城市地鐵隧道暗挖法施工穿越高架橋風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

葛 明，李 霞，顏志堅(jiān)

（1.海航地產(chǎn)大連分公司，遼寧 大連 116600；2.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 前言

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)中大型城市地鐵建設(shè)進(jìn)入了高潮期。地鐵沿線城市建筑密集，道路、管線、地表水體等周邊工程環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見因素較多，具有規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)高、專業(yè)復(fù)雜、涉及主體多、與工程周邊環(huán)境相互影響大。近幾年，地鐵建設(shè)事故頻見報(bào)道，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)城市地鐵建設(shè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)并建立應(yīng)急預(yù)案管理是十分必要，工程實(shí)踐意義重要[1-3]。依托促春站暗挖區(qū)間暗挖工程，根據(jù)區(qū)間地質(zhì)條件和線路環(huán)境辨析施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)源[4-5]，建立了適合施工環(huán)境和暗挖工法的施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論建立城市地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)模糊評(píng)判模型，明確了促春區(qū)間隧道暗挖施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并制定了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立

1.1 城市區(qū)間隧道施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

在地鐵區(qū)間隧道建設(shè)過程中,影響隧道施工安全的指標(biāo)較多,且各影響指標(biāo)具有一定的模糊性。已有的地鐵建設(shè)和隧道施工過程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究成果認(rèn)為,風(fēng)險(xiǎn)影響指標(biāo)可以分為地質(zhì)、環(huán)境、施工、信息化監(jiān)測(cè)等4個(gè)一級(jí)指標(biāo)。每個(gè)一級(jí)指標(biāo)又分為若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)，見圖1所示。城市地鐵施工過程中不同的施工環(huán)境其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系有所不同，本文針對(duì)大連地鐵202標(biāo)段促春站暗挖區(qū)間過東聯(lián)路高架橋樁基施工過程建立其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，見表1所列。

表1 城市地鐵隧道過樁基施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

一級(jí)指標(biāo) 二級(jí)指標(biāo) 風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)開挖工法CD法臺(tái)階法CRD法爆破鉆眼裝藥爆破進(jìn)尺超挖支護(hù)預(yù)注漿地面預(yù)注漿超前小導(dǎo)管支護(hù)方法錨桿噴射混凝土鋼格柵二襯鋼筋工程混凝土工程防水施工監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布點(diǎn)間距布點(diǎn)排拒監(jiān)測(cè)進(jìn)度監(jiān)測(cè)頻率監(jiān)測(cè)制度信息反饋

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

1.2.1 建立風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)評(píng)價(jià)集合

根據(jù)城市地鐵建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從主指標(biāo)層面將綜合評(píng)價(jià)體系U分為5個(gè)一級(jí)指標(biāo)，，且滿足。同理，將每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)的二級(jí)指標(biāo)，每個(gè)二級(jí)指標(biāo)根據(jù)指標(biāo)內(nèi)涵具體分為相應(yīng)的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，即風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)。

1.2.2 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)城市地鐵區(qū)間隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中上下級(jí)指標(biāo)之間的隸屬關(guān)系，將下一級(jí)制約指標(biāo)對(duì)上一級(jí)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行專家調(diào)查法[6]和美國(guó)學(xué)者T.L.Saaty的層次分析法構(gòu)建不同級(jí)別的層析因素[7-8]的評(píng)價(jià)矩陣R，

即得到風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣。

1.3 一致性檢驗(yàn)方法

風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)給出的不同指標(biāo)的賦分，具有一定的人為特性，需要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以保證其可靠度[9-10]。步驟如下：

1.3.1 正規(guī)化風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣

1.3.2 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣特征值

1.3.3 一致性指標(biāo)

式中：致性指標(biāo)，n為矩陣階數(shù)，RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重計(jì)算

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)矩陣的權(quán)重計(jì)算方法有幾何平均值法、算術(shù)平均值法、最小二乘法、對(duì)數(shù)法和特征值法。計(jì)算方法如下

1.4.1 幾何平均值法將風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣A的元素按照行相乘，得到一組新向量，將每一個(gè)向量開n次方，將所得的向量進(jìn)行歸一化處理，即得權(quán)重向量。

1.4.2 算數(shù)平均值法

1.4.3 最小二乘法

用擬合的方法確定權(quán)重向量，使得殘差平方和最小，計(jì)算方法如下：

1.4.4 特征值法

特征向量法簡(jiǎn)答便捷，實(shí)用性強(qiáng)，在精度要求不嚴(yán)且滿足工程實(shí)踐的情況下一般選擇特征向量法。

2 模糊評(píng)判

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣得到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定鐵路隧道施工的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估值及接受準(zhǔn)則，見表2所列。

