“日”形地下環隧施工風險因素綜合分析

翟 越， 孟凡東， 屈 璐， 張韻生， 高 歡

(長安大學地質工程與測繪學院， 西安 710054)

隨著城市化進程加快，人口迅速向城市中心集中，地面交通壓力增大，城市地下交通系統開發力度隨之逐漸加大[1]。城市環隧作為一種新型的城市地下交通系統，能夠在很大程度上緩解城市核心區域的交通擁堵問題[2]，且具有重大的社會、經濟效益。目前，北京、上海、重慶等地均有不同規模的環隧工程在建或投入使用，該類隧道未來必定會在城市中有更多的建設。

城市地下隧道工程由于其建設地質環境多樣性、設計方案的局限性、施工環境的不確定性、周邊建筑及人為因素復雜性等多方面的影響，易產生嚴重的建設生產安全事故[3-4]。環形隧道相較一般隧道不僅兼備以上特點，其特殊的形式還易引發通風、疏散及結構應力集中等更為復雜問題產生。一旦發生安全事故，將會造成巨大的經濟損失及人員傷亡。所以，對城市環隧工程進行風險分析，及時防控安全事故的發生顯得極為迫切和重要[5]。

目前中外對于隧道工程風險評價分析的研究很多，并取得了豐碩的成果。對隧道的風險分析方法有層次分析法[6]、故障樹法[7]、檢查表法[8]、作業條件危險性分析法、數值模擬結合法[9]、模糊神經網絡法[10]、模糊綜合評判法[11]及貝葉斯網絡法[12-13]等。在此基礎上進行方法改進的也有許多[14-15]。現有的隧道安全風險評價主要針對常見的公路、鐵路隧道，鮮有對城市地下環隧，特別是“日”形環隧這種復雜的新型隧道建設安全的研究。Saaty[16]最先提出了層次分析法的概念，此種方法在多目標決策問題中占有極其重要的地位。但具有難以調整不滿足一致性的矩陣等問題。張吉軍[17]引入模糊一致矩陣的概念并給出了模糊層析分析法，解決了層次分析法存在的問題。模糊層次分析法考慮了多個相互作用的因素和各因素對于工程安全影響的模糊性，這種原理簡單的、將定性分析與定量分析相結合的方式能很好地對所處建筑環境、施工條件及管理復雜的工程中的眾多風險因素進行評估[18]，更適用于本文研究中特殊的、復雜的環隧工程實例。因此，現利用模糊層次分析法進行風險因素研究，以期為城市環隧建設風險防控提供新思路。

1 環隧工程實例介紹

1.1 工程概況

工程實例為某在建環隧，由主隧道、出入口支隧道及連接主隧道的連接隧道三部分構成，屬于雙環隧道。隧道(含敞口段)總長度為2 373.9 m，主隧道平面呈“日”字形(圖1)，總長度為959.4 m。共設置5個出入口(2個單向入口，1個單向出口，2個雙向出入口)，出入口匝道(含敞口段)總長度為1 414.5 m。隧道等級為二類城市交通隧道、單向兩車道。

圖1 地下隧道及周邊建筑示意圖Fig.1 Sketch map of underground tunnel and surrounding buildings

1.2 工程重難點介紹

(1)目前中國已經修建多條城市環隧，如北京奧林匹克公園環隧、北京中央商務區(CBD)環隧、重慶解放碑區環隧及北京金融街環隧等均屬于單環隧道[19]。擬建“日”形環隧屬于雙環隧道，相較單環隧道，增加了6個三岔路口。三岔路口增多后，引發的安全事件有兩點，一是影響隧道內穩定風壓的形成，并擴大煙氣蔓延范圍，發生火災時，將會嚴重影響煙氣、人員疏散；二是三角拐點的建筑結構會存在應力集中，對建筑結構的疲勞壽命影響很大，易引發結構開裂等危害。

(2)本項目隧道基坑平均深度13 m，而在建環隧的周邊緊鄰7座建筑高度在150～350 m的超高層建筑，最近距離3.4 m，周邊建筑間距情況如圖1所示。在基坑開挖過程中，土體、圍護結構和臨近建筑樁基礎三者之間是相互影響的。由圖1所示的臨近高層2#建筑，地下工程錨索抗滑樁的錨索長度計劃為28 m，已經打入本基坑邊界內，不僅影響本項目基坑開挖施工，而且施工期間會影響到2#建筑基坑的穩定性。

