繁华路段地铁站出入口大断面矩形顶管施工风险评估*

王彬，宗秋雷，徐昕，陈保国*，王程鹏

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

近年来我国各大城市地下空间建设发展迅速，譬如城市地下给排水、电力、通信、燃气、城市交通和工业设施等很多地下管线是城市错综复杂的网络系统的重要组成部分.近年来各大中小城市的城市综合管廊建设也如火如荼[1-3].为了保障繁华路段城市路面交通的顺畅，减少对周边居民生活的干扰，顶管施工法由于其地表开挖小、对周边影响小的特点逐渐成为城市地下工程建设的首选[4-5].

由于大断面顶管工程受力特性复杂、施工控制难度大、事故较多，故开展大断面顶管工程安全风险控制研究具有重要的理论意义与工程应用价值.

顶管施工技术起步较晚.早期的工程风险分析在地下工程中的研究运用主要从盾构隧道工程方面开始，国内外学者在隧道工程的风险分析研究取得了一定的成果.著名隧道工程风险分析专家Einstein等[6-7]为隧道工程风险分析开辟了道路，他指出了隧道工程风险分析的特点、应遵循的风险分析理念，为后人的研究奠定了指导性基础.SNEL和VAN HASSELT[8]依据Amsterdam南北地铁工程，研究了设计施工中的风险管理问题并提出了新型风险管理模型—“IPB”风险管理模式.2004年，国际隧协年会(ITA)由Soren Degn Eskesen和Per Tenorg等起草发布了《隧道管线管理指南》(Guidlines for Tunneling Risk Managment)作为隧道工程风险管理的指导性标准.黄宏伟[9]编写了《地铁与地下工程建设技术风险管理指南》.白云等[10]运用风险指数图形表达法建立了风险评估分析模型，提出了地下工程风险管理的基本步骤.陈扬勋[11]结合武汉首例矩形顶管工程建构模糊多属性评价模型，对顶管施工的各风险源进行风险排序、定级评价.康祖玮等[12]将风险矩阵定级法与模糊综合评价法相结合，对郑州市红专路隧道盾构顶管施工的各风险源进行排序和评价，并针对风险提出了预防或降低风险的措施.

以深圳市轨道交通12号线上川站某出入口矩形顶管过街通道工程为背景，采用风险矩阵定级法、专家调查法与模糊综合分析法相结合的方法对各风险源进行定级与排序，并针对各风险源制定相应的预防或降低风险的控制措施以便为工程建设单位提供科学的参考依据.实现安全、经济、高效的管理目标.

1 风险评估方法

1.1 风险评估流程

根据顶管工程实际情况，本工程采用的评估流程如图1所示.

图1 评估流程

层次分析法通过把系统问题逐级分成若干层次关系，通过数学方法构造并计算各层次的判断矩阵，通过特征值来确定各指标的权重.

风险矩阵定级法是综合考虑风险因素发生概率和风险后果从而给风险定级的一种方法.表示为R=P×C，R表示风险；P表示风险因素发生的概率；C表示风险因素发生时可能产生的后果.P×C不是简单意义的相乘，而是表示风险因素发生概率和风险因素产生后果的级别组合.

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法.该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价.

对于所依托的顶管工程项目，采用层次分析法建立了大断面矩形顶管风险层次结构模型，分析顶管施工中存在的各种主要风险因素.再使用风险矩阵法以获得各风险源权重，并对顶管施工的风险源进行排序.通过对10名行业相关专家问卷调查以获取顶管施工风险各层级的各级因子评价矩阵.最后使用模糊综合评价法将风险矩阵法得到的风险源因子权重与专家调查所得到的单因子评价矩阵相结合做出风险等级评价.并针对各风险源制定了相应的预防或降低风险的控制措施.

1.2 改进的层次分析法简介

传统的层次分析法(AHP)的判断矩阵标度由1～9组成，在形成判断矩阵之后需要进行一致性检验来判断矩阵中标度选取的整体逻辑合理性.如矩阵不具有一致性，需经过多次调整直至检验出一致性矩阵才算完成，这个过程中难免产生个人主观影响.对此，将判断矩阵标度改用-1,0,1 3个标度，这样可以减少人为主观因素影响，并免去了对判断矩阵q的调整，检验.在形成了三标度判断矩阵后，运用数学方法将其转化为最优传递矩阵，从而得到无需进行调整、检验的一致性判断矩阵.具体步骤如下：

(1)建构系统问题层次模型

(2)用三标度法构建比较矩阵A

(1)

其中：A为3标度法比较矩阵；

(3)计算最优传递矩阵R

(2)

其中：R为三标度矩阵转换的最优传递矩阵；

(4)转化为一致判断矩阵D

(3)

其中：D为最优传递矩阵转换的一致判断矩阵；

dij=exp(rij)

(5)计算一致判断矩阵D的特征向量w

(4)

故有：

(5)

wi对应相应元素的权重值.

2 工程风险层次结构模型建立

深圳地铁12号线上川站位于宝安区上川路、前进一路交叉路口，为全线的第11个车站.本次工程研究的J、F1、F2出入口顶管工程兼具过街通道功能，通道总长45 m，管片厚度50 cm，长度为1.5 m，管片采用C50砼，管片尺寸10 m×5 m，顶管机外形尺寸10.2 m×5.02 m，采用土压平衡顶管机进行施工.场地位置如图2所示.

