地鐵建設運營期的地質風險可拓評估模型研究

陳慶，高燕，朱煜珣，袁泉

(1. 中山大學地球科學與工程學院∥廣東省地球動力作用與地質災害重點實驗室，廣東 廣州 510275；2. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

中國是地下空間開發(fā)利用的大國，截至2020年中國隧道線路總規(guī)劃里程將達到6 000 km，其中多為深、大隧道。地下工程地質載體的不可見性、復雜性、不確定性等，大大增加了地下工程事故的發(fā)生頻率，使地下工程成為高風險工程項目。然而，我國隧道與地下工程風險管理的研究和實踐的時間相對較短，研究程度不足，造成了大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡事故[1-7]。

因而近年來，地下工程安全風險的研究開始全面展開，得到了較為快速的發(fā)展，尤其是在地鐵建設運營方面，建立了許多適合隧道工程的風險評估模型。研究工作主要側重于風險分析和評估，其中多數(shù)方法是應用一種或者幾種評估方法對工程中的某一部分進行評估，得出風險值。地下工程的地質情況復雜，風險來源眾多，因此導致風險評估需要對風險源進行較為全面的識別與總結：錢七虎等[2]指出了現(xiàn)在中國地下工程存在的安全風險問題，并提供了相關建議。路美麗等[8]對國內外的評估方法做了較好的綜述總結；陳龍等[9]以工程應用為目標，系統(tǒng)分析了盾構隧道工程施工期的風險；為了解決地下工程的不確定性問題，模糊數(shù)學的手段和方法被引入到風險的評估當中，如黃宏偉等[10]提出了層次分析-模糊綜合評價法。沿此思路，許多學者對此方法進行了改進，將其與其他方法相結合以進一步減少評估過程的主觀性，如李輝等[11]提出了基于網(wǎng)絡層次分析-模糊綜合評價法。有些學者則將人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法引入，發(fā)展了基于貝葉斯網(wǎng)絡分析法的評估方法，對地鐵進行多個角度的評估[12-13]。

這些方法可歸結為2類：1)通過各種數(shù)學手段減少評估過程中各種因素的不確定性和經(jīng)驗評估中的主觀性，如風險指數(shù)、風險矩陣、故障樹分析法、決策樹分析法等定性方法，蒙特卡羅模擬法、層次分析法、貝葉斯網(wǎng)絡、模糊評價法等定量方法；2) 將風險和工程造價聯(lián)系起來，進行成本模型的估算，從而進行有效的風險控制，達到節(jié)約成本的目的[8]。但這些方法都存在以下不足：憑借主觀取舍或者現(xiàn)有資料來確定使用何種評估方法，評價指標的選取具有隨意性；評價指標體系忽視了對地質條件的風險等級的劃分，沒有符合當?shù)氐刭|條件的閾值；評估方法大多是定性和半定性半定量的，權重的確定帶有主觀性；各種評估方法得出的結果缺少可比性；結果本身的可信度也存在疑問等[1-2]。

為解決其中地質風險等級的合理劃分與客觀地確定權重的問題，本文通過對地質風險源的分析，構建了能夠較全面反映地鐵路段周邊地質環(huán)境風險的評價指標體系；選取6個相互獨立的一級地質風險評價指標及若干個二級指標，二級指標通過層次分析、專家打分、模糊數(shù)學等綜合手段，獲得一級指標值?；诳赏貙W理論，客觀獲取各指標的權重，建立可拓學地質風險評估模型[14-17]，確定風險等級。本文以廣州某地鐵車站區(qū)段為依托，驗證了模型的可靠性。

1 地質風險評價指標體系

1.1 確定地質風險評價指標

地質載體直接影響地下工程的安全、經(jīng)濟和正常使用。地下工程的不確定性是其主要特點，也是施工中風險的主要來源和根本來源。該不確定性主要由地質因素、工程因素和計算因素所引起[7]。其中，地質因素的不確定性占主導地位。然而，國內風險評估方法主要是以風險事件和工程因素為主要指標，忽略了地質因素對地下工程不確定性和安全性的影響；或者把各種復雜的地質因素簡化為一個指標來考慮，使得地質風險以及地質因素對工程的影響得不到充分評估。本文以地鐵建設為研究對象，選取對地鐵安全建設具有影響的地質因素：土的力學性質c1、巖體性質c2、管涌條件c3、地下水c4、巖溶c5、區(qū)域穩(wěn)定性c6作為地質風險評價指標，同時每個指標下又劃分了若干個二級指標，共26個二級指標，較為全面的反映了工程地段附近的地質風險狀況，如表1所示。

