城市地下軌道交通近接下穿既有結構施工風險綜合評估法的研究

薛立強

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

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城市地下軌道交通近接下穿既有結構施工風險綜合評估法的研究

薛立強

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

城市地下軌道交通建設面臨著大量的近接和下穿的既有結構施工，施工風險極高，以致安全事故頻發。為避免或減少施工安全事故，關鍵措施之一是提高施工風險的綜合評估能力。根據風險評估所運用的主要理論或方法將目前用于城市軌道交通工程的綜合評估法歸納為5種:風險綜合指數法、模糊數學法、偶合及灰色聚類法、貝葉斯網絡法、五元聯系數法，并將之分類總結，概括其各自優缺點。重點介紹了當前運用最多的模糊數學法，以及加拿大學者基于模糊數學提出的一種模型識別和風險定性、定量評價法。

軌道交通；近接下穿；風險評估

為解決大城市的交通擁堵，提高城市環境和生活質量，擴大居民出行半徑，急需完善城市基礎設施建設。地下空間的開發與利用尤其是以地下軌道交通為代表的工程建設已成為解決以上城市發展矛盾的最有效措施。

目前，地下軌道交通已進入了大規模建設時期，這將會不可避免地帶來各區間線路與線路、線路與車站以及車站與車站的相互鄰近、交叉。根據最新的天津市中心城區軌道線網規劃圖，節點車站和地鐵區間穿越段的數目高達約105處，遠期規劃全部完成時，最終鄰近和交叉點將更多，交叉工程量非常大，近接或下穿其他既有建筑物和結構數量更是巨大。

這種近接或下穿工程施工系統復雜，涉及的安全因素眾多，施工風險極高，雖然我國已于2011年出臺了相關的風險管理規范，但最近三年來安全事故仍頻發，在上海、廣州、天津、西安、長春等城市均發生了地鐵施工事故，最新的案例則是2016年8月13日莞惠城軌常平段施工塌方事故[1]，造成近鄰的3棟樓坍塌，所辛無人員傷亡。該段自2013年至今4年間，先后發生了7起塌陷事故，充分表明了地下城軌施工的復雜性和高風險性。因此，為避免或者減少地下城軌近接或者下穿既有結構施工工程事故的發生，重要的措施之一是不斷提高對其施工過程的風險管理能力，而風險管理涉及到的核心問題是如何有效地進行風險評估。根據有關風險管理規范要求，城軌施工時需采用綜合風險評估法進行工程施工風險管理，故本文僅對工程中常用的幾種典型的綜合評估模型進行歸類總結。

1綜合風險評估方法的基本原理及發展現狀

1.1風險綜合指數模型

針對目前隧道施工風險評估基礎數據多、工作量大的情況，陳潔金[2]提出了風險綜合指數模型。該模型將眾多致災因子進行簡化歸類，其中，隧道方面和地層方面的因素為容易導致災害的因素，用危險指數F1進行表征，而隧道施工范圍內的建筑物及構筑物等容易受到隧道施工影響而受損的因素，用易損性指數F2表征。結合相關規范和實例，依據定量分析和經驗分別給定量指數和經驗指數的屬性因素賦予權重和分值。針對專家調查法和數值計算的片面性，該模型中對權重賦值時進行了改進，采用了綜合賦值法：

A=k1A1+k2A2，

式中:A為綜合權重;A1為由數值計算法得到的客觀權重;A2為由專家調查法得到的主觀權重;k1和k2分別為客觀權重和主觀權重的權重，由專家現場根據實際情況確定。隧道施工中人為因素是最主要的因素，本模型在確定風險因素時并沒有包含施工技術水平和工期等因素，而是采用了工藝影響系數對危險性指數進行調整，這樣會使計算更簡潔，評價更合理，其中工藝影響系數通過針對不同的施工步驟及施工項采用調查打分法進行統計求取。將隧道危險性指數和工藝影響系數作乘積可以得到一個具體的數值F1S1，該值的大小表示致災因子的危險程度，根據相關規范對不同區段的F1S1值進行危險等級劃分。

