明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合綜合評價

付 金，徐 筱，陳秉欣，張澤輝，張 翾

(1.中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，鄰接工程并行建設(shè)與協(xié)同施工的情形不斷涌現(xiàn)[1]。對于面向全域的復(fù)雜環(huán)境下鄰接工程協(xié)同施工體系，施工安全管理需求突出，開展全域協(xié)同施工風(fēng)險精細(xì)管控意義重大[2-3]。

對于協(xié)同施工體系，施工事故往往伴隨著多種風(fēng)險因素共同作用，在其施工風(fēng)險綜合評價及精細(xì)管控中需考慮風(fēng)險間的耦合作用[4]。目前，風(fēng)險評估中風(fēng)險耦合作用漸被關(guān)注，結(jié)合實踐應(yīng)用，形成了初步的評價方法。其中，王乾坤等[5]采用C-OWA算子和相互作用矩陣法構(gòu)建了地鐵深基坑施工風(fēng)險耦合評價方法;文艷芳等[6]基于PSR-IAHP模型構(gòu)建了地鐵隧道施工坍塌風(fēng)險耦合體系;沈陽等[7]采用指標(biāo)折減法考慮了超高層施工風(fēng)險因素耦合。然而，對面向全域的復(fù)雜環(huán)境下明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合研究還鮮有報道[8]，將風(fēng)險耦合引入?yún)f(xié)同施工風(fēng)險研究中，以期探明面向全域的復(fù)雜環(huán)境下協(xié)同施工風(fēng)險因素之間的耦合作用并量化耦合強(qiáng)度。

城市公路隧道施工中事故的發(fā)生往往是周圍環(huán)境、施工、設(shè)計、現(xiàn)場管理等多種致災(zāi)因素共同作用的結(jié)果，傳統(tǒng)的分析方法多以單一風(fēng)險源為出發(fā)點，評估單一風(fēng)險源誘發(fā)事故的概率，并未從事故的機(jī)理出發(fā)，討論多種致災(zāi)因素共同致災(zāi)的耦合機(jī)制[9-12]。明挖公路隧道與地鐵工程協(xié)同施工過程中安全事故致災(zāi)因素眾多，相互之間的耦合關(guān)系也較為復(fù)雜。通過耦合路徑和耦合程度的度量實現(xiàn)對明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險事件產(chǎn)生機(jī)理的闡釋，同時為施工風(fēng)險防控提供對策與建議，從源頭上切除或削弱風(fēng)險耦合事故的產(chǎn)生條件，避免強(qiáng)耦合效應(yīng)的產(chǎn)生。

本研究針對明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合綜合評價，構(gòu)建了風(fēng)險耦合評價指標(biāo)體系，明確了風(fēng)險源及其耦合信息分析框架，建立了明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合綜合評價模型。結(jié)合深圳公常路明挖公路隧道與鄰接地鐵6號線支線協(xié)同施工項目，進(jìn)行了實例分析，度量了風(fēng)險耦合作用程度及各風(fēng)險因素之間的耦合效應(yīng)，以期為面向全域的明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工項目的風(fēng)險評價與安全管理提供支撐，同時為后續(xù)近接同期、協(xié)同施工系統(tǒng)風(fēng)險耦合分析提供參考。

1 風(fēng)險耦合評價指標(biāo)體系

影響明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工的風(fēng)險事件主要包括施工變形超限、支護(hù)體系破壞(支撐失穩(wěn)、基坑崩塌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移過大、坑底隆起)、護(hù)壁基底滲漏突涌破壞(土體滲透破壞、降水引起周圍地面沉降、基底突涌)、施工工期延誤等，風(fēng)險耦合研究首先要通過風(fēng)險識別與因子分析，建立風(fēng)險指標(biāo)體系。