表2 鐵路隧道施工的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值及接受準(zhǔn)則

建立權(quán)重集和風(fēng)險(xiǎn)估值根據(jù)各級(jí)指標(biāo)因素的排序權(quán)向量建立各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，采用專家調(diào)查法估計(jì)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)r發(fā)生的概率及損失以確定其風(fēng)險(xiǎn)估值矩陣。

根據(jù)各級(jí)指標(biāo)因素U的排序權(quán)向量建立各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重A，采用專家調(diào)查法估計(jì)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)r發(fā)生的概率及損失以確定其風(fēng)險(xiǎn)估值矩陣R。

將一、二、三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值進(jìn)行歸納，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估結(jié)果，根據(jù)鐵路隧道施工的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值及接受準(zhǔn)則采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

3 地鐵隧道穿越高架橋樁基礎(chǔ)施工的風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 工程概況

促進(jìn)路站至春光街站區(qū)間暗挖法施工設(shè)計(jì)范圍為里程DK11+365.945～DK12+013.350，右線長(zhǎng)647.405 m，左線長(zhǎng)644.039 m。區(qū)間線路沿促進(jìn)路南北向布置，沿促進(jìn)路敷設(shè)，線路最大坡度為5‰，長(zhǎng)度為320 m。采用暗挖法施工。

促進(jìn)路道路下方分布著大量的地下管道、管線。區(qū)間兩側(cè)建筑林立，華北路上方東聯(lián)路高架橋。樁基距區(qū)間隧道最近水平距離4.6 m，豎直距離3.2 m。區(qū)間隧道地面地勢(shì)起伏較大，地面高程7.79～10.58 m。隧道拱頂覆土最大19.9 m，最小13.14 m。地貌為剝蝕低丘陵，上覆第四系人工堆積層(Q4)，第四系上全新統(tǒng)卵石層，下伏震旦系五行山群南關(guān)嶺組泥灰?guī)r。節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯呈土狀、碎石土狀，局部巖溶發(fā)育。沿線地下水類型主要是第四系孔隙水和基巖裂隙水、巖溶水兩種。

3.2 建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)大連地鐵202標(biāo)段大連地鐵202標(biāo)段促春站暗挖區(qū)間暗挖工程條件，暗挖法施工對(duì)環(huán)境的影響采用表1所建立的地質(zhì)U1、周邊環(huán)境U2、開挖U3、支護(hù)U4及監(jiān)測(cè)U5的三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，本文以周邊環(huán)境中暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋樁基風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系為例，建立三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系見表3所列。

表3 周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系U2

3.3 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)促春區(qū)間暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋樁基風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬關(guān)系，利用Saaty的1-7級(jí)標(biāo)度表見表4所列，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣見表5所列。

表4 Saaty的1-7級(jí)標(biāo)度表

表5 促春區(qū)間暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋樁基判斷矩陣

3.4 一致性檢驗(yàn)

考慮工程的特點(diǎn)和實(shí)用性，采取特征向量法進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算判斷矩陣的最大特征值。并通過CI和CR的計(jì)算公式對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)判斷矩陣一致性：

根據(jù)平均一致性指標(biāo)表6，5階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.12。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

認(rèn)為促春區(qū)間暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋樁基判斷矩陣的一致性可以接受。

3.5 因素權(quán)重計(jì)算

3.6 模糊綜合評(píng)判

根據(jù)地鐵工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)及專家建議，促春區(qū)間暗挖隧道過東聯(lián)路樁基的三級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)估值如表7所示。根據(jù)三級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值及相應(yīng)的權(quán)重集，進(jìn)行促春區(qū)間暗挖隧道過東聯(lián)路樁基的模糊評(píng)判。

表7 促春區(qū)間暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋樁基風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值

其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判值為

根據(jù)表2中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則，促春區(qū)間暗挖隧道過東聯(lián)路樁基的施工風(fēng)險(xiǎn)為高級(jí)，接收準(zhǔn)則為不期望，風(fēng)險(xiǎn)較大，必須采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施降低風(fēng)險(xiǎn)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，且滿足降低風(fēng)險(xiǎn)的成本不高于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后的損失，評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)踐本身的風(fēng)險(xiǎn)程度相符，評(píng)價(jià)方法也可以對(duì)其他二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。該風(fēng)險(xiǎn)分析方法合理可行，對(duì)促春區(qū)間安全施工具有指導(dǎo)意義，對(duì)類似的工程具有一定的借鑒作用。

4 結(jié)論

城市地鐵隧道暗挖工程是一個(gè)涉工程沿線地質(zhì)、周邊環(huán)境、開挖、支護(hù)及監(jiān)測(cè)等綜合施工過程，特別是區(qū)間隧道穿越高架橋樁基的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的不確定性問題。本文建立了城市地鐵隧道暗挖法施工的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并對(duì)大連地鐵促春區(qū)間暗挖隧道穿越東聯(lián)路高架橋基礎(chǔ)的施工過程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析和模糊評(píng)價(jià)，評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)踐本身的風(fēng)險(xiǎn)程度相符。