易損性指數F2在綜合考慮影響范圍內的橋梁、建筑物及地下管線等因素后根據相關學者的研究，同時針對既有建筑的位置及重要程度提出了S2、S3兩個修正系數，最終根據值F2S2S3對既有設施的易損性進行分級。

當對建筑物采取保護措施之后或對隧道圍巖進行加固之后，需要對風險指數進行第2次修正，原來的基礎上乘以安全補償系數Sk，得到處理后的風險綜合指數TS=(SkF1F2S1S2S3)/100。

1.2基于模糊數學的綜合風險評價模型

針對地鐵工程的風險評價指標體系不夠完善和專家評分數據處理欠妥的問題，周紅等[7]提出了結合頻率分析和模糊層次法的FMEA風險評價方法。該方法將已知系統進行工作分解，當某一工序出現失效狀態時，采用專家打分法對層級末端的“失效”狀態進行風險評分，專家打分數據進行頻率處理后采用改進的模糊層次法進行分析確認，然后以“失效狀態”為銜接點，向上分析可能產生的后果，向下尋找原因，建立第二個維度的風險指標，按照同樣的專家打分頻率處理后進行分析。該方法既可清晰地看到各工序下需要關注的環節和風險源，也可以直接深入地展現工程事故與基本形成因素之間的關系，同時對專家打分法中普遍存在的數據失真和一致性不滿足等問題進行了適當的修正。

拿大學者Ahmad Sala等[8]首先針對目前風險識別方法不能有效地識別出全部風險因子的問題，提出了一種新的基于微觀風險分解結構的風險識別的綜合方法，以便能最大化地提高風險識別率；然后基于模糊理論和一個風險對應一個所有者的一一對應原則，提出了新的風險確權和責任分配矩陣；最后基于模糊集和模糊概率理論，提出了新的風險定性和定量評估方法，3個工程案例分析表明了該方法的有效性和適應性。該方法的主要內容介紹如下。

1.2.1風險識別綜合分析法

構建工程系統的微觀風險分解結構，該結構依次包括工程系統、項目、類別、群或組、活動、獨立的任務、風險因子，對某一風險因子可以進行唯一編號，這有助于識別出已知的風險因子和提高未知風險因子的識別率。風險識別程序如下：1)使用已廣泛應用的風險識別技術，如檢查表法、文獻調研法、專家判斷法等識別已知風險項；2)基于微觀風險分解結構，從以前的經驗、類似工程和事故數據庫等收集數據；3)通過考察以前項目出現的意外和不利的狀況分析本任務中未知風險潛力；4)利用根原因分析法識別出第3)步得到的不利狀況的所有未知風險項；5)應用因果圖法分析第4)步得到的每一個未知風險項的后果；6)組合已知風險項和識別出的未知風險項形成每一項獨立任務的完整風險項。

1.2.2風險確權

風險確權包括風險所有者的選擇和風險責任矩陣。風險所有者選擇遵循的原則為“一個風險項，一個所有者”，所有者的選擇綜合考慮處理風險所能采取的最大努力程度、取得理想結果的成功程度和本身所具有的能力這三方面的因素，并提出一種模糊指數量化這3個因素，用模糊理論進行指數的求解和相加，計算出項目各參入方與這3個因素相關的總得分，得分最高者即為該風險項的所有者。為考慮某一風險項與其他項目相關方的關系，制定風險責任矩陣，包括為風險所有者進行風險管理提供支持的支持方和批準為降底風險而采取的與原目標進行必要的偏離的批準方，即一個風險項唯一對應一個所有者，同時對應一個或多個支持方和批準方。