表1 地質風險評價指標體系Table 1 Geological risk index system

1.2 劃分地質風險指標等級

地下工程的地質情況十分復雜，具有獨特性和不可見性。對某一個地區(qū)的地質情況的評估往往十分依賴專家的經(jīng)驗。由于對某種特定的地質風險的研究程度各不相同，目前針對不同的地質指標尚無統(tǒng)一的評價風險方法。本文通過大量資料分析，依據(jù)不同的方法對各個地質指標的風險等級劃分：對于巖體性質[18]、巖溶情況[19-20]等已經(jīng)有較為成熟的研究和相應規(guī)范的，按照相應規(guī)范中劃分的質量打分劃分出的等級來分別對應4個風險等級；對于地下水情況等研究不夠透徹、風險機理尚未明確的指標，結合前人的工作[21]，按照綜合模糊評價方法和層次分析法得出的結果對應4個風險等級；對于管涌條件，參考劉忠玉等人[22]的方法，通過計算可動砂土的含量劃分風險等級；對于沒有或者評估方法難以量化的地質風險指標，如土的性質和區(qū)域穩(wěn)定性，則采用經(jīng)驗主觀判斷、專家評估和層次分析等定性為主的方法[23-24]。各指標的評價等級如表2所示(原始數(shù)值)。

為了使得不同指標之間能夠相互比較，本文采取離差標準化方法對評價指標進行歸一化處理。離差標準化，是將數(shù)據(jù)本身的單位差異消除的一種數(shù)學手段，對于數(shù)值越大越有利的指標有：

(1)

對于數(shù)值越大越不利的指標有：

(2)

其中，x0表示指標原始數(shù)值，x0,max和x0,min分別表示原始指標的最大值與最小值，x表示歸一化后的指標值。歸一化結果如表2所示，進而采用可拓學方法建立風險評估模型。

表2 地質風險等級劃分Table 2 Division of the rank of geological risk

2 可拓學風險評估模型

可拓評估法是在可拓學理論基礎上發(fā)展起來的一種綜合評價方法。該方法考慮了各評價指標的多樣性和由單指標給出的評估結果的不相容性，將定性分析與定量分析相結合，減少了傳統(tǒng)評估方法，如層次分析法、綜合模糊評價法等中權重賦值的主觀性，更加具有科學性、全面性和合理性[14,16-17]。本文采用可拓學的簡單關聯(lián)函數(shù)確定各個地質風險指標的權重，最后得出綜合風險評價等級，具體步驟如圖1所示，對應(3)-(18)的計算公式。

圖1 地質風險可拓學評估流程圖Fig.1 The process of the extension assessment for geological risk

2.1 建立風險評估物元

可拓學中采用物元描述事物的基本特征，物元由事物、特征、量值3部分組成，即物元=(事物、特征、量值)。根據(jù)事物、特征及量值的不同，物元又分為經(jīng)典域物元、節(jié)域物元、待評估物元。經(jīng)典域物元表示對應某一等級的事物特征值的可能取值范圍[15]；節(jié)域則指事物特征值的所有可能取值范圍。本文地質風險評價指標的風險等級分為低風險、中風險、高風險、極高風險4級(如表2)，其對應的經(jīng)典域物元有4個(Rj，j=1,2,3,4)，分別由評價等級N、評價指標X、評級指標風險取值V組成，具體表示如下：

Rj=(Nj,X,Vj)

(3)

其中，Nj為第j級風險，X為評價指標集合，Vj為第j級風險的取值范圍；xi為第i個評價指標，i=1,2，，n；Vij= ，表示風險為第j級時，第i個指標的取值范圍，即xi的經(jīng)典域，i=1,2，，n。

節(jié)域物元Rp為

RP=(P,X,VP)

(4)

式中，P為地質風險的全體，ViP= 表示P中指標xi的允許取值范圍，即xi的節(jié)域，i=1,2,,n。

待評估的風險地段q，將各個風險指標數(shù)據(jù)以物元Rq表示，Rq即為待評物元。

(5)

其中，q為某一具體地段風險；vi為q關于指標xi的量值，即待評估地質風險的指標評價值。

2.2 評價指標權重

在風險評估中，各個評價指標的重要程度，即其權重是不同的。本文采用可拓學的簡單關聯(lián)函數(shù)法計算各指標的權重，減少了主觀因素的影響，使權重的計算過程更加客觀與合理[14]，其本質上是所選評價指標值落入地質風險等級越大，則賦予該指標越大的權重的一種計算方法。

