軌道交通工程分級監(jiān)控指標體系框架搭建研究

王燁晟, 陳文華, 張文成

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

以地下工程為主的城市軌道交通工程為高風險工程。為實現(xiàn)對其工程本體及周圍環(huán)境安全風險進行及時、準確的預(yù)警預(yù)報，做到有效控制工程風險，減少各類事故的發(fā)生，建立安全監(jiān)控指標體系非常重要。當前，對于監(jiān)控指標體系如何建立，整體框架如何搭建等問題，國內(nèi)外文獻鮮有研究，主要研究方向集中于對某項具體指標值的確定上：徐中華[1]就周邊環(huán)境條件復(fù)雜基坑工程其變形控制指標的制定方法進行了探討，提出了基坑環(huán)境保護等級概念，并嘗試進行了分級；袁登科[2]根據(jù)對實測數(shù)據(jù)的整理，得出了南京地區(qū)基坑開挖過程中，測斜方面的一些變化規(guī)律及在確保工程安全和正常施工狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)警戒值大??；劉濤[3]選取了具有代表性的30個地鐵基坑工程的圍護墻體實測變形數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘方法，研究了基坑狀態(tài)、工程風險、施工工況、保護等級和監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合上海地鐵工程實際提出了一套合理有效的基坑變形警戒值；張瑾[4]基于實測數(shù)據(jù)，建立了基坑安全評價等級和指標體系，運用模糊綜合評判方法構(gòu)建了深基坑體系的安全評價模型，從而定量地評價了基坑本體與周邊環(huán)境的安全狀態(tài)。

綜上所述，目前有關(guān)監(jiān)控指標的研究，并未形成分級指標值制定的方法和流程。而當前監(jiān)控指標值的確定，基本參考各設(shè)計規(guī)范及設(shè)計單位所給定值的大小。而各規(guī)范對于同一個監(jiān)測項目所要求的監(jiān)控指標值均不盡相同，且對于同一監(jiān)控對象，不同規(guī)范中的監(jiān)控等級要求也不盡相同，導(dǎo)致目前監(jiān)控指標制定的隨意性和不合理性的客觀存在。

因此，如能建立一套較準確反映工程實際的分級監(jiān)控指標體系框架，并在此框架下開展相關(guān)指標值的制定工作，是一項較為緊迫且復(fù)雜的工作。本文借鑒上海市《基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程》[5]中綜合本體、環(huán)境、地質(zhì)因素的考慮，并進行分級監(jiān)控的思想，將工程本體的監(jiān)控等級同自身的安全風險等級，周邊環(huán)境保護等級，地質(zhì)條件等級綜合考慮，并從系統(tǒng)性分析角度出發(fā)，嘗試建立地鐵工程分級監(jiān)控指標體系框架。

1 分級監(jiān)控指標體系框架搭建策略

同任何科研或工作一樣，對象的確定至關(guān)重要，本文研究對象鎖定為工程及影響范圍內(nèi)的所有監(jiān)控對象及由他們所組成的系統(tǒng)，其既為監(jiān)控指標的載體，也是整個指標體系框架建立的核心。通過對監(jiān)控對象的梳理，探究它們間的影響關(guān)系是研究工作的重點。根據(jù)各對象的監(jiān)控等級大小制定出相應(yīng)的分級監(jiān)控指標，并形成體系，是最終目的。

在分級監(jiān)控指標體系框架搭建過程中的主導(dǎo)思想是：以保護周邊環(huán)境為中心，同時保障工程整體安全。具體策略如下：

(1)在變形控制上，通過監(jiān)控本體變形，達到控制周邊環(huán)境變形之目的。對于工程本體，其變形控制的依據(jù)為周邊環(huán)境和工程本體系統(tǒng)的綜合安全風險等級大小，而對于周邊環(huán)境各監(jiān)控對象，其變形控制的依據(jù)為自身的保護等級大小。

(2)引入分級監(jiān)控思想：對于綜合安全風險等級高的站點/區(qū)間，對本體應(yīng)采取嚴格的變形控制指標；相應(yīng)的，對于等級較低的站點/區(qū)間采取相對松的變形控制指標，做到監(jiān)控的有效性、經(jīng)濟性相結(jié)合。

(3)針對重要建筑、管線、道路、橋梁、地下建(構(gòu))筑物等，需進行直接監(jiān)控，通過第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)反映其安全狀況。它們的監(jiān)控等級，應(yīng)依據(jù)自身的重要性等級、健全度等級等自身要素確定的保護等級進行制定。

2 監(jiān)控對象間安全風險等級影響關(guān)系

當前大部分規(guī)范在指標制定過程中，對于工程本體安全等級分級，均考慮了影響范圍內(nèi)的周邊環(huán)境及其同周邊環(huán)境的空間位置關(guān)系進行確定。但問題在于：周邊環(huán)境安全風險等級的提高會導(dǎo)致本體安全風險等級的提高，而本體的安全風險等級提高又將導(dǎo)致周邊環(huán)境監(jiān)控對象安全風險等級提高，如此，周邊環(huán)境安全風險等級同工程本體的安全風險等級相關(guān)聯(lián)，以至于無法確分出每個監(jiān)控對象的安全風險等級大小。若力求建立一套適合所有對象的分級監(jiān)控指標體系那么此問題不可回避。