采用WBS工作分解法[13]，分析明挖下穿公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工安全事故原因。如明挖公路隧道基坑開挖卸荷過程中，深基坑工程各施工程序、工藝錯誤(開挖高差太大，開挖土方的空間尺寸、暴露時間等時空效應(yīng)考慮不足，各工種、工序之間協(xié)調(diào)和保護(hù)不周等)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理(土體強(qiáng)度指標(biāo)選擇不合理、圍護(hù)支撐體系強(qiáng)度不夠等)，鄰接基坑開挖、降水的影響，周圍環(huán)境監(jiān)測不合理，施工單位施工質(zhì)量差，施工管理混亂等，多種因素導(dǎo)致安全風(fēng)險事件發(fā)生，即事故發(fā)生通常是一系列的失誤、缺陷共同作用的結(jié)果。對于面向全域明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工風(fēng)險耦合的復(fù)雜性，通過采用理論與應(yīng)用相結(jié)合等研究方法，基于風(fēng)險耦合致災(zāi)機(jī)理，明確風(fēng)險源及其耦合信息的獲取方式。運用風(fēng)險耦合模型，獲取風(fēng)險狀態(tài)的準(zhǔn)確估計[14]。本研究將明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工安全風(fēng)險主要因素分為同步施工因素、開挖因素、圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素、降水止水因素和項目管理因素這5個方面，如表1所示。

表1 明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工安全風(fēng)險因素Tab.1 Safety risk factors of collaborative construction of open cut highway tunnel and adjacent subway project

2 明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合模型

耦合度模型可對風(fēng)險因素間耦合作用的強(qiáng)弱進(jìn)行定量評價并較為直觀地展現(xiàn)各風(fēng)險因素間的耦合作用狀態(tài)[15]。明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合模型的基本原理：在明確風(fēng)險耦合致災(zāi)機(jī)理(耦合信息)及評價指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，確定風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重和特征值，構(gòu)建功效函數(shù)及耦合度函數(shù)，計算系統(tǒng)耦合度，獲取風(fēng)險耦合狀態(tài)的準(zhǔn)確估計，得到明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工安全評價體系。

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)值

基于層次分析法(AHP)來計算指標(biāo)權(quán)重，即將定性問題與定量數(shù)值相結(jié)合，采用1-9比例標(biāo)度法構(gòu)建明挖公路隧道協(xié)同施工安全風(fēng)險耦合評價指標(biāo)的判斷矩陣并計算指標(biāo)權(quán)重ωi。

采用DEMATEL-逆向云模型相結(jié)合的方法測定風(fēng)險特征的定量數(shù)值[16]，得到云特征值Ex，En，He。其中，Ex為期望值，En為熵，He為超熵，主要計算過程為：

先計算樣本均值和方差：

(1)

(2)

式中xi為樣本數(shù)據(jù)；n為樣本數(shù)量。

再得到期望值、熵及超熵：

(3)

(4)

(5)

基于DEMATEL確立各風(fēng)險因素之間因果關(guān)系和影響程度，構(gòu)建評估矩陣。通過對評估矩陣的計算，評價明挖公路隧道協(xié)同施工安全風(fēng)險耦合狀態(tài)。

2.2 確定風(fēng)險因素功效

耦合度模型能夠直觀、定量地表達(dá)出協(xié)同施工安全風(fēng)險耦合評價體系內(nèi)風(fēng)險因素的強(qiáng)弱關(guān)系，其中通過功效函數(shù)來量化不同風(fēng)險因素對導(dǎo)致事故(風(fēng)險體系)的影響程度(綜合作用水平)。功效函數(shù)模型為：

(6)

式中，Uij為明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合體系的功效系數(shù)(第i類因素的第j個因子)，即風(fēng)險因子對施工安全的影響程度，其中正功效表示關(guān)注因素和安全風(fēng)險正相關(guān)，其值越大對施工安全的影響越大；Exij為前述期望值；Aij和Bij為風(fēng)險評估矩陣序參量的上、下限值。

基于得到的功效系數(shù)Uij，采用線性加權(quán)和法，可得各風(fēng)險因素的功效Ui：

(7)

以此量化各風(fēng)險因素對施工安全風(fēng)險耦合系統(tǒng)的綜合作用水平。

2.3 耦合度模型構(gòu)建

將容量耦合模型引入明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合系統(tǒng)[17-18]，以耦合度來度量風(fēng)險耦合(因素相互作用)的程度?；谇笆龅玫降娘L(fēng)險因素的功效Ui，構(gòu)建明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工系統(tǒng)的耦合度模型：