設簡單關聯(lián)函數(shù)為

(6)

Vij表示第j級風險Nj關于某一個評價指標xi所確定的范圍，bij，aij分別為該范圍的上下限(i=1,2，，n；j=1,2，，m)，并且

(7)

如果指標xi的評價值落入的級別越大，該指標則賦予越大的權重，此時權重ri為

(8)

反之，賦予小的權重

(9)

將各指標權重歸一化，xi的權重最終確定為

(10)

2.3 關聯(lián)函數(shù)值的計算

可拓學理論中，關聯(lián)函數(shù)是定量衡量某指標具有某性質及其變化程度的一種數(shù)學手段[14]。實質上，是通過建立點與區(qū)間距離的某種函數(shù)關系來衡量該點屬于某個等級的程度。

根據(jù)可拓學中的關聯(lián)函數(shù)，定義Kj(vi)為風險等級和評價指標之間的關聯(lián)度

(11)

(12)

|Vij|=|bij-aij|

(13)

(14)

其中，bij，aij分別為評價指標xi經(jīng)典域的上下限(i=1,2，，n；j=1,2，，m),biP，aiP分別為評價指標xi節(jié)域的上下限(i=1,2，，n)，vi為評價指標xi的具體值(待評物元值)。

2.4 風險等級的確定

待評估地段的地質風險等級j的關聯(lián)度為

(15)

若

(16)

則待評估的風險地段q的風險等級即為j0。

進一步，令

(17)

(18)

稱j*為q的j0級別變量特征值，如j*=2.8則表示q屬于第3級別偏向于第2級，表征了其偏向另一級別的程度。

3 廣州某地鐵線路的地質風險可拓學評估

3.1 地質背景

3.1.1 工程概況 風險評價工程為廣州某地鐵車站基坑區(qū)間，其平面圖如圖2所示。本站為快車過站車站，設計為路側地下二層單島四線，11 m寬站臺車站，全長350.20 m，標準段寬為29.7 m。車站主體基坑深度為17.11 m，其圍護結構擬采用800 mm寬地下連續(xù)墻，連續(xù)墻初擬深度為21.2 m，車站兩端盾構井段23 m；風亭、出入口基坑深度約10.5 m，其圍護結構擬采用600 mm寬地下連續(xù)墻，墻體初擬深度為15 m；冷卻塔為明挖法施工，基坑深度約6 m，其圍護結構擬采用鋼板樁。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[25]中的建議以及相關要求，該車站主體基坑的主要影響區(qū)為基坑周邊約12 m、次要影響區(qū)為基坑周邊12～52 m。建議進行如下施工監(jiān)測：①基坑槽底回彈觀測；②基坑施工影響范圍建筑物的變形監(jiān)測；③擋土支護體系的位移、內力監(jiān)測；④基坑內外土體的變形監(jiān)測；⑤周圍道路路面變形監(jiān)測；⑥施工期間場區(qū)地下水位監(jiān)測。

3.1.2 工程地質條件 車站所處地區(qū)地勢較平坦開闊，不良地質作用為石炭系灰?guī)r內的巖溶及上覆粘性土層可能會被潛蝕掏空形成土洞、風化深槽、軟土層工程性質的不穩(wěn)定、砂土液化等?；娱_挖穿過多個地層，其中沖洪積層的粉質粘土層與粉土層是基坑開挖中穿過的主要地層。車站周圍典型的工程地質剖面圖如圖3所示。

從工程地質剖面圖以及勘察報告中可知，車站基坑底主要在砂層和殘積土上，局部位于灰?guī)r中，沖洪積土層地下水類型為潛水和承壓水，左線存在深厚的風化深槽，風化深槽段富水性較好，透水性屬于弱-中等，基坑開挖后會有一定的水量。基坑底板距離灰?guī)r頂面多在5 m內，灰?guī)r中承壓水水頭高，水量大。

圖2 廣州某地鐵車站平面位置示意圖Fig.2 The map of the plane position of a metro station in Guangzhou

