媽灣跨海隧道明挖段基坑施工風(fēng)險評估

孫 威，楊 斌，張雪嬋,2,3

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013； 2.建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京 100013；3.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

Einstein等[1-2]最早將風(fēng)險管理理論應(yīng)用于地鐵工程的風(fēng)險管理，分析了地鐵工程的風(fēng)險管理特點。黃宏偉[3]分析了隧道及地下工程建設(shè)的風(fēng)險發(fā)生機理，明確風(fēng)險及風(fēng)險損失概念，并系統(tǒng)分析了目前風(fēng)險管理存在的問題及若干研究方向。大型工程項目的風(fēng)險因素多且相互關(guān)系復(fù)雜，風(fēng)險因素具有很大的隨機性和模糊性。模糊層次分析法在解決多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜問題時具有高度邏輯性和靈活性，能充分體現(xiàn)評價主體的模糊因素，減少主觀判斷引起的誤差，使評估結(jié)果客觀合理，因此廣泛應(yīng)用于工程的風(fēng)險評估[4-7]。

建立基坑施工總體風(fēng)險評價指標(biāo)體系，對深圳媽灣跨海通道明挖段基坑施工總體風(fēng)險進行評估。采用模糊層次分析法對基坑工程進行專項風(fēng)險評估，并給出典型風(fēng)險源的控制措施。

1 工程概況

媽灣跨海通道工程主線全長8.05km，其中海域段總長1.1km，將陸域段分為南、北兩段，其中陸域段北段K4+340—K7+706里程范圍的主線隧道及大鏟灣盾構(gòu)工作井為本次風(fēng)險評估重點。主線基坑深度為3.2～21.8m，盾構(gòu)工作井深度為29.6m，均采用左、右主線同槽明挖法施工。

1.1 工程地質(zhì)條件

場地原始為海域及濱海灘涂，主要巖土層從上到下為：人工填土(素填土、雜填土、填石、填砂、吹填土)，第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥(平均厚度4.78m)，全新統(tǒng)沖洪積黏土(平均厚度3.72m)、中粗砂(平均厚度2.19m)，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)黏土(平均厚度2.54m)，沖洪積細(xì)砂(含淤泥，平均厚度2.20m)、黏土(平均厚度1.87m)、粗砂(平均厚度2.63m)，中更新統(tǒng)殘積砂質(zhì)黏性土(平均厚度4.46m)、構(gòu)造巖及全～微風(fēng)化混合花崗巖。

人工填土成分復(fù)雜，透水性較強，工程性質(zhì)較差，為基坑支護坑壁軟弱土體。局部有深厚的填石層，對基坑開挖、圍護樁墻施工影響較大。場地內(nèi)大面積分布的海相淤泥和淤泥質(zhì)土層具有壓縮性高、抗剪強度低、靈敏度高等特點，基坑開挖過程中極易引發(fā)流泥，引發(fā)地面建(構(gòu))筑物沉降變形。

1.2 水文地質(zhì)條件

地下水主要有第四系松散層的孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙承壓水3種。

1)孔隙潛水 主要賦存于表層素填土、填砂、填石層中，水位埋深0.5～1.0m。

2)孔隙承壓水 主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖洪積細(xì)砂層，第四系上更新統(tǒng)沖洪積粗砂及礫砂層中，與海水有一定的水力聯(lián)系。水位埋深4～5m，水位變幅2～5m。

3)基巖裂隙承壓水 基巖裂隙水主要賦存于巖石層、中等風(fēng)化及構(gòu)造裂隙帶中，巖體破碎帶附近含水量較豐富。水位埋深5～6m，變幅為1～3m。

2 設(shè)計及施工方案

2.1 基坑支護設(shè)計方案

隧道明挖段采用多種圍護形式+混凝土支撐，主要有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、咬合樁等，區(qū)間K4+340—K4+366.6為盾構(gòu)始發(fā)井，采用地下連續(xù)墻+6道鋼筋混凝土角撐。

根據(jù)地質(zhì)條件及基坑深度等條件，將K4+340—K7+706里程范圍的明挖隧道劃分為10個區(qū)段，分別作為10個風(fēng)險評估單元。各單元軟弱土層情況及基坑支護方案等相關(guān)信息如表1所示。

表1 明挖段隧道北段基坑基本情況

2.2 土方開挖方案

根據(jù)隧道明挖段基坑寬、深、長的特點，盡量采用縱向放坡方式進行土方開挖，工作面較長時，由兩端向中間同時開挖。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時可采用臺階法分層開挖，受條件限制時可采用長臂挖掘機、塔式起重機等方式垂直運輸。

3 風(fēng)險評估

以里程范圍為K5+700—K6+500(風(fēng)險評估單元6)的基坑工程為例，依據(jù)《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》(試行)[8]，對隧道明挖段基坑施工風(fēng)險進行評估。施工風(fēng)險評估流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)險評估流程

3.1 總體風(fēng)險評估

建立隧道明挖基坑施工總體風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并對K5+700—K6+500里程范圍的基坑建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)情況、地下水情況、氣候環(huán)境、地形地貌、周圍環(huán)境及施工工藝成熟度等指標(biāo)進行評估，如表2所示。

