簡論干地施工碼頭深基坑坍塌風險分析

鄒德臣，王海亮，邊 超

（1.天津深基工程有限公司，天津 300222；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東青島 266400）

引言

干地施工碼頭在所有結構形式碼頭中占比較小，安全風險相較于水上施工有較大的不同，其中深基坑坍塌是一項獨有的較大風險。目前深基坑坍塌風險相關研究主要針對城市地下工程，對干地施工碼頭基坑坍塌風險的研究基本沒有。

風險評估起源于美國保險行業，于20 世紀60年代應用于導彈和核武器領域并逐步形成系統方法和理論[1]。風險評估分析方法有多種，其中研究深基坑風險使用較多的有事故樹法(FTA)、模糊綜合評判法、層次分析法(AHP)、蒙特卡羅模擬法、神經網絡法及其組合[2-5]。主要為定性和半定量分析，完全量化分析較少。

事故樹分析理論形成較早并被廣泛認可和使用，缺點是事故樹分析為半定量分析，如果要進行定量分析必須確定基本事件發生的概率。蒙特卡羅模擬法通過構造被求解對象的邊界條件，并在其中大量隨機抽樣驗證，求解該對象出現的概率，適用于離散或連續數據概率模擬。

總體來說，事故樹法、模糊綜合評判法、層次分析法、神經網絡法風險評估的思路都是先對事件分層分解，然后逐層求解。模糊綜合評判法、層次分析法、神經網絡法評估過程中均需構造判斷矩陣，但判斷矩陣的構造有一個缺點，它加入了人為主觀判斷的因素，這使得評估結果可信度降低。同時所有定量分析方法普遍存在一個缺點即缺乏真實量化數據支撐，難以驗證所建立模型的有效程度。

本文結合工程實例和事故統計數據采用事故樹與層次分析相結合的方法對干地施工碼頭深基坑坍塌風險進行定性與定量相結合的研究，探討該風險評估方法的優缺點，分析重要危險因素，評定基坑風險等級。

1 工程概況

某雜貨泊位工程位于挖入式內港池的東岸線，鋼鐵廠西側。碼頭東西岸線長552 m，為地連墻板樁結構，止水采用水泥旋噴樁。地質為粉細砂和粉土，年最高高潮位為+3.38 m，年最低低潮位為 +0.14 m?，F場地面高程為+5.0 m，基槽底開挖高程為-0.2 m，倒濾層開挖到-2.3 m，放坡開挖設計邊坡為1:1.5。胸墻中心線距海岸約30 m，地下水位約為+3.0 m。

2 事故樹定性分析

繪制事故樹首先需要確定研究對象，本文研究對象為“干地施工基坑”，最危險的狀態為“放坡開挖至-2.3 m 標高的基坑”，最危險的部位“基坑海側邊坡”。其次確定頂上事件“基坑坍塌”，然后追根溯源導致頂上事件的原因，繪制事故樹。

事故樹的頂上事件發生默認了“管理失效”這種情況，且本文研究對象不是“人”，所以“管理原因”沒有單列為一個事件。通過分解得到23 個事件15個為基本事件，繪制事故樹見圖1，事件及代號見表10。

表1 深基坑坍塌事故原因統計Tab.1 Causing Statistics on deep foundation pit collapse

圖1 基坑坍塌事故樹Fig.1 Fault tree of deep foundation pit collapse

此事故樹結構簡單，最小割集、最小徑集、結構重要度求解不再贅述。事故樹分析是多種定性和定量分析方法的基礎和輔助工具，為后面層次分析奠定基礎。

頂上事件分解過程中因個人認知、研究對象、方向、深度不同分解結果相差較大，比如圖1 中“施工管理(M12)”可以向“人、機、料、法、環”方向分解，“設計失誤(X1)”和“未按操作規程作業(X11)”可以繼續向下細分為多個基本事件，是否繼續分解關鍵看研究需要及掌握的資料，本文研究偏總體不再繼續分解。

3 層次分析法定量分析

以分解的事故樹為研究對象建立分析指標體系，首先通過分層構造判斷矩陣，由底部向上求解特征向量，然后根據已知頂上事件或基本事件概率向上或向下求解目的事件概率，最后將計算概率與已有統計數據對比，查找偏差并分析原因和不足。

一般事故數據比較敏感，干地施工碼頭事故記錄幾乎沒有?？紤]文中實例工程開挖深度最深 7.2 m，從邊亦海統計的342 起[6]基坑事故中選取開挖深度包含5～8 m 的深基坑，共93 起，進行分析。由于部分事故包括多種原因，計算總起數為162 起，結果見表1。該統計數據用作計算標度值及驗證計算概率。

表2 中“i與j概率比參考取值”是根據已有統計數據計算提出，便于標度取值有統一的參考。對于基坑坍塌事故來說，因素i、j的比較值是兩因素導致事故概率的比值，因為只有部分概率統計數據，所以沒有統計數據的按經驗選取。

表2 標度衡量表Tab.2 Scale measurements

根據T.L.Saaty引入的1～9 標度法[7]，構造n階判斷矩陣A，A=(Xij)nxn。特征向量即權重向量Wi=(w1,w2…wn)T，對于二、三階矩陣可采用線性代數法求解最大特征值λmax和權重向量Wi，四階及以上高階矩陣計算復雜通常采用方根法求近似解，見式1 和式2，一致性驗證指標C.I.、C.R.見式3，R.I.通過查表獲得。

