基于多監(jiān)測(cè)及預(yù)警要素的地鐵工程安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估方法

徐耀德，祝建勛，郭 濤

（北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037）

當(dāng)前， 我國(guó)城市軌道交通進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，成為促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善民生的重要引擎。但城市軌道交通地處復(fù)雜城市環(huán)境、地質(zhì)巖土條件之下，工程實(shí)施難度大、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)突出，一段時(shí)期風(fēng)險(xiǎn)事件及安全事故易發(fā)多發(fā)，安全風(fēng)險(xiǎn)管理工作勢(shì)在必行。近年來(lái)，國(guó)家及行業(yè)相繼出臺(tái)相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)管理政策和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軌道交通工程領(lǐng)域安全風(fēng)險(xiǎn)管理提出明確要求[1-5]。

工程監(jiān)測(cè)及其預(yù)警作為地鐵工程信息化施工和安全風(fēng)險(xiǎn)管理的“眼睛”和重要內(nèi)容，在工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)警管控中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[6]。但以基坑隧道為主的地鐵工程，因地下工程的復(fù)雜性和隱蔽性，多年來(lái)主要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及單一監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，并未考慮各類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的同時(shí)預(yù)警及共同作用，對(duì)工程預(yù)警、安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)的把握，以及指導(dǎo)信息化施工、風(fēng)險(xiǎn)處置工作存在一些不足，如對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其內(nèi)在相互關(guān)聯(lián)性挖掘分析不夠，單一監(jiān)測(cè)預(yù)警并不能全面、科學(xué)地反映工程整體安全狀態(tài)，指導(dǎo)施工仍顯單一、欠合理[4]。

鑒于地鐵基坑隧道工程的多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和確定的單項(xiàng)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警數(shù)量等，對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行挖掘分析，研究建立多因素權(quán)重矩陣分析方法，動(dòng)態(tài)及時(shí)地預(yù)判工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，有效指導(dǎo)地鐵基坑隧道工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制、預(yù)警響應(yīng)及處置工作，十分必要和及時(shí)。

1 工程監(jiān)測(cè)預(yù)警及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

1.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及控制值

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，地鐵基坑隧道工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可劃分為結(jié)構(gòu)類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和周?chē)鷰r土體類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并細(xì)分為空間形態(tài)變化類(lèi)和力學(xué)形態(tài)變化類(lèi)?；铀淼拦こ滩煌┕すしǖ闹饕O(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示[2]。

表1 地鐵基坑隧道工程不同施工工法主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目Tab.1 Main monitoring projects using different construction methods for subway excavation

各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)包括累計(jì)變化量、變化速率、差異變化量等，不同施工工法及其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制指標(biāo)(值)如表2所示(以一級(jí)工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例)。

表2 地鐵基坑隧道工程不同施工工法監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值一覽Tab.2 Control value for monitoring projects built by different construction methods

1.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)及存在問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家及有關(guān)城市的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)工程監(jiān)測(cè)的預(yù)警一般分為黃色監(jiān)測(cè)預(yù)警、橙色監(jiān)測(cè)預(yù)警、紅色監(jiān)測(cè)預(yù)警3級(jí)，其監(jiān)測(cè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(以北京為例)如表3所示[3]。

表3 地鐵工程監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)劃分Tab.3 Classification of monitoring and early warning in subway engineering

由上表可知，當(dāng)前普遍采用的監(jiān)測(cè)預(yù)警是針對(duì)單一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警(如某一地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值超標(biāo)，并達(dá)到某級(jí)別預(yù)警)，工程實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)管控中存在如下問(wèn)題：1) 單一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警較易發(fā)生，絕大部分情況下并不能反映該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目存在預(yù)警甚至工程安全風(fēng)險(xiǎn)；2) 基于1進(jìn)行的監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)是相對(duì)不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，易造成有關(guān)單位過(guò)度關(guān)注反而降低了安全風(fēng)險(xiǎn)管控的時(shí)效性、敏感性；3) 多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目或監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同時(shí)預(yù)警情況較多，但進(jìn)一步挖掘和綜合性分析相對(duì)欠缺，導(dǎo)致準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)判工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)不足，遑論采取科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)處置方案或措施。

比較監(jiān)測(cè)預(yù)警和現(xiàn)場(chǎng)巡視預(yù)警并行并以此為基礎(chǔ)的綜合預(yù)警方法，前者是局部的、片面的和表面的，后者是相對(duì)立體的、全面的和實(shí)際存在的，因此二者并不在同一層面上，導(dǎo)致了綜合預(yù)警的合理性、準(zhǔn)確性大打折扣。

