基于多監測及預警要素的地鐵工程安全風險量化評估方法

徐耀德，祝建勛，郭 濤

（北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037）

當前， 我國城市軌道交通進入蓬勃發展時期，成為促進地方經濟發展和改善民生的重要引擎。但城市軌道交通地處復雜城市環境、地質巖土條件之下，工程實施難度大、建設風險突出，一段時期風險事件及安全事故易發多發，安全風險管理工作勢在必行。近年來，國家及行業相繼出臺相關安全風險管理政策和標準，對軌道交通工程領域安全風險管理提出明確要求[1-5]。

工程監測及其預警作為地鐵工程信息化施工和安全風險管理的“眼睛”和重要內容，在工程安全風險狀態評價和預警管控中發揮越來越重要的作用[6]。但以基坑隧道為主的地鐵工程，因地下工程的復雜性和隱蔽性，多年來主要根據監測數據及單一監測預警工作，并未考慮各類監測項目的同時預警及共同作用，對工程預警、安全風險狀態評價的把握，以及指導信息化施工、風險處置工作存在一些不足，如對各項監測數據及其內在相互關聯性挖掘分析不夠，單一監測預警并不能全面、科學地反映工程整體安全狀態，指導施工仍顯單一、欠合理[4]。

鑒于地鐵基坑隧道工程的多種監測項目及其實測數據和確定的單項監測預警指標、預警數量等，對這些風險要素進行挖掘分析，研究建立多因素權重矩陣分析方法，動態及時地預判工程安全風險狀態，有效指導地鐵基坑隧道工程安全風險控制、預警響應及處置工作，十分必要和及時。

1 工程監測預警及安全風險評價現狀

1.1 監測項目及控制值

根據相關規范和地區經驗，地鐵基坑隧道工程的監測項目可劃分為結構類監測項目和周圍巖土體類監測項目，并細分為空間形態變化類和力學形態變化類。基坑隧道工程不同施工工法的主要監測項目如表1所示[2]。

表1 地鐵基坑隧道工程不同施工工法主要監測項目Tab.1 Main monitoring projects using different construction methods for subway excavation

各監測項目對應的監測控制指標包括累計變化量、變化速率、差異變化量等，不同施工工法及其監測項目的控制指標(值)如表2所示(以一級工程監測項目為例)。

表2 地鐵基坑隧道工程不同施工工法監測項目控制值一覽Tab.2 Control value for monitoring projects built by different construction methods

1.2 監測預警、安全風險狀態評價及存在問題

根據國家及有關城市的標準規范和風險管理經驗，針對工程監測的預警一般分為黃色監測預警、橙色監測預警、紅色監測預警3級，其監測分級標準(以北京為例)如表3所示[3]。

表3 地鐵工程監測預警等級劃分Tab.3 Classification of monitoring and early warning in subway engineering

由上表可知，當前普遍采用的監測預警是針對單一監測項目及其監測點的預警(如某一地表沉降監測點實測值超標，并達到某級別預警)，工程實際風險管控中存在如下問題：1) 單一監測項目監測點的預警較易發生，絕大部分情況下并不能反映該監測項目存在預警甚至工程安全風險；2) 基于1進行的監測預警響應是相對不科學、不嚴謹的，易造成有關單位過度關注反而降低了安全風險管控的時效性、敏感性；3) 多個監測項目或監測點的同時預警情況較多，但進一步挖掘和綜合性分析相對欠缺，導致準確及時地預判工程安全風險狀態不足，遑論采取科學合理的風險處置方案或措施。

比較監測預警和現場巡視預警并行并以此為基礎的綜合預警方法，前者是局部的、片面的和表面的，后者是相對立體的、全面的和實際存在的，因此二者并不在同一層面上，導致了綜合預警的合理性、準確性大打折扣。

2 工程安全風險狀態評測

2.1 工程安全風險要素分析

工程監測是地鐵工程信息化施工和安全風險管理的“眼睛”和重要手段，其預警情況在一定程度上直接或間接反映了工程安全風險狀態。根據有關文獻資料[7-8]，工程安全風險狀態主要取決于以下影響因素：1) 工程施工進度及工況、工序；2) 單一監測點的預警數量及等級；3) 多個監測項目預警的關聯度；4) 現場巡視異常及預警情況。同時應進一步區分是主控還是次要影響因素，是直接影響因素還是間接影響因素，是結構類監測項目為主還是周圍巖土體類監測項目為主，是累計變化量預警為主還是變化速率預警為主，等等。

2.2 多因素權重矩陣分析法評價工程安全風險狀態

根據前述工程監測項目及其安全風險影響因素分析，要真正、準確評判工程安全風險狀態，應利用各類實際監測數據及相應的單項預警指標，基于層次分析和隸屬度賦值等方法，建立一種工程安全預警及安全風險狀態判別的綜合分析和智能預測方法，主要步驟包括以下5方面：

1) 根據相關規范標準和工程經驗，分析并確立影響工程安全預警的多層級影響因素或監測項目以及預警指標(本次分為四層級)，并預設各級影響因素或監測項目預警指標所屬上一級安全預警指標的權重值或隸屬度值，如圖1所示。

