大口徑深層曝氣井地下豎井構筑物施工風險管理

張志勇，王中兵，陳滔

(上海廣聯建設發展有限公司，上海 200438）

大口徑深層曝氣井地下豎井構筑物施工風險管理

張志勇，王中兵，陳滔

(上海廣聯建設發展有限公司，上海 200438）

深層曝氣井地下豎井構筑物的施工風險與擬建場地工程地質勘察、成孔鉆進、外管下放、管外回填固化等環節風險相關。利用層次分析－模糊評判方法把深層曝氣井地下豎井構筑物施工風險表示為有序的遞階層次結構，通過確定各施工環節的風險權重，對施工環節的風險進行排序，確定各施工環節的風險程度。把層次分析的量化結果與模糊數學中的綜合評判方法結合起來，對深層曝氣井地下豎井構筑物施工進行全面的風險評價、管理。

層次分析;模糊評判;深層曝氣井;風險管理

0 引言

深井曝氣(Deep Shaft Process）也稱“超深水曝氣”、“超深層曝氣”，是一種新型的廢水處理工藝［1］，1968年首先由英國帝國化學工業有限公司將其應用于廢水處理中，1974年在英國的Billingham建成了世界上第一個半生產型的深井曝氣裝置。1975年前西德KSK在埃里克海姆的馬鈴薯淀粉廠建成了世界上第一座處理工業廢水的深井曝氣裝置。深井曝氣是以地下豎井構筑物作為曝氣裝置的高效活性污泥工藝，其直徑為0.5～6.0 m，深50～150 m，深井縱向被分為2部分——上升管和下降管。按照上升管和下降管結構的差異可分為U形管型、中隔墻型和同心圓型深井。由于施工相對簡單、制造方便，目前的深井處理工藝大都采用同心圓型深井，其構造如圖1所示。

從國內已實施的深層曝氣井工程來看，深井建設區域分布在全國各地，直徑自1.4～4.8 m，深度自45～120 m。深井施工地域范圍廣，設計參數變化大，深井地下豎井構筑物施工面臨的風險較大，其風險與擬建場地工程地質勘察、成孔鉆進、外管下放、管外回填固化等環節施工風險相關，且每一個環節風險對整個項目的風險程度大小不同。因此，在深井地下豎井構筑物施工過程中，有必要分析施工各個環節的風險程度，開展科學的風險管理。

圖1 深層曝氣井工藝結構

1 深層曝氣井施工事故類型及評估方法

1.1 深層曝氣井施工事故類型

我國自1978年進行了深井曝氣工藝的開發研究。目前，已經在上海、天津、山東、江蘇、浙江、新疆等地區施工了多口深層曝氣井地下豎井構筑物。從已施工的地下深井工程案例來看，深層曝氣井地下構筑物施工風險主要有以下幾種:(1）勘察資料不詳細或不準確，施工盲目性大;(2）鉆井平臺設計不合理或鉆井平臺施工質量差，施工過程中鉆機傾斜，鉆井垂直度較差，外井管下放困難;(3）擬建場地地層穩定性差，易坍孔或縮頸，造成成孔失敗或外管無法下放;(4）鉆進過程中泥漿配置不合理，鉆孔坍塌;(5）鉆進過程中鉆壓及鉆進速度控制不合理，鉆井垂直度較差;(6）外管制作質量差或接頭焊接質量差，下放過程中管壁失穩;(7）外管下放過程中，管外泥漿置換效果差，外管管壁失穩;(8）外管與井壁間空隙石子回填過程中，石子回填速度過快，外管上升或失穩。

