運(yùn)營(yíng)地鐵車站拓建施工風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估研究

冀國(guó)棟

（1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300350；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量人口涌入城市，造成城市人口聚集程度急速增加［1］。有些已經(jīng)建成并投入運(yùn)營(yíng)的地鐵，逐漸出現(xiàn)不能滿足乘客出行及換乘需求的問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性拓建。運(yùn)營(yíng)地鐵拓建工程的周邊環(huán)境一般較為復(fù)雜，地表及既有結(jié)構(gòu)變形控制要求嚴(yán)格，施工過(guò)程中受力體系多次轉(zhuǎn)換，極易發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)事故。因此，運(yùn)營(yíng)地鐵拓建施工風(fēng)險(xiǎn)管理研究對(duì)于確保建設(shè)施工安全和地鐵運(yùn)營(yíng)安全意義重大。

風(fēng)險(xiǎn)管理的概念在二十世紀(jì)三十年代被提出后，就應(yīng)用到全世界各個(gè)領(lǐng)域，眾多學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)類型辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和程序、風(fēng)險(xiǎn)管控措施、風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范等方面進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)的研究。Einstein［2－3］將風(fēng)險(xiǎn)概念引入到巖土工程領(lǐng)域，分析了風(fēng)險(xiǎn)管理在隧道工程中的應(yīng)用；Reilly等［4］介紹了如何利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析在隧道工程中實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理與控制，對(duì)隧道工程設(shè)計(jì)及施工有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)具有重要的指導(dǎo)意義；Choi等［5］使用模糊層次綜合評(píng)判法分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中，路美麗［6］介紹了國(guó)內(nèi)外隧道及地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的研究與運(yùn)用；吳忠良［7］利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)西部山區(qū)鄰近營(yíng)業(yè)線鐵路橋梁樁基施工方案進(jìn)行比選；蔡來(lái)炳［8］對(duì)城市既有地下結(jié)構(gòu)擴(kuò)建改造施工的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提出了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的控制措施；王雯婷［9］針對(duì)濟(jì)青高速公路擴(kuò)建工程全生命周期各階段的風(fēng)險(xiǎn)提出了風(fēng)險(xiǎn)控制與管理措施。然而，當(dāng)前對(duì)于拓建工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估大多集中在公路和隧道領(lǐng)域，針對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵拓建施工風(fēng)險(xiǎn)的研究較為少見(jiàn)。本文依托北京地鐵宣武門站接駁拓建工程，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析研究，其研究成果對(duì)相關(guān)工程的風(fēng)險(xiǎn)管理具有一定借鑒意義。

2 工程概況

北京地鐵宣武門站位于北京市二環(huán)以內(nèi)中心老城區(qū)，是地鐵2號(hào)線與4號(hào)線的換乘車站。其中，2號(hào)線車站沿宣武門東、西大街呈東西向布置，4號(hào)線車站沿宣武門內(nèi)、外大街呈南北向布置。地鐵4號(hào)線下穿2號(hào)線，與2號(hào)線車站呈“十”字形相交，兩座車站通過(guò)兩條相對(duì)的“E”形通道，將2號(hào)線站臺(tái)與4號(hào)線站廳相連以實(shí)現(xiàn)換乘。目前換乘通道為單向使用，西側(cè)通道用于4號(hào)線換乘2號(hào)線，東側(cè)通道用于2號(hào)線換乘4號(hào)線。2009年地鐵4號(hào)線開(kāi)通以來(lái)，因兩線之間換乘設(shè)施能力嚴(yán)重不足，在早晚高峰期間大量乘客擁堵在換乘通道內(nèi)，達(dá)到嚴(yán)重?fù)頂D程度，存在較大的安全隱患。

為滿足地鐵宣武門站當(dāng)前運(yùn)營(yíng)功能需求，對(duì)既有車站進(jìn)行針對(duì)性拓建，通過(guò)在東北象限新建兩個(gè)出入口解決原地鐵4號(hào)線在東北方向無(wú)出入口的問(wèn)題，并在東北、西北、西南三個(gè)區(qū)域各增建一條換乘通道實(shí)現(xiàn)4號(hào)線向2號(hào)線的換乘（原有“E”形通道解決2號(hào)線向4號(hào)線的換乘客流），同時(shí)在各象限均增設(shè)地下售檢票廳并改造相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備，以此解決換乘及進(jìn)出站擁堵問(wèn)題，方便乘客出入車站及提高2號(hào)線與4號(hào)線之間的換乘功能。拓建工程總平面如圖1所示。

