基于集對分析的地鐵隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

夏超　李潔??

摘要：為了預(yù)防和控制地鐵施工塌方事故的發(fā)生，對塌方原因進(jìn)行研究，基于集對分析的綜合評價(jià)方法，對相應(yīng)的集對聯(lián)系度進(jìn)行定義，并確定聯(lián)系數(shù)，最終確定了導(dǎo)致地鐵隧道塌方的6類主要因素，建立地鐵工程塌方風(fēng)險(xiǎn)初步評價(jià)指標(biāo)，并經(jīng)過工程實(shí)例得到權(quán)重指標(biāo)和聯(lián)系數(shù)確定各因素風(fēng)險(xiǎn)大小。結(jié)果表明：基于集對分析的綜合評價(jià)方法能夠從人為、勘察設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、施工環(huán)境、施工管理5方面識別出可能造成塌方的14個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，并確定出施工項(xiàng)目中的最大的風(fēng)險(xiǎn)因素，方便管理者提出相應(yīng)的應(yīng)對方案，使塌方風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

關(guān)鍵詞：隧道塌方； 聯(lián)系數(shù)； 集對分析； 控制措施

中圖分類號：U458.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to prevent and control the collapse accidents that happen in subway tunnel construction， the causes of the collapses were studied； based on set pair analysis， corresponding set pair connection was defined， and six principal factors that cause the collapses were determined. Indicators for preliminary evaluation of collapse risk were established， and weight index and connection number were found in practical projects to be the indicators of risk. Results show that 14 factors will be indentified by the comprehensive evaluation measure based on set pair analysis， including the one that causes the biggest risk.

Key words： tunnel collapse； connection number； set pair analysis； control measure

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界上許多大城市對于地下交通系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的需求。目前，中國有28個(gè)城市地鐵正在運(yùn)營，38個(gè)城市地鐵正在建設(shè)，規(guī)劃的總路程超過6 880 km，總投資額超過2.5萬億[1]。到2020年，將有超過50個(gè)城市達(dá)到建設(shè)地鐵的條件。然而，復(fù)雜的工程環(huán)境中潛藏的一些危險(xiǎn)因素，會導(dǎo)致地鐵施工時(shí)出現(xiàn)一些安全事故。據(jù)國家安全生產(chǎn)安全監(jiān)督管理總局網(wǎng)站對近十五年地鐵事故進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，可以判別事故類型的有140起，其中有73起是坍塌事故，在這73起坍塌事故中有42起是地鐵隧道塌方事故，為了預(yù)防和控制塌方事故的發(fā)生，需要對塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究[2]。

1 塌方原因及研究方法

地鐵隧道工程的施工具有環(huán)境復(fù)雜、施工難度大、技術(shù)要求高、工期長、對環(huán)境影響控制要求高等特點(diǎn)，是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)性系統(tǒng)工程。隧道塌方事故發(fā)生有隧道工程發(fā)展過于迅速，技術(shù)支撐和管理制度不能相應(yīng)跟上的客觀原因，也有施工方安全意識不強(qiáng)，應(yīng)對方法不夠全面的主觀原因。隧道發(fā)生塌方，不僅會造成慘重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還會在社會上形成惡劣的影響，嚴(yán)重干擾工程的順利實(shí)施。因此對隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，制定預(yù)防應(yīng)對措施是很有必要的。

目前，國內(nèi)對于隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究并不少，周峰運(yùn)用模糊層次評估模型對青山崗隧道出口淺埋偏壓段的塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估[3]；王燕采用事故樹方法對塌方風(fēng)險(xiǎn)的可能性進(jìn)行估計(jì)[4]；童祥則提出基于ANP的鐵路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法[5]；陳潔金等建立了山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)的模糊層次分析方法[6]。由于不同隧道工程的塌方風(fēng)險(xiǎn)因素不一樣，隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)因素往往具有隨機(jī)性、復(fù)雜性，而且在實(shí)際工程中，塌方風(fēng)險(xiǎn)影響因素同時(shí)具備確定性與不確定性信息。因此，模糊綜合評價(jià)方法對信息的描述并不完整，難以全面地反映風(fēng)險(xiǎn)影響因素信息的確定與不確定性特征，而集對分析方法可以有效解決這一問題，并能有效地刻畫出確定與不確定性的對立統(tǒng)一關(guān)系，為地鐵隧道的塌方風(fēng)險(xiǎn)評估提供新途徑。

