基于 TOPSIS 方法的明挖基坑风险识别

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原文发表于《都市快轨交通》

第 37 卷  第 2 期  2024 年 4 月

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刘培路

地下轨道交通的建设伴随着大量基坑工程的涌现[1]。地铁车站深基坑施工工序繁杂，存在众多安全隐患，一旦发生安全事故，将严重危及人身安全，造成巨大的经济损失。近年来，基坑安全事故呈现上升的趋势，例如，2019年广西南宁东葛路基坑支护发生坍塌，导致路面大面积塌陷[2]。深基坑的建设大多在城市密集区，管理和施工要求高；同时工程体量大，现场地质情况复杂，具有很大的建设风险。因此，建设过程中的施工安全控制与风险评估成为基坑建设的重要问题。由于地层条件和功能设计的差异，深基坑工程具有较强的个体差异性与区域性，不同深基坑的施工技术无法直接转化应用。因而缺少类似工程的施工资料与监测数据，专家评审仍是深基坑工程风险识别与评价的主要依据[3-4]。

例如，曾小明等直接运用层次分析法对项目风险进行评估[5]；张振中将改进的层次分析法与熵权法结合，提出了基坑工程风险分析方法[6]；龚颖超等提出了基于层次分析法与控制记忆方法的基坑施工风险评价模型[7]。但是层次分析方法的使用需要满足矩阵一致性的要求，若不满足，则需要重新进行评估。此外，由于专家的教育背景、工程经验、对施工现场的了解程度存在差异，加上评估的事物存在一定的模糊性与不确定性，专家评估的局限性进一步凸显。基于此，本文运用直觉模糊集为专家风险评估提供方便，并降低了风险评估过程中可能出现的模糊性与不确定性。

在使用直觉模糊集进行多属性风险评估中引入优劣解距离法(TOPSIS)，能基于专家评语快速识别高风险因素。这是由于TOPSIS方法能对多个样本与多指标进行同时评价与处理。基于TOPSIS方法的优点，使得其在工程领域得到广泛应用。颜文运用改进TOPSIS方法对潜在的铁路线路方案进行了评估与比选[8]。陈仁鹏等运用模糊层次分析法与改进TOPSIS法评估了盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[9]。陈宏俊结合熵权TOPSIS方法和灰色关联度方法对影响盾构隧道管片破损的原因进行了分析与评估，并判定了管片的破损程度[10]。吴志军等运用TOPSIS方法实现了TBM隧道岩体可掘性分级[11]。

王亮等用模糊层次分析与TOPSIS方法对岩溶隧道超前地质预报方案进行评估与选择[12]。根据上述情况可知，TOPSIS方法在隧道工程方面得到了一定的应用。但相对于基坑工程，由于其复杂性与受到众多因素的影响，并且在某些情况下影响参数的数据难以获取，基于此，本文将TOPSIS方法耦合直觉模糊集应用于基坑工程项目，为基坑工程风险识别提供了一种新的方法与思路。本文针对基坑工程中涉及大量参数取值难以获取或者不确定的情况下，依托专家的工程经验和提出的基于直觉模糊优劣解距离法(TOPSIS)对基坑施工过程中的潜在风险进行识别，并通过了工程案例(珠机城际横琴至珠海机场段HJZQ-2标二工区明挖法基坑工程)验证了该方法的可行性，为工程施工安全风险防范和控制提供理论指导。

1直觉模糊优劣解距离法

直觉模糊优劣解距离法(TOPSIS)是多属性决策方法[13]。直觉模糊集的定义如下[13]：

在TOPSIS中，假设有p个目标，记为O={O1,O2,…,Op}，例如本文的目标是基坑工程安全施工，则p=1，有m个风险源或风险因素，记为C={C1,C2,…,Cm}，B={B1,B2,…,Bn}是评价准则，模型构建的具体步骤如下。

1.1计算专家的权重

专家的重要性程度可以用直觉模糊集中的模糊数来表示。用直觉模糊数Dk=(μk,ηk,πk)来评价第k位专家的重要性程度。第k位专家的权重计算如下：

式中，λk为专家k的权重；l为专家的数量。

1.2计算评价准则的权重

假设共有l位专家，每一位专家的模糊决策矩阵为Ek，其中{λ1,λ2,λ3,…,λl}为专家的权重。在综合决策过程中，需要融合专家观点组成群决策观点。基于此，直觉模糊权重平均运算符综合了专家的观点并获得准则层的权重。假设Ek为专家k的决策矩阵，表示如下：

式中，( ) ,,mijijijkkkh p 表示第k位专家对准则Bi在目标Oj下重要性评估的直觉模糊数。使用直觉模糊权重平均运算符(IFWA)计算评价准则的权重[13]：

