摘要：降水是影響基坑工程施工安全的關(guān)鍵性因素之一，為了減少和預防基坑防、降水不當導致的基坑失穩事故，建立了基于模糊事故樹(shù)法的基坑防排水工程風(fēng)險評估體系。從止水、排水、降水三個(gè)方面，對基坑工程防排水措施中的危險源進(jìn)行了分析和辨識，建立了基坑防排水事故樹(shù)。用三角模糊數表述基本事件發(fā)生概率，計算得到系統模糊失效概率。通過(guò)中值法進(jìn)行重要度分析，得到系統各基本事件的模糊重要度。工程實(shí)例應用表明，評估結果與實(shí)際情況較為符合，系統模糊失效概率能較好的反映基坑防排水系統的風(fēng)險水平，模糊重要度的分析可為制定基坑施工安全措施和應急方案提供指導。
Abstract: Water was a key factor which influenced the safety of civil engineering, to prevent and reduce waterproof and drainage accidents, the risk evaluation system of the waterproof and drainage system in excavation engineering based on Fuzzy Fault Tree Method was established in this work. Waterproof and drainage and its influencing factors in excavation engineering were studied, and the fault tree of waterproof and drainage was set up from three aspects, which were sealing, draining, dewatering. To deduce the defect that the probabilities of uncertain events were presented as exact values in conventional fault tree analysis, the probabilities of events were described by the triangular fuzzy number to calculate the fuzzy failure probability of the top event. Fuzzy importance analysis of basic events was achieved by median method. At last, a project case was assessed by the system, and the result of the assessment accorded closely with the status of the project. The fuzzy failure probability of the top event can reflect the risk level of system appropriately, and the result of basic events" fuzzy importance degrees can be used to make safety measures of the engineering.
關(guān)鍵詞： 深基坑工程；防排水；事故樹(shù)；模糊理論；風(fēng)險評估
Key words: deep excavation；waterproof and drainage；fault tree；fuzzy mathematics；risk assessment
中圖分類(lèi)號：TU443 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0114-03
0引言
近年來(lái)，隨著(zhù)城市建設的發(fā)展，高層建筑和大型地下空間的開(kāi)發(fā)和利用成為必然，深基坑數量越來(lái)越多[1]。
工程的防、降水是基坑工程的一個(gè)難點(diǎn)，由于客觀(guān)施工條件與施工環(huán)境的復雜性、不確定性以及主觀(guān)施工管理的局限性，由工程防、降水不當引起基坑失穩的事故頻頻發(fā)生。唐業(yè)清等[2]對168個(gè)基坑事故實(shí)例進(jìn)行分析，統計結果表明70%以上的基坑工程事故是水直接或間接造成的。周紅波等[3]從工程風(fēng)險的角度對所搜集的52例城市軌道交通車(chē)站基坑事故進(jìn)行分析，指出“滲流破壞、支撐失穩、坑內滑坡”為最常見(jiàn)的三類(lèi)事故，其中滲流破壞占事故總數的62%，明確指出地下水的防治是關(guān)乎基坑工程安全的首要因素。
以往對基坑工程中防、降水的研究主要是集中在基坑降水方面的監測和數值模擬[4-6]，缺乏系統的風(fēng)險評估方法?；诖?，本文建立了基于模糊事故樹(shù)法的基坑防排水事故風(fēng)險評估體系。
目前，模糊事故樹(shù)方法已廣泛應用于煤礦[7]、電力[8]、土木工程[9]等領(lǐng)域。事故樹(shù)方法已較為成熟，它有助于理清系統可能發(fā)生的某種事故與導致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系；模糊數學(xué)則較經(jīng)典概率論更適合于描述事件的復雜性和不確定性的特性，降低了由精確值表述和計算事件概率造成的偏差。