本文針對具體的地鐵工程項(xiàng)目實(shí)際情況的分析以及對工作人員的訪談得到該具體工程項(xiàng)目的塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，然后將基于集對分析的綜合評價(jià)模型應(yīng)用到隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，得到最終評價(jià)結(jié)果，以此為據(jù)制定決策、控制風(fēng)險(xiǎn)，希望能為今后隧道施工中對塌方的事前評價(jià)與決策提供相關(guān)的依據(jù)[7-10]。

2 基于集對分析的綜合評價(jià)方法

2.1 集對分析理論概述

集對分析理論是中國學(xué)者趙克勤研究員于1989年提出一種新穎的確定和不確定系統(tǒng)分析理論，該理論基于哲學(xué)中的對立統(tǒng)一、認(rèn)識層次的相對性和普遍聯(lián)系的原理。通過同異反完整有效刻畫確定不確定系統(tǒng)的對立統(tǒng)一關(guān)系，并以聯(lián)系數(shù)描述系統(tǒng)中確定和不確定性的相互聯(lián)系、相互影響與相互制約的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整體和局部全面的辯證分析和數(shù)學(xué)處理，為統(tǒng)一處理確定和不確定性關(guān)系提供了新思路。

3 地鐵隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)

為準(zhǔn)確評估地鐵隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)程度，需要建立一個(gè)系統(tǒng)、全面的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。

本文在參考其他塌方風(fēng)險(xiǎn)辨識框架的基礎(chǔ)上，采用5M1E的分析方法將塌方風(fēng)險(xiǎn)因素分為5類：人的因素、材料與設(shè)備因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素和管理因素[11]。通過對案例的整合分析和對隧道工作人員進(jìn)行訪談發(fā)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)因素作為對塌方影響重大的因素也不可或缺，因此最終確立了導(dǎo)致地鐵隧道塌方的6類主要影響因素：人的因素、材料與設(shè)備因素、勘察設(shè)計(jì)因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素和管理因素，建立了關(guān)于地鐵工程塌方風(fēng)險(xiǎn)的初步評價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

4 案例分析

4.1 工程概況

4.1.1 工程背景

位于松江區(qū)內(nèi)的上海地鐵某盾構(gòu)區(qū)間，左線盾構(gòu)全長為2 527.48 m，右線盾構(gòu)全長為2 526.54 m，單線全長為5 054.02 m。區(qū)間隧道的縱坡呈“V”字型，它的最大坡度達(dá)到30‰。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，在45 m深度范圍內(nèi)車站地基下的土均為松散沉積物，主要由淤泥質(zhì)土、飽和黏性土、砂土組成。

4.1.2 工程項(xiàng)目特點(diǎn)

在施工環(huán)境中下，淤泥質(zhì)土和飽和黏性土在動(dòng)力作用下容易破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土體強(qiáng)度。

車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為18.5 m，南北端頭井基坑深度約為21 m，地下連續(xù)墻端頭井鋼筋籠吊裝難度大，開挖難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

4.2 項(xiàng)目評價(jià)指標(biāo)確立

上文中已經(jīng)得到關(guān)于地鐵隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)因素的初步指標(biāo)體系，針對實(shí)例隧道，需要進(jìn)一步對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。通過對該項(xiàng)目的高級技術(shù)和管理人員就分類體系和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行意見訪談，對該工程項(xiàng)目的特征和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，除去可能導(dǎo)致塌方發(fā)生的微小概率或者難以控制的風(fēng)險(xiǎn)因素。在進(jìn)行2輪德爾菲式調(diào)查之后，建立了最終的地鐵隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