圖1 北京地鐵4號(hào)線宣武門站拓建工程平面

3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

（1）建立因素集

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法原理［10］，將評(píng)價(jià)對(duì)象的各種影響因素組成集合，建立因素集：

式中，ui為第i個(gè)評(píng)價(jià)因素；m為評(píng)價(jià)因素個(gè)數(shù)。

（2）建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)者用模糊語(yǔ)言對(duì)每一風(fēng)險(xiǎn)因素所處狀態(tài)作出評(píng)價(jià)，建立評(píng)價(jià)集：

式中，vj為對(duì)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度的判斷結(jié)果；n為評(píng)價(jià)結(jié)果個(gè)數(shù)。

本文采用5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)劃分，即n＝5，且v1為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、v2為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、v3為三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、v4為四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、v5為五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。其中一級(jí)為最低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，五級(jí)為最高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（3）建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

邀請(qǐng)多位專家對(duì)因素集內(nèi)各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)因素ui對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)vj的隸屬度dij。

考慮到專家評(píng)價(jià)意見(jiàn)會(huì)有一定的差異，在此引入“信心指數(shù)法”來(lái)處理專家評(píng)分的主觀性［11］。信心指數(shù)表示專家對(duì)其評(píng)價(jià)可靠性的信任程度（取值范圍0～1），如某專家判斷某風(fēng)險(xiǎn)因素處于v3等級(jí)，其信心指數(shù)為0.8，則認(rèn)為該因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等的概率是80%。將所有專家給出的概率分布進(jìn)行加權(quán)平均即可得到該風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬向量。利用相同方法得到所有因素的評(píng)判向量，從而建立模糊評(píng)判矩陣D：

（4）確定指標(biāo)權(quán)重

對(duì)于某評(píng)價(jià)目標(biāo)，因素集中各因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度不同，通常引入權(quán)重向量A來(lái)反映各因素的重要程度：

指標(biāo)權(quán)重的確定方法根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源形式可以分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法以及綜合賦權(quán)法。本文采用層次分析法［12］中的1～9比例標(biāo)度，通過(guò)專家打分的方法構(gòu)造出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣。

（5）模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)所有因素進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，將權(quán)重向量A與模糊評(píng)價(jià)矩陣D進(jìn)行綜合，可以得到各因素對(duì)評(píng)語(yǔ)集的隸屬程度，即模糊綜合評(píng)價(jià)集B：

（6）評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)最大隸屬度法對(duì)模糊評(píng)價(jià)向量進(jìn)行清晰化，即取最大隸屬度對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制

4.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，針對(duì)所有的影響因素逐一進(jìn)行分析很難實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)選擇最重要的一些影響因素作為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)地鐵拓建工程而言，根據(jù)其施工特點(diǎn)，本文重點(diǎn)考慮地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

（1）地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

主要包括工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等因素。

（2）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

主要包括道路、鐵路、橋梁、地鐵、地下構(gòu)筑物、地下管線、地面建筑物及地表水等因素。

（3）設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

主要包括工程規(guī)模及復(fù)雜性、施工工法、拓建類型及支護(hù)體系等因素。

（4）施工風(fēng)險(xiǎn)

主要包括工程規(guī)模、施工組織設(shè)計(jì)、施工專項(xiàng)方案、輔助工法、工程質(zhì)量及安全措施等因素。

結(jié)合北京地鐵宣武門站接駁拓建工程的實(shí)際情況，建立了北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 指標(biāo)權(quán)重

通過(guò)問(wèn)卷形式向16名行業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行調(diào)查和咨詢，利用層次分析法得到宣武門站接駁拓建工程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重見(jiàn)表2～表5。

表2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及風(fēng)險(xiǎn)控制措施

對(duì)宣武門站接駁拓建工程總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)表1～表5可以建立模糊評(píng)價(jià)矩陣：

對(duì)于運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁拓建工程而言，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)都非常重要，本文取其指標(biāo)權(quán)重均為0.25，即：

