繁華路段地鐵站出入口大斷面矩形頂管施工風(fēng)險評估*

王彬，宗秋雷，徐昕，陳保國*，王程鵬

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

近年來我國各大城市地下空間建設(shè)發(fā)展迅速，譬如城市地下給排水、電力、通信、燃?xì)?、城市交通和工業(yè)設(shè)施等很多地下管線是城市錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分.近年來各大中小城市的城市綜合管廊建設(shè)也如火如荼[1-3].為了保障繁華路段城市路面交通的順暢，減少對周邊居民生活的干擾，頂管施工法由于其地表開挖小、對周邊影響小的特點逐漸成為城市地下工程建設(shè)的首選[4-5].

由于大斷面頂管工程受力特性復(fù)雜、施工控制難度大、事故較多，故開展大斷面頂管工程安全風(fēng)險控制研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值.

頂管施工技術(shù)起步較晚.早期的工程風(fēng)險分析在地下工程中的研究運用主要從盾構(gòu)隧道工程方面開始，國內(nèi)外學(xué)者在隧道工程的風(fēng)險分析研究取得了一定的成果.著名隧道工程風(fēng)險分析專家Einstein等[6-7]為隧道工程風(fēng)險分析開辟了道路，他指出了隧道工程風(fēng)險分析的特點、應(yīng)遵循的風(fēng)險分析理念，為后人的研究奠定了指導(dǎo)性基礎(chǔ).SNEL和VAN HASSELT[8]依據(jù)Amsterdam南北地鐵工程，研究了設(shè)計施工中的風(fēng)險管理問題并提出了新型風(fēng)險管理模型—“IPB”風(fēng)險管理模式.2004年，國際隧協(xié)年會(ITA)由Soren Degn Eskesen和Per Tenorg等起草發(fā)布了《隧道管線管理指南》(Guidlines for Tunneling Risk Managment)作為隧道工程風(fēng)險管理的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn).黃宏偉[9]編寫了《地鐵與地下工程建設(shè)技術(shù)風(fēng)險管理指南》.白云等[10]運用風(fēng)險指數(shù)圖形表達(dá)法建立了風(fēng)險評估分析模型，提出了地下工程風(fēng)險管理的基本步驟.陳揚勛[11]結(jié)合武漢首例矩形頂管工程建構(gòu)模糊多屬性評價模型，對頂管施工的各風(fēng)險源進(jìn)行風(fēng)險排序、定級評價.康祖瑋等[12]將風(fēng)險矩陣定級法與模糊綜合評價法相結(jié)合，對鄭州市紅專路隧道盾構(gòu)頂管施工的各風(fēng)險源進(jìn)行排序和評價，并針對風(fēng)險提出了預(yù)防或降低風(fēng)險的措施.

以深圳市軌道交通12號線上川站某出入口矩形頂管過街通道工程為背景，采用風(fēng)險矩陣定級法、專家調(diào)查法與模糊綜合分析法相結(jié)合的方法對各風(fēng)險源進(jìn)行定級與排序，并針對各風(fēng)險源制定相應(yīng)的預(yù)防或降低風(fēng)險的控制措施以便為工程建設(shè)單位提供科學(xué)的參考依據(jù).實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理目標(biāo).

1 風(fēng)險評估方法

1.1 風(fēng)險評估流程

根據(jù)頂管工程實際情況，本工程采用的評估流程如圖1所示.

圖1 評估流程

層次分析法通過把系統(tǒng)問題逐級分成若干層次關(guān)系，通過數(shù)學(xué)方法構(gòu)造并計算各層次的判斷矩陣，通過特征值來確定各指標(biāo)的權(quán)重.

風(fēng)險矩陣定級法是綜合考慮風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險后果從而給風(fēng)險定級的一種方法.表示為R=P×C，R表示風(fēng)險；P表示風(fēng)險因素發(fā)生的概率；C表示風(fēng)險因素發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果.P×C不是簡單意義的相乘，而是表示風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險因素產(chǎn)生后果的級別組合.

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法.該綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價.

對于所依托的頂管工程項目，采用層次分析法建立了大斷面矩形頂管風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型，分析頂管施工中存在的各種主要風(fēng)險因素.再使用風(fēng)險矩陣法以獲得各風(fēng)險源權(quán)重，并對頂管施工的風(fēng)險源進(jìn)行排序.通過對10名行業(yè)相關(guān)專家問卷調(diào)查以獲取頂管施工風(fēng)險各層級的各級因子評價矩陣.最后使用模糊綜合評價法將風(fēng)險矩陣法得到的風(fēng)險源因子權(quán)重與專家調(diào)查所得到的單因子評價矩陣相結(jié)合做出風(fēng)險等級評價.并針對各風(fēng)險源制定了相應(yīng)的預(yù)防或降低風(fēng)險的控制措施.

