基于CRITIC-TOPSIS法地鐵車站基坑開挖施工安全風險評估
——以濟南地鐵9號線開源路站為例

范勇峰, 李 軻, 王軍平, 賈興隆, 朱尚明

(1.中國水利水電第四工程局有限公司, 西寧 810006; 2.中電建鐵路建設投資集團有限公司, 北京 100071)

隨著城市化進程的加快,城市軌道交通迅猛發展,軌道交通線網密集延伸[1]。地鐵車站在建設時因基坑“深、大、近、難”,發生危險的風險較高,易帶來較大的損失和影響[2]。因此,對地鐵車站基坑在復雜環境下的施工進行合理評估、對深基坑施工進行科學指導,有非常重要的意義。

國內外許多學者對地鐵車站開挖過程中可能會產生的風險開展了研究。工程中對風險進行評估有很多方法,常用方法包括定性分析方法、定量分析方法,以及綜合分析方法[3]。進行工程風險分析時,通常會根據建設的具體項目、不同建設階段,以及風險的特點來選取合適的風險分析方法,以獲得有效的評估。層次分析法將一個復雜問題作為一個系統,將其分解為多層目標并進行相對優劣的排名,較為簡單實用。渠成堃等[4]針對多任務學習模型預測的支護參數,采用層次分析法對比評價了預測與實際支護參數;蘭吉濤和柴宗剛[5]構建一個適合當前我國建筑領域的生態建筑評估指標體系,并以蘭州新區中建大廈為對象,利用模糊層次分析法進行模糊評判和生態等級確定;王帆等[6]根據工程條件,確定合適的評價指標體系,依據層次分析法確定各評價指標權重,通過模糊數學方法構造隸屬函數,對地裂縫發育情況進行模糊綜合評價。故障樹法是一種由上及下的失效分析法,分析系統中不希望出現的狀態,具有直觀性強的特點。安慧等[7]為準確進行建筑施工高處墜落全面風險評估,解決事故致因因素存在模糊性與不確定性的問題,提出了一種基于模糊集合理論的故障樹分析法;申建紅和劉樹鵬[8]提出風險因素,并采用故障樹對風險因素的因果關系加以表示,構建完整的模型,預測施工風險概率的動態演變。熵權法是一種基于信息熵的權重確定方法,計算簡單、操作性強。錢媛[9]針對海外油氣多目標多屬性的復雜特征,建立了海外油氣方案評價指標體系,采用熵權法確定了不同評價指標的客觀權重,然后利用逼近理想解排序 (technique for order preference by similarity to an ldeal solution,TOPSIS)法對海外油氣項目的各個投資方案進行了排序比選;趙龍和王影[10]通過TOPSIS法對航線進行評估,利用熵權法確定屬性指標,之后用TOPSIS法,通過判斷航線的選擇與理想的貼合度來進行航線評估排序,從而選取更優的航線。

以上分析方法都能對深基坑風險進行比較好的評估,但都有一定的局限性,如層次分析法決策判斷比較主觀、故障樹法計算較為復雜、熵權法無法較好地將客觀數據與決策者的經驗相結合等。由于地鐵車站建設過程中影響因素復雜,如何找到一種分析方法較好地綜合評估指標的主觀經驗與客觀數據,并量化權重有一定意義。因此,本文依托濟南城市軌道交通9號線一期開源路站,基于CRITIC-TOPSIS(指標相關性權重確定-逼近理想解排序)評估方法,對該深基坑進行風險評估,提出相應的處置措施,降低工程風險。

1 CRITIC-TOPSIS評估基本理論

1.1 CRITIC評估

在綜合評估分析中,指標相關性權重確定(criteria importance through intercrieria correlation,CRITIC)法是一種常用的評估方法。該評估方法以指標之間的變異性與沖突性為基礎來分配評估體系中各指標的貢獻程度。指標之間的變異性通過標準差的形式來表現,沖突性通過相關系數的形式來實現,變異性越大表明指標之間差異較大,能包含更多的信息,與權重賦值正相關;沖突性越大表明指標越相似,包含更多相同的信息,不利于多維度衡量評估體系。CRITIC法獲得指標權重的方法如下。

