臨近地鐵線路的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查與評(píng)估

彭 濤，彭青順，鄧 幫，苗 雨

(1.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430015)

伴隨著我國城市的發(fā)展，各級(jí)政府、規(guī)劃部門對(duì)城市工程建設(shè)提出了更高的要求，一方面工程設(shè)施朝著高深大方向不斷延伸，這無疑增加了工程的施工風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，由于城市建筑物密集，擬建設(shè)項(xiàng)目周圍往往存在需要保護(hù)的重要建、構(gòu)筑物，這對(duì)基坑變形及風(fēng)險(xiǎn)控制帶來了挑戰(zhàn)。

臨近地鐵深基坑開挖會(huì)引起地應(yīng)力重分布，引起周邊土層的位移，造成差異沉降，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)物會(huì)造成巨大安全隱患。用地鐵距基坑圍護(hù)墻外側(cè)的距離與基坑挖深的比值K來描述基坑地鐵的臨近度，當(dāng)K≤2時(shí)，地鐵位于深基坑施工的主影響區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)較高[1]。由于地鐵結(jié)構(gòu)的微小變形即可引起地下水滲入、軌道錯(cuò)位等影響運(yùn)營安全的問題，相關(guān)規(guī)范對(duì)變形控制要求較高，地鐵軌道橫向高差控制值小于4 mm，地鐵隧道的位移控制值小于20 mm[2]，變形超過限值會(huì)顯著影響地鐵的運(yùn)營安全。地鐵結(jié)構(gòu)物的存在也使得深基坑變形情況更為復(fù)雜，影響因素更多。因此，臨近地鐵樞紐的深基坑施工，相比于普通基坑施工具有更高的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故會(huì)造成巨大的損失。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可以分為三類：定性分析法、定量分析法、綜合分析法[3～5]。無論選擇何種方法，都需要一定的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)支撐。本文分析了深基坑及地鐵線路破壞的風(fēng)險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)了專家問卷調(diào)查表，并依托武漢市建筑工程相關(guān)監(jiān)管單位發(fā)放問卷至目標(biāo)專家，收集了44個(gè)項(xiàng)目的專家問卷回執(zhí)，得到了準(zhǔn)確有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；谡{(diào)查數(shù)據(jù)得出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，為施工風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

影響臨近地鐵深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，既要考慮基坑自身的風(fēng)險(xiǎn)，又要充分重視基坑開挖對(duì)地鐵造成的影響。本文通過施工項(xiàng)目現(xiàn)場走訪、專家調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)查[6～9]等方式，綜合識(shí)別了可能引起地鐵及深基坑破壞的風(fēng)險(xiǎn)因素。

本文采用事故樹分析法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素，臨近地鐵深基坑施工的常見安全事故有支護(hù)體系破壞、地鐵站線損壞、周邊環(huán)境破壞，各種事故又可細(xì)分為多種誘因，具體見表1。

考慮調(diào)查過程中專家打分的便易性，將風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分類和規(guī)整，問卷上顯示為兩個(gè)層級(jí)。第一層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素共8個(gè)(見表1)，第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素共25個(gè)，如表2所示(表中權(quán)重值計(jì)算方法見后文)。此外，地鐵與基坑的位置關(guān)系、基坑所處的水文地質(zhì)情況、基坑深度等基坑固有特征也是深基坑施工中的重要風(fēng)險(xiǎn)因素，由于對(duì)于特定基坑其具有確定性，在問卷中未予考慮。

表2 第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素及權(quán)重

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重表示各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)估對(duì)象的重要程度。本文采用層次分析法確定權(quán)重向量。邀請(qǐng)專家根據(jù)1～9標(biāo)度構(gòu)造出同一層次風(fēng)險(xiǎn)因素重要程度兩兩比較的判斷矩陣，其評(píng)判準(zhǔn)則如表3所示。判斷矩陣應(yīng)滿足一致性檢驗(yàn)要求。

表3 風(fēng)險(xiǎn)因素重要程度評(píng)判準(zhǔn)則

以隔水帷幕滲水U1為例，其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重判斷矩陣如表4所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)因素U1判斷矩陣

根據(jù)層次分析法的原理[10]，計(jì)算得到截水帷幕設(shè)計(jì)可靠性差u11的權(quán)重為0.17，截水帷幕施工質(zhì)量缺陷u12的權(quán)重為0.83。按照1～9標(biāo)度法得到的各因素風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重如表2所示。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)