1.2 風險評估方法

從已有的工程案例看，深層曝氣井地下構筑物施工風險存在于施工過程的每個環節，每個環節對施工風險的影響程度也是不同的，如何綜合地分析每個環節施工風險的影響大小，對于深層曝氣井的施工管理具有非常重要的意義。本文應用層次分析－模糊評判方法進行深層曝氣井施工風險評價管理［2］。系統工程中常用的層次分析法為深層曝氣井施工風險分析提供了簡便實用的方法，把深層曝氣井施工風險表示為有序的遞階層次結構，用決策者的經驗判斷各施工環節導致風險的可能程度，并合理地給出每個施工環節的風險權重，利用權重對各施工環節風險進行排序;模糊評判法根據模糊數學的隸屬度理論把深層曝氣井施工總體風險的定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多個環節風險因素制約的深層曝氣井地下豎井構筑物施工風險做出一個總體的評價。把層次分析的量化結果與模糊數學中的綜合評判方法結合起來，克服了因決策者個人見解的偏差而產生的隨意性，避免了單純模糊數學方法中的模糊不確定性帶來的誤差。

2 深井曝氣井施工風險評估模型的建立

2.1 深層曝氣井施工風險評價因素指標

開展深層曝氣井施工風險評價管理，首要任務是確定風險評價指標。結合多年來的施工經驗，從勘察、鉆進、外管下放、管外回填4個方面確定風險評價因素指標。

2.1.1 勘察

巖土工程勘察資料對于鉆井施工非常重要，總的來說，巖土工程勘察對深層曝氣井施工風險的影響主要在以下幾個方面:(1）鉆井井位與勘察孔若不一致，則勘察報告很難準確反映鉆井井位處地層情況，鉆井施工盲目性較大;(2）若勘察孔的數量較少，而井徑較大的情況下，很難反映地層層位標高變化情況，無法精確確定鉆壓與鉆進速度;(3）若工程場地巖土體特性比較差，比如為流砂或淤泥質土，則很容易出現坍孔或縮頸現象，造成后期外管下放困難或無法下放到位。

2.1.2 鉆進

利用鉆井法成井，成井質量的好壞關系著深層曝氣井工程的施工成敗，因此，對鉆進的各個工序需嚴格控制:(1）鉆井平臺承擔著鉆機的壓力，若平臺設計不合理，施工質量不好，鉆進過程中鉆機水平很難控制，鉆孔的垂直度就無法保證，外管下放也就不能保證;(2）若保證外管順利下放，則成井直徑與外管直徑間須至少保留300 mm間隙，這就需要鉆頭直徑至少比外管直徑大600 mm，鉆機的輸出扭矩也要達到相應的要求;(3）在遇到軟硬不均的地層時，對于鉆壓及鉆進速度的控制非常重要，鉆壓較大，鉆進速度較大，孔斜產生概率高;鉆壓小，鉆進速度小，施工進尺慢，施工效率無法保證;(4）鉆進孔徑越大，孔壁的穩定性越差，因此，對護壁泥漿的性能要求非常高，護壁泥漿的膨潤土質量、配比、補給控制得好，孔壁坍塌的概率就降低。

2.1.3 外管下放

外管一般采用鋼板卷制，分段焊接。從控制成本的角度考慮，一般外管鋼板的厚度不按理論計算結果考慮，而是采用內部加“十”字撐，外部槽鋼加固的方式進行加強。若外管加工質量差，則存在外管管壁失穩的風險;在孔口分段焊接時，若焊接質量較差，則存在后期滲漏的風險;外管下放時，若泥漿產生沉淀，造成下部泥漿密度過大，則下部極易出現管壁失穩現象。

2.1.4 管外回填

根據管徑不同，管外回填一般采用安置若干根注漿管，其中約50%數量注漿管安裝深度至孔底，50%數量的注漿管安裝深度約至50%孔深度，且均為相隔均布。管外壁與孔壁間間隙回填石子后通過注漿管注漿固化外井管。在回填石子時，初始回填時若采用機械回填，由于回填速度較快，容易導致外管上浮，因此，對于石子回填時的回填方式及回填速度需要嚴格控制。