1.2 改進(jìn)的層次分析法簡介

傳統(tǒng)的層次分析法(AHP)的判斷矩陣標(biāo)度由1～9組成，在形成判斷矩陣之后需要進(jìn)行一致性檢驗來判斷矩陣中標(biāo)度選取的整體邏輯合理性.如矩陣不具有一致性，需經(jīng)過多次調(diào)整直至檢驗出一致性矩陣才算完成，這個過程中難免產(chǎn)生個人主觀影響.對此，將判斷矩陣標(biāo)度改用-1,0,1 3個標(biāo)度，這樣可以減少人為主觀因素影響，并免去了對判斷矩陣q的調(diào)整，檢驗.在形成了三標(biāo)度判斷矩陣后，運用數(shù)學(xué)方法將其轉(zhuǎn)化為最優(yōu)傳遞矩陣，從而得到無需進(jìn)行調(diào)整、檢驗的一致性判斷矩陣.具體步驟如下：

(1)建構(gòu)系統(tǒng)問題層次模型

(2)用三標(biāo)度法構(gòu)建比較矩陣A

(1)

其中：A為3標(biāo)度法比較矩陣；

(3)計算最優(yōu)傳遞矩陣R

(2)

其中：R為三標(biāo)度矩陣轉(zhuǎn)換的最優(yōu)傳遞矩陣；

(4)轉(zhuǎn)化為一致判斷矩陣D

(3)

其中：D為最優(yōu)傳遞矩陣轉(zhuǎn)換的一致判斷矩陣；

dij=exp(rij)

(5)計算一致判斷矩陣D的特征向量w

(4)

故有：

(5)

wi對應(yīng)相應(yīng)元素的權(quán)重值.

2 工程風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型建立

深圳地鐵12號線上川站位于寶安區(qū)上川路、前進(jìn)一路交叉路口，為全線的第11個車站.本次工程研究的J、F1、F2出入口頂管工程兼具過街通道功能，通道總長45 m，管片厚度50 cm，長度為1.5 m，管片采用C50砼，管片尺寸10 m×5 m，頂管機(jī)外形尺寸10.2 m×5.02 m，采用土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工.場地位置如圖2所示.

圖2 站址環(huán)境圖

頂管施工風(fēng)險影響因素眾多，且彼此之間存在關(guān)聯(lián).結(jié)合施工資料、專家意見以及文獻(xiàn)資料，從主觀和客觀因素出發(fā)，依次構(gòu)建4個二級指標(biāo)，10個三級指標(biāo)和30個四級指標(biāo).系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 頂管施工風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型

其中，二級指標(biāo)為：進(jìn)出洞風(fēng)險(X1)、設(shè)備風(fēng)險(X2)、掘進(jìn)風(fēng)險(X3)以及環(huán)境風(fēng)險(X4).

三級指標(biāo)為：設(shè)計因素(Y1)、施工因素(Y2)、自然因素(Y3)、機(jī)械故障(Y4)、人為因素(Y5)、

施工(Y6)、其他因素(Y7)、隧道狀況(Y8)、線路狀況(Y8)及道路狀況(Y10).

四級指標(biāo)為：頂管尺寸(Z1)、加固措施(Z2)、設(shè)計水位(Z3)……道路完好狀態(tài)(Z29)及修建年代(Z30).

3 實例分析

3.1 各級指標(biāo)相對權(quán)重排序

基于上述介紹的改進(jìn)的層次分析法流程，對方案層(二級指標(biāo))進(jìn)行兩兩對比，構(gòu)建3標(biāo)度判斷矩陣見表1.

表1 方案層次3標(biāo)度判斷矩陣

①根據(jù)式(2)計算A-X最優(yōu)傳遞矩陣R：

②根據(jù)式(3)將傳遞矩陣R轉(zhuǎn)化為一致判斷矩陣D：

③根據(jù)式(4)，(5)計算一致判斷矩陣的特征向量：

重復(fù)上述步驟計算出準(zhǔn)則層(三級指標(biāo))各層次指標(biāo)權(quán)重大小及排序見表2.

表2 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重大小及排序

同樣的可計算出子因素層(四級指標(biāo))各指標(biāo)權(quán)重，將該層級指標(biāo)所占系統(tǒng)權(quán)重繪制示意圖，見圖4.

圖4 子因素層風(fēng)險權(quán)重值

3.2 模糊綜合評價

構(gòu)建系統(tǒng)評價模型，需要從子因素層逐級向上推算.首先采用一級評價模型對構(gòu)成準(zhǔn)則層(第三指標(biāo))進(jìn)行單因素評價.模糊綜合評判的公式如式(6)所示：

(6)

式中：Wi為一致判斷矩陣的特征向量；Ri為專家評價矩陣.

將準(zhǔn)則層的一致判斷矩陣的特征向量代入模糊綜合評判公式，得到結(jié)果如下：

①Y1單因素評價結(jié)果：

②Y2單因素評價結(jié)果：

③Y3單因素評價結(jié)果：

④Y1，Y2，Y3的一級評價結(jié)果組成頂管施工進(jìn)出洞風(fēng)險的二級評價判斷矩陣RX1：

同樣的可以計算Y4，Y5…Y10的單因素評價結(jié)果，組成X2、X3、X4的二級評價判斷矩陣.

