盾構(gòu)豎井深基坑工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評估

芮大虎，張長海，王 楊，陳永栓，楊建輝

（1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018）

隨著城市建設(shè)與大型公共設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，地下空間開發(fā)與利用已成為當(dāng)前工程建設(shè)的主要組成部分。尤其是盾構(gòu)隧道工程的快速發(fā)展，其豎井深基坑工程隨之大量涌現(xiàn)。由于深基坑開挖施工具有工期長、施工難度大及對周邊環(huán)境要求高等特點(diǎn)［1］，因此是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。如2008年杭州地鐵湘湖車站基坑事故造成17人遇難，4人失蹤的重大事故，給國家和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良影響［2］。因此，為保證基坑工程順利實(shí)施，應(yīng)采取科學(xué)的方法，對可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測、分析與控制［3－5］。

現(xiàn)行的風(fēng)險(xiǎn)評估理論和技術(shù)主要集中于基于不確定理論、概率與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、工程可靠度、模糊數(shù)學(xué)等多種理論方法。其中，2011年Ondrej等［6］將概率風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)用于高速公路隧道，使隧道管理決策者能夠較好地提出風(fēng)險(xiǎn)解決方案；Isaksson［7］于2002年采用風(fēng)險(xiǎn)分析理論，對地下工程中不同施工方案的工期與費(fèi)用進(jìn)行了分析，并通過工程應(yīng)用驗(yàn)證了所提出的相應(yīng)評估模型的合理性；Reilly［8］對大型隧道及地下工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，著重從工程的風(fēng)險(xiǎn)管理方面進(jìn)行研究，并應(yīng)用到美國許多大型地鐵工程的風(fēng)險(xiǎn)分析中；王晶等［9］提出了地鐵隧道施工過程中風(fēng)險(xiǎn)管理的框架，說明了風(fēng)險(xiǎn)管理在地鐵隧道施工中的重要性。然而，就目前關(guān)于隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，唯獨(dú)對盾構(gòu)隧道始發(fā)豎井施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)缺乏研究［10－11］。因此，本文結(jié)合北京市南水北調(diào)配套工程南干渠3＃盾構(gòu)豎井深基坑工程，進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估探討。根據(jù)該標(biāo)段3＃盾構(gòu)豎井深基坑地質(zhì)特點(diǎn)以及周邊環(huán)境等條件，首先采用工程分解結(jié)構(gòu)（WBS，Work Breakdown Structure）法［12］對基坑工程進(jìn)行分解，然后采用故障樹（FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis）法［12］對該基坑工程風(fēng)險(xiǎn)事件和風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，最后應(yīng)用綜合集成評估方法進(jìn)行評估。

1 盾構(gòu)豎井工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

3＃盾構(gòu)豎井地層結(jié)構(gòu)為粘、砂、礫多元結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)條件較簡單；上部依次為素填土厚度0.5～2.5m，粉土夾粉質(zhì)粘土總厚度為7～11m；中部依次為中粗砂及粉質(zhì)粘土，總厚度為1.6～2.7m；下部為圓礫及卵礫石層。

勘探期間，地下水位高程為12.6～13.78m，但局部存在上層滯水，其水位為29.91～32.42m；如遇上層滯水應(yīng)及時(shí)將其抽出基坑，防止水泡基坑。其中，主要含水層圓礫層的滲透系數(shù)按80m／d考慮。

1.2 工程特點(diǎn)

3＃盾構(gòu)井凈長度80m，作為盾構(gòu)始發(fā)兼接收井，盾構(gòu)井始發(fā)端、接收端的豎井平面凈尺寸均為13.5m×9.0m（長×寬），盾構(gòu)井中間后配套段凈尺寸53.0m×6.6m（長×寬），豎井基坑開挖階段支護(hù)形式采用C25鋼筋砼鉆孔灌注樁＋鋼管支撐形式，基坑深度17.651m。

由于工程施工周期長、開挖深度和跨度大，對支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)要求相對較高，因此如何保證基坑的穩(wěn)定性成為工程的重點(diǎn)。其中，重點(diǎn)施工工序包括鉆孔灌注樁施工、降水施工、基坑開挖及圍護(hù)支撐和二襯結(jié)構(gòu)施工等。

2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

根據(jù)基坑工程的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先采用WBS法將基坑工程按工序分解為鉆孔灌注樁、基坑開挖與支撐、井點(diǎn)降水及二襯結(jié)構(gòu)；然后再對每一個(gè)工序可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行分析；最后利用故障樹法找出致險(xiǎn)因子，并建立風(fēng)險(xiǎn)事件清單?；庸こ淌┕わL(fēng)險(xiǎn)清單如圖1所示。

