轨道交通工程分级监控指标体系框架搭建研究

王烨晟, 陈文华, 张文成

(浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014)

以地下工程为主的城市轨道交通工程为高风险工程。为实现对其工程本体及周围环境安全风险进行及时、准确的预警预报，做到有效控制工程风险，减少各类事故的发生，建立安全监控指标体系非常重要。当前，对于监控指标体系如何建立，整体框架如何搭建等问题，国内外文献鲜有研究，主要研究方向集中于对某项具体指标值的确定上：徐中华[1]就周边环境条件复杂基坑工程其变形控制指标的制定方法进行了探讨，提出了基坑环境保护等级概念，并尝试进行了分级；袁登科[2]根据对实测数据的整理，得出了南京地区基坑开挖过程中，测斜方面的一些变化规律及在确保工程安全和正常施工状态下的监测数据警戒值大小；刘涛[3]选取了具有代表性的30个地铁基坑工程的围护墙体实测变形数据，采用数据挖掘方法，研究了基坑状态、工程风险、施工工况、保护等级和监测数据之间的关系，并在此基础上结合上海地铁工程实际提出了一套合理有效的基坑变形警戒值；张瑾[4]基于实测数据，建立了基坑安全评价等级和指标体系，运用模糊综合评判方法构建了深基坑体系的安全评价模型，从而定量地评价了基坑本体与周边环境的安全状态。

综上所述，目前有关监控指标的研究，并未形成分级指标值制定的方法和流程。而当前监控指标值的确定，基本参考各设计规范及设计单位所给定值的大小。而各规范对于同一个监测项目所要求的监控指标值均不尽相同，且对于同一监控对象，不同规范中的监控等级要求也不尽相同，导致目前监控指标制定的随意性和不合理性的客观存在。

因此，如能建立一套较准确反映工程实际的分级监控指标体系框架，并在此框架下开展相关指标值的制定工作，是一项较为紧迫且复杂的工作。本文借鉴上海市《基坑工程施工监测规程》[5]中综合本体、环境、地质因素的考虑，并进行分级监控的思想，将工程本体的监控等级同自身的安全风险等级，周边环境保护等级，地质条件等级综合考虑，并从系统性分析角度出发，尝试建立地铁工程分级监控指标体系框架。

1 分级监控指标体系框架搭建策略

同任何科研或工作一样，对象的确定至关重要，本文研究对象锁定为工程及影响范围内的所有监控对象及由他们所组成的系统，其既为监控指标的载体，也是整个指标体系框架建立的核心。通过对监控对象的梳理，探究它们间的影响关系是研究工作的重点。根据各对象的监控等级大小制定出相应的分级监控指标，并形成体系，是最终目的。

在分级监控指标体系框架搭建过程中的主导思想是：以保护周边环境为中心，同时保障工程整体安全。具体策略如下：

(1)在变形控制上，通过监控本体变形，达到控制周边环境变形之目的。对于工程本体，其变形控制的依据为周边环境和工程本体系统的综合安全风险等级大小，而对于周边环境各监控对象，其变形控制的依据为自身的保护等级大小。

(2)引入分级监控思想：对于综合安全风险等级高的站点/区间，对本体应采取严格的变形控制指标；相应的，对于等级较低的站点/区间采取相对松的变形控制指标，做到监控的有效性、经济性相结合。

(3)针对重要建筑、管线、道路、桥梁、地下建(构)筑物等，需进行直接监控，通过第一手监测数据反映其安全状况。它们的监控等级，应依据自身的重要性等级、健全度等级等自身要素确定的保护等级进行制定。

2 监控对象间安全风险等级影响关系

当前大部分规范在指标制定过程中，对于工程本体安全等级分级，均考虑了影响范围内的周边环境及其同周边环境的空间位置关系进行确定。但问题在于：周边环境安全风险等级的提高会导致本体安全风险等级的提高，而本体的安全风险等级提高又将导致周边环境监控对象安全风险等级提高，如此，周边环境安全风险等级同工程本体的安全风险等级相关联，以至于无法确分出每个监控对象的安全风险等级大小。若力求建立一套适合所有对象的分级监控指标体系那么此问题不可回避。