Cm={(U1·U2…Um)/[∏(Ui+Uj)]}1/m，

(8)

式中，Cm為整個系統(tǒng)風(fēng)險耦合的耦合度值；m為明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工系統(tǒng)風(fēng)險耦合涉及的風(fēng)險因素數(shù)。

依據(jù)耦合模型中耦合狀態(tài)的劃分原則，結(jié)合明挖公路隧道施工安全風(fēng)險評價需求，將協(xié)同施工安全風(fēng)險耦合評價等級劃分為較低水平、中等水平和高等水平3個級別[10]。由式(9)可知，耦合度的值Cm∈[0,1]。當(dāng)Cm=0時，表示風(fēng)險耦合作用關(guān)系最弱；Cm=1時，表示風(fēng)險耦合作用關(guān)系最強(qiáng)。具體來說，Cm∈[0,0.3]時風(fēng)險耦合綜合水平較低；Cm∈(0.3,0.7]時風(fēng)險耦合水平中等；Cm∈(0.7,1]時風(fēng)險耦合水平高。

3 實例分析

本研究以深圳市公常路明挖下穿公路隧道與鄰接地鐵6號線支線協(xié)同施工項目為例，該協(xié)同施工項目中公常路下穿隧道全長3.56 km，其中地下道路長2.6 km(封閉段2.22 km，敞開段0.425 km)。6號線支線項目包括中山大學(xué)站、武漢大學(xué)站2座地鐵車站主體(開挖深度分別為20 m和18.5 m左右)及出入口和區(qū)間隧道，施工難度較大。本公路隧道距離中山大學(xué)站最小水平凈距3 m，距離武漢大學(xué)站5 m，且2項工程同期施工。地鐵武大站C出入口橫下穿本公路隧道，地鐵中大站出入口上跨本隧道，地鐵盾構(gòu)隧道與本項目隧道最小水平凈距5 m。

該項目位于深圳市西北部的光明新區(qū)的公常路左幅，近東西向布置，為建(構(gòu))筑物密集地段。項目實施過程中就施工組織，尤其是相鄰深基坑開挖等交叉施工，與地鐵方進(jìn)行了多次協(xié)調(diào)，達(dá)成了合理的解決方案，保障了施工安全。

3.1 權(quán)重計算

結(jié)合項目現(xiàn)場施工實際情況，構(gòu)建風(fēng)險因素判斷矩陣，如1級指標(biāo)5類風(fēng)險因素間的風(fēng)險判斷矩陣為：

采用MCE軟件中的AHP模塊計算判斷矩陣及權(quán)重數(shù)值，明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險指標(biāo)體系權(quán)重計算結(jié)果如表2所示。

表2 協(xié)同施工系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Collaborative construction system risk indicator weights

3.2 風(fēng)險指標(biāo)值

根據(jù)上述建立的項目施工安全風(fēng)險評價體系，基于DEMATEL-逆向云模型，對各風(fēng)險因素的直接影響程度賦值，標(biāo)定該協(xié)同項目施工安全風(fēng)險指標(biāo)值。數(shù)據(jù)來源于相關(guān)決策試驗，通過確定風(fēng)險指標(biāo)的得分，利用云發(fā)生器計算指標(biāo)的風(fēng)險值?；谑?1)～式(5)，得到的云模型結(jié)果如表3所示，這里僅示出1級指標(biāo)標(biāo)定結(jié)果，其中Aij=1，Bij=0。

表3 一級指標(biāo)云模型Tab.3 Cloud model of first level indicators

3.3 耦合度計算

結(jié)合指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)值，基于式(7)給出風(fēng)險因素的功效。結(jié)合指標(biāo)功效，基于式(8)，可得到該明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工不同風(fēng)險耦合狀態(tài)下的耦合度，這里僅從1級指標(biāo)角度進(jìn)行說明，具體結(jié)果如表4所示。C(F1,F2)為F1(同步施工因素)和F2(開挖因素)之間的風(fēng)險耦合(因素相互作用)的程度，其他同理。