通過對深層曝氣井施工環節風險因素的分析，共確定了4個一級指標、13個二級指標用于深層曝氣井施工風險評價。層次分析模型如圖2所示。

圖2 深層曝氣井施工風險層次分析結構模型

2.2 權值的確定

根據前面對深層曝氣井施工風險的分析，將研究對象劃分為3個層次:深層曝氣井施工風險性評價作為模型的目標層是這一問題的最終目的(A層次）;勘察、鉆進、外管下放、管外回填各個階段對深層曝氣井施工風險的影響程度不同，但其影響方式還需通過與其相關的具體因素來體現，這是解決問題的中間環節，亦即模型的準則層(B層次）;各個具體的指標構成了本模型的決策層(C層次），通過對該層次問題的決策，即可最終達到所要求解的目標。

各指標的重要性權值是借助于系統工程中常用的層次分析法，通過兩兩因素的對比，逐層比較多種關聯因素而最后得出的。當層次結構建立以后［3～6］，對每一層次中各因子相對重要性由施工經驗豐富的專家分析判斷后給出。要對2個以上的影響因子重要性做出精確的綜合判斷，需要通過層次分析法來構造判斷矩陣，并對構造的判斷矩陣作一致性檢驗。構造判斷矩陣一般采取互反法。Satty給出了1～9標度見表1。

表1 計算矩陣標度及其含義

在互反判斷矩陣中，i與j比較得到判斷Cij，則因子j與i比較得到判斷Cji，Cij=1/Cji，Cii=1。權重計算的實質是計算該判斷矩陣的最大特征根及相應的特征向量，即求解滿足判斷矩陣R∶RW=λmaxW的特征根和特征向量。W的分量Wi是對應于單元單排序的權值。將λmax對應的特征化向量歸一化，w為權重向量。如果判斷矩陣不具有完全一致性時，則λmax＞n，為了衡量不一致程度，需要計算它的一致性指標:

C.I.=(λmax－n）/(n－1）

當C.R.=C.I./R.I.≤0.1時，就認為判斷矩陣的一致性可以接受。其中R.I.參見龔木森、許樹柏(1986）得出的1～15階重復計算1000次的平均隨機一致性指標(見表2）。

表2 平均隨機一致性指標

準則層(B層次）勘察、鉆進、外管下放、管外回填對目的層深層曝氣井施工風險總判斷矩陣見表3。

表3 深層曝氣井施工風險總判斷矩陣

總判斷矩陣的最大特征值λmax=4.06，計算得到一致性比率C.R.=0.02＜0.1，矩陣一致性可以接受。權重向量wA=(b1b2b3b4）=(0.11 0.58 0.24 0.07）。決策層(C層次）對準則層(B層次）的風險判斷矩陣見表4、5、6、7。

表4 勘察引起的施工風險判斷矩陣

表5 成孔鉆進引起的施工風險判斷矩陣

表6 外管下放引起的施工風險判斷矩陣

表7 管外回填引起的施工風險判斷矩陣

同理可得判斷矩陣B1的最大特征值λmax= 3.09，權重向量wb1=(c1c2c3）=(0.28 0.10 0.62）;判斷矩陣B2的最大特征值λmax=4.13，權重向量wb2=(c4c5c6c7）=(0.24 0.58 0.06 0.12）;判斷矩陣B3的最大特征值λmax=3.07，權重向量wb3= (c8c9c10）=(0.19 0.08 0.72）;判斷矩陣B4的最大特征值λmax=3.04，權重向量wb4=(c11c12c13）= (0.11 0.26 0.63）;各矩陣都通過了一致性檢驗。

3 層次分析－模糊綜合評判方法

采用模糊綜合評判法建立起各施工環節對深層曝氣井施工風險評價的隸屬函數，根據層次分析法確定各指標因素對于深層曝氣井施工風險的影響權值，然后進行層次分析－模糊綜合評判，依據最大隸屬度原則，判斷深層曝氣井施工風險程度，其流程如圖3所示。

圖3 層次分析－模糊綜合評判流程圖

3.1 模糊評判數學模型

設與被評價事物相關的因素有m個，記作U= {u1，u2，…，um}，稱之為因素集或指標集，每種因素ui(i=1，2，…，m）對確定評判對象等級的影響程度不同，即它們的權值是不同的，考慮用權重w={ρ1，ρ2，…，ρm}來衡量各因素重要程度的大小。其中，ρ1為因素集中ui的權值