(1)首先構建決策矩陣X,它表示了不同方案在不同標準下的表現。

(1)

式中:xij為第i個方案在第j個標準下的取值。

(2)對決策矩陣進行標準化處理。對于極大型指標使用式(2)進行正向化處理。

(2)

對于極小型指標使用式(3)進行逆向化處理。

(3)

(3)計算評價指標體系中指標的變異性。在CRITIC 法中使用標準差的大小來獲得權重的多少,標準差的值越大,包含的信息越多,評估強度越高。

(4)

(5)

(4)計算評價指標體系中指標的相關性。在CRITIC 法中使用相關系數的大小來衡量權重賦值,相關系數越大,表明指標之間的相關性越強,包含越多的相同信息,不利于對象評估,因此,需要減少權重賦值。

(6)

(7)

式中:ρjk為評價指標間的相關系數;Rj為指標沖突性。

(5)計算評價指標包含的信息量cj。

(8)

cj值越大,表示該指標在評估指標體系中發揮了更大的作用,需獲得更多的權重。

(6)計算評價指標的權重wj。

(9)

1.2 TOPSIS評估

TOPSIS法是一種典型的綜合評價法。該評價法將數個評估方案與理想目標的相對接近度進行排序,并在現有的方案中進行相對優劣排序。TOPSIS法具有充分利用原始數據、對數據分布及樣本含量無嚴格限制、計算簡單易行的優點,在工程領域中應用廣泛。TOPSIS法計算步驟如下。

(1)將各評價指標已有權重值融入決策矩陣,構造加權規范矩陣E。

Z=X″jωj

(10)

式中:X″j為式(1)中決策矩陣:ωj為式(9)中指標權重值。

(3)采用幾何歐幾里得距離來計算矩陣中各方案到正、負理想解的距離。

(10)

(11)

(4)計算相對貼近度Ci。

(12)

Ci越大表示樣本點距離正理想解越近,評估效果越優。

1.3 CRITIC-TOPSIS評估

地鐵車站基坑施工風險源多,采用單一的定性或定量分析方法,難以避免主觀性較大、可靠性較低的缺點。本文將CRITIC法與TOPSIS法相結合,獲取指標相關性權重,將其融入決策矩陣中,獲得方案優劣的評價,有效地對地鐵車站基坑開挖施工進行安全評估?；贑RITIC-TOPSIS評估方法的地鐵車站基坑開挖施工安全風險評估流程如圖1所示。

圖1 地鐵車站基坑開挖施工安全風險評估流程

2 案例分析

2.1 工程概況

擬建濟南城市軌道交通9號線一期開源路站位于響泉路與宏昌路交又口西側,沿響泉路東西向敷設。開源路站為地下二層車站。車站總長224 m,標準段寬21.3 m,盾構井段寬25.6 m。車站擬采用明挖順作法施工,基坑開挖深度17.4～19.5 m,圍護結構形式選用800 mm地下連續墻,豎向設置一道混凝土支撐與兩道鋼支撐。開源路站平面圖如圖2所示。

圖2 開源路站平面圖

2.2 主要風險來源

車站基坑位于東塢斷裂、歷城斷裂之間,毗鄰響泉、富水且地質條件復雜,7 m深度以內以淤泥質黏土和填土的敏感性地層為主,基坑降水或滲漏極易導致地面沉降,坑底以下主要為粉土、粉細砂、卵石及膠結礫巖地層,地連墻施工質量控制難度大,極易導致地下水滲流破壞。開源路站基坑典型斷面地質情況如圖3所示。

圖3 開源路站基坑典型斷面地質情況

場地周邊無明顯建筑物,距離車站基坑約4 m處有一個921.5 m2的水塘,水塘內水深約3 m;距離車站基坑約8 m處有一自流井(響泉),常年噴涌已形成流動的地表水系,經現場實地量測,該自噴井出水量每小時不小于87 m3,施工階段自留井水有涌入基坑的風險;主要管線已遷改至距離基坑約25 m處。

