城市地下轨道交通近接下穿既有结构施工风险综合评估法的研究

薛立强

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)



城市地下轨道交通近接下穿既有结构施工风险综合评估法的研究

薛立强

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

城市地下轨道交通建设面临着大量的近接和下穿的既有结构施工，施工风险极高，以致安全事故频发。为避免或减少施工安全事故，关键措施之一是提高施工风险的综合评估能力。根据风险评估所运用的主要理论或方法将目前用于城市轨道交通工程的综合评估法归纳为5种:风险综合指数法、模糊数学法、偶合及灰色聚类法、贝叶斯网络法、五元联系数法，并将之分类总结，概括其各自优缺点。重点介绍了当前运用最多的模糊数学法，以及加拿大学者基于模糊数学提出的一种模型识别和风险定性、定量评价法。

轨道交通；近接下穿；风险评估

为解决大城市的交通拥堵，提高城市环境和生活质量，扩大居民出行半径，急需完善城市基础设施建设。地下空间的开发与利用尤其是以地下轨道交通为代表的工程建设已成为解决以上城市发展矛盾的最有效措施。

目前，地下轨道交通已进入了大规模建设时期，这将会不可避免地带来各区间线路与线路、线路与车站以及车站与车站的相互邻近、交叉。根据最新的天津市中心城区轨道线网规划图，节点车站和地铁区间穿越段的数目高达约105处，远期规划全部完成时，最终邻近和交叉点将更多，交叉工程量非常大，近接或下穿其他既有建筑物和结构数量更是巨大。

这种近接或下穿工程施工系统复杂，涉及的安全因素众多，施工风险极高，虽然我国已于2011年出台了相关的风险管理规范，但最近三年来安全事故仍频发，在上海、广州、天津、西安、长春等城市均发生了地铁施工事故，最新的案例则是2016年8月13日莞惠城轨常平段施工塌方事故[1]，造成近邻的3栋楼坍塌，所辛无人员伤亡。该段自2013年至今4年间，先后发生了7起塌陷事故，充分表明了地下城轨施工的复杂性和高风险性。因此，为避免或者减少地下城轨近接或者下穿既有结构施工工程事故的发生，重要的措施之一是不断提高对其施工过程的风险管理能力，而风险管理涉及到的核心问题是如何有效地进行风险评估。根据有关风险管理规范要求，城轨施工时需采用综合风险评估法进行工程施工风险管理，故本文仅对工程中常用的几种典型的综合评估模型进行归类总结。

1综合风险评估方法的基本原理及发展现状

1.1风险综合指数模型

针对目前隧道施工风险评估基础数据多、工作量大的情况，陈洁金[2]提出了风险综合指数模型。该模型将众多致灾因子进行简化归类，其中，隧道方面和地层方面的因素为容易导致灾害的因素，用危险指数F1进行表征，而隧道施工范围内的建筑物及构筑物等容易受到隧道施工影响而受损的因素，用易损性指数F2表征。结合相关规范和实例，依据定量分析和经验分别给定量指数和经验指数的属性因素赋予权重和分值。针对专家调查法和数值计算的片面性，该模型中对权重赋值时进行了改进，采用了综合赋值法：

A=k1A1+k2A2，

式中:A为综合权重;A1为由数值计算法得到的客观权重;A2为由专家调查法得到的主观权重;k1和k2分别为客观权重和主观权重的权重，由专家现场根据实际情况确定。隧道施工中人为因素是最主要的因素，本模型在确定风险因素时并没有包含施工技术水平和工期等因素，而是采用了工艺影响系数对危险性指数进行调整，这样会使计算更简洁，评价更合理，其中工艺影响系数通过针对不同的施工步骤及施工项采用调查打分法进行统计求取。将隧道危险性指数和工艺影响系数作乘积可以得到一个具体的数值F1S1，该值的大小表示致灾因子的危险程度，根据相关规范对不同区段的F1S1值进行危险等级划分。