考慮到在工程實施過程中，本體是主動因素，而周邊環(huán)境是受影響因素，那么各環(huán)境監(jiān)控對象的安全風險等級的外部影響要素應(yīng)包括：其距離工程本體遠近程度、本體安全風險等級大小、地質(zhì)條件復(fù)雜程度。而對于本體的安全風險等級，無論實施過程中的周邊環(huán)境如何復(fù)雜，相對于工程施工這段時間來說幾乎靜止，因此環(huán)境對象對本體影響可不作考慮，而環(huán)境對象對本體的影響，實際上只體現(xiàn)在對其變形控制要求上。因此，通過工程綜合安全風險等級加以考慮即可(即將工程本體同周邊環(huán)境各的自安全風險等級綜合后加以考慮)。

綜上所述，各監(jiān)控對象間的影響關(guān)系及安全風險等級關(guān)系及確定思路見圖1。

結(jié)合圖1分析，無論是本體還是周邊環(huán)境，影響其安全風險等級的要素都包含自身和外部兩方面。對于工程本體，其自身要素包含：自身的重要性等級、開挖深度、自身結(jié)構(gòu)形式、所采用的施工工藝等方面，外部影響要素為地質(zhì)條件。對于周邊環(huán)境對象，包含建(構(gòu))筑物、管線、道路、橋梁等方面。其自身要素各有不同，但外部影響要素基本相同，主要包括：地質(zhì)條件、與本體的接近程度、本體的安全風險等級三個方面。對于內(nèi)部要素，建筑物一般包括：重要性等級、健全度等級、其基礎(chǔ)形式、其結(jié)構(gòu)形式、建筑物高度等方面。管線一般包括：服務(wù)年限、重要性等級、管線直徑、管線接口形式、管材種類等方面。道路一般包括：重要性等級、路面結(jié)構(gòu)類型、道路設(shè)計荷載等方面。橋梁一般包括：橋梁單孔跨徑、重要性等級、橋梁的結(jié)構(gòu)形式等方面。

圖1 監(jiān)控對象間安全風險等級影響關(guān)系

3 監(jiān)控對象等級確立流程與方法

3.1 監(jiān)控對象的確定方法

本文中監(jiān)控對象的確定方法為：針對于某個基坑或隧道工程，首先將本體作為一監(jiān)控對象，然后將其影響范圍內(nèi)所有的建(構(gòu))筑物、管線、道路、橋梁等各實體均作為環(huán)境監(jiān)控對象。

3.2 監(jiān)控對象安全風險等級、監(jiān)控等級評定方法和流程

監(jiān)控對象的安全風險等級評判是典型的多指標、多屬性問題，應(yīng)用系統(tǒng)工程學(xué)中的層次分析法進行分析十分有效。通過分析，確定影響安全風險等級的各個要素后，可建立工程綜合安全風險等級、監(jiān)控等級評估框架和流程(圖2)。

圖2 安全風險等級、監(jiān)控等級總體評定框架及流程

3.2.1各監(jiān)控對象安全風險等級評定方法

(1)工程本體

工程本體安全風險等級分級的重點考慮因素為基坑深度、暗挖結(jié)構(gòu)層數(shù)、跨度、斷面形式、覆土厚度、開挖方法等?；庸こ讨饕缘叵陆Y(jié)構(gòu)的層數(shù)及深度為基本分級依據(jù)；隧道工程主要以隧道的空間狀態(tài)(如兩隧道之間的位置關(guān)系、覆土厚度、平面半徑等)。

經(jīng)調(diào)研，對于地下工程自身安全風險等級分級，《城市軌道交通地下工程建設(shè)風險管理規(guī)范》(GB 50652-2011)在第7.3.3條中有相關(guān)說明(見表1、表2)。

表1 不同施工方法中地下工程自身的風險等級

表2 不同施工方法中地下工程自身的風險等級

(2)周邊環(huán)境監(jiān)控對象

經(jīng)調(diào)研，尚無規(guī)范或規(guī)程對環(huán)境監(jiān)控對象的安全風險等級制定分級標準。對此，可引入模糊層次分析方法開展等級評判工作，其目標層為周邊環(huán)境綜合安全風險等級，其中間層也即準則層，包含：建筑、管線、道路、橋梁等方面，進而為次準則層，包含了評定建筑物、管線等對象等級的各要素組成，最后是方案層，包括了評定各要素的可供選擇的方案、標準。綜上，其安全風險等級可通過三個模糊評判層次分析并結(jié)合一次矩陣運算即可得到。

a. 第一層次：影響要素等級模糊評價方案層，可采用專家結(jié)合參考評定標準打分法進行，打分取值范圍：(0～1)。分數(shù)越高表示此項因素對評估對象所產(chǎn)生安全風險越高。

c. 第三層次：準則層，即組成各環(huán)境監(jiān)控對象的等級，可通過以下模型進行評判。

d. 評判模型[7～11]：結(jié)合圖2，被評價監(jiān)控對象安全風險等級主要包含：兩大類要素，并分為4個等級，可得到因素論域為：

U={u1，u2}

(1)

