無錫地鐵盾構始發(fā)風險分析

劉 潯,范云中,豐土根,陸 躍

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098;3.鎮(zhèn)江市農業(yè)委員會,江蘇 鎮(zhèn)江 212009;4.南京城建隧橋經營管理有限責任公司,江蘇南京210017)

近年來,隨著不斷增長的交通需求,國內外各大城市紛紛投入巨資建造軌道交通,與此同時,一些新的施工工藝和技術也不斷涌現(xiàn)出來。與傳統(tǒng)的隧道施工方法不同,盾構法是一種集機械、土木、信息于一體的綜合性的地下工程施工方法,具有快速、優(yōu)質、安全、經濟、對地層的適應性強、對環(huán)境影響小和勞動強度低等優(yōu)點。從我國綜合國力、環(huán)境保護、長遠利益等方面考慮,新建地鐵隧道中將有很大一部分采用盾構法施工。

經過幾十年的工程實踐和技術研究,我國在盾構施工方面解決了很多疑難問題,積累了豐富的實踐經驗。但是盾構始發(fā)的施工技術仍然是困擾隧道施工的難題,盾構始發(fā)是盾構施工中風險最大的環(huán)節(jié),最容易發(fā)生工程事故。根據統(tǒng)計,在已運用盾構法建設的隧道工程中,70%以上的事故發(fā)生在盾構始發(fā)過程[1]。

前人的研究[2-6]表明,風險管理在隧道工程的應用研究在西方許多國家己經相當普遍,并己經成為隧道工程中必須實施的一項重要內容。但是現(xiàn)階段研究的成果主要集中在定性分析方面,真正定量化的研究成果很少,定量的研究往往只是局限于可靠度的計算。本文根據無錫地鐵1號線的工程地質與水文地質、周圍環(huán)境條件、圍護結構形式、使用的盾構機型等,對無錫地鐵盾構始發(fā)風險進行系統(tǒng)的分析。

1 非線性模糊綜合評判方法

1.1 風險等級的劃分

為了有效把握工程的風險事故,指導風險決策的開展,需對不同的風險事故進行風險等級劃分。一般來說,風險可表征為風險事故發(fā)生的概率和事故損失的乘積。包括風險發(fā)生概率等級標準(見下表1)和風險事故損失等級標準(見下表2),根據風險的基本定義,制定相應風險的等級標準和接受標準。

表1 風險發(fā)生概率等級標準

表2 風險事故損失等級標準

1.2 基于模糊綜合評判法的風險評估簡介

引進模糊數學理論[7-8],建立盾構始發(fā)施工風險分析模糊綜合評判模型對應的計算模型,具體如式(1)。

式中,[Ri]為12個二級影響因素[pi]分別對應的一級評價指標[pij]的隸屬度向量所構成的一級評判矩陣?！槟：阕?。Wi為12個二級風險因素[pi]分別對應的一級風險指標[pij]由于其間的重要程度不同所構成的權向量,[Ni]為12個二級風險因素[pi]分別對應的一級風險因素評價指標[pij]的一級評價結果向量,即二級評判矩陣中的向量;[N0]為盾構始發(fā)端的二級(最終)評判結果向量,即盾構始發(fā)端風險分級的隸屬度向量(五維向量)一般根據[N0]中的5個元素的大小及最大隸屬度原則可確定盾構始發(fā)端風險等級。

由于分為五個等級來確定風險比較粗糙,因此,有必要通過定量化來確定更細的分級結果,所以采用百分制的方法,先確定各類等級所對應的評分值,然后由下述方法計算風險等級值,即:

式中:aj為各個等級的評分值,為了簡化計算,取對應區(qū)間的中值計算;nj為一級或者二級評判結果向量[Ni]的第j個值;Qk為評判結果定量化處理值,其所在區(qū)間對應等級即為最終的風險等級。

2 無錫地鐵盾構始發(fā)風險識別

結合無錫地鐵1號線的地質條件、加固方式分析,對盾構始發(fā)風險因素進行合理分類,從而建立盾構始發(fā)端施工風險分析的模糊綜合評判指標體系,其中盾構始發(fā)端包括盾構機吊裝和拼裝事故、拆除封門后出現(xiàn)涌土和流砂、洞口土體流失、盾構推進軸線偏離設計軸線、后盾系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)、盾構機無法正常推進甚至后退;盾構到達端包括盾構姿態(tài)突變、偏離目標井或對接錯位、盾構基座變形、洞口失效漏水、盾構到達引起基坑塌方等12個二級指標和相應的39個一級指標。綜合評判指標體系如表3所示。