考虑到在工程实施过程中，本体是主动因素，而周边环境是受影响因素，那么各环境监控对象的安全风险等级的外部影响要素应包括：其距离工程本体远近程度、本体安全风险等级大小、地质条件复杂程度。而对于本体的安全风险等级，无论实施过程中的周边环境如何复杂，相对于工程施工这段时间来说几乎静止，因此环境对象对本体影响可不作考虑，而环境对象对本体的影响，实际上只体现在对其变形控制要求上。因此，通过工程综合安全风险等级加以考虑即可(即将工程本体同周边环境各的自安全风险等级综合后加以考虑)。

综上所述，各监控对象间的影响关系及安全风险等级关系及确定思路见图1。

结合图1分析，无论是本体还是周边环境，影响其安全风险等级的要素都包含自身和外部两方面。对于工程本体，其自身要素包含：自身的重要性等级、开挖深度、自身结构形式、所采用的施工工艺等方面，外部影响要素为地质条件。对于周边环境对象，包含建(构)筑物、管线、道路、桥梁等方面。其自身要素各有不同，但外部影响要素基本相同，主要包括：地质条件、与本体的接近程度、本体的安全风险等级三个方面。对于内部要素，建筑物一般包括：重要性等级、健全度等级、其基础形式、其结构形式、建筑物高度等方面。管线一般包括：服务年限、重要性等级、管线直径、管线接口形式、管材种类等方面。道路一般包括：重要性等级、路面结构类型、道路设计荷载等方面。桥梁一般包括：桥梁单孔跨径、重要性等级、桥梁的结构形式等方面。

图1 监控对象间安全风险等级影响关系

3 监控对象等级确立流程与方法

3.1 监控对象的确定方法

本文中监控对象的确定方法为：针对于某个基坑或隧道工程，首先将本体作为一监控对象，然后将其影响范围内所有的建(构)筑物、管线、道路、桥梁等各实体均作为环境监控对象。

3.2 监控对象安全风险等级、监控等级评定方法和流程

监控对象的安全风险等级评判是典型的多指标、多属性问题，应用系统工程学中的层次分析法进行分析十分有效。通过分析，确定影响安全风险等级的各个要素后，可建立工程综合安全风险等级、监控等级评估框架和流程(图2)。

图2 安全风险等级、监控等级总体评定框架及流程

3.2.1各监控对象安全风险等级评定方法

(1)工程本体

工程本体安全风险等级分级的重点考虑因素为基坑深度、暗挖结构层数、跨度、断面形式、覆土厚度、开挖方法等。基坑工程主要以地下结构的层数及深度为基本分级依据；隧道工程主要以隧道的空间状态(如两隧道之间的位置关系、覆土厚度、平面半径等)。

经调研，对于地下工程自身安全风险等级分级，《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652-2011)在第7.3.3条中有相关说明(见表1、表2)。

表1 不同施工方法中地下工程自身的风险等级

表2 不同施工方法中地下工程自身的风险等级

(2)周边环境监控对象

经调研，尚无规范或规程对环境监控对象的安全风险等级制定分级标准。对此，可引入模糊层次分析方法开展等级评判工作，其目标层为周边环境综合安全风险等级，其中间层也即准则层，包含：建筑、管线、道路、桥梁等方面，进而为次准则层，包含了评定建筑物、管线等对象等级的各要素组成，最后是方案层，包括了评定各要素的可供选择的方案、标准。综上，其安全风险等级可通过三个模糊评判层次分析并结合一次矩阵运算即可得到。

a. 第一层次：影响要素等级模糊评价方案层，可采用专家结合参考评定标准打分法进行，打分取值范围：(0～1)。分数越高表示此项因素对评估对象所产生安全风险越高。

c. 第三层次：准则层，即组成各环境监控对象的等级，可通过以下模型进行评判。

d. 评判模型[7～11]：结合图2，被评价监控对象安全风险等级主要包含：两大类要素，并分为4个等级，可得到因素论域为：

U={u1，u2}

(1)

式中：u1表示自身要素因子，u2表示外部影响要素因子。

评判集等级论域为：

V={v1，v2，v3，v4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

(2)

相应的模糊子集为：

(3)

从而组成的模糊矩阵为：

(4)

式中：uij为第i项因素指标对第j等级的隶属度，根据第(1)部分专家打分结果，同时结合梯形等级隶属度函数Ui进行模糊评判得到。

(5)

(6)

(7)

(8)