易损性指数F2在综合考虑影响范围内的桥梁、建筑物及地下管线等因素后根据相关学者的研究，同时针对既有建筑的位置及重要程度提出了S2、S3两个修正系数，最终根据值F2S2S3对既有设施的易损性进行分级。

当对建筑物采取保护措施之后或对隧道围岩进行加固之后，需要对风险指数进行第2次修正，原来的基础上乘以安全补偿系数Sk，得到处理后的风险综合指数TS=(SkF1F2S1S2S3)/100。

1.2基于模糊数学的综合风险评价模型

针对地铁工程的风险评价指标体系不够完善和专家评分数据处理欠妥的问题，周红等[7]提出了结合频率分析和模糊层次法的FMEA风险评价方法。该方法将已知系统进行工作分解，当某一工序出现失效状态时，采用专家打分法对层级末端的“失效”状态进行风险评分，专家打分数据进行频率处理后采用改进的模糊层次法进行分析确认，然后以“失效状态”为衔接点，向上分析可能产生的后果，向下寻找原因，建立第二个维度的风险指标，按照同样的专家打分频率处理后进行分析。该方法既可清晰地看到各工序下需要关注的环节和风险源，也可以直接深入地展现工程事故与基本形成因素之间的关系，同时对专家打分法中普遍存在的数据失真和一致性不满足等问题进行了适当的修正。

拿大学者Ahmad Sala等[8]首先针对目前风险识别方法不能有效地识别出全部风险因子的问题，提出了一种新的基于微观风险分解结构的风险识别的综合方法，以便能最大化地提高风险识别率；然后基于模糊理论和一个风险对应一个所有者的一一对应原则，提出了新的风险确权和责任分配矩阵；最后基于模糊集和模糊概率理论，提出了新的风险定性和定量评估方法，3个工程案例分析表明了该方法的有效性和适应性。该方法的主要内容介绍如下。

1.2.1风险识别综合分析法

构建工程系统的微观风险分解结构，该结构依次包括工程系统、项目、类别、群或组、活动、独立的任务、风险因子，对某一风险因子可以进行唯一编号，这有助于识别出已知的风险因子和提高未知风险因子的识别率。风险识别程序如下：1)使用已广泛应用的风险识别技术，如检查表法、文献调研法、专家判断法等识别已知风险项；2)基于微观风险分解结构，从以前的经验、类似工程和事故数据库等收集数据；3)通过考察以前项目出现的意外和不利的状况分析本任务中未知风险潜力；4)利用根原因分析法识别出第3)步得到的不利状况的所有未知风险项；5)应用因果图法分析第4)步得到的每一个未知风险项的后果；6)组合已知风险项和识别出的未知风险项形成每一项独立任务的完整风险项。

1.2.2风险确权

风险确权包括风险所有者的选择和风险责任矩阵。风险所有者选择遵循的原则为“一个风险项，一个所有者”，所有者的选择综合考虑处理风险所能采取的最大努力程度、取得理想结果的成功程度和本身所具有的能力这三方面的因素，并提出一种模糊指数量化这3个因素，用模糊理论进行指数的求解和相加，计算出项目各参入方与这3个因素相关的总得分，得分最高者即为该风险项的所有者。为考虑某一风险项与其他项目相关方的关系，制定风险责任矩阵，包括为风险所有者进行风险管理提供支持的支持方和批准为降底风险而采取的与原目标进行必要的偏离的批准方，即一个风险项唯一对应一个所有者，同时对应一个或多个支持方和批准方。