式中，ωi=(μωi,ηωi,πωi)为准则Bi的权重，在一般情况下，目标只有1个，此时p=1。

1.3构建模糊综合决策矩阵

在综合模糊决策过程中，需要每位专家运用直觉模糊数构建风险因素模糊决策矩阵，第k位专家的风险因素模糊决策矩阵表示如下：

式中，RkB第k位专家构建的风险因素决策矩阵；C1,C2,…,Cm为风险因素；B1,B2,…,Bn是评价准则。对于各位专家构建的风险因素模糊决策矩阵，需采用公式(10)进行融合[13]，所得的模糊综合决策矩阵如(11)所示。式中，RB为风险因素模糊决策矩阵。

1.4构建综合权重直觉模糊决策矩阵

构建综合权重直觉模糊决策矩阵的公式如下。

其中，犹豫度为1w w w p ωiÄRB= -× -- +× m m h h hh ijiijiijiAAAωi和RB分别为准则Bi的权重和构建的风险因素模糊决策矩阵。构建的综合权重直觉模糊决策矩阵如下：

式中，RABw为综合权重直觉模糊决策矩阵。

1.5确定正理想解与负理想解

TOPSIS方法中的评价准则B={B1,B2,…,Bn}需要分为消耗性与收益性准则，收益性准则越大越好，而消耗性准则越小越好。采用J1表示收益性准则，J2表示消耗性准则。A+和A–分别表示正理想解与负理想解，如下所示[13]：其确定准则如下：

1.6计算风险因素与正负理想解的距离

在确定了综合权重直觉模糊决策矩阵的正、负理想解后，计算各风险因素Ci在直觉模糊集中到正负理想解的距离，可表示如下：

式中，SSii+ - ,分别为第i个风险因素(Ci)在直觉模糊集中到正负理想解的距离；n为评价准则的数量。最后，计算风险因素Ci的相对贴近度，其计算公式如下：

将公式(18)计算得到的结果对风险因素进行排序，从而确定高风险因素。

2案例分析

2.1工程概况

珠机城际横琴至珠海机场段工程前接三灶站大桥，后接珠海机场，起于三灶岛中东部机场东路右侧的下角咀丘陵地段，以地铁形式沿机场东路、机场中路前行，止于珠海机场站。HJZQ-2标二工区基坑工程作为本项目的一部分，地处城市主干道，周边施工环境比较复杂，地下管线众多，周围建筑物较多，给地铁设计和施工造成了许多限制和不利的条件。基坑深度22.1～23.8m，宽14.0～21.9m。基坑工程场区下伏基岩主要为燕山期花岗岩，场区主要以黏土夹砂为主，局部为花岗岩碎块石，填土层结构松散，基坑在施工过程中易发生坍塌。基坑施工方法采用明挖法。该工程采用f800mm、间距1000mm的钻孔灌注桩+内支撑进行支护，共设置3～4道支撑，同时围护结构外侧设置了单排f800mm、间距600mm旋喷桩止水帷幕。第1道支撑采用钢筋混凝土支撑，支撑截面1000×1000mm，水平间距为6000mm；钢筋混凝土联系梁截面300×600mm；其余道支撑采用f600mm钢支撑，间距设置为3000mm；冠梁截面为1000×1000mm，钢筋混凝土腰梁采用I56a双拼工字钢；冠梁、钢筋混凝土支撑、联系梁支撑均采用C30混凝土。其中对于旋喷桩，要求水泥浆液压力大于20MPa，旋喷桩加固后土体无侧限抗压强度不小于2MPa。本工程基坑平面如图1(a)所示，图1(b)展示了基坑工程的施工情况。

2.2基坑工程安全风险评估流程

运用提出的基于直觉模糊集理论的风险识别方法进行基坑安全风险因素识别的技术路线，流程如图2所示。该基坑安全风险因素识别流程主要包括4个阶段，具体如下。阶段1，搜集影响深基坑安全的相关资料与现场施工情况。依据现有的深基坑技术与安全施工手册，在实际工程项目施工情况评估的基础上，总结与分析影响基坑安全的因素，并对实际工程资料进行相应处理。阶段2，确定基坑风险因素与建立风险评估结构体系。根据阶段1确定基坑建设过程中的潜在风险因素，进而确定基坑评价准则和建立评估结构体系，接着确定评估专家和评价准则的权重。阶段3，应用基于直觉模糊集理论的风险识别方法对基坑风险因素进行识别。首先确定消耗性与收益性准则，并确定正负理想解，计算各风险因素到正负理想解的距离，最后对风险因素进行识别，确定最高风险因素。阶段4，风险评估与采取相应的风险控制措施。通过阶段3得到的风险因素，采取相对应的措施对基坑施工安全风险进行控制。