本文運用模糊事故樹(shù)方法，以分析系統失效概率和事件重要度為重點(diǎn)，對系統風(fēng)險分析進(jìn)行量化，分析結果有利于預測系統風(fēng)險水平和制定安全措施，為基坑防排水系統風(fēng)險控制提供依據。
1三角模糊數的概念與運算
模糊數學(xué)用于處理現象不精確和模糊的問(wèn)題，其基本思想是把經(jīng)典的絕對隸屬度模糊化，從特征函數來(lái)說(shuō)，就是元素x對集合A的隸屬程度不僅僅局限于0或1，而是可取0~1之間的任何一個(gè)數值。
Fuzzy集的隸屬函數有矩形分布、梯形分布、正態(tài)分布等[10]，為簡(jiǎn)化計算，本文采用三角形分布（梯形分布的特例）進(jìn)行模糊分析及運算。
1.1 三角形分布隸屬函數
設A為論域X到[0，1]的一個(gè)映射，即A：X→[0，1]，x→A（x），稱(chēng)A是X上的Fuzzy集，A（X）稱(chēng)為Fuzzy集A的隸屬函數，代表x對Fuzzy集A的隸屬度。
三角形分布的隸屬函數表達式及函數曲線(xiàn)如式1和圖1所示。
A（x）=
m-a⩽x m⩽x⩽m+b 0其他 （1） 式中：m對應于隸屬函數為1的數，也稱(chēng)為模糊數的均值；a和b為參數，分別表示函數向左和向右延伸的數值大??；m-a和m+b稱(chēng)為模糊數的左、右分布參數，表示函數向左和向右延伸的程度。 1.2 三角模糊數的運算法則 將三角模糊數A記為（m-a，m，m+b），可得三角模糊數A1=（m1-a1，m1，m1+b1）和A2=（m2-a2，m2，m2+b2）的代數運算法則如下： 加法⊕ A1⊕A2 =（m1+m2-a1-a2，m1+m2，m1+m2+b1+b2）（2） 減法 A1A2 =（m1-a1-m2-b2，m1-m2，m1+b1-m2+a2）（3） 乘法 A1A2 =（（m1-a1）×（m2-a2），m1×m2，（m1+b1）×（m2+b2））（4） 2基坑防排水風(fēng)險評估體系的建立 2.1 基坑防排水系統事故樹(shù)的建立 水的控制與基坑工程的安全以及周邊環(huán)境的保護直接相關(guān)，工程中通常采用止水、降水和排水措施對基坑水進(jìn)行處理[11]。由于施工環(huán)境復雜，施工質(zhì)量和技術(shù)的不足，使基坑水的隱患不能被完全消除。本文從止水、降水和排水三個(gè)方面，對基坑工程防排水措施中的危險源進(jìn)行了分析和辨識，建立基坑防排水事故樹(shù)，如圖2所示。 2.2 最小割集的確定和系統模糊失效概率的計算 2.2.1 確定最小割集 采用布爾代數法求事故樹(shù)的最小割集，對于圖2建立的事故樹(shù)進(jìn)行布爾運算： T=A1+A2+A3 =X1（X2+X3+X4）+B1+X7+X8+X9 =X1X2+X1X3+X1X4+X5X6+X7+X8+X9 該事故樹(shù)最小割集為{X1X2}，{X1X3}，{X1X4}，{X5X6}，{X7}，{X8}，{X9}，分別對應于導致頂上事件發(fā)生的7種事故發(fā)生模式。 2.2.2 計算系統模糊失效概率 實(shí)際工程中，頂事件的發(fā)生概率P（T）一般采用近似的獨立事件和概率公式來(lái)計算： P（T）≈1 - [1-P（K）]（5） 式中：P（K）為i第個(gè)最小割集的發(fā)生概率。 將底事件發(fā)生概率全部表示為三角模糊數，依據1.2節運算法則進(jìn)行運算，先計算得到每個(gè)最小割集的概率，再通過(guò)計算得到的頂事件發(fā)生概率P（T）也為三角模糊數，表示為： P（T）=（[（1-（1-m+a））， （1-（1-m））， （1-（1-m-b））]）（6） 式中：P（K）為第i個(gè)最小割集的發(fā)生概率用三角模糊數表示為（mi-ai，mi，mi+bi）。 2.3 模糊重要度分析 在事故樹(shù)中，找出對頂事故發(fā)生概率影響較大的基本事件是模糊重要的分析的主要目的。本文在對事件重要度進(jìn)行分析的時(shí)候采用了中值法[12]。 在模糊數隸屬函數坐標系中，存在一點(diǎn)（me，0），通過(guò)該點(diǎn)作豎直線(xiàn)，以此豎直線(xiàn)作為分界線(xiàn)，分得模糊數函數曲線(xiàn)與橫坐標軸圍成區域左右兩部分面積相等，稱(chēng)點(diǎn)（me，0）為模糊數的中值。 當系統全部基本事件按其各自概率發(fā)生時(shí)，求得的系統頂事件模糊概率中值為mTe；當系統中第i個(gè)基本事件不發(fā)生，其他事件均按其各自概率發(fā)生時(shí)，求得的系統頂事件模糊概率中值為m。稱(chēng)S=m-m>0為基本事件i的模糊重要度。 如果S>S，則認為基本事件i比基本事件j重要，對系統的影響大，若要改進(jìn)系統，降低系統的失效概率，應首先預防和降低基本事件i故障的發(fā)生。 3工程實(shí)例 3.1 工程概況 杭州市某大廈，基坑平面尺寸65m×40m，開(kāi)挖深度 -12.00m，場(chǎng)地地表下3m范圍為雜填土，其下為粉砂土層，-17.00m以下為不透水泥質(zhì)粘土層，地下水位在-2m以下?；颖眰染o鄰人行道，其下埋有電纜、水管等地下設施，南側為住宅樓，其間有圍墻、道路，下埋化糞池和上下水管道。 基坑采用鉆孔灌注樁加兩層預應力鋼管內支撐作為擋土支護結構，深度-25m，采用水泥攪拌樁和旋噴樁作為隔水擋土結構，深度-13.5~15m，人工降水輔助施工。 