⑤X1，X2，X3與X4的二級評價判斷矩陣組成系統(tǒng)即目標(biāo)層即頂管施工風(fēng)險判斷矩陣RA：

⑥系統(tǒng)綜合評價

系統(tǒng)安全狀況等級的百分制評分見表3.可求得系統(tǒng)的總得分為：

FA=30×0.062 2+45×0.185 0+65×0.291 9+80×0.274 9+95×0.188 2=69.04

表3 綜合評判系統(tǒng)安全等級

結(jié)合總評價矩陣和各因素權(quán)重，可得頂管施工方案層風(fēng)險系統(tǒng)值分析結(jié)果，如表4所示.

表4 方案層的風(fēng)險系統(tǒng)值

根據(jù)系統(tǒng)綜合評價得知該頂管工程風(fēng)險的隸屬度為“0.062 2，0.185 0，0.291 9，0.274 9，0.188 2”，按照最大隸屬原則，最大隸屬度為0.291 9，對應(yīng)的風(fēng)險等級為中等，因此該頂管工程施工風(fēng)險等級為中等.其中，頂管進(jìn)出洞風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險的風(fēng)險為中等，掘進(jìn)風(fēng)險與環(huán)境風(fēng)險為較小.

3.3 風(fēng)險應(yīng)對措施

結(jié)合層次分析法與模糊綜合評價的結(jié)果，結(jié)合頂管工程現(xiàn)場具備的條件應(yīng)采取相應(yīng)地控制措施以降低施工風(fēng)險.針對各風(fēng)險層級的風(fēng)險源提出風(fēng)險應(yīng)對措施如下：

(1)針對頂管機(jī)進(jìn)出洞問題，可作出如下改進(jìn)措施：施工前做好充足的地質(zhì)勘探工作以深入了解施工中可能出現(xiàn)的風(fēng)險事故；在始發(fā)、接收洞口周圍采用加固措施；設(shè)置進(jìn)洞密封壓板等密封裝置；對洞口進(jìn)行防水密封處理；輔以豎井等降水處理措施.

(2)針對頂管設(shè)備風(fēng)險，可作出如下改進(jìn)措施：根據(jù)工程情況合理進(jìn)行頂管機(jī)選型；根據(jù)理論計算的頂推力配置頂推千斤頂以保證足夠的頂力且可以避免過度配置頂力而加大工程預(yù)算；適當(dāng)配置常壓可更換刀具；根據(jù)地層情況應(yīng)采用耐磨刀具；施工期定期檢查維修頂推設(shè)備.

(3)針對頂管掘進(jìn)過程的風(fēng)險情況，可作出如下改進(jìn)措施：合理管控頂推力和同步注漿；超前地質(zhì)預(yù)報；糾偏是頂管掘進(jìn)過程的重中之重，前面管節(jié)的頂進(jìn)姿態(tài)控制關(guān)系到后續(xù)管節(jié)的偏移，可采用先進(jìn)的高精度自動導(dǎo)向系統(tǒng).

(4)針對頂管施工環(huán)境風(fēng)險，可作出如下改進(jìn)措施：盡量控制勻速推進(jìn)以保持開挖面的穩(wěn)定性；采用管節(jié)止退裝置以防止管節(jié)在拼裝或加墊塊時后退；管土注漿應(yīng)及時且應(yīng)控制均勻的注漿速度；施工前制定合適方案保護(hù)管線及軍用光纜安全.

4 結(jié)論

(1)將以往的層次分析法中采用9標(biāo)度組建的判斷矩陣改進(jìn)為3標(biāo)度矩陣，這樣可以減少人為主觀因素影響，并免去了對判斷矩陣的調(diào)整、檢驗.并運用數(shù)學(xué)方法將3標(biāo)度矩陣先轉(zhuǎn)化為最優(yōu)傳遞矩陣，最后得到無需進(jìn)行調(diào)整、檢驗的一致性判斷矩陣.通過該方法可以確定系統(tǒng)模型的各因素權(quán)重并排序.

(2)通過專家調(diào)查法獲取的風(fēng)險因素評價矩陣以及改進(jìn)的層次分析法得到各因素的權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評價對頂管工程實施風(fēng)險進(jìn)行了客觀的風(fēng)險分析，得到了綜合施工風(fēng)險等級為中等，頂管進(jìn)出洞風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險為中等，掘進(jìn)風(fēng)險與環(huán)境風(fēng)險為較小的結(jié)論.并給出了風(fēng)險應(yīng)對措施，該成果有助于現(xiàn)場施工管理人員識別各類風(fēng)險的重要性程度，從而有針對性地采取相應(yīng)措施以減小施工風(fēng)險.