表3“未按操作規程作業(X11)”如偷工減料、焊接不合格導致的事故明顯大于“原材料不合格(X10)”，根據表2 取標度值5，求解后對權重向量歸一化處理得到Wi。表4 中各因素均為基坑坍塌重要因素，重要性相差不大，其中邊坡超載事故占比較多，所以綜合排序X14>X15>X12=X13。

表3 M31 對應的λmax、WiTab.3 Corresponding M31 to λmax、Wi

表4 M32 對應的λmax、Wi 及一致性檢驗Tab.4 Corresponding M32 to λmax、Wi and consistency check

M22對應的三項因素對比標度取值和計算結果見表5。計算M12時結合前文中已有統計事故概率“ 施工管理”M12=0.4691，“ 監測預報失誤”X2=0.0185，計算“未按照方案施工”概率M22=0.4506，M22>>X2，根據表2 概率比取M22比X2的標度為9，計算結果見表6。

表5 M22 對應的λmax、WiTab.5 Corresponding M22to λmax、Wi

表6 M12 對應的λmax、WiTab.6 Corresponding M12 to λmax、Wi

表7 頂上事件T 對應的λmax、Wi 及一致性檢驗Tab.7 Corresponding top event T to λmax、Wi and consistency check

同理，求解M21、M11、M13、M14對應的λmax、Wi。計算M11時“設計原因”M11=0.3642，“勘察失誤”M21=0.0556，計算“設計失誤”概率X1=0.3086，根據概率比取標度為7。

最后求解“基坑坍塌(T)”對應的四項因素，已知概率：M12=0.4691，M11=0.3642，M14=0.0926，“自然環境” 根據經驗取標度值，總體上M12>M11>M14>M13，根據表2 概率比建立判斷矩陣。

根據權重向量分層計算每個事件發生的概率，該概率是頂上事件發生概率為1 時相對應的概率，見表8。

表8 事件計算概率Tab.8 Calculated probability of event

風險較高的基本事件有“設計失誤(X1)”“未按操作規程作業(X11)”，“邊坡上堆物或作業超載(X14)”，這三項風險需要重點關注。

以統計概率為基準對比，見表9，可以看出二者總體趨勢具有較高一致性，這說明通過構造判斷矩陣的層次分析具有較高的實用性和適用性。

表9 統計概率與計算概率對比Tab.9 Comparison between statistical probability and calculated probability

通過對比可以看出誤差率最高的是“X2 監測預報失誤”，查找誤差原因發現問題出現在M22、X2判斷矩陣，構造判斷矩陣時二者統計概率比為24.4，標度值取9，表2 中概率比為5 時標度值取7，取值區分度較小，對此不做調整，相差懸殊的因素計算概率以較大者準確作為基本原則。

表9 中出現誤差還有一個主要原因是事故樹分層導致，第一頂上事件分層可能包含其它未列出的因素，第二分層時將“M21勘察失誤”、“X2監測預報失誤”歸為第二層，而已有事故數據統計時二者與第一層是平級的關系。同時，第一層增加了“M13自然環境”，因為無事故統計數據，所以無法平衡概率和。這些問題需要通過細致研究逐一平衡或解決。

參考2004～2012 年建筑事故類型統計[8]，坍塌事故占比平均值為16.09 %，據此結合權重向量可以分別計算出每個事件在建筑施工領域基坑坍塌事故中發生的概率。根據《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》[9]評定頂上事件T和風險較高的X1、X11、X14的風險等級，見表10。

表10 重要事件風險等級評定Tab.10 Risk level assessment of significant events

經評定干地施工碼頭深基坑坍塌風險等級為Ⅱ級，X1、X11、X14的風險為Ⅲ級，與專家論證結果Ⅲ級不符，可能主要原因是事故數據絕大部分都是城市建筑基坑，風險概率明顯高于碼頭施工，碼頭事故基礎數據和實例需要不斷積累完善。

可以看出層次分析法構造的判斷矩陣和求解非常簡便，各個事件間有層次性和相關性兩種屬性，可以通過概率從上向下或從下向上傳導，具有較高實用性和適用性，該方法的關鍵是判斷矩陣的構造。為確保計算概率的準確性，要求有足夠真實的統計數據支撐和驗證，這是行業科研的基礎。

4 結語

通過運用事故樹和層次分析相結合的方法研究干地施工碼頭深基坑坍塌事故，提出如下建議和結論：

1）各種風險評估方法不可避免的會融入主觀判斷因素，導致評估結果偏離實際，所以需要建立一個詳實的事故數據庫，用大量統計數據修正誤差；

2）提出“i 與j 概率比參考取值”，將標度取值具體化、數據化，使判斷矩陣構造有統一的參考標準；

3）層次分析法構造判斷矩陣和求解簡便，計算概率與總體趨勢具有較高一致性，具有較高的實用性和適用性；

4）重要性相差越懸殊的因素，構造判斷矩陣后計算概率產生的誤差越大，處理辦法是以確保概率較大者準確作為基本原則；

5）層次分析得到風險較高的基本事件有“設計失誤(X1)”“未按操作規程作業(X11)”，“邊坡上堆物或作業超載(X14)”，這三項風險需要重點關注。

結合事故樹和層次分析法評估該干地施工碼頭深基坑坍塌風險等級為Ⅱ級。