2.3基坑工程安全风险因素识别

在基坑风险因素识别过程中，需要专家结合实际工程状况，根据工程经验与现场监测数据，利用语言变量对潜在风险因素给出各自的评价信息[13]。将获得的语言变量转变成直觉模糊数后进行后续的数据处理。其中评价专家、准则和风险因素的重要性程度语言集分别见表1和表2。

1)根据现场获得的监测数据和专家的实践工程经验确定安全风险因素。在本基坑工程中，确定了涉及基坑安全的4个评价指标，分别是地质情况、施工管理、基坑施工技术风险与周围环境。各评价指标的风险因素见图3，如基坑施工监测(B3)评价指标下有支护体系不规范、止水帷幕处理不当、土方施工不规范和基坑降水方案等4个风险因素。

2)在基坑安全施工风险因素识别中，采用该方法均需要专家评分，而专家的工程经验、教育背景将影响方法的准确性。因此，邀请了5位地下工程领域具有丰富工程经验的专家(项目经理、工程师等)进行评估，专家的信息见表3，其中第一位专家的权重计算如下：专家根据工程经验对4个准则的语言集评价见表4。根据公式(7)和(8)计算获得准则层的权重如下：

3)TOPSIS综合评价法。

表5展示了某一专家对风险因素的语言综合评价信息。在确定了专家的权重、准则的权重与风险因素的重要性程度评价后，根据公式(8)、(10)、(12)确定综合权重TOPSIS矩阵见表6。在本基坑工程研究中，地质情况、基坑施工风险与周围环境为消耗性准则J2={B1,B3,B4}；施工管理为收益性准则J1={B2}。根据公式(14)、(15)确定直觉模糊优劣解距离法中的正理想解与负理想解，见表7。

4)根据公式(18)计算各风险因素的贴近度，并对风险因素进行排序，最终基坑工程风险识别结果如表8所示，基坑风险主要来源于基坑旁的堆载与动荷载，由于在基坑工程的建设过程中，需要使用挖土机(见图4(a))、起重机等施工机械，施工机械的操作会产生相应的振动，将对基坑的稳定性产生一定的影响；还有为方便材料的使用，通常把材料堆放在基坑旁(见图4(b))，这些都是基坑安全风险的隐患所在，需要加强管理。

2.4风险管理建议

根据风险评估结果，基坑旁的堆载与动荷载为重要的风险来源。为了确保基坑工程的安全高效施工，从管理、技术与基坑监测方面提出一些建议。

1)管理方面。加强基坑施工过程中，建筑材料堆放与运土车的管理，并配合基坑施工方案优化运土车运输路线与调配，提高施工现场不同施工方案的协调性，强化施工现场的施工组织管理与施工人员安全意识。

2)2)技术方面。编制深基坑、高支模专项施工方案，合理优化基坑支撑布置，制定应急预案，邀请专家对深基坑专项方案进行论证，对每个基坑的开挖顺序、开挖方法、支护方式和对主体结构施工高支模等提出有效建议。

3)基坑监测方面。对于重要的工程项目，应增加相应的监测项目与监测点，合理优化监测点，采用先进的监测仪器，做到实时监测重要参数的变化，并及时反馈信息用于指导施工。

3结论

本文依托珠机城际横琴至珠海机场段HJZQ-2标二工区明挖法基坑工程，识别基坑施工过程中潜在的风险因素，得到以下结论。

1)针对明挖法深基坑施工过程中多因素影响问题，以TOPSIS方法为基础，提出了基于直觉模糊集理论的基坑工程风险识别方法。从项目地质情况、施工管理、施工技术风险和周围环境等方面构建了基坑风险评估指标体系。提出的基坑工程风险识别方法使用直觉模糊集的形式表示专家、评价指标的权重，降低了指标权重的确定难度，且直觉模糊集也为专家风险评估提供了便利。

2)将提出的风险识别方法应用到珠机城际HJZQ-2标二工区明挖法基坑工程潜在风险因素的识别，得到基坑旁的堆载与动荷载是本工程的最危险的风险因素，结果与实际情况相符，验证了该方法用于基坑风险因素识别的可行性，可作为基坑施工安全风险分析与控制的决策工具，对类似的基坑工程的安全施工控制有一定的指导作用。

3)对基坑工程风险管理从管理、技术与监测方面提出相应的措施，确保基坑工程安全高效施工。为类似基坑工程风险评估与预警提供了一定参考与工程应用价值。

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