(3)在建深基坑內，分布著已建好的雨水管道、污水管道、給水管道、燃氣管道、熱力管道、電力管道以及通信管道。所涉及周邊地下管線均置于規劃開挖的深基坑之內，受深基坑開挖影響。其中除電纜以外的管線大部分都進行了改遷，但仍有約近1 km電纜管線不允許改遷，在深基坑開挖過程中，由于土體位移、機器挖掘等原因，會對地下管線造成破壞，產生管線斷裂、變形、破裂等問題，會影響周邊甚至大范圍的城市居民正常生活。

2 安全分析

針對擬建工程的安全評價首先建立評價指標體系，之后構造成對比較矩陣，最后計算權向量及組合權向量并作一致性檢驗，得出各風險指標因素的影響權重。

2.1 評價指標體系建立

依據評價指標體系劃分原則，指標體系分為目標層(M)、準則層(Mi,i=1, 2, 3, 4)、指標層1(Mij，j=1, 2, 3)和指標層2(Mijq,q=1, 2, 3, 4，5)共4層；上層元素對下層起支配作用，且相同層元素互不相交。參考現有對于地鐵深基坑、隧道等工程建設過程中識別的風險因素，并結合本工程自身特點，將可能引起城市環隧建設過程中發生事故的風險因素歸納為地質環境風險、建筑環境風險、建筑設計風險和施工建設風險4類，并作為準則層。建立的風險分析模型如圖2所示。

圖2 城市環隧建設風險評價指標體系Fig.2 Risk assessment index system of urban ring tunnel construction

2.2 確定評語標準等級

根據文獻[20-21]中對隧道施工時的安全風險等價的劃分，依據城市環隧建設過程中事故發生的可能性，將風險劃分為4個等級：高、較高、較低、低。相應的評價集V={4，3，2，1}，4為很可能發生事故，3為可能發生事故，2為偶然發生事故，1為不太可能發生事故(表1)。

表1 事故發生可能性Table 1 Accident probability rating criteria

2.3 構造成對比較矩陣

利用專家打分法，從層次結構模型的第2層開始，對于從屬于(或影響)上一層每個因素的同一層諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度[22]構造成對比較陣[23]，直到最下層。專家組構成信息如表2所示。成對比較陣A形為

表2 專家組構成信息Table 2 Information on the composition of the expert group

(1)

式(1)中：aij為第i個因素相對于第j個因素的比較結果。式(1)滿足以下要求[24]：①aij>0；②aij=1/aji；③aii=1。

2.4 計算權向量并做一致性檢驗

對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應特征向量，利用一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率做一致檢驗[25]。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權向量：若不通過，需重新構造成對比較陣。

計算最下層對目標的組合權向量，并根據公式做組合一致性檢驗[11]，若檢驗通過，則可按照組合權向量表示的結果進行決策，否則需要重新考慮模型或重新構造那些一致性比率較大的成對比較陣。

2.5 模糊綜合評判

對城市環隧的單因素評判ri={ri1,ri2,…,rim}，對應模糊子集的隸屬度R[26]為

(2)

式(2)中：rpm為被評價的影響因素up對應評價集V標準等級模糊子集的隸屬度。

對各因素發生事故風險進行綜合評估，運用模糊矩陣乘法的運算法則[26]，評價向量B為

B=AR

(3)

式(3)中：A為指標因素權向量。

3 評價結果及對策分析

3.1 模糊綜合評判結果

依據得到的各指標權重(表3)，對本實例工程的模糊綜合評判結果計算如式(4)和式(5)所示。綜合評價值v為2.727。

表3 各級指標權重匯總表Table 3 Summary of weights of indicators at all levels

可以得出，本工程環隧建設過程中不太安全，可能會發生事故。應嚴格控制建設中風險高的各指標的執行。

B=AR=[0.1,0.3,0.3,0.3]×

(4)

(5)