1.2.3风险评估

风险评估主要包括5个步骤：数字模糊评价、模糊语言数字转换方案、风险定性评估、风险图、风险定量评估。

1)数字模糊评价。专家用数字对每一风险项发生的可能性和可能造成的后果进行评价，如用0～10打分，0表示“很低”，10表示“很高”。2)模糊语言数字转换方案。对于难以用数字模糊评价的，可以用模糊语言进行评价，如低、高、可能等。并可通过下面3步建立模糊语言和模糊数字的转换关系，最终把模糊语言转换成模糊数字：第一步，基于模糊理论定义模糊属性，如低或者高的上下限值；第二步，利用第一步建立的每一个模糊属性的上下限值建立该模糊属性所对应的模糊数字范围；第三步，用两条直线连接相邻模糊属性的边界点，建立模糊语言数字转换图。3)风险定性评估。基于不同专家对每一风险项发生概率和所产生的后果的数字模糊评价，运用模糊加法和乘法的算术运算、模糊隶属函数的运算和去模糊化计算得出每一风险项的评估值。4)风险图。建立风险图转换体系，如风险定性评估值在80%～100%之间的定义为非常危险，并用红色表示。基于每一风险项的定性评估值，运用风险图转换体系，可得到某一独立任务的风险分布图，类似的，可以依次得到活动、群或组、类别、项目、工程系统风险分布图。5)风险定量评估。上述风险定性评估仅能反映项目风险程度的高低，但不能反映出控制风险所需的成本。基于专家对每一风险项所产生的各种后果进行预先控制所需成本的评价，运用模糊集理论计算得出每一风险项的预期风险控制成本，该值与该风险定性评价结果进行模糊相乘得到该风险的定量评估值，依次对所有风险项、活动、群或组、类别、项目的定量评估值进行累加计算得到该项目的风险控制成本，供决策参考。

1.3偶合法及灰色聚类法

地铁隧道施工环境复杂，风险系统中许多致灾因子是相互联系、相互耦合的，而目前的很多研究多停留在各因子相互独立的状态，这对地铁隧道的施工风险评估是不利的。针对这个状况，部分学者提出了将耦合法及灰色类聚法等方法引入风险评估中。吴国贤等[9]将地铁致灾因子按人为、设备、管理和环境4个方面进行划分，考虑到各因子之间的影响及耦合关系，将这些因子分为单因子耦合风险、双因子耦合风险及多因子耦合风险，通过风险耦合信息交互公式：

式中phijk为第h种状态、设备第i种状态、环境第j种状态、管理第k种状态下4种因素风险耦合发生的概率。通过对近年来183起地铁施工安全事故的分析，得出了地铁施工中各种风险发生概率的致灾因子组合情况，其中人为因素、管理因素及环境因素的影响程度较大。牛发阳等[10]在层次分析法的基础上考虑了各致灾因子的相互关联性，引进了灰色聚类法，该模型中在确定常规层次法中的因子权重时引入了对应网格层指标下的影响因素集Aij来表示i，j的关联状况。

1.4基于贝叶斯网络模型的风险评价方法

地铁盾构邻近桥梁风险评价过程中存在大量的随机不确定性和冗余不确定性。吴贤国等[11]融合了粗糙集理论和贝叶斯网络，建立了地铁盾构施工对邻近桥梁影响的安全风险评估模型，利用云模型将连续型影响因素进行离散化以简化数据结构，基于信息熵进行属性约简以删除冗余属性，构建贝叶斯模型，然后基于贝叶斯网络模型进行安全评价。同时还提出基于贝叶斯网络的事前风险等级预测、事中敏感因素识别、事后致因诊断方法，为制定风险控制措施提供依据。

1.5基于五元联系数法的风险评价方法

为了能同时考虑地铁施工体系中所有的确定性与不确定性因素，同时对风险趋势做出合理预测，李聪等[12]将五元联系数法引入到了地铁施工风险综合评价中。五元联系数是在用集对理论分析同异反联系度中得出的，其中，联系数的分量可以与风险等级对应，如五元联系数u=a+bi+cj+dk+el中，a、b、c、d、e可以描述“低风险”“较低风险”“中等风险”“较高风险”“高风险”。该模型中首先找出项目的指标因素，建立风险因素集，然后确定项目风险综合评价的等级集合，再确定每一风险因素的权重，并构造同异反评价模型，最后利用五元联系数的集对势对风险的态势进行分析，同时还利用五元联系数的偏联系数对风险的发展趋势进行分析。

