繁華路段地鐵站出入口大斷面矩形頂管施工風險評估*

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.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

近年來我國各大城市地下空間建設發展迅速，譬如城市地下給排水、電力、通信、燃氣、城市交通和工業設施等很多地下管線是城市錯綜復雜的網絡系統的重要組成部分.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的首選[4-5].

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

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

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，采用風險矩陣定級法、專家調查法與模糊綜合分析法相結合的方法對各風險源進行定級與排序，并針對各風險源制定相應的預防或降低風險的控制措施以便為工程建設單位提供科學的參考依據.實現安全、經濟、高效的管理目標.

1 風險評估方法

1.1 風險評估流程

根據頂管工程實際情況，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問題逐級分成若干層次關系，通過數學方法構造并計算各層次的判斷矩陣，通過特征值來確定各指標的權重.

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

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法.該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價.

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險層次結構模型，分析頂管施工中存在的各種主要風險因素.再使用風險矩陣法以獲得各風險源權重，并對頂管施工的風險源進行排序.通過對10名行業相關專家問卷調查以獲取頂管施工風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險矩陣法得到的風險源因子權重與專家調查所得到的單因子評價矩陣相結合做出風險等級評價.并針對各風險源制定了相應的預防或降低風險的控制措施.

1.2 改進的層次分析法簡介

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

(1)建構系統問題層次模型

(2)用三標度法構建比較矩陣A

(1)

其中：A為3標度法比較矩陣；

(3)計算最優傳遞矩陣R

(2)

其中：R為三標度矩陣轉換的最優傳遞矩陣；

(4)轉化為一致判斷矩陣D

(3)

其中：D為最優傳遞矩陣轉換的一致判斷矩陣；

dij=exp(rij)

(5)計算一致判斷矩陣D的特征向量w

(4)

故有：

(5)

wi對應相應元素的權重值.

2 工程風險層次結構模型建立

深圳地鐵12號線上川站位于寶安區上川路、前進一路交叉路口，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，頂管機外形尺寸10.2 m×5.02 m，采用土壓平衡頂管機進行施工.場地位置如圖2所示.

圖2 站址環境圖

頂管施工風險影響因素眾多，且彼此之間存在關聯.結合施工資料、專家意見以及文獻資料，從主觀和客觀因素出發，依次構建4個二級指標，10個三級指標和30個四級指標.系統層次結構如圖3所示.

圖3 頂管施工風險層次結構模型

其中，二級指標為：進出洞風險(X1)、設備風險(X2)、掘進風險(X3)以及環境風險(X4).

三級指標為：設計因素(Y1)、施工因素(Y2)、自然因素(Y3)、機械故障(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).

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

3 實例分析

3.1 各級指標相對權重排序

基于上述介紹的改進的層次分析法流程，對方案層(二級指標)進行兩兩對比，構建3標度判斷矩陣見表1.

表1 方案層次3標度判斷矩陣

①根據式(2)計算A-X最優傳遞矩陣R：

②根據式(3)將傳遞矩陣R轉化為一致判斷矩陣D：

③根據式(4)，(5)計算一致判斷矩陣的特征向量：

重復上述步驟計算出準則層(三級指標)各層次指標權重大小及排序見表2.

表2 準則層指標權重大小及排序

同樣的可計算出子因素層(四級指標)各指標權重，將該層級指標所占系統權重繪制示意圖，見圖4.

圖4 子因素層風險權重值

3.2 模糊綜合評價

構建系統評價模型，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成準則層(第三指標)進行單因素評價.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，得到結果如下：

①Y1單因素評價結果：

②Y2單因素評價結果：

③Y3單因素評價結果：

④Y1，Y2，Y3的一級評價結果組成頂管施工進出洞風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即目標層即頂管施工風險判斷矩陣RA：

⑥系統綜合評價

系統安全狀況等級的百分制評分見表3.可求得系統的總得分為：

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 綜合評判系統安全等級

結合總評價矩陣和各因素權重，可得頂管施工方案層風險系統值分析結果，如表4所示.

表4 方案層的風險系統值

根據系統綜合評價得知該頂管工程風險的隸屬度為“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，對應的風險等級為中等，因此該頂管工程施工風險等級為中等.其中，頂管進出洞風險、設備風險的風險為中等，掘進風險與環境風險為較小.

3.3 風險應對措施

結合層次分析法與模糊綜合評價的結果，結合頂管工程現場具備的條件應采取相應地控制措施以降低施工風險.針對各風險層級的風險源提出風險應對措施如下：

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

(2)針對頂管設備風險，可作出如下改進措施：根據工程情況合理進行頂管機選型；根據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算；適當配置常壓可更換刀具；根據地層情況應采用耐磨刀具；施工期定期檢查維修頂推設備.

(3)針對頂管掘進過程的風險情況，可作出如下改進措施：合理管控頂推力和同步注漿；超前地質預報；糾偏是頂管掘進過程的重中之重，前面管節的頂進姿態控制關系到后續管節的偏移，可采用先進的高精度自動導向系統.

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

4 結論

(1)將以往的層次分析法中采用9標度組建的判斷矩陣改進為3標度矩陣，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整、檢驗.并運用數學方法將3標度矩陣先轉化為最優傳遞矩陣，最后得到無需進行調整、檢驗的一致性判斷矩陣.通過該方法可以確定系統模型的各因素權重并排序.

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