此外，为使评价更据可靠性，笔者设计了一个评分表(表3)，由现场各参建单位，产权单位出专家共同打分评定，由编制单位最终确定出某监控对象评分结果。

表3 监控对象评级

3.2.2环境监控对象保护等级评定方法和流程

对环境监控对象保护等级的评定，基本同安全风险等级评定方法及流程，只是参评要素减少为自身要素，因为保护等级只与自身影响要素相关联。同样可分为特级、一级、二级、三级四个级别。评判标准为：特级：重要性、风险性很高需重点监控保护；一级：重要性、风险性较高需重点监控保护；二级：重要性、风险性一般需常规监控保护；三级：重要性、风险性较小，只需一般监控。

3.3 工程本体监控等级评定方法和流程

同样结合图2分析，工程本体监控等级需通过5个模糊评判层次分析得到。

(1) 第一层次：周边环境监控对象影响要素等级模糊评价方案层；

(2) 第二层次：周边环境各监控对象安全风险影响要素评判层(次准则层)；

(3) 第三层次：周边环境监控对象安全风险等级评判层(准则层)；

(4) 第四层次：周边环境综合安全风险等级、工程本体综合安全风险等级评判层(次目标层)；

(5) 第五层次：工程综合安全风险等级评判层(也即工程本体监控等级评判层)(目标层)。依次通过权重分析[6]和监控对象评级表(表3)，最终确定工程本体监控等级大小。

4 总体分级监控指标体系框架

综上，可确定出所有对象的等级分级结果，在此条件下，即可开展有针对性、有重点的分级监控工作。具体的分级监控指标体系框架如图3。

图3 分级监控指标体系整体框架

5 实例分析

以某个位于市中心地段的地铁站为例进行分析，该车站基坑深度约为18.3 m；车站端头井段基坑宽度为22.7 m，深度为19.8 m；外挂段基坑宽度19.8 m，基坑深度18.3 m。

首先，据工程概述，此基坑开挖深度为18.3～22.7 m，地质条件复杂程度中等，并无采用新技术、新工艺，依据本文表2中相关规定，将此基坑自身安全风险等级评定为Ⅱ级。周边环境等级评定以某一建筑物为例进行简要分析(表4)。

表4 周边建筑物等级评定

据表4评估结果：此基坑周边某一建筑物安全风险等级为Ⅰ级，则周边环境综合安全风险等级可定为Ⅰ级(实际操作中可根据就高原则进行快速确定，即以某一环境监控对象的最高等级为综合安全风险等级)，基坑本体安全风险等级为Ⅱ级，故此工程本体的监控等级同样可根据就高原则定为特级，或按照3.3部分层次分析法进行分析确定。

6 结 语

(1)通过对监控对象间的相互影响关系研究，明确了安全风险等级制定思路。

(2)通过对影响各监控对象安全风险等级及保护等级的自身影响要素、外部影响要素的剖析，确定了针对某周边环境监控对象的安全风险等级、保护等级的评定方法和流程。

(3)确定了工程本体总体监控等级的制定方法流程。

(4)依据监控等级分级结果，建立了相应的分级监控指标体系框架。

[1] 徐中华, 王卫东. 深基坑变形控制指标研究[J].地下空间与工程学报, 2010,6(3): 619-626.

[2] 袁登科, 刘国彬. 南京地区深基坑测斜警戒值的探讨[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2009,32(10): 1566-1570.

[3] 刘 涛. 基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].上海: 同济大学, 2007.

[4] 张 瑾. 基于实测数据的深基坑施工安全评估研究[D].上海: 同济大学, 2008.

[5] 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司. DG/TJ 08-2001-2006《基坑工程施工监测规程》[S]. 上海:上海标准办公室, 2006.

[6] 张吉军. 模糊层次分析法(FAHP)[J]. 模糊系统与数学, 2000, 14(2):80-88.

[7] 陈守煜. 模糊最优归类理论模型及其在围岩稳定性分类与场地土类别评定中的应用[J]. 水利学报,1993,(12):26-36.

[8] 王元汉, 李卧东, 李启光，等. 岩爆预测的模糊数学综合评判方法[J]. 岩石力学与工程学报, 1998,17(5):493-501.

[9] 刘端伶, 谭国焕, 李启光，等. 岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法[J]. 岩石力学与工程学报, 1999,18(2):170-175.

[10] 郑明新, 殷宗泽, 吴继敏，等. 滑坡防治工程效果的模糊综合后评价研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(10):1224-1229.

[11] 张淑娜, 孙 韧. 模糊数学法在环境质量评价中的应用—以天津滨海新区为例[J]. 环境科学与管理, 2006, 31(2): 141-142.