2 工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)測(cè)

2.1 工程安全風(fēng)險(xiǎn)要素分析

工程監(jiān)測(cè)是地鐵工程信息化施工和安全風(fēng)險(xiǎn)管理的“眼睛”和重要手段，其預(yù)警情況在一定程度上直接或間接反映了工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料[7-8]，工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)主要取決于以下影響因素：1) 工程施工進(jìn)度及工況、工序；2) 單一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警數(shù)量及等級(jí)；3) 多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警的關(guān)聯(lián)度；4) 現(xiàn)場(chǎng)巡視異常及預(yù)警情況。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步區(qū)分是主控還是次要影響因素，是直接影響因素還是間接影響因素，是結(jié)構(gòu)類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為主還是周?chē)鷰r土體類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為主，是累計(jì)變化量預(yù)警為主還是變化速率預(yù)警為主，等等。

2.2 多因素權(quán)重矩陣分析法評(píng)價(jià)工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)

根據(jù)前述工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析，要真正、準(zhǔn)確評(píng)判工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)利用各類(lèi)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的單項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)，基于層次分析和隸屬度賦值等方法，建立一種工程安全預(yù)警及安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)判別的綜合分析和智能預(yù)測(cè)方法，主要步驟包括以下5方面：

1) 根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)，分析并確立影響工程安全預(yù)警的多層級(jí)影響因素或監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及預(yù)警指標(biāo)(本次分為四層級(jí))，并預(yù)設(shè)各級(jí)影響因素或監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警指標(biāo)所屬上一級(jí)安全預(yù)警指標(biāo)的權(quán)重值或隸屬度值，如圖1所示。

2) 以各級(jí)影響因素或監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值為基礎(chǔ)，仍設(shè)定分為黃、橙、紅三色級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)各級(jí)影響因素或安全預(yù)警色級(jí)賦予一定的數(shù)值范圍，并假以相應(yīng)的計(jì)算公式，便于計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，公式如下：

3) 根據(jù)基坑隧道工程安全監(jiān)測(cè)方案和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，先獲取第四級(jí)影響因素或預(yù)警指標(biāo)的實(shí)際預(yù)警值及其所屬第三級(jí)影響因素或監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的實(shí)際發(fā)生數(shù)量，代入預(yù)設(shè)的所在級(jí)別的隸屬度函數(shù)，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和歸一化處理，判定得到該級(jí)各因素指標(biāo)的預(yù)警指標(biāo)權(quán)重矩陣W333，即：

式中，W333-i～j為各第四級(jí)指標(biāo)參數(shù)的實(shí)際預(yù)警指標(biāo)值(如對(duì) W111，W333-i～j分別為 W1111(累計(jì)變化量)和 W1112(變化速率)；λi-j為四級(jí)指標(biāo)參數(shù)所占對(duì)應(yīng)的第三級(jí)預(yù)警的相對(duì)權(quán)重或隸屬度(如對(duì)W111，針對(duì)W1111(累計(jì)變化量)相對(duì)于W111的權(quán)重λ1可設(shè)為0.45，W1112(變化速率)的λ2則為 0.55)。

4) 將步驟 3中判定的各三級(jí)單因素預(yù)警指標(biāo)權(quán)重矩陣值，步驟二獲取的各三級(jí)單因素預(yù)警指標(biāo)的實(shí)際發(fā)生數(shù)量，代入預(yù)設(shè)的二級(jí)隸屬度函數(shù)，判定得到各二級(jí)影響因素的預(yù)警指標(biāo)權(quán)重矩陣W22；同樣地，在對(duì)各二級(jí)影響因素的預(yù)警指標(biāo)權(quán)重矩陣 W22進(jìn)行模糊綜合評(píng)判的基礎(chǔ)上，可得到相應(yīng)各一級(jí)影響因素的預(yù)警指標(biāo)權(quán)重矩陣W1。