2) 以各級影響因素或監測項目預警值為基礎，仍設定分為黃、橙、紅三色級預警標準，并對各級影響因素或安全預警色級賦予一定的數值范圍，并假以相應的計算公式，便于計算機程序自動實現，公式如下：

3) 根據基坑隧道工程安全監測方案和實測數據，先獲取第四級影響因素或預警指標的實際預警值及其所屬第三級影響因素或監測預警指標的實際發生數量，代入預設的所在級別的隸屬度函數，進行權重計算和歸一化處理，判定得到該級各因素指標的預警指標權重矩陣W333，即：

式中，W333-i～j為各第四級指標參數的實際預警指標值(如對 W111，W333-i～j分別為 W1111(累計變化量)和 W1112(變化速率)；λi-j為四級指標參數所占對應的第三級預警的相對權重或隸屬度(如對W111，針對W1111(累計變化量)相對于W111的權重λ1可設為0.45，W1112(變化速率)的λ2則為 0.55)。

4) 將步驟 3中判定的各三級單因素預警指標權重矩陣值，步驟二獲取的各三級單因素預警指標的實際發生數量，代入預設的二級隸屬度函數，判定得到各二級影響因素的預警指標權重矩陣W22；同樣地，在對各二級影響因素的預警指標權重矩陣 W22進行模糊綜合評判的基礎上，可得到相應各一級影響因素的預警指標權重矩陣W1。

式中，W22-i～j為各三級指標參數的實際預警指標或計算預警指標值；δi-j為對應三級指標參數所占二級預警的相對權重或隸屬度(如對W22，針對W221(圍巖(土)壓力變化值預警指標)相對于為 W22的相對權重 δi可為0.6，W222(孔隙水壓力變化值)的 δj則為 0.4)；li(y)為各三級預警指標的實際發生數量(y為整數，由步驟二確定)對應的預警調整系數，主要針對存在第三級指標參數的二級預警指標項目(如W11、W22)，根據工程經驗，具體計算公式為：

同樣地，可得到各第一級影響指標的權重矩陣W1值，計算公式如下：

5) 根據上述層級評判計算結果，可得到基于基坑隧道工程監測數據及預警項目的最終工程預警指標或工程安全風險等級W(其中工程預警仍分為黃、橙、紅三色預警，對應的安全風險等級分別為：低風險、較高風險、高風險)，并依此進行預警管理或安全風險分級管控。

3 應用案例

以下為某地鐵車站(三層標準車站)發生多個監測點預警，根據上述方法進行工程安全風險量化評估。

通過該車站的監測結果，一共發生了3個地表沉降監測點的橙色監測預警、6個管線變形監測點的橙色監測預警和 2個地表沉降監測點的黃色監測預警(見圖 2、表 3)。

圖1 地鐵基坑隧道工程預警分層概化Fig.1 Hierarchy and generalization of the early warning in subway tunnel engineering

圖2 某地鐵車站基坑監測點布設及測點預警平面Fig.2 Layout of the monitoring point of foundation pit in a subway station and an early warning plane of the measuring point

表3 測點監測結果Tab.3 Monitoring sesults of observation points

根據前述工程安全風險評測方法，本工程中存在W333-1(地表沉降)和 W333-2(管線變形)兩個三級監測指標，根據經驗，將其所占二級指標的影響權重均取為0.5。其中，W333-1(地表沉降)指標發生了2個黃色預警和3個橙色預警，W333-2(管線變形)指標發生了6個橙色預警(根據公式(1)，黃色預警取 1.5，橙色預警取3)。那么 W22-1=[1.5×0.45×0.5×(2/2)+3×0.45×0.5×(3/2)]+[4×0.45×0.5×(6+1)/3]=3.45。然后，根據公式(4)和(5)，將 W22所占第二級影響權重系數 β、第一級影響權重系數α分別設為 0.9、0.5，則：W=3.45×0.9×0.5= 1.55。最后根據公式(1)，該工程的整體安全風險狀態處于黃色預警狀態(這里指的是一種綜合性的工程預警)，雖然出現了較多的單項監測點預警，但通過本分析評測方法，判定工程安全風險基本可控，須加強監測、巡視跟蹤等日常風險管控措施。

4 結語

1) 地鐵基坑隧道工程各監測項目及監測預警是影響工程安全風險的重要因素，通過研究建立一種多因素、多層次、權屬度分配等綜合分析方法，更加合理地判別工程安全風險狀態，克服了當前監測預警的局限性，填補了工程安全風險動態及定量化評估的空白，提高了工程預警及安全風險評測的科學合理性，最大限度發揮了工程監測數據及其預警在工程安全風險預防預控中的作用。

2) 該評測方法易于進行計算機實現，通過信息系統(包括手機客戶端)將進一步提高工程施工中安全風險動態評估與管控的智能化和及時性。

3) 工程預警及安全風險狀態綜合評測中應加強研究各監測預測分項所占合理權重，根據工程實際，合理考慮現場實測風險要素(通過現場風險巡查發現)的權重。