图2 站址环境图

顶管施工风险影响因素众多，且彼此之间存在关联.结合施工资料、专家意见以及文献资料，从主观和客观因素出发，依次构建4个二级指标，10个三级指标和30个四级指标.系统层次结构如图3所示.

图3 顶管施工风险层次结构模型

其中，二级指标为：进出洞风险(X1)、设备风险(X2)、掘进风险(X3)以及环境风险(X4).

三级指标为：设计因素(Y1)、施工因素(Y2)、自然因素(Y3)、机械故障(Y4)、人为因素(Y5)、

施工(Y6)、其他因素(Y7)、隧道状况(Y8)、线路状况(Y8)及道路状况(Y10).

四级指标为：顶管尺寸(Z1)、加固措施(Z2)、设计水位(Z3)……道路完好状态(Z29)及修建年代(Z30).

3 实例分析

3.1 各级指标相对权重排序

基于上述介绍的改进的层次分析法流程，对方案层(二级指标)进行两两对比，构建3标度判断矩阵见表1.

表1 方案层次3标度判断矩阵

①根据式(2)计算A-X最优传递矩阵R：

②根据式(3)将传递矩阵R转化为一致判断矩阵D：

③根据式(4)，(5)计算一致判断矩阵的特征向量：

重复上述步骤计算出准则层(三级指标)各层次指标权重大小及排序见表2.

表2 准则层指标权重大小及排序

同样的可计算出子因素层(四级指标)各指标权重，将该层级指标所占系统权重绘制示意图，见图4.

图4 子因素层风险权重值

3.2 模糊综合评价

构建系统评价模型，需要从子因素层逐级向上推算.首先采用一级评价模型对构成准则层(第三指标)进行单因素评价.模糊综合评判的公式如式(6)所示：

(6)

式中：Wi为一致判断矩阵的特征向量；Ri为专家评价矩阵.

将准则层的一致判断矩阵的特征向量代入模糊综合评判公式，得到结果如下：

①Y1单因素评价结果：

②Y2单因素评价结果：

③Y3单因素评价结果：

④Y1，Y2，Y3的一级评价结果组成顶管施工进出洞风险的二级评价判断矩阵RX1：

同样的可以计算Y4，Y5…Y10的单因素评价结果，组成X2、X3、X4的二级评价判断矩阵.

⑤X1，X2，X3与X4的二级评价判断矩阵组成系统即目标层即顶管施工风险判断矩阵RA：

⑥系统综合评价

系统安全状况等级的百分制评分见表3.可求得系统的总得分为：

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 综合评判系统安全等级

结合总评价矩阵和各因素权重，可得顶管施工方案层风险系统值分析结果，如表4所示.

表4 方案层的风险系统值

根据系统综合评价得知该顶管工程风险的隶属度为“0.062 2，0.185 0，0.291 9，0.274 9，0.188 2”，按照最大隶属原则，最大隶属度为0.291 9，对应的风险等级为中等，因此该顶管工程施工风险等级为中等.其中，顶管进出洞风险、设备风险的风险为中等，掘进风险与环境风险为较小.

3.3 风险应对措施

结合层次分析法与模糊综合评价的结果，结合顶管工程现场具备的条件应采取相应地控制措施以降低施工风险.针对各风险层级的风险源提出风险应对措施如下：

(1)针对顶管机进出洞问题，可作出如下改进措施：施工前做好充足的地质勘探工作以深入了解施工中可能出现的风险事故；在始发、接收洞口周围采用加固措施；设置进洞密封压板等密封装置；对洞口进行防水密封处理；辅以竖井等降水处理措施.

(2)针对顶管设备风险，可作出如下改进措施：根据工程情况合理进行顶管机选型；根据理论计算的顶推力配置顶推千斤顶以保证足够的顶力且可以避免过度配置顶力而加大工程预算；适当配置常压可更换刀具；根据地层情况应采用耐磨刀具；施工期定期检查维修顶推设备.

(3)针对顶管掘进过程的风险情况，可作出如下改进措施：合理管控顶推力和同步注浆；超前地质预报；纠偏是顶管掘进过程的重中之重，前面管节的顶进姿态控制关系到后续管节的偏移，可采用先进的高精度自动导向系统.

(4)针对顶管施工环境风险，可作出如下改进措施：尽量控制匀速推进以保持开挖面的稳定性；采用管节止退装置以防止管节在拼装或加垫块时后退；管土注浆应及时且应控制均匀的注浆速度；施工前制定合适方案保护管线及军用光缆安全.

4 结论

(1)将以往的层次分析法中采用9标度组建的判断矩阵改进为3标度矩阵，这样可以减少人为主观因素影响，并免去了对判断矩阵的调整、检验.并运用数学方法将3标度矩阵先转化为最优传递矩阵，最后得到无需进行调整、检验的一致性判断矩阵.通过该方法可以确定系统模型的各因素权重并排序.

(2)通过专家调查法获取的风险因素评价矩阵以及改进的层次分析法得到各因素的权重，结合模糊综合评价对顶管工程实施风险进行了客观的风险分析，得到了综合施工风险等级为中等，顶管进出洞风险、设备风险为中等，掘进风险与环境风险为较小的结论.并给出了风险应对措施，该成果有助于现场施工管理人员识别各类风险的重要性程度，从而有针对性地采取相应措施以减小施工风险.