式中：u1表示自身要素因子，u2表示外部影響要素因子。

評判集等級論域為：

V={v1，v2，v3，v4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

(2)

相應(yīng)的模糊子集為：

(3)

從而組成的模糊矩陣為：

(4)

式中：uij為第i項因素指標對第j等級的隸屬度，根據(jù)第(1)部分專家打分結(jié)果，同時結(jié)合梯形等級隸屬度函數(shù)Ui進行模糊評判得到。

(5)

(6)

(7)

(8)

此外，為使評價更據(jù)可靠性，筆者設(shè)計了一個評分表(表3)，由現(xiàn)場各參建單位，產(chǎn)權(quán)單位出專家共同打分評定，由編制單位最終確定出某監(jiān)控對象評分結(jié)果。

表3 監(jiān)控對象評級

3.2.2環(huán)境監(jiān)控對象保護等級評定方法和流程

對環(huán)境監(jiān)控對象保護等級的評定，基本同安全風險等級評定方法及流程，只是參評要素減少為自身要素，因為保護等級只與自身影響要素相關(guān)聯(lián)。同樣可分為特級、一級、二級、三級四個級別。評判標準為：特級：重要性、風險性很高需重點監(jiān)控保護；一級：重要性、風險性較高需重點監(jiān)控保護；二級：重要性、風險性一般需常規(guī)監(jiān)控保護；三級：重要性、風險性較小，只需一般監(jiān)控。

3.3 工程本體監(jiān)控等級評定方法和流程

同樣結(jié)合圖2分析，工程本體監(jiān)控等級需通過5個模糊評判層次分析得到。

(1) 第一層次：周邊環(huán)境監(jiān)控對象影響要素等級模糊評價方案層；

(2) 第二層次：周邊環(huán)境各監(jiān)控對象安全風險影響要素評判層(次準則層)；

(3) 第三層次：周邊環(huán)境監(jiān)控對象安全風險等級評判層(準則層)；

(4) 第四層次：周邊環(huán)境綜合安全風險等級、工程本體綜合安全風險等級評判層(次目標層)；

(5) 第五層次：工程綜合安全風險等級評判層(也即工程本體監(jiān)控等級評判層)(目標層)。依次通過權(quán)重分析[6]和監(jiān)控對象評級表(表3)，最終確定工程本體監(jiān)控等級大小。

4 總體分級監(jiān)控指標體系框架

綜上，可確定出所有對象的等級分級結(jié)果，在此條件下，即可開展有針對性、有重點的分級監(jiān)控工作。具體的分級監(jiān)控指標體系框架如圖3。

圖3 分級監(jiān)控指標體系整體框架

5 實例分析

以某個位于市中心地段的地鐵站為例進行分析，該車站基坑深度約為18.3 m；車站端頭井段基坑寬度為22.7 m，深度為19.8 m；外掛段基坑寬度19.8 m，基坑深度18.3 m。

首先，據(jù)工程概述，此基坑開挖深度為18.3～22.7 m，地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等，并無采用新技術(shù)、新工藝，依據(jù)本文表2中相關(guān)規(guī)定，將此基坑自身安全風險等級評定為Ⅱ級。周邊環(huán)境等級評定以某一建筑物為例進行簡要分析(表4)。

表4 周邊建筑物等級評定

據(jù)表4評估結(jié)果：此基坑周邊某一建筑物安全風險等級為Ⅰ級，則周邊環(huán)境綜合安全風險等級可定為Ⅰ級(實際操作中可根據(jù)就高原則進行快速確定，即以某一環(huán)境監(jiān)控對象的最高等級為綜合安全風險等級)，基坑本體安全風險等級為Ⅱ級，故此工程本體的監(jiān)控等級同樣可根據(jù)就高原則定為特級，或按照3.3部分層次分析法進行分析確定。

6 結(jié) 語

(1)通過對監(jiān)控對象間的相互影響關(guān)系研究，明確了安全風險等級制定思路。

(2)通過對影響各監(jiān)控對象安全風險等級及保護等級的自身影響要素、外部影響要素的剖析，確定了針對某周邊環(huán)境監(jiān)控對象的安全風險等級、保護等級的評定方法和流程。

(3)確定了工程本體總體監(jiān)控等級的制定方法流程。

(4)依據(jù)監(jiān)控等級分級結(jié)果，建立了相應(yīng)的分級監(jiān)控指標體系框架。

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