3.2 指標權重計算結果

3.2.1 準則層結果及對策分析

根據表3所示，準則層中相比其他三個指標，地質環境風險對目標層影響最小。這是因為依照現有經驗及相鄰場地工程建設情況，特殊巖土及人為坑洞對工程施工建設影響較小，采取相應加固措施即可避免風險發生；且場地距地裂縫的最近距離較遠(大于300 m)，大于地方相關規程中規定的一類建筑的避讓距離。上述兩原因使得地質環境風險對目標層的權重僅為0.1，而其他3指標的權重均為0.3，表明本項目在建設期間，應重點關注建筑環境、建筑設計及施工建設。在環隧建設過程中，建筑設計前首先要通過文獻調研、資料收集等方式查明擬建場地的地質環境，尤其是建筑環境；在選材與建筑布局、防排煙系統及結構設計時要充分考慮本環隧項目多三岔口的需要；在后續施工時要加強安全管理，完善安全管理制度，做好安全教育培訓及宣傳、工人安全常規控制措施及安全措施。將上述3個方面同時兼顧，才能在最大程度上降低工程總體風險。

3.2.2 指標層1結果及對策分析

圖3可以更加直觀地看出指標層1中各指標元素對目標層影響大小。如圖3所示，鄰近建筑及地下管網對工程安全性影響最大，其次為機械作業與人為作業，再次為荷載設計。將上述5個指標定為主要影響因素，所占權重比例高達71.75%。針對上述主要影響因素，要對每一指標采取相應對策防止事故的發生。在建筑設計前應充分考慮周邊建筑對擬建基坑變形的影響，在施工建設時，必須對基坑以及周邊建筑物進行更好的監測監控并加強基坑的支護。

圖3 指標層1對目標層總排序權重Fig.3 The total ranking weight of the index layer 1 to the target layer

隧道開挖時，要嚴格重視其對周圍管道的影響[27]。建議將擬建基坑影響內的管線均進行改遷，改遷距離以及相關的要求要滿足《電力工程電纜設計標準》(GB 50217—2018)和《城市工程管線綜合規劃規范》(GB 50289—2016)的規定；現場情況確實不允許管線改遷，則需在施工過程中采用支架保護、逆作法[28]或懸吊保護等方法對管線，尤其是電纜進行保護，以防止被損壞。

在施工時，應注意機械、人為作業過程，需要根據不同地質條件，合理選擇施工設備，配備專業施工隊伍施工；涉及的各種大型挖掘機、塔吊、吊車等大型機械設設備的使用，應嚴格執行有關機械的安全操作規程，由專人操作并加強機械維修保養，嚴禁違章操作。

設計過程中，應嚴格設計標準，一旦在工程地下施工過程中發生不符合前期勘察和設計的情況，設計單位和勘察單位應及時溝通，變更勘察和設計內容，以防出現工程事故。

圖4 指標層2對目標層總排序權重Fig.4 The total ranking weight of the index layer 2 to the target layer

3.2.3 指標層2結果及對策分析

指標層2對目標層總排序權重如表3所示。由表3可以直觀地發現指標層2對目標層的影響大小。其中，管線分布、管線類型、鄰近建筑間距、鄰近建筑基坑設計、運動物危害(機械作業)、管線設計(荷載設計)、進出口設計(荷載設計)及防護缺陷為主要影響因素，權重總和所占比例高達50.97%；運動物危害(人為作業)、進出口設計、人員組織失誤、安裝調試失敗、消防分區、地裂縫、古墓穴、坑洞、用地條件、鄰近建筑高度、操作失誤、填土結構松散、黃土狀土質不均為中等影響因素，權重總和比例為31.54%；其他指標因素所占權重較小，確定為次要影響因素。指標層2各指標因素的研究使得對指標層1中主要影響因素的管理更具有針對性，將重點放在指標層2中各主要影響因素，減少管理的盲目性。堅持主要影響因素管理為主，中等影響因素為輔，兼顧次要影響因素的原則。

4 結論

以某在建環隧為研究背景，基于模糊層次分析法，結合統計分析方法對其運營前存在的各種風險因素進行分析，得出結論如下。

(1)本項目的模糊綜合評價結果顯示具有較高風險，可能發生事故，建設過程中應重點注意高風險指標引發危險事故。

(2)本項目在建設過程中，建筑環境風險、建筑設計風險及施工建設風險同等重要，相比下地質環境風險影響較小。通過對指標層1的研究分析得出，要重點關注擬建場地周圍的管線分布、管線類型以及周邊建筑的距離及鄰近建筑的基坑的設計方案；而施工時是否規范作業以及建設設計時是否滿足工程實際需求也不容忽視。

(3)依據指標層2中各指標對目標層影響權重，將其劃分為主要影響因素、中等影響因素、次要影響因素三類。隧道建設時要對主要影響因素要實施針對性的重點監管，對中等影響因素、次要影響因素實施綜合的輔助管理。