式中，W22-i～j為各三級(jí)指標(biāo)參數(shù)的實(shí)際預(yù)警指標(biāo)或計(jì)算預(yù)警指標(biāo)值；δi-j為對(duì)應(yīng)三級(jí)指標(biāo)參數(shù)所占二級(jí)預(yù)警的相對(duì)權(quán)重或隸屬度(如對(duì)W22，針對(duì)W221(圍巖(土)壓力變化值預(yù)警指標(biāo))相對(duì)于為 W22的相對(duì)權(quán)重 δi可為0.6，W222(孔隙水壓力變化值)的 δj則為 0.4)；li(y)為各三級(jí)預(yù)警指標(biāo)的實(shí)際發(fā)生數(shù)量(y為整數(shù)，由步驟二確定)對(duì)應(yīng)的預(yù)警調(diào)整系數(shù)，主要針對(duì)存在第三級(jí)指標(biāo)參數(shù)的二級(jí)預(yù)警指標(biāo)項(xiàng)目(如W11、W22)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，具體計(jì)算公式為：

同樣地，可得到各第一級(jí)影響指標(biāo)的權(quán)重矩陣W1值，計(jì)算公式如下：

5) 根據(jù)上述層級(jí)評(píng)判計(jì)算結(jié)果，可得到基于基坑隧道工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警項(xiàng)目的最終工程預(yù)警指標(biāo)或工程安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)W(其中工程預(yù)警仍分為黃、橙、紅三色預(yù)警，對(duì)應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為：低風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn))，并依此進(jìn)行預(yù)警管理或安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控。

3 應(yīng)用案例

以下為某地鐵車(chē)站(三層標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站)發(fā)生多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警，根據(jù)上述方法進(jìn)行工程安全風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估。

通過(guò)該車(chē)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果，一共發(fā)生了3個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橙色監(jiān)測(cè)預(yù)警、6個(gè)管線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橙色監(jiān)測(cè)預(yù)警和 2個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的黃色監(jiān)測(cè)預(yù)警(見(jiàn)圖 2、表 3)。

圖1 地鐵基坑隧道工程預(yù)警分層概化Fig.1 Hierarchy and generalization of the early warning in subway tunnel engineering

圖2 某地鐵車(chē)站基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及測(cè)點(diǎn)預(yù)警平面Fig.2 Layout of the monitoring point of foundation pit in a subway station and an early warning plane of the measuring point

表3 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 Monitoring sesults of observation points

根據(jù)前述工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)方法，本工程中存在W333-1(地表沉降)和 W333-2(管線變形)兩個(gè)三級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將其所占二級(jí)指標(biāo)的影響權(quán)重均取為0.5。其中，W333-1(地表沉降)指標(biāo)發(fā)生了2個(gè)黃色預(yù)警和3個(gè)橙色預(yù)警，W333-2(管線變形)指標(biāo)發(fā)生了6個(gè)橙色預(yù)警(根據(jù)公式(1)，黃色預(yù)警取 1.5，橙色預(yù)警取3)。那么 W22-1=[1.5×0.45×0.5×(2/2)+3×0.45×0.5×(3/2)]+[4×0.45×0.5×(6+1)/3]=3.45。然后，根據(jù)公式(4)和(5)，將 W22所占第二級(jí)影響權(quán)重系數(shù) β、第一級(jí)影響權(quán)重系數(shù)α分別設(shè)為 0.9、0.5，則：W=3.45×0.9×0.5= 1.55。最后根據(jù)公式(1)，該工程的整體安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)處于黃色預(yù)警狀態(tài)(這里指的是一種綜合性的工程預(yù)警)，雖然出現(xiàn)了較多的單項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警，但通過(guò)本分析評(píng)測(cè)方法，判定工程安全風(fēng)險(xiǎn)基本可控，須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、巡視跟蹤等日常風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 地鐵基坑隧道工程各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)預(yù)警是影響工程安全風(fēng)險(xiǎn)的重要因素，通過(guò)研究建立一種多因素、多層次、權(quán)屬度分配等綜合分析方法，更加合理地判別工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，克服了當(dāng)前監(jiān)測(cè)預(yù)警的局限性，填補(bǔ)了工程安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)及定量化評(píng)估的空白，提高了工程預(yù)警及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)的科學(xué)合理性，最大限度發(fā)揮了工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其預(yù)警在工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防預(yù)控中的作用。

2) 該評(píng)測(cè)方法易于進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)信息系統(tǒng)(包括手機(jī)客戶端)將進(jìn)一步提高工程施工中安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估與管控的智能化和及時(shí)性。

3) 工程預(yù)警及安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)綜合評(píng)測(cè)中應(yīng)加強(qiáng)研究各監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)分項(xiàng)所占合理權(quán)重，根據(jù)工程實(shí)際，合理考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)要素(通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)巡查發(fā)現(xiàn))的權(quán)重。