圖3 車站周圍典型地質剖面圖Fig.3 The typical geological profile around the station

本文依據(jù)車站周圍詳勘數(shù)據(jù)對土層、巖層、地下水、巖溶以及管涌條件等指標進行評價[18-24]，得出一級地質風險指標的值。

3.2 地質風險可拓評估

3.2.1 構造相關物元 根據(jù)表2風險指標歸一化后的等級范圍值，構建該地鐵地質風險的經(jīng)典域物元，包括低風險物元R1、中風險物元R2、高風險物元R3、極高風險物元R4，以及節(jié)域物元RP。四個經(jīng)典域物元對應4個風險等級，即風險等級j=1,2,3,4。根據(jù)表2風險指標歸一化后的等級范圍值，構建該地鐵地質風險的經(jīng)典域物元，包括低風險物元R1、中風險物元R2、高風險物元R3、極高風險物元R4，以及節(jié)域物元RP。4個經(jīng)典域物元對應4個風險等級，即風險等級j=1,2,3,4。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

根據(jù)該車站詳細勘察報告，獲取表1中26個二級評價指標值，根據(jù)表2中的評價等級方法，并將原始指標數(shù)值無量綱化，獲得一級評價指標值為c1=0.110，c2=0.420，c3=0.078，c4=0.484，c5=0.610，c6=0.100，構建待評估物元Rq，即

(24)

以一級指標地下水為例，說明其計算方法，其他指標計算方法與其一致，僅為二級指標選取值不同。從地下水埋深、pH值、含水層滲透系數(shù)3個二級指標進行評價，該區(qū)域地下水主要集中在第四系松散地層的孔隙、基巖裂隙和巖溶中，從地質剖面圖中可看出車站基坑穿過的地層主要是粉質粘土層、粉土層，其均為隔水層。其中，鉆孔揭露了部分地段有砂層、基巖出露，由于出露的基巖為微風化灰?guī)r地層，因此不考慮其含地下水的可能性，砂層所含地下水類型為潛水，水位標高為20.1～20.62 m，結合車站底板標高為13 m，得出地下水水位距隧道底板高差約為7 m，砂層水pH值為7.25，最大滲透系數(shù)為3 m/d，綜合以上參數(shù)[22]進行評價后得出c4=0.484。

3.2.2 計算評價指標權重 由式(6)得到簡單關聯(lián)函數(shù)值如表3所示。按照權重計算式(10)，得到指標權重矩陣w。

w= [0.284 6 0.094 9 0.151 8 0.222 0 0.140 1 0.106 7]

3.2.3 關聯(lián)度計算 根據(jù)關聯(lián)函數(shù)表達式(15)～(18)進行計算，得到各指標對應各個風險等級的關聯(lián)函數(shù)值，見表4。

表3 車站典型地質剖面的地質風險指標的簡單關聯(lián)函數(shù)值Table 3 Simple dependent function of geological risk index of typical geological section of station

表4 車站典型地質剖面的地質風險指標的關聯(lián)函數(shù)值Table 4 Dependent function of geological risk index of typical geological section of station

計算待評估地段的風險等級j的關聯(lián)度為：

K(vj)=[-0.148 8 -0.022 7 -0.221 8 -0.533 6]

3.2.4 判定待評價物元地質風險等級 根據(jù)關聯(lián)度的數(shù)值，由式(18)計算級別變量特征值得j*= 1.939 5，評定待評物元風險等級j0=2，評估地質風險等級為“中風險”，從特征值可看出，風險等級屬于“中風險”偏向“低風險”。計算結果與勘察報告結果一致，驗證了模型的合理性，說明應用可拓學方法求取不同指標的權重具有一定的合理性，該模型的地質風險評價指標能較為全面的反映該地段的地質風險情況。

4 結 論

本文通過對地下工程地質載體的風險辨識，基于可拓學理論，建立可拓學地質風險評估模型，并以廣州某地鐵車站區(qū)段為依托，驗證了模型的可靠性。得到主要結論如下：

1)模型選取6個一級評價指標與26個二級評價指標對地質風險進行評價，通過研究各個地質風險評價指標的評價體系，確立了較為合理的地質風險評價指標劃分等級，能夠較客觀地反映地下工程地質載體地質情況；

2)應用可拓學方法中的關聯(lián)函數(shù)確定各評價指標的權重，在一定程度上減少了傳統(tǒng)方法中主觀因素的干擾，進而建立了基于可拓學方法的地質風險評價模型；

3)結合廣州某地鐵車站實際工程，運用可拓學模型對地質載體進行風險評估，得到未處理時其風險等級為“中等風險”，與工程勘察報告結論一致，模型能夠較好評價該區(qū)的地質風險。