3.4 風(fēng)險耦合分析

基于表4得到的風(fēng)險耦合狀態(tài)量化值，來綜合評價明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工風(fēng)險耦合狀態(tài)：(1)風(fēng)險耦合體系中雙因素耦合均為中等強(qiáng)度耦合，F(xiàn)1(同步施工因素)和F2(開挖因素)之間的耦合度最大，為0.677，接近高強(qiáng)度耦合。(2)在雙因素、三因素、四因素耦合中，均表現(xiàn)出當(dāng)有F1(同步施工因素)參與的耦合時，耦合度均較大，這表明同步施工因素對明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工安全風(fēng)險影響最為顯著。施工中開挖、圍護(hù)、降止水等技術(shù)方案的確定及施工現(xiàn)場管理均應(yīng)注重考慮同步施工因素的影響，降低同步施工風(fēng)險因素的耦合作用程度，保障施工安全。(3)F1-F2耦合度最大表明，對于明挖公路隧道全域鄰接復(fù)雜交叉協(xié)同施工項目，鄰接深基坑同步開挖風(fēng)險耦合程度最為顯著。其中跟進(jìn)、先行等相互間施工關(guān)系、施工時機(jī)、施工區(qū)段的間距、基坑開挖方式和工序、土方回填等因素相互作用(影響)明顯，相互間風(fēng)險耦合顯著。施工中應(yīng)重點關(guān)注相鄰深基坑同步施工及基坑開挖二者風(fēng)險耦合作用，加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)，與地鐵方對接施工組織情況，切實考慮與地鐵交叉施工的影響，預(yù)判存在的問題。對深基坑開挖選取適宜的開挖工法，即綜合考慮2類因素，尋求合理的解決方案。(4)基于耦合度模型的評價結(jié)果對因素序參量的依賴程度較高，得到合理的風(fēng)險因素序參量(因素功效)取值較為關(guān)鍵，后續(xù)研究可結(jié)合相近工程對應(yīng)風(fēng)險因素導(dǎo)致的風(fēng)險事件發(fā)生的概率統(tǒng)計分析來給出因素功效。

表4 明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工風(fēng)險耦合度Tab.4 Risk coupling degree of collaborative construction of open cut highway tunnel and adjacent subway project

4 結(jié)論

(1)通過對施工過程中施工變形超限、支護(hù)體系破壞等主要風(fēng)險事件特征及機(jī)理解析，從同步施工、開挖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、降水止水和項目管理5個方面建立了明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合評價指標(biāo)體系，構(gòu)建了耦合信息分析框架。引入耦合度模型，基于各因素權(quán)重、風(fēng)險值及功效，構(gòu)建了明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合綜合評價模型，度量了風(fēng)險耦合(因素相互作用)的程度。

(2)采用理論與應(yīng)用相結(jié)合的方法，結(jié)合深圳公常路明挖公路隧道與鄰接地鐵6號線支線協(xié)同施工項目，進(jìn)行了實例研究?；诘玫降牟煌L(fēng)險耦合狀態(tài)下的耦合度量化值，綜合評價了明挖公路隧道與鄰接地鐵工程協(xié)同施工風(fēng)險耦合狀態(tài)，結(jié)合項目現(xiàn)場情況驗證了模型的可行性。

(3)明挖公路隧道與鄰接地鐵協(xié)同施工風(fēng)險耦合體系中，同步施工因素參與耦合時，耦合度均較大，即同步施工因素對施工安全影響較大。同步施工因素和開挖因素二者耦合度最大，即鄰接深基坑同步開挖風(fēng)險耦合程度最為顯著。施工中開挖、圍護(hù)、降止水等技術(shù)方案的確定及施工現(xiàn)場管理均應(yīng)注重考慮同步施工因素的影響，同時對于相鄰深基坑同步開挖，應(yīng)選取合理的施工組織與開挖工法，降低風(fēng)險耦合作用，保障施工安全。