圖1 基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)清單

3 風(fēng)險(xiǎn)評估

風(fēng)險(xiǎn)評估［13］是利用綜合集成法對基坑工程進(jìn)行評估。該法是首先采用層次分析法對風(fēng)險(xiǎn)致險(xiǎn)因子的重要度進(jìn)行計(jì)算；然后根據(jù)調(diào)查打分法對風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率、發(fā)生后果進(jìn)行調(diào)查估值；最后將風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重與風(fēng)險(xiǎn)可能性和風(fēng)險(xiǎn)影響后果進(jìn)行綜合計(jì)算，以保證計(jì)算結(jié)果更加客觀、可靠。

3.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重的確定采用層次分析法（AHP）［14］。該法是把同級各個(gè)因子兩兩相互比較（包括因子自身比較）；然后按重要性大小在一個(gè)9標(biāo)度表（表1）中進(jìn)行仿數(shù)量化，從而使各因子數(shù)量值構(gòu)成一個(gè)“構(gòu)造判斷矩陣”。該矩陣經(jīng)一致性檢驗(yàn)后，其最大特征值所對應(yīng)的向量即為對應(yīng)各因子的權(quán)重向量。具體重要度分析及相應(yīng)權(quán)重向量計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

表1 因素兩兩間相對重要性評估準(zhǔn)則及其賦值

表2 A－B判斷矩陣

表３ Ｂ－Ｃ判斷矩陣

3.2 基坑工程風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率P和發(fā)生后果C按照表4、表5估值打分。經(jīng)過專家調(diào)查打分估值后，得出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的估值，如表6所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率P等級標(biāo)準(zhǔn)

表5 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果C等級標(biāo)準(zhǔn)

表6 評價(jià)指標(biāo)估值

對風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，可據(jù)式（1）計(jì)算［15］。

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)值；P為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率；C為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果等級概率。

例如，風(fēng)險(xiǎn)事件“孔壁坍塌”的風(fēng)險(xiǎn)值R＝P＋C－P×C＝0.4＋0.2－0.4×0.2＝0.52。同理，可計(jì)算出鉆孔灌注樁施工中其他風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)值，最后將計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)值組成向量：B1＝ （0.52 0.51 0.65）。

其他工序的風(fēng)險(xiǎn)值向量分別為：

基坑開挖及支撐B2＝（0.68 0.58 0.54 0.6 0.65 0.68）；

井點(diǎn)降水B3＝（0.54）；

二襯結(jié)構(gòu)B4＝（0.36 0.27）。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)等級確定

按照綜合集成的方法，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級表（表7）確定風(fēng)險(xiǎn)等級［16］。

根據(jù)綜合集成方法如式（2）所示，計(jì)算各個(gè)工序?qū)拥娘L(fēng)險(xiǎn)值。

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)值；W 為各工序權(quán)重向量；B為各工序風(fēng)險(xiǎn)值形成的向量。

這樣可計(jì)算出鉆孔灌注樁工序的風(fēng)險(xiǎn)值為0.55，基坑開挖及支撐為0.65，井點(diǎn)降水為0.54，二襯結(jié)構(gòu)為0.29。則各工序的風(fēng)險(xiǎn)值構(gòu)成的向量即為（0.55 0.65 0.54 0.29），那么基坑工程施工的風(fēng)險(xiǎn)值則為

R＝W×B＝0.335×0.55＋0.384×0.65＋0.202×0.54＋0.079×0.29＝0.57

按照風(fēng)險(xiǎn)等級的定義如表7所示，該基坑工程屬于三級，其風(fēng)險(xiǎn)事故后果嚴(yán)重，對工程施工可能造成一定范圍內(nèi)的破壞。其中，基坑開挖及支撐風(fēng)險(xiǎn)最大，二襯結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)最小，各個(gè)工序的風(fēng)險(xiǎn)值大小如圖2所示?；娱_挖及支撐工序中的風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)示意圖如圖3所示。

表7 風(fēng)險(xiǎn)等級表

圖2 各工序風(fēng)險(xiǎn)值

4 結(jié) 語

結(jié)合北京市南水北調(diào)配套工程南干渠某標(biāo)段3＃盾構(gòu)豎井深基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行了分析評估，得到以下結(jié)論：

1）采用工程分解結(jié)構(gòu)法（WBS）對基坑工程進(jìn)行分解，然后再根據(jù)故障樹法（FTA）分析識(shí)別各個(gè)工序的風(fēng)險(xiǎn)，最后采用綜合集成法對該基坑工程總體風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果為0.57，判定風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，屬較高等級。

圖3 土方開挖及支撐風(fēng)險(xiǎn)排序

2）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可為設(shè)計(jì)和施工提供風(fēng)險(xiǎn)評估理論依據(jù)，并據(jù)此采用動(dòng)態(tài)控制與風(fēng)險(xiǎn)管理，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)以確保安全、快速施工。

3）綜合集成評估法在一定程度上克服了數(shù)據(jù)的主觀性，從而使結(jié)果更加客觀、可靠，可為同類工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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