3 建立評估模型

3.1 構建評估體系

由于施工場地環境復雜、作業場地狹小、施工作業復雜、設計人員多、施工風險大,構成風險可能性難以評估。經過現場實地調研與查閱相關資料,遵循系統性、科學性、全面性的特點,參考具有豐富經驗深基坑專家的建議,對開源路站基坑開挖施工風險進行評估,構建包含環境因素、設計因素、人員因素、材料因素、設備因素、管理因素6個二級風險來源指標、16個三級風險來源指標的風險評估體系。完整的基坑開挖施工安全風險評估體系如圖4所示。

圖4 開源路站基坑開挖施工安全風險評估指標體系

為對施工風險進行有效評估,將評估指標進行定量評估,參考文獻[3]中風險等級劃分標準,將風險源等級由高至低分為四個級別,各等級風險接受準則見表1。規定各級別計分標準為100～85、85～70、70～55、55～0。

表1 基坑工程風險接受準則及風險處置原則

3.2 CRITIC法獲取指標權重

結合開源路站施工現場基坑開挖分段,以及周邊環境,選取基坑施工第1段、第3段、第8段、第10段有代表性的基坑進行研究,分析施工各代表段的發生風險可能性的大小。第1段基坑毗鄰魚塘且基坑寬度及深度相對較大,第3段基坑毗鄰泉眼,第8段基坑毗鄰魚塘,第十段上方有電力管線跨越。代表段位置如圖5所示。

圖5 開源路站基坑開挖分段圖

根據已經構建的評估指標體系,邀請行業專家對開源路站代表段基坑開挖施工安全風險評估指標進行打分,代表段評分情況統計見表2。

表2 代表段基坑得分

將各代表段評估指標得分構成決策矩陣,進行標準化處理后,應用CRITIC評估法中式(2)～式(9)計算三級風險來源指標權重。計算值匯總見表3。

表3 評估指標權重

由評估指標權重可以看出,該基坑開挖時,風險來源較大的因素有地質條件復雜C11、基坑支護不足C23、響泉C15,除此之外,工作人員作業不規范C32、材料質量問題C4也極容易造成地鐵車站基坑開挖出現風險。因此,在地鐵車站基坑開挖施工過程中,要加強監控量測、嚴格控制基坑變形,基坑支護應當嚴格按照圖紙施工,保證施工精度,施工時對泉眼進行核查,檢查鋼管各部位是否完整、存在裂隙等影響安全隱患的情況。同時,還要落實施工現場的各項管理規章制度,加強對工作人員的管理,作業時滿足安全要求。

3.3 TOPSIS法進行優劣排序

將表3中統計的CRITIC評估法計算出的三級風險來源指標權重融入規范矩陣,利用TOPSIS法中式(10)～式(13)求各樣本到正、負理想解的距離,并計算相對貼近度(表4),以對各代表段風險發生可能性進行評價。

表4 代表段評價結果

由評價結果可知,基坑的第1段、第3段發生風險可能性較大,這與它們近接魚塘及響泉,且端頭井基坑相對寬度及埋深更大有關。因此,端頭井段及靠近魚塘、響泉基坑段施工應該分層開挖、及時支護、嚴禁超挖,魚塘中對浮泥進行清淤換填并控制回填土質量及壓實度,應當加強對圍護結構以及地表的變形監測,如若超標,需要及時查明來源并采取一定的加固措施。同時由于基坑中分布著不穩定的承壓含水層,需要對含水層進行減壓,降低突涌風險。

4 結論

依托在建濟南城市軌道交通9號線一期開源路站,對車站基坑開挖施工進行安全風險評估,梳理了本站的風險來源,構建包含環境因素、設計因素、人員因素、材料因素、設備因素、管理因素6個二級指標及16個三級指標的風險評估體系。通過CRITIC-TOPSIS法分析了車站基坑開挖施工風險評價指標的相互重要性,并分段對基坑風險發生可能性進行評價。結果表明:基坑周邊環境與支護不足是構成基坑風險發生的主要來源,端頭井處由于基坑的寬度、深度相對更大,施工時也應當加強監測?？偟膩碚f,地鐵車站施工時風險來源因素多,有必要從多風險作用的角度去采取措施,降低風險。