評判對象可分為P個等級，其等級集V={v1，v2，…，vp}。

因素集U中第i個因素ui對于深層曝氣井施工風險的隸屬度是一模糊數值λi，λi是V中的模糊子集Ri(i=1，2，…，m），Ri={r1，r2，…，rp}是單峰的凸模糊集，則單因素評價矩陣為

對A及R進行合成運算，即可求出評判結果，它是V上的一個模糊子集B，即

根據最大隸屬度原則，若bi=max(b1，b2，…，bp），則評判結果就是與j項對應的評判等級。

3.2 深層曝氣井施工風險等級劃分

根據多年深層曝氣井施工經驗，將其風險性劃分為5級，即V={小，較小，較大，大，很大}。不同因素的隸屬度值對應于不同施工風險性評價等級的單因素評價值見表8，由此可以確定各評價指標的單因素評價矩陣。

表8 單因素隸屬度評價值

3.3 深層曝氣井施工風險指標隸屬度及評價矩陣的確定

根據深層曝氣井施工階段預測評價區域各評價指標的不同取值，由預測評價區域的相關參數求出各個評價指標的隸屬度值，因素c1～c3的隸屬度評價值構成了對指標b1的評價矩陣R1，因素c4～c7的隸屬度評價值構成了對指標b2的評價矩陣R2，因素c8～c10的隸屬度評價值構成了對指標b3的評價矩陣R3，因素c11～c13的的隸屬度評價值構成了對指標b4的評價矩陣R4，即

3.4 深層曝氣井施工風險模糊綜合評價方法

模糊綜合評價就是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其進行綜合評價。在這里，運用C層次中的因素c1～c13對B層次中的指標b1，b2，b3，b4進行綜合評價，得到B層次指標對目標層次A的評價矩陣，即

對wA和R進行合成運算，即可求出評判結果，即B=wAR=［b1，b2，…，bp］，若bi=max(b1，b2，…，bp），則評判結果就是與j項對應的評判等級。

4 工程案例

九江華孚纖維有限公司深層曝氣井工程位于江西九江市彭澤縣生態工業區，深層曝氣井的成孔直徑設計為3600 mm，井深100 m，鉆孔的垂直度達到1/200，共1口井，外井管直徑(包含外側加強槽鋼） 3200 mm，內井管直徑1750 mm。

擬建場地位于華孚纖維有限公司廠內，建設單位提供的地質勘察資料取土深度為100 m，沿井徑均布勘察孔3個，孔口標高以±0.00，巖土工程勘察報告所反映的地層構成狀況見表9。

表9 地基土構成及特征

后由于施工場地原因，深層曝氣井井位移動至其他區域，但未再進行相應勘察工作，根據已有勘察孔的工程地質狀況及鉆井設計參數，深井成孔施工選用KT5000型全液壓回轉鉆機，配備大直徑配重結構式導正刮刀鉆頭和滾刀牙輪鉆頭，采用正循環與氣舉反循環相結合，泥漿護壁一次成孔施工方法。

深層曝氣井施工平臺為沿井口周邊澆注，尺寸為10.00 m×13.80 m。護壁泥漿采用人工造漿，泥漿密度控制在1.10～1.25 g/cm3之間。根據計算及本工程地層情況，結合考慮一定的所選鉆具質量及工藝要求，擬在鉆頭上部增加14 t配重，給壓的方式應采用減壓鉆進，以保證成孔鉆進的效率、穩定性、垂直度。外井管采用在廠家制作、現場孔口分段焊接方式，分段焊接為雙面焊。初始回填時必須采取等高差慢速回填，待井管埋深10 m以上再逐漸提高石子投放速度，但須做到環周等高差勻速回填。

