崔起飞

(福州工商学院 福建福州 350715)

0 引言

基坑的施工技术复杂、专业化程度高、施工难度大、施工环境恶劣且控制难度大，其施工的安全性日益受到广泛关注。基坑工程施工安全风险评估主要包括事故发生概率和风险损失分析，常用的施工安全评价方法，主要包括定性风险评估、定量风险评估、定量与定性相结合的风险评估。针对施工安全评价，国内外专家学者提出了各种不同的解决途径，例如，谢秀栋[1]运用层次分析法对深基坑工程施工安全风险进行研究，并采用定量与定性的方式，对地基基础施工安全风险进行评价；王鸣晓[2]通过二级模糊综合评判法，对地基地质、施工和环境风险进行研究，并提出了风险控制建议。可拓理论是一种新兴学科，最早由我国学者蔡文提出，此方法通过研究事物的可拓性和开拓规律及方法，以此对实现对现实生活中难以量化的事物、规律进行研究，从而指导解决现实问题。在工程建设领域，可拓评价是可拓理论主要应用之一，该评价方法已经广泛应用于工程中。

虽然国内外学者对可拓理论进行了深入的研究和发展，但常见的评价方法不能较好解决风险指标不同属性的问题，且部分指标权重缺乏一定的客观性，评价结果与指标相关性较低，无法准确判断重点控制指标，对施工安全风险控制的指导性有限。为此，本文基于变权理论和可拓理论进行研究，并结合具体案例进行基坑施工安全评价，以期提高安全评价可靠性。

1 基于变权理论的可拓模型

在标准物元可拓模型中主要通过利用物元思想建立评价模型，以此求出事物与各区间加权后的关联度，并根据关联度，对安全风险进行识别和判断[3]。但物元可拓理论在地铁基坑安全风险评价实践中存在一些问题，主要体现在：①如待测物元单项指标数值超出节域，则无法得到关联函数值；②当采用最大隶属原则关联度方法评定指标等级时，在部分情况下可能出现低效或无线的情况。变权理论是一种根据不同值时权重值变化，并以此反应指标权重本质属性的理论[4]。该理论在指标权重方面具有显著优势，主要体现在两个方面：①在指标权重确定中充分考虑客观指标值；②改善在复杂指标情况下产生的“状态失衡”问题。

基于可拓理论存在的问题，通过借助变权理论从两个方面进行改进：①针对部分指标数值超出节域的情况，通过对经典域、节域和待评物的归一化处理，改善可拓理论指标的关联度问题；②以贴近度进行综合评判，改善最大隶属度失效的问题，提高模型评价的准确性、可靠性。

2 地铁基坑工程施工安全评价案例分析

2.1 工程案例

以某地铁工程换乘站地基工程为例，本工程基坑开挖深度为21.5 m，支撑轴力设计值为7000 kN，主体围护结构采用钻孔灌注桩结构，桩间采用旋喷止水方案，围护结构水平受力采用内支撑和预应力锚索方案，内支撑为钢筋混凝土，锚索则以抗拉力设计值为1320 kN的钢丝绳制作。

2.2 安全评价指标体系的构建

通过对地铁基坑施工安全评价指标进行分解，构建地铁基坑施工安全评价指标体系。即将钻孔灌注桩施工安全评价指标划分为桩顶垂直位移、桩顶水平位移、桩体变形、支撑轴力、地表沉降、地下水位，除支撑轴力安全评价指标为轴力值外，其它各项指标均划分为累计值和变化速率(表1)，从而构建钻孔灌注桩安全评价体系。

根据改进可拓理论模型，将地铁基坑工程评价体系监测指标划分为三个施工安全风险等级[5]：安全(不需要采取措施)、中等(应当加强注意，采取预防和控制措施)、危险(必须采取相应措施)。依据建筑地基基础设计规范[6]，制定相应的指标等级评价标准，如表1所示。

表1 钻孔灌注桩基础施工安全评价标准

2.3 经典域和节域计算

结合该工程实际情况和施工安全评价标准，建立域物元、节域物元和待评物元评价矩阵。为解决可拓物元理论中实测数据超出节域范围无法计算的问题，对经典域R(Nj,Ci,Vij)′和待测物元Rp′进行规格化处理，如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Nj为标准物元划分的评价等级；

ci为相应评价等级的评价指标；

Vij则表示为该评价等级，Nj评价指标，ci的取值范围,Vij=[aij,bij]。

将表1数据代入式(1)、式(2)中，得到经典域、节域如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

2.4 待测物元模型的建立

基于变权理论改进型物元评价模型权重的确定，需要确定常权权重向量，借助AHP层次分析法确定指标常权，以此计算局部变权向量，如式(5)、式(6)所示。

(5)