表2 總體風(fēng)險評估指標(biāo)體系

由表2可知，K5+700—K6+500里程范圍的隧道基坑施工總體風(fēng)險評估總分值A(chǔ)1+A2+A3+A4+A5+A6+A7=17。建立4級風(fēng)險評價等級，總體風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示?？傮w風(fēng)險為高度風(fēng)險及以上時，需進行專項風(fēng)險評估。

表3 明挖隧道工程施工安全總體風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

由表3可知，K5+700—K6+500范圍的基坑施工總體風(fēng)險等級為高度風(fēng)險，需進行專項風(fēng)險評估。

3.2 專項風(fēng)險評估

3.2.1風(fēng)險源辨識及分析

基于WBS分解法，將K5+700—K6+500里程范圍的基坑工程按施工工序進行分解，并識別每項工序可能存在的風(fēng)險事件。

3.2.2風(fēng)險估測

采用專家調(diào)查法對風(fēng)險事故可能性及事故嚴(yán)重程度進行估測，按表4～5確定事故可能性的估值P及嚴(yán)重程度的估值C。

表4 事故可能性估值

表5 事故嚴(yán)重程度估值

通過對K5+700—K6+500里程范圍的基坑工程施工風(fēng)險源的識別、分析及估測，形成施工風(fēng)險估測匯總表，如表6所示。

表6 施工風(fēng)險估測匯總

3.2.3風(fēng)險評價

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，建立適用于軟土地區(qū)基坑工程的模糊綜合評判模型，并對該隧道明挖段基坑施工過程進行風(fēng)險分析。

1)建立評語等級集合 基坑工程施工風(fēng)險水平劃分為4個等級，風(fēng)險評語集合記為V={V1,V2,V3,V4}={低度風(fēng)險，中度風(fēng)險，高度風(fēng)險，極高風(fēng)險}。

2)權(quán)重計算 采用層次分析法確定單一準(zhǔn)則下同層次n個風(fēng)險因素的權(quán)重集。將同級風(fēng)險因素兩兩比較(含自身比較)，按表7將比較結(jié)果數(shù)量化，構(gòu)成n階判斷矩陣，元素aij表示i因素相對于j因素的重要程度。

表7 九標(biāo)度各因子重要性大小比較數(shù)量化

計算判斷矩陣的最大特征值λmax及對應(yīng)的特征向量W，通過一致性檢驗后，該特征向量表示該層次n個風(fēng)險因素相對于評價目標(biāo)的權(quán)重向量。

鉆孔灌注樁施工，WJK-1={35.63%，5.32%，15.16%，28.28%，10.02%，5.58%}T；三軸水泥攪拌樁施工，WJK-2={8.71%，5.66%，33.73%，51.89%}T；支撐體系施工，WJK-3={12.70%，5.96%，11.48%，69.86%}T；基坑降排水施工，WJK-4={64.83%，22.97%，12.20%}T；土方開挖，WJK-5={7.46%，23.70%，15.18%，10.40%，2.78%，4.95%，1.99%，3.07%，30.47%}T；基坑工程施工工序的權(quán)重向量計算，WJK={12.78%，7.02%，29.67%，4.14%，46.39%}T。

3)隸屬函數(shù)的確定 假定風(fēng)險事件的風(fēng)險等級為L-R型模糊數(shù)，建立各風(fēng)險事件對于風(fēng)險評語集合V中各風(fēng)險等級的隸屬函數(shù)μ(x)：

(1)

式中：a，b為正數(shù)；L(x)為線形增函數(shù)，右連續(xù)；R(x)為線形減函數(shù)，左連續(xù)，且0≤L(x)，R(x)<1。

建立的隸屬函數(shù)如圖2所示。

圖2 隸屬函數(shù)

不同風(fēng)險等級的隸屬函數(shù)表達(dá)式如表8所示。表8中橫坐標(biāo)x為評價對象的概率估值和風(fēng)險損失估值的乘積，即P×C。

表8 隸屬函數(shù)表達(dá)式

4)風(fēng)險事件隸屬度計算 將風(fēng)險事件的可能性估值P與嚴(yán)重程度估值C的乘積代入隸屬函數(shù)，得到該風(fēng)險事件相對于各風(fēng)險等級的隸屬度向量，各施工工序的隸屬度判斷矩陣如下。

鉆孔灌注樁施工：

三軸水泥攪拌樁施工：

支撐體系施工：

基坑降排水施工：

土方開挖施工：

3.2.4模糊綜合計算

從最低的風(fēng)險事件層逐層向上進行多層次綜合評判，將各風(fēng)險事件的權(quán)重向量與判斷矩陣進行模糊計算，得各施工工序的隸屬度向量：

S=WT·R

(2)

