盾構(gòu)豎井深基坑工程風(fēng)險識別與評估

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［1］，因此是一個復(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，給國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟損失和不良影響［2］。因此，為保證基坑工程順利實施，應(yīng)采取科學(xué)的方法，對可能遇到的風(fēng)險進行預(yù)測、分析與控制［3－5］。

現(xiàn)行的風(fēng)險評估理論和技術(shù)主要集中于基于不確定理論、概率與數(shù)學(xué)統(tǒng)計、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)險解決方案；Isaksson［7］于2002年采用風(fēng)險分析理論，對地下工程中不同施工方案的工期與費用進行了分析，并通過工程應(yīng)用驗證了所提出的相應(yīng)評估模型的合理性；Reilly［8］對大型隧道及地下工程進行風(fēng)險分析時，著重從工程的風(fēng)險管理方面進行研究，并應(yīng)用到美國許多大型地鐵工程的風(fēng)險分析中；王晶等［9］提出了地鐵隧道施工過程中風(fēng)險管理的框架，說明了風(fēng)險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)險評價中，唯獨對盾構(gòu)隧道始發(fā)豎井施工時的風(fēng)險缺乏研究［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，進行了風(fēng)險評估探討。根據(jù)該標段3＃盾構(gòu)豎井深基坑地質(zhì)特點以及周邊環(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)險事件和風(fēng)險因素進行識別，最后應(yīng)用綜合集成評估方法進行評估。

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

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。其中，重點施工工序包括鉆孔灌注樁施工、降水施工、基坑開挖及圍護支撐和二襯結(jié)構(gòu)施工等。

2 風(fēng)險識別

根據(jù)基坑工程的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特點，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、井點降水及二襯結(jié)構(gòu)；然后再對每一個工序可能產(chǎn)生的風(fēng)險事件進行分析；最后利用故障樹法找出致險因子，并建立風(fēng)險事件清單。基坑工程施工風(fēng)險清單如圖1所示。

圖1 基坑工程施工風(fēng)險清單

3 風(fēng)險評估

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

3.1 評價指標權(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9標度表（表1）中進行仿數(shù)量化，從而使各因子數(shù)量值構(gòu)成一個“構(gòu)造判斷矩陣”。該矩陣經(jīng)一致性檢驗后，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)險計算

風(fēng)險事件發(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，得出各個風(fēng)險事件的估值，如表6所示。

表4 風(fēng)險發(fā)生概率P等級標準

表5 風(fēng)險發(fā)生后果C等級標準

表6 評價指標估值

對風(fēng)險事件的風(fēng)險計算，可據(jù)式（1）計算［15］。

式中：R為風(fēng)險值；P為風(fēng)險發(fā)生的概率；C為風(fēng)險發(fā)生后果等級概率。

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

其他工序的風(fēng)險值向量分別為：

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

井點降水B3＝（0.54）；

二襯結(jié)構(gòu)B4＝（0.36 0.27）。

3.3 風(fēng)險等級確定

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

根據(jù)綜合集成方法如式（2）所示，計算各個工序?qū)拥娘L(fēng)險值。

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

這樣可計算出鉆孔灌注樁工序的風(fēng)險值為0.55，基坑開挖及支撐為0.65，井點降水為0.54，二襯結(jié)構(gòu)為0.29。則各工序的風(fēng)險值構(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)險等級的定義如表7所示，該基坑工程屬于三級，其風(fēng)險事故后果嚴重，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)險最大，二襯結(jié)構(gòu)的風(fēng)險最小，各個工序的風(fēng)險值大小如圖2所示。基坑開挖及支撐工序中的風(fēng)險事件的風(fēng)險示意圖如圖3所示。

表7 風(fēng)險等級表

圖2 各工序風(fēng)險值

4 結(jié) 語

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

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

圖3 土方開挖及支撐風(fēng)險排序

2）根據(jù)上述計算結(jié)果，可為設(shè)計和施工提供風(fēng)險評估理論依據(jù)，并據(jù)此采用動態(tài)控制與風(fēng)險管理，優(yōu)化施工組織設(shè)計以確保安全、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。

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