临近地铁线路的深基坑施工风险调查与评估

彭 涛，彭青顺，邓 帮，苗 雨

(1.华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉市建筑工程质量监督站，湖北 武汉 430015)

伴随着我国城市的发展，各级政府、规划部门对城市工程建设提出了更高的要求，一方面工程设施朝着高深大方向不断延伸，这无疑增加了工程的施工风险；另一方面，由于城市建筑物密集，拟建设项目周围往往存在需要保护的重要建、构筑物，这对基坑变形及风险控制带来了挑战。

临近地铁深基坑开挖会引起地应力重分布，引起周边土层的位移，造成差异沉降，对地铁结构物会造成巨大安全隐患。用地铁距基坑围护墙外侧的距离与基坑挖深的比值K来描述基坑地铁的临近度，当K≤2时，地铁位于深基坑施工的主影响区，施工风险较高[1]。由于地铁结构的微小变形即可引起地下水渗入、轨道错位等影响运营安全的问题，相关规范对变形控制要求较高，地铁轨道横向高差控制值小于4 mm，地铁隧道的位移控制值小于20 mm[2]，变形超过限值会显著影响地铁的运营安全。地铁结构物的存在也使得深基坑变形情况更为复杂，影响因素更多。因此，临近地铁枢纽的深基坑施工，相比于普通基坑施工具有更高的风险，一旦发生事故会造成巨大的损失。

风险评估方法可以分为三类：定性分析法、定量分析法、综合分析法[3～5]。无论选择何种方法，都需要一定的基础资料数据支撑。本文分析了深基坑及地铁线路破坏的风险因素，设计了专家问卷调查表，并依托武汉市建筑工程相关监管单位发放问卷至目标专家，收集了44个项目的专家问卷回执，得到了准确有效的基础数据。基于调查数据得出关键风险因素，为施工风险控制提供参考。

1 风险识别

影响临近地铁深基坑施工的风险因素众多，既要考虑基坑自身的风险，又要充分重视基坑开挖对地铁造成的影响。本文通过施工项目现场走访、专家调研、文献调查[6～9]等方式，综合识别了可能引起地铁及深基坑破坏的风险因素。

本文采用事故树分析法识别风险因素，临近地铁深基坑施工的常见安全事故有支护体系破坏、地铁站线损坏、周边环境破坏，各种事故又可细分为多种诱因，具体见表1。

考虑调查过程中专家打分的便易性，将风险因素进行分类和规整，问卷上显示为两个层级。第一层级风险因素共8个(见表1)，第二层级风险因素共25个，如表2所示(表中权重值计算方法见后文)。此外，地铁与基坑的位置关系、基坑所处的水文地质情况、基坑深度等基坑固有特征也是深基坑施工中的重要风险因素，由于对于特定基坑其具有确定性，在问卷中未予考虑。

表2 第二层级风险因素及权重

2 风险评价

2.1 风险因素权重计算

风险因素的权重表示各风险因素对评估对象的重要程度。本文采用层次分析法确定权重向量。邀请专家根据1～9标度构造出同一层次风险因素重要程度两两比较的判断矩阵，其评判准则如表3所示。判断矩阵应满足一致性检验要求。

表3 风险因素重要程度评判准则

以隔水帷幕渗水U1为例，其对应的两个第二层级的风险因素权重判断矩阵如表4所示。

表4 风险因素U1判断矩阵

根据层次分析法的原理[10]，计算得到截水帷幕设计可靠性差u11的权重为0.17，截水帷幕施工质量缺陷u12的权重为0.83。按照1～9标度法得到的各因素风险权重如表2所示。

2.2 风险因素评价

模糊数学是研究模糊性现象的一种理论分析方法，模糊评价法将模糊数学理论引入风险评估中，可以较好地描述风险的不确定性，使评价结果更准确合理。风险评价系统中，存在着风险因素的多样性、评价标准的模糊性、概率和损失的不确定性等特点，这些特点导致了风险分析过程具有很大的模糊性，尤其是深基坑施工过程中，各种影响因素错综复杂，存在着很大的定量分析难度[11,12]。本文采用模糊评价法进行专家调查数据的处理，通过专家打分得到风险的隶属度矩阵，用最大隶属度原则确定风险因素等级。

根据评价的需要，可以多维度划分评价等级，每个维度的评价等级集可表示为Vs={V1，V2，…，Vp}，其中s(s=Ⅰ，Ⅱ，…)表示评价维度编号；Vj(j=1，2，…，p)表示第j个评价等级。本文分为风险发生的损失值和风险发生的概率两个维度进行评价，其相关标准见表5，6，其中风险损失可分为人员伤亡、环境影响、经济、工期和社会影响五个方面，具体分级标准见文献[3]。

表5 风险损失等级标准

表6 风险因素概率等级标准

3 专家问卷调查

本次问卷主要涉及两方面的内容，一是风险因素损失、发生概率等级打分，二是开放性问题“引起深基坑及地铁破坏的其他风险因素及概率损失等级”，问卷采用网络邮件方式发放和收集，专家之间相互独立，且实名制填写问卷。面向的专家群体主要为施工单位项目技术负责人、总工及业主单位相关技术负责人，共收回有效问卷44份。其中95%以上的专家有5年以上工作经验，90%以上的专家具有项目技术负责人及以上职务，可近似认为专家的经验水平相差不大，各位专家的评分权重相同。第一层级风险因素损失值打分结果如表7所示，第二层级风险因素发生概率打分结果如表8所示，其中数字代表这一等级的专家票数。