1.2.3風險評估

風險評估主要包括5個步驟：數字模糊評價、模糊語言數字轉換方案、風險定性評估、風險圖、風險定量評估。

1)數字模糊評價。專家用數字對每一風險項發生的可能性和可能造成的后果進行評價，如用0～10打分，0表示“很低”，10表示“很高”。2)模糊語言數字轉換方案。對于難以用數字模糊評價的，可以用模糊語言進行評價，如低、高、可能等。并可通過下面3步建立模糊語言和模糊數字的轉換關系，最終把模糊語言轉換成模糊數字：第一步，基于模糊理論定義模糊屬性，如低或者高的上下限值；第二步，利用第一步建立的每一個模糊屬性的上下限值建立該模糊屬性所對應的模糊數字范圍；第三步，用兩條直線連接相鄰模糊屬性的邊界點，建立模糊語言數字轉換圖。3)風險定性評估?；诓煌瑢＜覍γ恳伙L險項發生概率和所產生的后果的數字模糊評價，運用模糊加法和乘法的算術運算、模糊隸屬函數的運算和去模糊化計算得出每一風險項的評估值。4)風險圖。建立風險圖轉換體系，如風險定性評估值在80%～100%之間的定義為非常危險，并用紅色表示。基于每一風險項的定性評估值，運用風險圖轉換體系，可得到某一獨立任務的風險分布圖，類似的，可以依次得到活動、群或組、類別、項目、工程系統風險分布圖。5)風險定量評估。上述風險定性評估僅能反映項目風險程度的高低，但不能反映出控制風險所需的成本。基于專家對每一風險項所產生的各種后果進行預先控制所需成本的評價，運用模糊集理論計算得出每一風險項的預期風險控制成本，該值與該風險定性評價結果進行模糊相乘得到該風險的定量評估值，依次對所有風險項、活動、群或組、類別、項目的定量評估值進行累加計算得到該項目的風險控制成本，供決策參考。

1.3偶合法及灰色聚類法

地鐵隧道施工環境復雜，風險系統中許多致災因子是相互聯系、相互耦合的，而目前的很多研究多停留在各因子相互獨立的狀態，這對地鐵隧道的施工風險評估是不利的。針對這個狀況，部分學者提出了將耦合法及灰色類聚法等方法引入風險評估中。吳國賢等[9]將地鐵致災因子按人為、設備、管理和環境4個方面進行劃分，考慮到各因子之間的影響及耦合關系，將這些因子分為單因子耦合風險、雙因子耦合風險及多因子耦合風險，通過風險耦合信息交互公式：

式中phijk為第h種狀態、設備第i種狀態、環境第j種狀態、管理第k種狀態下4種因素風險耦合發生的概率。通過對近年來183起地鐵施工安全事故的分析，得出了地鐵施工中各種風險發生概率的致災因子組合情況，其中人為因素、管理因素及環境因素的影響程度較大。牛發陽等[10]在層次分析法的基礎上考慮了各致災因子的相互關聯性，引進了灰色聚類法，該模型中在確定常規層次法中的因子權重時引入了對應網格層指標下的影響因素集Aij來表示i，j的關聯狀況。

1.4基于貝葉斯網絡模型的風險評價方法

地鐵盾構鄰近橋梁風險評價過程中存在大量的隨機不確定性和冗余不確定性。吳賢國等[11]融合了粗糙集理論和貝葉斯網絡，建立了地鐵盾構施工對鄰近橋梁影響的安全風險評估模型，利用云模型將連續型影響因素進行離散化以簡化數據結構，基于信息熵進行屬性約簡以刪除冗余屬性，構建貝葉斯模型，然后基于貝葉斯網絡模型進行安全評價。同時還提出基于貝葉斯網絡的事前風險等級預測、事中敏感因素識別、事后致因診斷方法，為制定風險控制措施提供依據。

1.5基于五元聯系數法的風險評價方法

為了能同時考慮地鐵施工體系中所有的確定性與不確定性因素，同時對風險趨勢做出合理預測，李聰等[12]將五元聯系數法引入到了地鐵施工風險綜合評價中。五元聯系數是在用集對理論分析同異反聯系度中得出的，其中，聯系數的分量可以與風險等級對應，如五元聯系數u=a+bi+cj+dk+el中，a、b、c、d、e可以描述“低風險”“較低風險”“中等風險”“較高風險”“高風險”。該模型中首先找出項目的指標因素，建立風險因素集，然后確定項目風險綜合評價的等級集合，再確定每一風險因素的權重，并構造同異反評價模型，最后利用五元聯系數的集對勢對風險的態勢進行分析，同時還利用五元聯系數的偏聯系數對風險的發展趨勢進行分析。