4.3 問卷調(diào)查與權(quán)重分析

在本工程實(shí)例中，因素權(quán)重的確定通過發(fā)放調(diào)查問卷、采用AHP法評估得到。調(diào)查問卷由3個(gè)部分組成：一是對被調(diào)查者的背景進(jìn)行簡單的了解，詳見表3，通過分析，被調(diào)查者的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)豐富，受教育程度高，符合這次調(diào)研的要求；二是對分類體系和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行一定的說明，方便被調(diào)查者在填寫問卷前對各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素有一定的認(rèn)識和理解；三是對AHP方法的簡單介紹以及作答的一些要求。在比較層級設(shè)置方面，本問卷采用了1～9 級評分制，最后根據(jù)一致性指標(biāo)C.R.<0.1與否作為判斷依據(jù)。本文請?jiān)摴こ添?xiàng)目的高級技術(shù)和管理人員對各級指標(biāo)權(quán)值進(jìn)行打分，構(gòu)造出比較矩陣，經(jīng)過計(jì)算，通過了一致性檢驗(yàn)分析，最后得到的各級指標(biāo)權(quán)重見表4。

4.5 應(yīng)對控制措施

考慮到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的突然性，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時(shí)不僅要考慮到塌方總體風(fēng)險(xiǎn)等級，而且還要考慮單個(gè)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級，針對高風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因素采取措施，降低塌方事故發(fā)生的概率。從表5中可以看出總的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，需要制定詳細(xì)的管理計(jì)劃來避免風(fēng)險(xiǎn)，也可以通過提高各一級指標(biāo)中的主要的影響因素來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)因素細(xì)分到二級指標(biāo)中，排名前6的因素分別是地質(zhì)條件、地下水、施工方法、支護(hù)、降排水和施工組織。因此，可以采取以下措施來降低和避免風(fēng)險(xiǎn)：在環(huán)境因素方面，針對復(fù)雜的地質(zhì)條件和地下水，對洞口地基進(jìn)行加固，嚴(yán)格控制洞口土體加固質(zhì)量，加強(qiáng)洞口土體穩(wěn)定性，采用止水帷幕阻止基坑底地下水流入基坑；在技術(shù)因素方面，針對施工方法，需要專家和技術(shù)人員通過勘察數(shù)據(jù)合理制定，并在開挖過程中隨著反饋回來的數(shù)據(jù)做好隨時(shí)變更的準(zhǔn)備；針對支護(hù)和降排水，采用真空深井進(jìn)行基坑降水加固，根據(jù)承壓水水頭情況，設(shè)計(jì)基坑降承壓水，并編制針對性強(qiáng)的降水施工方案，提高排水設(shè)備的效率；在管理因素方面，針對施工組織，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)人員的安全意識培訓(xùn)，遵守規(guī)章制度和作業(yè)規(guī)程，這樣可以逐步提高整個(gè)系統(tǒng)的安全度。

5 結(jié) 語

本文針對地鐵隧道施工中塌方事故的高發(fā)性，嘗試構(gòu)建出基于集對分析的綜合評價(jià)模型來對隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，通過上海地鐵的施工實(shí)例來驗(yàn)證模型，主要成果如下。

（1）針對上海地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道從人的因素、勘察設(shè)計(jì)因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素、管理因素5個(gè)方面識別其可能造成塌方的14個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。

（2）運(yùn)用集對分析的方法分析14個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，得出該工程塌方的總風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，其中地質(zhì)條件、地下水、施工方法、支護(hù)降排水和施工組織這幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素需要重點(diǎn)關(guān)注，并提出了相應(yīng)的管理應(yīng)對方案，使管理者充分做好應(yīng)對控制措施，將隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳 宇，周文其.去年城市軌道交通日均投資超7.8億元[J].城市公共交通，2015（6）：7.

[2] 王夢恕，張成平.城市地下工程建設(shè)的事故分析及控制對策[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25（2）：1-6.

[3] 周 峰.山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)模糊層次評估研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[4] 王 燕，黃宏偉，薛亞東.鉆爆法施工隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，25（1）：23-27.

[5] 童 祥.基于ANP的鐵路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011（7）：74-77.

[6] 陳潔金，周 峰，陽軍生，等.山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)模糊層次分析[J].巖土力學(xué)，2009，30（8）：2365-2370.

[7] 曹文貴，翟友成，王江營，等.山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)的集對分析方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2012，25（2）：90-99.

[8] 趙克勤.聯(lián)系數(shù)學(xué)的基本原理與應(yīng)用[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：107-110.

[9] 汪明武.集對分析耦合方法與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[10] 馮玉國，王渭明.基于集對分析同一度的基坑支護(hù)方案綜合評價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（9）：1389-1392.

[11] 游鵬飛.地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[責(zé)任編輯：高 甜]