基于CiteSpace的深基坑安全风险管理分析与展望

汤洪霞,刘子轩,2,邵志国

(1.青岛理工大学管理工程学院,山东 青岛 266520;2.青岛理工大学工程质量检测鉴定中心有限公司,山东 青岛 266000)

随着中国城市空间立体化发展,发展地下空间资源或建设高层乃至超高层建筑成为常态。复杂环境下的深基坑工程不断涌现,安全风险问题显得格外突出。深基坑事故的发生会造成重大的人员与财产损失,甚至对社会稳定也有严重影响。例如:2005年7月,广州海珠城广场基坑坍塌,造成3人死亡,临时搬迁590余人,直接经济损失超2亿元;2008年11月,杭州地铁1号线湘湖站基坑坍塌,造成24人死亡,直接经济损失4 961万元。从历次事故调查结论中可以看出:风险事故是由小概率事件导致的链式反应,在“事故萌芽—缓慢发展—快速发展—事故险情”这一链条上,对每一节点采取有针对性的措施,都可以有效遏制事故的发生。因此,研究深基坑事故孕育演化规律与成灾机制,探究深基坑工程风险防控理论与技术,对复杂环境下大型岩土工程施工风险管理、事故预报等具有重要意义[1]。

针对该问题,众多学者已进行大量相关研究。熊自明等[2]开拓了以风险评估为基础的风险决策理论,为现阶段岩土工程施工安全风险管理研究奠定了坚实基础;王卫东等[3]结合基坑实验模拟,探讨了风险耦合作用机理;夏天等[4]在风险预警方面贡献突出,建立基于LSTM的深基坑变形安全风险预警模型,提高了基坑变形预警的精确性;翟越等[5]在风险评价上作出创新,采用IFS-动态加权的方法,并运用到实际工程中,为地下综合体深基坑工程风险分析提供了合理思路。当前的研究呈现出多主体、多方向等特点,因此,探析该领域的现状与发展趋势具有重要现实意义。

本文采用CiteSpace软件,基于文献计量方法,分析深基坑安全风险管理领域的研究进程,绘制相应的知识图谱,以可视化的形式分析总结该领域的研究进展,提出对深基坑安全风险管理现有研究的思考和对未来的展望。

1 数据来源与研究方法

本文选取中国知网数据库,依托文献计量学理论[6]利用CiteSpace软件绘制相关知识图谱,通过挖据数据、处理信息等手段,了解该领域发展历程并分析前沿热点。数据检索方式采用高级检索,检索2000—2021年主题为基坑风险管理、基坑安全评价、基坑预警模式的SCI、EI、CSSCI、CSCD等核心期刊文献,共获得文献433篇,经筛查剔除关联度不高的文献,得到具有较强代表性的文献382篇。

2 文献数量分析

对文献按年份统计,得到深基坑安全风险管理领域2000—2021年历年文献发表数量(以下简称“发文量”),如表1所示。

表1 历年文献发表数量

发文量随时间的变化趋势一定程度上可以反映社会政策与行业发展的关系。杨德钦等[7]对我国建筑行业传统的评价体系与现代化评价体系进行对比,认为:我国建筑行业在2012年之前处于高速增长时期,以要素投入驱动为主,注重增量增速,是低质量、单一化的;2012—2020年,处于高质量、可持续发展阶段,以技术进步驱动为主,是多元化、可持续性的。

3 核心研究者与研究机构分析

3.1 核心研究者分布

学术带头人是文献的核心作者。为了解深基坑风险管理领域核心作者发文情况,运用CiteSpace软件得到作者合作共现图谱(见图1),并得到2000—2021年该领域作者发文数量在3篇(含)及以上的作者统计表(见表2)。

图1 作者合作共现图谱

表2 作者发文数量统计

图1显示出各作者之间相互合作的关系网络。作者间的合作关系通过线条连接,连线越密集说明作者间的合作越紧密。图1中展现出分别以宋二祥、周红波、刘涛、吴波为中心(以时间先后排序)的4个主要团体,团体成员间存在较强的合作关系。同时,图1中其他作者较为分散,表明作者在文献研究上缺乏沟通。整体来看,在深基坑安全风险管理领域下的研究者较分散,研究方向多样,表明在深基坑安全风险管理领域存在着许多分支,亟待深入挖掘。

发文量在3篇(含)以上的作者统计情况,如表2所示。其中,宋二祥最早开始在深基坑安全风险管理领域进行研究,随后是周红波、王洪新和黄宏伟,以周红波研究成果最多。另一方面,以下作者在该领域持续研究并取得丰硕成果:吴波在2020—2021年发表多篇研究成果,涉及地铁车站风险评估、数值模拟分析、模糊综合评判及时空效应实测分析的应用研究;王洪新、宋二祥在2020—2021年开展有关基坑坑底稳定性的研究,涉及定量分析及验算方法的改进;魏道江分别在2020年和2021年应用模糊理论进行深基坑风险评估及等级评价的研究。