根据上述计算所得的常权向量和局部变权向量，以此计算综合权重向量如公式(6)所示。

(6)

式中：m为指标个数；

本工程地铁基坑开挖深度为21.5 m，支撑轴力设计值为7000 kN，经专家评价各项指标权重，得到各指标权重值，如表2所示。

表2 指标权重值

2.5 变权向量的确定

根据评价指标体系和检测值，借助层次分析法，确定常权权重。指标评价标准主要包括累计值和变化速率。由于累计值主要体现指标累计变形情况，而变形速率则体现指标变化情况，因此，在施工安全评价中，将累计变形值权重设为0.4，最大变形速率权重按0.6计，根据变权理论和施工经验确定变权向量，则变权向量水平为：否定水平(a)为0.3，及格水平(b)为0.6，激励水平(c)为0.85，调整水平(d)为0.25，激励调节水平(e)为0.8，计算变权向量sk(x)=(0.277,0.341,0.771,0.25,1.045,0.961,1.012，0.251,0.491，，0.274,0.25)，计算评价指标监测值如表3所示。

表3 评价指标监测值

2.6 监测指标贴近度计算

根据改进型可拓理论模型，计算指标对应等级贴近度和等级距离，如表4～表5所示。

表4 评价指标等级距离

表5 评价指标等级

2.7 敏感性分析

为有效区分评价指标中对地铁基坑施工安全评价结果敏感性，综合评价指标权重值和总管和评价指标实际值变化波动情况，以此计算各评价指标对整体安全评价结构的影响。为实现敏感性量化，采用评价指标标准差分析方法，以此分析安全评价结果对评价指标变化的敏感性，从而实现各指标优先级排序，为施工安全控制提供指导。

如前文所述，钻孔灌注桩基坑基础中，施工安全评价指标包括11项，根据权重和特征值标变化标准差计算指标敏感性，如表6所示。

表6 权重和特征值标变化标准差及影响等级

根据表6数据显示，从安全评价指标权重变化来看，桩顶垂直位移变化速率(C2)、桩顶水平位移变化速率(C4)、桩体变形累计值(C5)和桩体变形速率(C6)标准差值较大，表明各项指标变化较为显著，应引起重点关注。

从安全评价指标权重影响等级来看，桩体变形速率(C6)权重影响最高，其影响等级显著高于其它指标，其次为桩顶水平位移变化速率(C4)、桩体变形累计值(C5)，与工程实践经验相符。

从安全评价指标特征值研究来看，桩体变形速率(C6)变化幅度和影响等级最高，与权重结果一致，充分说明桩体变形在钻孔灌注桩施工影响显著。

此外，根据基于变权理论的可拓模型，当地铁基坑施工安全评标实际值发生变化时，其安全评价权重和评价特征值也相应发生变化。即在不同地质条件下，安全评价指标的安全评价权重和特征值会存在一定的变化，对地铁基坑工程施工安全影响程度不一。因此，在实际工程应用中，应结合具体工程项目特点和各项安全评价指标实际值，合理计算该项目安全评价等级，并对影响显著的安全评价指标进行重点监控，以此降低工程项目施工安全风险。

3 结语

(1)基于对可拓评价理论的弊端进行分析，借助变权理论对可拓评价理论模型进行改进。通过对基坑施工安全评价指标进行分解，构建地基基础施工安全评价指标体系，将基坑工程评价体系监测指标划分为安全、中等、危险3个施工安全风险等级。通过充分考虑指标实际值变化和特征值范围，建立的改进型可拓评价模型。

(2)以实际工程项目为例，构建了钻孔灌注桩施工安全评价体系。通过工程项目案例对改进型可拓理论模型进行应用研究，得出桩体变形在钻孔灌注桩施工影响显著，与工程实践经验相符，实现了地铁基坑施工安全评价体系敏感性指标的量化和排序，为工程风险控制提供了有效的指导。