2　各方法的比較

各方法的對比結果見表1。

表1　各評估方法對比表格

3　結語

城市地下軌道交通建設面臨大量近接和下穿既有結構施工，城市地下軌道交通施工時會造成附近水土損失和擾動，進而威脅其近接和下穿的既有結構的安全運營，由于其施工系統復雜，施工風險極高，以致安全事故頻發，為避免或減少施工安全事故，關鍵措施之一是提高施工風險綜合評估能力。本文根據風險評估所運用的主要理論或方法將目前用于城市軌道交通工程的綜合評估法歸納為5種:風險綜合指數法、模糊數學法、偶合及灰色聚類法、貝葉斯網絡法、五元聯系數法，并將之分類總結，并概括其各自優缺點。從上述分析來看，基于模糊數學的綜合評價方法運用最多，同時，評價方法也有向考慮各風險因子的內在聯系和對風險進行動態評估方向發展的趨勢。

[1] 方鎮彬.莞惠城軌常平段3棟樓坍塌或因連日降雨[N].南方日報，2015-08-15(1).

[2] 陳潔金.下穿建筑物隧道施工風險評估方法[J].鐵道科學與工程學報，2013，10(4):88-94.

[3] 陳潔金.下穿既有橋梁隧道施工風險定量評估方法[J].中南大學學報：自然科學版，2015，46(5):1863-1868.

[4] 陳潔金.下穿既有設施隧道城市隧道施工風險管理與系統開發[D].長沙:中南大學，2009.

[5] 劉波.地鐵深基坑工程風險模糊層次分析研究[J].地下空間與工程學報，2015，11(增1):257-264.

[6] 應國柱.基于模糊綜合評價模型的地鐵施工風險評估[J].地下空間與工程學報，2016，12(2):539-545.

[7] 周紅.結合FAHP和頻率分析的地鐵工程FMEA風險評價應用研究[J].工程管理學報，2015，29(1):53-58.

[8] Salah A.Risk identification and assessment for engineering procurement construction management projects using fuzzy set theory[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2016，42:429-443.

[9] 吳國賢.基于N-K模型的地鐵施工安全風險耦合研究[J].中國安全科學學報，2016，26(4):96-101.

[10] 牛發陽.基于ANP-灰色聚類法的地鐵深基坑施工安全風險評估[J].青島理工大學學報，2016，37(4)：1-6.

[11] 吳國賢.基于粗糙集和貝葉斯網絡的地鐵盾構施工誘發鄰近橋梁安全風險評價[J].土木工程與管理學報，2016，33(3):9-16.

[12] 李聰.五元聯系數在地鐵施工風險綜合評價中的應用[J].中國安全科學學報，2013，23(10):21-26.

The Research Status of Synthetic Evaluation Method for Existing Structures Construction Risk of Underground Rail Transit under Passing

XUE Li-qiang

(ChinaRailway16BureauGroupBeijingMetroEngineeringConstructionCo.，Ltd.Beijing101100，China)

Underground rail transits are also confronted many near or under existing constructions with a high risk of construction，so as to security incidents frequently.In order to avoid or reduce construction accidents，improving the comprehensive risk assessment ability is one of the key measures.Based on the main methods and theories used in risk assessment，the current used risk assessments of urban tunnel constructions are summarized as five classes：comprehensive index model，fuzzy mathematical model，risk coupling and grey clustering model，Bayesian network model，five-element connection number model.Advantages and disadvantages of each model are summarized in this paper.Fuzzy mathematical model and a new way of qualitative and quantitative risk assessment based on fuzzy mathematics proposed by Canadian scholars are detailed introduced.

underground rail transit；under passing；risk assessment

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.006

2016-05-22

薛立強(1977-)，男(漢)，甘肅平涼，高級工程師

主要研究城市軌道交通工程全產業鏈管理。

U231

A

1009-8984(2016)03-0026-04