3.2 核心研究机构分布

表3 核心机构及其发文数量统计

由表3可知,发文数量多于5篇(含)的核心机构有20所,共发表文献145篇。核心机构有15所高校、1所科研院所、4所社会单位。纵观核心机构的隶属分布,高校是工程理论的研究主阵地,充分发挥了其专业性,产生许多科研成果,并具有实际应用及生产价值,贯彻“产—学—研”深度融合理念。同时各科研院所与社会单位依据其自身的优势力量,发挥了实践操作能力,带动了“产—研”的良性循环。

3.3 论文发表期刊统计

对382篇文献的来源期刊进行整理,按刊发数量排序,得到排名前10位的期刊,见表4。刊载量最多的期刊是《岩土工程学报》(37篇),涉及深基坑安全风险管理领域的工程研究、技术开发、工程与项目管理、应用基础研究及政策研究。

表4 期刊发文数量统计

4 研究热点及研究前沿分析

4.1 高频关键词共现及聚类分析

关键词是对文献的高度凝练,突出文献的基本研究内容。高度凝练的关键词具有很强的浓缩性、可计量性,并在一定程度上具有相互链接的功能。因此研究样本文献的关键词可以迅速窥探该领域的文献全貌,了解文献之间的潜在联系,并为文献的定量研究奠定良好基础。

CiteSpace软件算法认为出现频次越高、中心度越大的关键词是在一段时期内某一研究领域的热点和主要研究方向。分析样本数据,得到深基坑安全风险管理领域关键词共现图谱,见图2。图2中所示各关键词间具有十分密切的联系,呈现链状或链群关系,链群越紧密,关键词引用越频繁,表明在该链群中研究者产生的成果越多。反之,越在链群外围或两链群相联系处,分枝越疏松,表明该范围内缺乏深入研究,越容易产生科研成果。

图2 关键词共现图谱

图2中共有网络节点579个,节点连线1 511条,网络密度0.009。节点的中心度用来表明某个领域的指标重要程度,由此,按照共现频次的大小,对关键词进行排序,列举排名前20的关键词,见表5。其中,深基坑、基坑、风险评估和基坑工程出现的频次和中心度均排名靠前,而监测、风险评价、风险管理、基坑开挖、数值模拟等关键词出现频次相对较低,但中心度相对较高,表明这些关键词在深基坑安全风险管理领域缺乏更进一步的探索,具有广泛深入的研究价值。

表5 排名前20的关键词

关键词聚类分析是将关键词聚成不同的类别,清晰地反映出该领域的研究范围。本文在图谱分析前,首先对图谱的合理性进行综合判断,确定图谱聚类的合理性,通常图谱绘制的合理性参考聚类模块值Q与聚类平均轮廓值S两个指标评价:Q大于0.3,说明图谱网络结构合理;S大于0.7,则说明可信[9]。采用对数释然率(LLR)算法对关键词进行聚类,得到关键词聚类图谱,见图3。

图3 关键词聚类图谱

绘制的关键词聚类图谱Q≈0.647,S=0.880 3,表明该图谱的网络结构合理,图谱绘制较为成功。

本文采用对数释然率(LLR)算法对关键词进行聚类分析,该关键词聚类图谱中除动态设计(#12)以外的其他聚类单元的容量均大于10,表示聚类效果良好;其次,每个聚类单元的同质性均大于0.7,可认为每个聚类单元中各要素间紧密程度较好,聚类是成功的。这382篇文献数据被分为13个聚类单元,见表6,分别是深基坑(#0)、基坑(#1)、安全系数(#2)、地铁(#3)、风险评估(#4)、控制措施(#5)、风险评价(#6)、基坑开挖(#7)、基坑监测(#8)、地铁车站(#9)、地铁基坑(#10)、基坑安全(#11)、动态设计(#12)。下面对主要聚类单元进行分析总结。

表6 关键词聚类信息表

1)聚类#0深基坑。基坑工程的显著特点是综合性、系统性,尤其是在不同复杂环境下,支护体系的选取、建立及过程监测尤为重要,并要求实现其经济性与可靠性。

早在1992年,程良奎[10]就结合国内外典型岩土工程,详细论述了预应力锚杆体系在边坡加固、地下工程支护、深基坑支挡及结构抗浮中的特点,并提出可以发展锚杆新工艺改善锚固效果,以保证其经济合理和稳定可靠。2000年,庞宝根[11]分析了深基坑围体发生流沙的抢救措施,强调了施工中实时数据的动态监测和动态管理的作用。随着理论研究的不断深入,更加经济安全稳定的基坑支护体系应运而生,在特殊险情处置上提出了更有效的应对措施,并取得了良好效果。2021年,马加志等[12]在富水砂层超深基坑开挖突涌应急处置技术上取得新突破,提出“坑内混凝土反压+控制坑内水位+外围注浆围堵的综合注浆法”的处置方法,为类似工程预防和应急处置提供了科学参考。2022年,闫腾飞等[13]深入研究了深基坑地连墙支护体系变形规律,解决了因轴力不足、局部应力集中导致支撑失稳的问题,进一步提高了支护结构利用效率。