表7 第一层级风险因素损失值调查结果

表8 第二层级风险因素发生概率调查结果

4 调查结果分析

4.1 风险发生概率

本文根据某个评价等级所获得的专家票数比重来构造第二层级风险因素的发生概率隶属度向量。以风险因素u11发生概率为例，风险概率级别“频繁、可能、偶尔、罕见、不可能”获得的票数分别为1，11，15，16，1，则其相对于U1的隶属度向量为[0.02 0.25 0.34 0.36 0.02]。根据上述方法，构造出的第二层级风险因素隶属度矩阵，结果如下：

将本层级权重向量与发生概率隶属度矩阵合成，可得上一层级风险因素隶属度向量。以隔水帷幕渗水U1为例，其相对于“深基坑及地铁破坏”的隶属度向量B1可表示为：

同理可得：

B2=[0.02 0.33 0.32 0.29 0.05]；

B3=[0.06 0.32 0.42 0.16 0.04]；

B4=[0.02 0.14 0.30 0.43 0.12]；

B5=[0.00 0.17 0.24 0.44 0.15]；

B6=[0.06 0.34 0.27 0.23 0.10]；

B7=[0.02 0.28 0.31 0.31 0.07]；

B8=[0.04 0.25 0.34 0.29 0.08]。

根据最大隶属度原则，发生概率等级最高的为2级，有隔水帷幕渗水U1、降水不当U2、开挖方式不当U6三种风险因素。

4.2 风险损失程度

根据第一层级风险因素损失值调查结果可得其对应的隶属度矩阵R′为：

根据最大隶属度原则，风险损失等级最高的是B级，有基坑管涌或突涌U3、支撑体系缺陷U5两种风险因素。

4.3 开放性问题结果分析

问卷设计了两个开放性问题，统计调查表中未列入的关键信息，由于专家意见不一，难以进行量化整理，但也形成了一些统一的结论，这些结论是在各个专家没有经过讨论形成的，具有较高的参考价值。

第一个问题“深基坑施工中还应考虑的其他风险因素”，有5位专家提及“工程车辆的动载影响”，其可能性等级为最高的1级，损失等级为D级，表明工程载重车辆对工程有一定影响，需要加以关注；有4位专家提及“地铁列车振动对深基坑的影响”，可能性等级为2级，损失等级为D级，表明地铁列车振动也能对深基坑安全造成影响，在基坑地铁距离较近时这种影响更为显著。第二个问题“造成地铁线路变形破坏的主要风险”，各个专家的意见较为分散，但主要集中在地下水治理和施工质量问题上，比如提及较多的是坑底管涌或突涌、降水不当、土体扰动过大、基坑支护施工质量缺陷等。

基于上述分析可知，引起地铁站线结构破坏的主要原因为地下水治理失效和施工质量缺陷，在施工中还需要特别注意工程车辆的动载影响、地铁列车振动对基坑安全的影响。

5 管理对策与建议

根据调查结果，隔水帷幕渗水、降水不当、开挖方式不当发生的可能性较高，应予以高度重视，具体表现为隔水帷幕施工质量差、过度降水、降水与回灌未形成配合、未按方案开挖等；基坑管涌或突涌、支撑体系缺陷引起的损失较大，其原因为管涌或突涌容易引起坑外水土的大量流失，造成显著的地表沉降和地铁线路变形，支撑体系缺陷则直接危及基坑安全，引起基坑坍塌等重大事故。

针对上述问题，可采取如下措施：

(1)引进新型施工工法、施工设备，提高隔水帷幕施工质量。在武汉典型地质条件下，承压水位高，深大基坑隔水帷幕往往可达几十米，帷幕垂直度与施工质量控制存在难度，积极运用新工艺、新设备可取得较好效果。

(2)加强施工过程监管，降水过程中实时监测水位变化情况，严禁过度降水，坑外水位降低超限时应及时回灌；开挖严格依照方案进行，遵守先撑后挖的原则，利用基坑变形的时空效应进行分层分块开挖。

(3)重视施工监测的预警作用，施工过程中实时监测坑底隆起、支撑体系的内力及变形值；渗水口要及时封堵，紧急情况下可采取坑内灌水平衡内外水土压力，防范管涌突涌引起的次生灾害。

6 结 语

本文通过44个深基坑工程问卷调查，获得了精确的统计资料，运用层次分析法、模糊评价法评估了深基坑及地铁破坏的风险因素等级，结果表明隔水帷幕渗水、降水不当、开挖方式不当风险发生概率较高，基坑管涌或突涌、支撑体系缺陷造成的潜在损失较大，引起地铁站线结构破坏的主要原因是地下水治理失效和施工质量缺陷，在施工中还需要特别注意工程车辆的动载影响、地铁列车振动对基坑安全的影响。针对风险发生概率等级和风险损失等级较高的风险因素提出了相应的应对措施，相关成果可为武汉地区临近地铁深基坑风险管理提供参考。