模糊數(shù)學(xué)是研究模糊性現(xiàn)象的一種理論分析方法，模糊評(píng)價(jià)法將模糊數(shù)學(xué)理論引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可以較好地描述風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確合理。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，存在著風(fēng)險(xiǎn)因素的多樣性、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性、概率和損失的不確定性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致了風(fēng)險(xiǎn)分析過程具有很大的模糊性，尤其是深基坑施工過程中，各種影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，存在著很大的定量分析難度[11,12]。本文采用模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行專家調(diào)查數(shù)據(jù)的處理，通過專家打分得到風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度矩陣，用最大隸屬度原則確定風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)。

根據(jù)評(píng)價(jià)的需要，可以多維度劃分評(píng)價(jià)等級(jí)，每個(gè)維度的評(píng)價(jià)等級(jí)集可表示為Vs={V1，V2，…，Vp}，其中s(s=Ⅰ，Ⅱ，…)表示評(píng)價(jià)維度編號(hào)；Vj(j=1，2，…，p)表示第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。本文分為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的損失值和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率兩個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表5，6，其中風(fēng)險(xiǎn)損失可分為人員傷亡、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)、工期和社會(huì)影響五個(gè)方面，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[3]。

表5 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表6 風(fēng)險(xiǎn)因素概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 專家問卷調(diào)查

本次問卷主要涉及兩方面的內(nèi)容，一是風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失、發(fā)生概率等級(jí)打分，二是開放性問題“引起深基坑及地鐵破壞的其他風(fēng)險(xiǎn)因素及概率損失等級(jí)”，問卷采用網(wǎng)絡(luò)郵件方式發(fā)放和收集，專家之間相互獨(dú)立，且實(shí)名制填寫問卷。面向的專家群體主要為施工單位項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、總工及業(yè)主單位相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人，共收回有效問卷44份。其中95%以上的專家有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)，90%以上的專家具有項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人及以上職務(wù)，可近似認(rèn)為專家的經(jīng)驗(yàn)水平相差不大，各位專家的評(píng)分權(quán)重相同。第一層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失值打分結(jié)果如表7所示，第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率打分結(jié)果如表8所示，其中數(shù)字代表這一等級(jí)的專家票數(shù)。

表7 第一層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失值調(diào)查結(jié)果

表8 第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率調(diào)查結(jié)果

4 調(diào)查結(jié)果分析

4.1 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率

本文根據(jù)某個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)所獲得的專家票數(shù)比重來構(gòu)造第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率隸屬度向量。以風(fēng)險(xiǎn)因素u11發(fā)生概率為例，風(fēng)險(xiǎn)概率級(jí)別“頻繁、可能、偶爾、罕見、不可能”獲得的票數(shù)分別為1，11，15，16，1，則其相對(duì)于U1的隸屬度向量為[0.02 0.25 0.34 0.36 0.02]。根據(jù)上述方法，構(gòu)造出的第二層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度矩陣，結(jié)果如下：

將本層級(jí)權(quán)重向量與發(fā)生概率隸屬度矩陣合成，可得上一層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素隸屬度向量。以隔水帷幕滲水U1為例，其相對(duì)于“深基坑及地鐵破壞”的隸屬度向量B1可表示為：

同理可得：

B2=[0.02 0.33 0.32 0.29 0.05]；

B3=[0.06 0.32 0.42 0.16 0.04]；

B4=[0.02 0.14 0.30 0.43 0.12]；

B5=[0.00 0.17 0.24 0.44 0.15]；

B6=[0.06 0.34 0.27 0.23 0.10]；

B7=[0.02 0.28 0.31 0.31 0.07]；

B8=[0.04 0.25 0.34 0.29 0.08]。

根據(jù)最大隸屬度原則，發(fā)生概率等級(jí)最高的為2級(jí)，有隔水帷幕滲水U1、降水不當(dāng)U2、開挖方式不當(dāng)U6三種風(fēng)險(xiǎn)因素。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)損失程度

根據(jù)第一層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素?fù)p失值調(diào)查結(jié)果可得其對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣R′為：

根據(jù)最大隸屬度原則，風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)最高的是B級(jí)，有基坑管涌或突涌U3、支撐體系缺陷U5兩種風(fēng)險(xiǎn)因素。