2)聚类#2安全系数、聚类#11基坑安全。处于城市环境下的深基坑工程,其特点是周边既包含建筑、交通设施,又有复杂的地下管线。在控制基坑变形过程中,研究者针对不同地质情况,运用有限元思想,结合MIDAS/GTS/NX等模拟软件,对基坑动态开挖过程进行建模分析,能够更有效地指导现场施工。例如:运用有限元分析理论,结合空间效应和反演方法,得到桩身受力变形的力学模型[14];从地质特性、事故原因及处理措施等方面更新基坑围护结构安全性验算方法[15]。

2010年以后,学者们更多地倾向于从工程环境与建设各方的角度出发,探究影响基坑安全的相关因素,取得重大突破。2015年,闫怀瑞等[16]从工程地质学角度对软土深基坑中可能出现的不良地质环境效应进行研究;2020年,张立天[17]从建设工程五方责任主体入手,应用基于BIM技术的深基坑安全管理信息集成平台,形成BIM+安全管控的4D模拟模式,以提高项目的信息化建设。

3)聚类#4风险评估、聚类#6风险评价。风险不单单来源于地质环境、机械等因素,现阶段的风险评估还将社会因素作为重点,主要是“人”的因素:工程的实施主体是人,人为差错会产生管理漏洞,导致在风险决策上产生偏差,引发工程风险;其次建设各方是以利益为共同体的团队,开发商需要控制投资,设计方要在控制投资的前提下预留最多的安全余量,施工方要节省成本,以上因素也加剧了工程风险。

2009年,许朝阳等[18]综合施工动态变化和人为差错失效模式,结合模糊综合评判法,建立动态风险分析体系,提出风险分析中最急需的是建立工程人为因素数据库;2012年,张姣[19]通过优化卢克模型,研究深基坑工程的人因失效概率方法,建立以工序为层级的人为差错模型,并研究每个差错导致工程失效的概率,使得风险评价结果更准确;2017年,孙开畅等[20]提出动态贝叶斯网络人为因素风险评价模型,对人为因素进行定量分析,从而达到有效控制事故发生的目的;2019年,王晓彦等[21]对PPP项目各利益相关者的利益诉求和冲突进行博弈分析,认为厘清不同利益主体之间的关系可以有效管控PPP项目风险,建立合理的利益分配和风险分担机制,有利于激发利益主体的活力。

4)聚类#5控制措施。深基坑工程的风险控制措施,一定程度上基于工程风险分析和风险管理的方法。目前研究者关注的主要风险类型分为社会风险、政治风险和现场风险:社会风险研究主要针对社会风险与利益相关者之间的关系;政治风险主要包括政策对不同类型项目的影响;现场风险则侧重环境、人因、管理等因素。此外,建筑领域融入信息化技术,使参建各方信息协同与交互模式发生根本性的变革,随着大数据、物联网技术的广泛应用,出现了结合物联网技术和WebGIS技术,利用开源Cesium三维可视化引擎以及开源PostgreSQL数据库,研发出三维深基坑实时监测平台并成功应用于工程实际,实现了三维可视化和在线监测功能,便于项目管理各方对工程整体的把控。

5)聚类#12动态设计。动态设计理念在岩土工程中具有重要作用,其在岩溶基坑、软土基坑中的研究较为深入。2000年,范益群等[22]将工程控制论与软土基坑时空效应理论相结合,提出以时空效应理论为基石的软土深基坑工程现代设计理念;2017年,黄俊光等[23]结合溶岩地区基坑支护工程,进行信息化的动态设计,在基坑支护选型、支护桩嵌固等方面取得重大突破。

4.2 高频关键词时序分析

借助CiteSpace软件中的时间线(Timeline)视图也可了解该领域的研究关系、发展历程及演化情况。本文绘制的2000—2021年关键词时间线图谱见图4。基坑稳定性作为深基坑风险研究开展最早的内容,是一项基础性研究。从2000—2013年,多数研究是从工程实体的结构展开的,倾向于数值分析。近3年的研究以数据库为基础的多元信息化为主,并融合BIM、VR、RFID等可视化信息管理手段,综合提高深基坑风险管理及预警预报时效。

图4 关键词时间线图谱

5 结论与展望

综上所述,在深基坑安全风险管理研究领域,研究者从不同角度,运用不同的模型及算法,建立了科学的理论体系。随着国家政策的逐步完善、科学技术的不断发展,新发展理念对建筑行业提出更高要求,从传统转型到数字化赋能,同时融入更多的人本理念,而基坑工程作为建筑施工的起始阶段,在规避风险、提升管控能力上值得持续研究。同时,该领域的未来研究方向应侧重以下3点:

1)风险评价体系中除考虑施工现场环境、机械、材料、工序的不安全状态影响外,还应充分考虑人的不安全行为等因素,并赋予相关权重,建立更加全面的指标评价体系。

2)出于各参建方获利考虑,应深入研究风险分担、措施保障与收益之间的博弈关系,由不想为而为之转变成积极应对,提高风险防控意识。

3)基于地区范围内在建工程的信息库,对复杂地质、复杂工序的重点项目进行重点监管,可适当接入实时影像资料,用于政府相关管理部门的分级分类监管,同时放开各参建单位的访问权限,以便于项目各方参考学习。