鉆孔灌注樁施工風(fēng)險隸屬度向量：

SJK-1={0，0.617，0.383，0}

三軸水泥攪拌樁施工風(fēng)險隸屬度向量：

SJK-2={0，0.144，0.856，0}

支撐體系施工風(fēng)險隸屬度向量：

SJK-3={0，0，1，0}

基坑降排水施工風(fēng)險隸屬度向量：

SJK-4={0，0.352，0.648，0}

土方開挖施工風(fēng)險隸屬度向量：

SJK-5={0，0.058，0.637，0.305}

根據(jù)最大隸屬度原則，鉆孔灌注樁施工風(fēng)險為中度風(fēng)險，三軸水泥攪拌樁施工、支撐體系施工、基坑降排水施工、土方開挖施工風(fēng)險為高度風(fēng)險。

將施工工序的權(quán)重向量與各施工工序隸屬度向量組成的判斷矩陣進行模糊運算，得基坑施工風(fēng)險隸屬度向量：

根據(jù)最大隸屬度原則，K5+700—K6+500里程范圍的基坑工程施工風(fēng)險為高度風(fēng)險，與總體風(fēng)險評估結(jié)論一致。

為了驗證已建立的模糊綜合評判模型對于明挖段基坑施工過程風(fēng)險評估的適用性，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[8-9]，基于施工風(fēng)險估測結(jié)果及同層次各風(fēng)險因素相對于評價目標(biāo)的權(quán)重向量，采用層次分析法(AHP)重新對明挖基坑施工過程進行專項風(fēng)險分析。

將各風(fēng)險因素的概率估值與風(fēng)險損失估值的乘積P×C定義為風(fēng)險系數(shù)，已知任一施工工序所包含的各風(fēng)險因素的權(quán)重向量W、風(fēng)險系數(shù)向量X，可得到該施工工序的綜合風(fēng)險系數(shù)R=WT·X。根據(jù)風(fēng)險系數(shù)R值大小劃分各施工工序的風(fēng)險等級：R=1時，風(fēng)險等級為低度風(fēng)險；19時，風(fēng)險等級為極高度風(fēng)險。

以鉆孔灌注樁施工為例，共包含6個風(fēng)險因素，各因素的風(fēng)險權(quán)重向量WJK-1={35.63%，5.32%，15.16%，28.28%，10.02%，5.58%}T，風(fēng)險系數(shù)向量XJK-1={3，3，2，4，4，3}T，因此考慮各風(fēng)險因素權(quán)重向量的鉆孔灌注樁施工綜合風(fēng)險系數(shù)RJK-1為3.23，為中度風(fēng)險；同理可得出三軸水泥攪拌樁施工綜合風(fēng)險系數(shù)RJK-2為4.75，為高度風(fēng)險；支撐體系施工綜合風(fēng)險系數(shù)RJK-3為5.65，為高度風(fēng)險，基坑降排水施工綜合風(fēng)險系數(shù)RJK-4為4.82，為高度風(fēng)險，土方開挖施工綜合風(fēng)險系數(shù)RJK-5為7.66，為高度風(fēng)險，各工序的風(fēng)險等級與建立的模糊綜合評判模型的評估結(jié)果相同，說明模糊綜合評判模型對于基坑施工過程的風(fēng)險評估具有較好的適用性。

3.3 風(fēng)險控制

媽灣跨海隧道明挖段基坑施工過程中，對于風(fēng)險等級為中度的鉆孔灌注樁施工過程應(yīng)加強施工監(jiān)測；對于風(fēng)險等級為高度的三軸水泥攪拌樁施工、支撐體系施工、基坑降排水施工、土方開挖施工過程，除了應(yīng)加強施工監(jiān)測外，還需采取風(fēng)險處理措施降低風(fēng)險等級，降低風(fēng)險的成本不高于風(fēng)險損失[8-9]。

基于K5+700—K6+500里程范圍的基坑工程施工過程的風(fēng)險評價結(jié)果，給出典型風(fēng)險的控制措施建議，如表9所示。

表9 典型風(fēng)險及控制措施建議

4 結(jié)語

1)建立隧道基坑總體風(fēng)險評價指標(biāo)體系，對媽灣跨海隧道K5+700—K6+500里程范圍的基坑施工總體風(fēng)險進行評估。評估結(jié)果表明，該里程范圍內(nèi)基坑施工總體風(fēng)險等級為高度風(fēng)險。

2)采用模糊層次分析法，對K5+700—K6+500里程范圍的基坑施工過程進行專項風(fēng)險評估。結(jié)果表明，該里程范圍內(nèi)基坑施工風(fēng)險為高度風(fēng)險，與總體風(fēng)險評估結(jié)論一致，給出各施工工序的風(fēng)險等級及基坑施工過程中潛在重大風(fēng)險源的控制措施建議。

3)通過層次分析法驗證了采用模糊綜合評價評判模型對基坑施工過程風(fēng)險評估結(jié)果的合理性，風(fēng)險評估結(jié)果客觀合理，驗證建立的總體風(fēng)險指標(biāo)體系及模糊綜合評判模型在隧道基坑工程風(fēng)險評估中具有良好的可行性。采用的風(fēng)險評估思路及評價方法對類似工程具有重要的參考價值。