根據(jù)式（5）得到模糊綜合評(píng)價(jià)：

根據(jù)最大隸屬度法可知，北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，施工風(fēng)險(xiǎn)基本處于可控水平。

根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果，可以得到各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表6。

表6 各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

從表6可以看出，在所有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)中，沒(méi)有指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別達(dá)到五級(jí)，大多數(shù)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為二級(jí)～三級(jí)，包括9個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和8個(gè)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別達(dá)到四級(jí)的3個(gè)指標(biāo)分別為既有地鐵、周邊管線和既有結(jié)構(gòu)破除，需要采取專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

4.3.1 既有地鐵風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

北京地鐵宣武門站拓建工程多處緊鄰既有地鐵2號(hào)線及4號(hào)線，其中西北象限新建暗挖通道（接2號(hào)線）部分結(jié)構(gòu)初支外皮緊鄰2號(hào)線西北出入口結(jié)構(gòu)外墻；東北象限新建暗挖出入口通道結(jié)構(gòu)平行上穿4號(hào)線區(qū)間，初支外皮與區(qū)間凈距約2.3 m；東南象限新建出入口采用明挖法施工，基坑南側(cè)與2號(hào)線西南風(fēng)道的水平凈距約1.0 m；西南象限新建暗挖廳與4號(hào)線西南口的水平凈距約1.8 m。拓建施工會(huì)對(duì)周圍地層造成擾動(dòng)，產(chǎn)生不均勻沉降，威脅既有地鐵2號(hào)線和4號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全，可采取以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

（1）施工前對(duì)既有2號(hào)線和4號(hào)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，必要時(shí)對(duì)緊鄰既有地鐵結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行加固處理，或采取樁基隔離措施。

（2）及時(shí)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，施工期間加密監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保既有地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

（3）制定針對(duì)性應(yīng)急預(yù)案。

4.3.2 周邊管線風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

宣武門站附近區(qū)域位置敏感，施工范圍地下管線密集，特別是大部分雨污水管線和電力隧道年代久遠(yuǎn)，實(shí)際運(yùn)行情況堪憂，施工擾動(dòng)可能造成管線受周圍土體變形影響，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破裂而無(wú)法繼續(xù)使用，以及由于管線開(kāi)裂而引起內(nèi)部氣體或液體溢出，引發(fā)次生影響。具體風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

（1）施工前對(duì)管線的現(xiàn)狀進(jìn)行核查，了解管線結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，對(duì)重要管線進(jìn)行安全評(píng)估，獲取其能承受的沉降和差異沉降的有關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）施工期間進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，反饋現(xiàn)場(chǎng)施工及設(shè)計(jì)。

4.3.3 既有結(jié)構(gòu)破除風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

宣武門站拓建工程與既有線主體結(jié)構(gòu)及出入口結(jié)構(gòu)多處接駁連通，需要在保證換乘站正常運(yùn)營(yíng)條件下進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)的破除，最大破口面積7 200×4 850 mm，最大變形控制指標(biāo)為1 mm。破除時(shí)既有結(jié)構(gòu)受力將發(fā)生改變，采取以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

（1）對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性驗(yàn)算，分析施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。

（2）控制施工的空間效應(yīng)，針對(duì)既有線結(jié)構(gòu)形式及配筋，分塊切除、合理安排破除順序，降低施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。

（3）采取合適的加固措施對(duì)既有結(jié)構(gòu)周圍土體進(jìn)行加固。

（4）及時(shí)采取支護(hù)措施，提高支撐剛度和變形協(xié)調(diào)能力。

（5）制定針對(duì)性的監(jiān)控量測(cè)措施，實(shí)施信息化施工，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保既有線結(jié)構(gòu)變形在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)運(yùn)營(yíng)地鐵拓建工程的施工特點(diǎn)，結(jié)合北京地鐵宣武門站接駁拓建工程實(shí)際，考慮了4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和22個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立了多層次的宣武門站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。

（2）采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

（3）既有地鐵、周邊管線和既有結(jié)構(gòu)破除3個(gè)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到四級(jí)，需要采取專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施，以確保施工安全及既有地鐵運(yùn)營(yíng)安全。