086),且特征參數中的En和He較小,評價結果可信且穩定性較好。

5 結論

1)針對城市地下綜合管廊基坑工程項目特點及存在的問題,構建了科學實用的風險評價體系,為進一步相關工程施工風險評價奠定基礎。2)引入模糊層次分析法確定初始指標權重,緩解專家評分過程中存在的模糊性和隨機性,科學確定各指標初始權重。利用CEEMDAN方法對初始權重分解余項得到最終權重,最大可能的排除專家評分過程中主觀因素的影響,極大程度地反映專家評價的客觀性,該方法能反映專家主觀評分的趨勢,為其他領域專家評分結果的處理提供參考。3)在城市地下綜合管廊基坑施工風險評價體系引入云模型,將最終權重與專家評價結果進行云模型計算,生成綜合評價云模型,通過與標準云模型對比,得出工程風險等級,并通過工程實例證明該模型的科學性和可行性。