3 無錫地鐵一號線盾構始發(fā)風險評估

3.1 風險源權重的確定

通過模糊層次分析法對無錫地鐵1號線始發(fā)各風險源權重進行計算。

要確定評判因素的權重,須考慮參數β的選擇,因為權重wi是關于β的函數。而 β代表的是決策者的分辨能力。本文中,由于風險一級評價指標的相關聯(lián)的指標個數不是太多(≤5),影響權重大小的參數β不必取很大的值,綜合考慮取β=50,二級指標權重也取β=50。

通過1～9標度法[9]構造出判斷矩陣,然后將判斷矩陣轉換為模糊標度下的比較矩陣,再計算出各指標權重結果如表4所示。

表3 綜合評判指標體系

3.2 各指標突出影響程度的確定

一級評價指標的最終突出影響程度系數取值如表5所示。

3.3 風險源的風險評分值和隸屬度的確定

結合無錫地鐵一號線盾構始發(fā)端的具體情況確定一級評價指標的風險評分值Qi如表6所示。

表4 各指標權重結果

采用折線方法確定一級指標各評價指標的隸屬度,公式如下:

將表6中一級評價指標的評分值代入式(3)～式(7)中,則可以確定各個風險指標對應各個風險等級的隸屬度的值r′ij,具體的隸屬度取值見表7。

3.4 一級評價指標的評定

為了使變換后的矩陣與原矩陣具有較好的一致性,本文將各個一級評價指標的隸屬度值分別構成的原始模糊矩陣通過式 rij=10×r′ij轉換,轉換以后的矩陣即為可進行非線性運算的模糊評判矩陣[Ri](i=1,2,3,…,12),然后由確定的各個一級評價指標的權重[wi](i=1,2,3,…12)、最終的突出影響程度系數λji、非線性模糊評判矩陣[Ri](i=1,2,3,…,12)進行非線性運算,得到一級評判結果向量[Ni](i=1,2,3,…,12),其計算結果見表8。

表5 最終的各個評價指標的突出影響程度的取值

表6 無錫地鐵一號線風險源的風險評分值

表7 無錫地鐵一號線風險源的隸屬度

表8 [Ni]計算結果

3.5 二級評價指標的評定

在得到一級評價指標的評判結果向量[Ni](i=1,2,3,…,12)以后,根據式(2)計算二級評價指標的風險評分值,再根據式進行轉換計算,得到二級指標的最終突出影響程度系數,見表9。

利用式(2)對最終的二級模糊綜合評判結果向量[N0]進行定量化計算,得到風險評分值 p0和分別為124.68和127.55。

表9 二級指標的最終突出影響程度系數

由此可知,無錫地鐵一號線的盾構始發(fā)端的風險等級為二級110≤Q≤130,由于其接近于中值120,所以屬于二級中等;無錫地鐵一號線的盾構到達端總的風險等級為二級110≤Q≤130,由于其接近于上限130,屬于二級偏一級。

為了證明上述方法的合理性,本文采用線性的方法(模糊層次分析法確定權重)來進行風險評估,評判結果向量為:

風險評分值為p0和p′0分別為124.98和127.87。

通過線性風險評價,無錫地鐵1號線盾構始發(fā)端的風險等級屬于二級110≤Q≤130,所以屬于二級中等,到達端總的風險等級為二級110≤Q ≤130,屬于二級偏一級。

4 結 論

本文針對盾構始發(fā)端施工中質量與安全影響因素的特點,進行風險分析,選取主要的風險影響因素,考慮其間的層次性和模糊性,建立了盾構始發(fā)端施工風險分析的模糊綜合評判模型,全面、合理地反映了各種因素對盾構始發(fā)端施工風險的影響?？梢缘玫降慕Y論如下:

(1)采用模糊數學理論,在研究風險評判等級、影響因素以及評價指標的隸屬度和權向量確定方法等的基礎上,建立盾構始發(fā)端施工風險分析的模糊綜合評判方法,可以使盾構始發(fā)端施工風險分析方法更趨合理性與可操作性。

(2)采用模糊層次分析法來計算權重,并引進模糊矩陣合成算子進行計算,突出評判過程中不利因素對盾構始發(fā)端施工質量與安全風險評估結果的突出影響,可以使得評判結果更具有合理性。

(3)通過建立非線性模糊綜合評判法對無錫地鐵1號線盾構始發(fā)進行風險評價,再通過線性模糊綜合評判法進行比較與驗證,結果是一致的,而在無錫地鐵1號線盾構始發(fā)的實際施工過程中沒有出現(xiàn)較大的事故,也間接證明了本文方法的合理性。

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