2　各方法的比较

各方法的对比结果见表1。

表1　各评估方法对比表格

3　结语

城市地下轨道交通建设面临大量近接和下穿既有结构施工，城市地下轨道交通施工时会造成附近水土损失和扰动，进而威胁其近接和下穿的既有结构的安全运营，由于其施工系统复杂，施工风险极高，以致安全事故频发，为避免或减少施工安全事故，关键措施之一是提高施工风险综合评估能力。本文根据风险评估所运用的主要理论或方法将目前用于城市轨道交通工程的综合评估法归纳为5种:风险综合指数法、模糊数学法、偶合及灰色聚类法、贝叶斯网络法、五元联系数法，并将之分类总结，并概括其各自优缺点。从上述分析来看，基于模糊数学的综合评价方法运用最多，同时，评价方法也有向考虑各风险因子的内在联系和对风险进行动态评估方向发展的趋势。

[1] 方镇彬.莞惠城轨常平段3栋楼坍塌或因连日降雨[N].南方日报，2015-08-15(1).

[2] 陈洁金.下穿建筑物隧道施工风险评估方法[J].铁道科学与工程学报，2013，10(4):88-94.

[3] 陈洁金.下穿既有桥梁隧道施工风险定量评估方法[J].中南大学学报：自然科学版，2015，46(5):1863-1868.

[4] 陈洁金.下穿既有设施隧道城市隧道施工风险管理与系统开发[D].长沙:中南大学，2009.

[5] 刘波.地铁深基坑工程风险模糊层次分析研究[J].地下空间与工程学报，2015，11(增1):257-264.

[6] 应国柱.基于模糊综合评价模型的地铁施工风险评估[J].地下空间与工程学报，2016，12(2):539-545.

[7] 周红.结合FAHP和频率分析的地铁工程FMEA风险评价应用研究[J].工程管理学报，2015，29(1):53-58.

[8] Salah A.Risk identification and assessment for engineering procurement construction management projects using fuzzy set theory[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2016，42:429-443.

[9] 吴国贤.基于N-K模型的地铁施工安全风险耦合研究[J].中国安全科学学报，2016，26(4):96-101.

[10] 牛发阳.基于ANP-灰色聚类法的地铁深基坑施工安全风险评估[J].青岛理工大学学报，2016，37(4)：1-6.

[11] 吴国贤.基于粗糙集和贝叶斯网络的地铁盾构施工诱发邻近桥梁安全风险评价[J].土木工程与管理学报，2016，33(3):9-16.

[12] 李聪.五元联系数在地铁施工风险综合评价中的应用[J].中国安全科学学报，2013，23(10):21-26.

The Research Status of Synthetic Evaluation Method for Existing Structures Construction Risk of Underground Rail Transit under Passing

XUE Li-qiang

(ChinaRailway16BureauGroupBeijingMetroEngineeringConstructionCo.，Ltd.Beijing101100，China)

Underground rail transits are also confronted many near or under existing constructions with a high risk of construction，so as to security incidents frequently.In order to avoid or reduce construction accidents，improving the comprehensive risk assessment ability is one of the key measures.Based on the main methods and theories used in risk assessment，the current used risk assessments of urban tunnel constructions are summarized as five classes：comprehensive index model，fuzzy mathematical model，risk coupling and grey clustering model，Bayesian network model，five-element connection number model.Advantages and disadvantages of each model are summarized in this paper.Fuzzy mathematical model and a new way of qualitative and quantitative risk assessment based on fuzzy mathematics proposed by Canadian scholars are detailed introduced.

underground rail transit；under passing；risk assessment

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.006

2016-05-22

薛立强(1977-)，男(汉)，甘肃平凉，高级工程师

主要研究城市轨道交通工程全产业链管理。

U231

A

1009-8984(2016)03-0026-04