4.3 開放性問題結(jié)果分析

問卷設(shè)計(jì)了兩個(gè)開放性問題，統(tǒng)計(jì)調(diào)查表中未列入的關(guān)鍵信息，由于專家意見不一，難以進(jìn)行量化整理，但也形成了一些統(tǒng)一的結(jié)論，這些結(jié)論是在各個(gè)專家沒有經(jīng)過討論形成的，具有較高的參考價(jià)值。

第一個(gè)問題“深基坑施工中還應(yīng)考慮的其他風(fēng)險(xiǎn)因素”，有5位專家提及“工程車輛的動(dòng)載影響”，其可能性等級(jí)為最高的1級(jí)，損失等級(jí)為D級(jí)，表明工程載重車輛對(duì)工程有一定影響，需要加以關(guān)注；有4位專家提及“地鐵列車振動(dòng)對(duì)深基坑的影響”，可能性等級(jí)為2級(jí)，損失等級(jí)為D級(jí)，表明地鐵列車振動(dòng)也能對(duì)深基坑安全造成影響，在基坑地鐵距離較近時(shí)這種影響更為顯著。第二個(gè)問題“造成地鐵線路變形破壞的主要風(fēng)險(xiǎn)”，各個(gè)專家的意見較為分散，但主要集中在地下水治理和施工質(zhì)量問題上，比如提及較多的是坑底管涌或突涌、降水不當(dāng)、土體擾動(dòng)過大、基坑支護(hù)施工質(zhì)量缺陷等。

基于上述分析可知，引起地鐵站線結(jié)構(gòu)破壞的主要原因?yàn)榈叵滤卫硎Ш褪┕べ|(zhì)量缺陷，在施工中還需要特別注意工程車輛的動(dòng)載影響、地鐵列車振動(dòng)對(duì)基坑安全的影響。

5 管理對(duì)策與建議

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，隔水帷幕滲水、降水不當(dāng)、開挖方式不當(dāng)發(fā)生的可能性較高，應(yīng)予以高度重視，具體表現(xiàn)為隔水帷幕施工質(zhì)量差、過度降水、降水與回灌未形成配合、未按方案開挖等；基坑管涌或突涌、支撐體系缺陷引起的損失較大，其原因?yàn)楣苡炕蛲挥咳菀滓鹂油馑恋拇罅苛魇?，造成顯著的地表沉降和地鐵線路變形，支撐體系缺陷則直接危及基坑安全，引起基坑坍塌等重大事故。

針對(duì)上述問題，可采取如下措施：

(1)引進(jìn)新型施工工法、施工設(shè)備，提高隔水帷幕施工質(zhì)量。在武漢典型地質(zhì)條件下，承壓水位高，深大基坑隔水帷幕往往可達(dá)幾十米，帷幕垂直度與施工質(zhì)量控制存在難度，積極運(yùn)用新工藝、新設(shè)備可取得較好效果。

(2)加強(qiáng)施工過程監(jiān)管，降水過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測水位變化情況，嚴(yán)禁過度降水，坑外水位降低超限時(shí)應(yīng)及時(shí)回灌；開挖嚴(yán)格依照方案進(jìn)行，遵守先撐后挖的原則，利用基坑變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行分層分塊開挖。

(3)重視施工監(jiān)測的預(yù)警作用，施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測坑底隆起、支撐體系的內(nèi)力及變形值；滲水口要及時(shí)封堵，緊急情況下可采取坑內(nèi)灌水平衡內(nèi)外水土壓力，防范管涌突涌引起的次生災(zāi)害。

6 結(jié) 語

本文通過44個(gè)深基坑工程問卷調(diào)查，獲得了精確的統(tǒng)計(jì)資料，運(yùn)用層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法評(píng)估了深基坑及地鐵破壞的風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)，結(jié)果表明隔水帷幕滲水、降水不當(dāng)、開挖方式不當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率較高，基坑管涌或突涌、支撐體系缺陷造成的潛在損失較大，引起地鐵站線結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是地下水治理失效和施工質(zhì)量缺陷，在施工中還需要特別注意工程車輛的動(dòng)載影響、地鐵列車振動(dòng)對(duì)基坑安全的影響。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)較高的風(fēng)險(xiǎn)因素提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，相關(guān)成果可為武漢地區(qū)臨近地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。