由上述施工條件，確定評判區域的各影響因素和評價指標，根據每個評價因素的隸屬函數計算得出各自的隸屬度值，由表8得出單因素評價值，從而構造出評價矩陣，即

因此，根據最大隸屬度原則，對照深層曝氣井施工風險評價等級的劃分，評判結果中最大數值0.316所對應的等級為最終評價等級，即深層曝氣井施工風險性為“較大”。該工程在實際施工過程中由于井位與勘察孔孔位的不一致而導致了施工參數的控制不合理，產生了孔斜現象，外管下放困難，最終通過多次掃孔才解決了孔斜現象，與評價預測結果是相符的。

5 結論

(1）利用層次分析－模糊綜合評判方法，對深層曝氣井施工風險進行分析評價，可以識別出各個階段風險權重，并可對實際工程進行風險評估，以便采取針對性措施。

(2）在勘察、成孔鉆進、外管下放、管外回填各個階段，成孔鉆進階段風險權重為0.58，對深層曝氣井施工成敗具有決定性的影響。因此，對于成孔鉆進階段應予以重視。

(3）勘察階段巖土體的工程特性所占權重為0.62，因此，對巖土體特性差的區域，應在成孔鉆進前提出針對性應對措施;成孔階段鉆機及鉆頭的選擇所占權重為0.58，因此，針對特定的巖土體，選擇適宜的成孔設備非常重要;外管下放階段，孔內泥漿置換所占權重為0.72，因此，對孔內泥漿置換應引起高度重視;孔內回填階段，回填料的回填速度所占權重為0.63，因此，在石子回填時，應勻速回填。

(4）針對具體工程，可結合實際條件，對準則層中各項指標具體評估，判斷深層曝氣井施工的總體風險，根據風險程度大小，提前做出針對性措施。

［1］連鹿聲，應道宣.大口徑工程鉆孔施工的又一領域——深層曝氣井的施工［J］.工程勘察，1998，(2）:49－52.

［2］劉偉韜，張文泉，李加祥.用層底分析－模糊評判進行底板突水安全性評價［J］.煤炭學報，2000，25(3）:278－282.

［3］婁榮祥，崔永高，魏誠寅.地鐵工程地下水風險識別與模糊綜合評判［J］.地下空間與工程學報，2011，7(S1）:1303－1307.

［4］陳神龍，陳龍珠，宋春雨.基于模糊綜合評判法的地鐵車站施工風險評估［J］.地下空間與工程學報，2006，2(1）:32－41.

［5］王巖，黃宏偉.地鐵區間隧道安全評估的層次－模糊綜合評判法［J］.地下空間，2004，24(3）:301－305.

［6］陳太紅，王明洋，解東升，等.地鐵車站基坑工程建設風險識別與預控［J］.防災減災工程學報，2008，28(3）:375－381.

Management of Construction Risk of Large Diameter Underground Shaft for Deep Shaft Process

ZHANG Zhi-yong，WANG Zhong-bing，CHEN Tao(Shanghai Guanglian Construction Development Co.，Ltd.，Shanghai 200438，China）

Construction risk of underground shaft for deep shaft process is related to risks of many links such as engineering geological investigation of the site，drilling，installation of outer tube and backfilling gap between the drilling and pipe，and so on.Using analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method，construction risk of underground shaft for deep shaft process is expressed as the orderly hierarchical structure in this paper.By identifying risk weight and risk ranking of each construction link，we determine the risk degree of each construction link.The quantitative results of analysis and fuzzy comprehensive evaluation method are combined with so that we develop comprehensive risk assessment and management to construction for underground shaft for deep shaft process.

analytic hierarchy process(AHP）;fuzzy evaluation;deep Shaft Process;risk management

TD262

:A

:1672－7428(2012）10－0076－06

2012－04－11;

2012－05－09

張志勇(1977－），男(漢族），山東德州人，上海廣聯建設發展有限公司工程師，巖土工程專業，碩士，從事地下空間開發技術研究及相關施工技術管理工作，上海市國偉路135號10號樓215，zhzhy308@163.com。