3.2 基坑防排水系統的風(fēng)險評估 3.2.1 系統模糊失效概率 根據對工程的實(shí)際調查和專(zhuān)家評分結果，得到基本事件發(fā)生概率如下： ①二值基本事件X2和X5。 二值基本事件的發(fā)生概率為（0，1）分布，當事件發(fā)生時(shí)，P=1，事件不發(fā)生時(shí)，P=0。根據對工程的實(shí)際調查，工程中根據設計施作了止水帷幕和排水設施，因此在計算頂事件發(fā)生概率時(shí)，X2和X5概率值取為0。 ②隨機基本事件X1，X3，X4，X6，X7，X8，X9。 假設a=b=0.1m，對各隨機基本事件的發(fā)生概率模糊化，得到各基本事件的模糊概率，如表1所示。 由式（6）及基本事件的模糊概率值計算得，頂事件發(fā)生概率為P（T）=（0.2963，0.3303，0.3640），即該系統失效概率為29.63%~36.40%，以33.03%可能性最大。 3.2.2 基本事件模糊重要度 采用2.3節所述的中值法，得到的基本事件模糊重要度分析結果列于表2。 基本事件模糊重要度的排列順序為X1，X2，X8，X9，X4，X5（X6），X3，X7。結果表明，系統受到地質(zhì)條件、周?chē)芫€(xiàn)、降水措施以及止水帷幕施工質(zhì)量的影響很大，因此，只有對其進(jìn)行控制和改善才能有效提高系統的可靠度。 對此，我們應當努力做好以下工作：對設計和施工之前的水文地質(zhì)條件以及周?chē)h(huán)境的勘察工作引起充分的重視，為了降低和排除工程隱患，對不良地質(zhì)或環(huán)境采取必要的措施進(jìn)行預處理；為了保證施工環(huán)境的穩定，應當對坑內坑外才有有效的降水措施；保證止水帷幕的施工質(zhì)量和止水效果。 3.3 施工信息反饋 挖土階段：整個(gè)帷幕由于施工時(shí)樁位、垂直度偏差以及地下障礙等造成相鄰兩樁互搭不嚴密而出現若干漏水縫隙，局部基坑挖到-7.00m后暴露出的灌注樁突然噴射出大量流砂，表明帷幕不能夠充分發(fā)揮止水封閉的作用。 地下室施工階段：在施工期間，為了避免坑內外存在較大的水頭差應當停止坑外降水，從而減少坑外降水對臨近建筑物的影響；事故后檢查發(fā)現，基坑南側地下排污水管和自來(lái)水管一直漏水，造成地下水土大量流失；其間，突降暴雨，造成地下水位猛漲，強大的坑內外水頭差，致使大量流砂噴射而入，坑外地面不斷下沉，基坑南邊60多米長(cháng)的圍墻大范圍倒塌。 評估結果與實(shí)際情況較為符合，系統模糊失效概率能夠反映基坑防排水系統的風(fēng)險水平，模糊重要度的分析能較為準確的反映系統中的薄弱和高風(fēng)險環(huán)節。 4結論 首先，對基坑防排水系統中的危險源進(jìn)行識別，從止水、降水和排水三個(gè)方面，對風(fēng)險因素進(jìn)行分析和歸納，建立了基坑防排水事故樹(shù)。 其次，運用模糊數學(xué)的方法對事故樹(shù)進(jìn)行分析，采用三角模糊數表述和計算事件概率，得到系統的模糊失效概率，采用中值法確定事件的模糊重要度。 最后，將建立的評估體系用于一工程實(shí)例中，得到系統的失效概率和重要度排序，并據此制定了風(fēng)險控制措施。 參考文獻： [1]劉國彬,王衛東.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009. [2]唐業(yè)清,李啟民,崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000. [3]周紅波,蔡來(lái)炳,高文杰.城市軌道交通車(chē)站基坑事故統計分析[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì),2009(2):67-71. [4]夏建中,羅戰友,龔曉南.錢(qián)塘江邊基坑降水的設計與監測[J].巖土力學(xué),2008,29(S):655-658. [5]周念清,唐益群,婁榮祥等.徐家匯地鐵站深基坑降水數值模擬與沉降控制[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(12):1950-1956. [6]賀亞魏,尹小濤,李丹等.深基坑降水與回灌數值模擬試驗研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2008,34(5):108-112. [7]賈智偉,景國勛,張強等.基于三角模糊數的礦井火災事故樹(shù)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2004,4(6):62-65. [8]吳彤,涂光瑜,羅毅.采用模糊集合論事故樹(shù)法的變壓器故障分析[J].水電能源科學(xué),2008,26(1):177-180. [9]劉亞蓮,周翠英.基于模糊事故樹(shù)理論的堤防失事風(fēng)險分析[J].水電能源科學(xué),2010,28(6):86-88. [10]胡寶清.模糊理論基礎[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010. [11]梁衛東,張俊平等.深基坑工程中地下水問(wèn)題的研究[J].施工技術(shù),2005,34(6):60-61. [12]李青,陸廷金等.三角模糊數的模糊故障樹(shù)分析及其應用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,29(1):56-58.
