運營地鐵車站拓建施工風險分析與評估研究

冀國棟

（1.中鐵十八局集團有限公司 天津 300350；2.天津大學建筑工程學院 天津 300072）

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程的加快，大量人口涌入城市，造成城市人口聚集程度急速增加［1］。有些已經建成并投入運營的地鐵，逐漸出現不能滿足乘客出行及換乘需求的問題，需要對其進行針對性拓建。運營地鐵拓建工程的周邊環境一般較為復雜，地表及既有結構變形控制要求嚴格，施工過程中受力體系多次轉換，極易發生安全風險事故。因此，運營地鐵拓建施工風險管理研究對于確保建設施工安全和地鐵運營安全意義重大。

風險管理的概念在二十世紀三十年代被提出后，就應用到全世界各個領域，眾多學者對風險類型辨識、風險評估方法和程序、風險管控措施、風險管理規范等方面進行了科學系統的研究。Einstein［2－3］將風險概念引入到巖土工程領域，分析了風險管理在隧道工程中的應用；Reilly等［4］介紹了如何利用風險評估分析在隧道工程中實現風險管理與控制，對隧道工程設計及施工有效規避風險具有重要的指導意義；Choi等［5］使用模糊層次綜合評判法分析了基坑開挖過程中的風險，取得了較好的效果。國內的相關研究中，路美麗［6］介紹了國內外隧道及地下工程風險評估方法的研究與運用；吳忠良［7］利用模糊綜合評判法對西部山區鄰近營業線鐵路橋梁樁基施工方案進行比選；蔡來炳［8］對城市既有地下結構擴建改造施工的風險進行分析，提出了相關風險的控制措施；王雯婷［9］針對濟青高速公路擴建工程全生命周期各階段的風險提出了風險控制與管理措施。然而，當前對于拓建工程的風險評估大多集中在公路和隧道領域，針對運營地鐵拓建施工風險的研究較為少見。本文依托北京地鐵宣武門站接駁拓建工程，采用模糊綜合評價法對其接駁拓建施工風險進行分析研究，其研究成果對相關工程的風險管理具有一定借鑒意義。

2 工程概況

北京地鐵宣武門站位于北京市二環以內中心老城區，是地鐵2號線與4號線的換乘車站。其中，2號線車站沿宣武門東、西大街呈東西向布置，4號線車站沿宣武門內、外大街呈南北向布置。地鐵4號線下穿2號線，與2號線車站呈“十”字形相交，兩座車站通過兩條相對的“E”形通道，將2號線站臺與4號線站廳相連以實現換乘。目前換乘通道為單向使用，西側通道用于4號線換乘2號線，東側通道用于2號線換乘4號線。2009年地鐵4號線開通以來，因兩線之間換乘設施能力嚴重不足，在早晚高峰期間大量乘客擁堵在換乘通道內，達到嚴重擁擠程度，存在較大的安全隱患。

為滿足地鐵宣武門站當前運營功能需求，對既有車站進行針對性拓建，通過在東北象限新建兩個出入口解決原地鐵4號線在東北方向無出入口的問題，并在東北、西北、西南三個區域各增建一條換乘通道實現4號線向2號線的換乘（原有“E”形通道解決2號線向4號線的換乘客流），同時在各象限均增設地下售檢票廳并改造相關系統設備，以此解決換乘及進出站擁堵問題，方便乘客出入車站及提高2號線與4號線之間的換乘功能。拓建工程總平面如圖1所示。

圖1 北京地鐵4號線宣武門站拓建工程平面

3 模糊綜合評價模型

（1）建立因素集

根據模糊綜合評價法原理［10］，將評價對象的各種影響因素組成集合，建立因素集：

式中，ui為第i個評價因素；m為評價因素個數。

（2）建立評價集

評價者用模糊語言對每一風險因素所處狀態作出評價，建立評價集：

式中，vj為對風險嚴重程度的判斷結果；n為評價結果個數。

本文采用5級風險劃分，即n＝5，且v1為一級風險、v2為二級風險、v3為三級風險、v4為四級風險、v5為五級風險。其中一級為最低風險等級，五級為最高風險等級。

（3）建立模糊評價矩陣

邀請多位專家對因素集內各風險因素進行評價，根據評價結果計算各風險因素ui對風險等級vj的隸屬度dij。

考慮到專家評價意見會有一定的差異，在此引入“信心指數法”來處理專家評分的主觀性［11］。信心指數表示專家對其評價可靠性的信任程度（取值范圍0～1），如某專家判斷某風險因素處于v3等級，其信心指數為0.8，則認為該因素風險等級為中等的概率是80%。將所有專家給出的概率分布進行加權平均即可得到該風險因素的隸屬向量。利用相同方法得到所有因素的評判向量，從而建立模糊評判矩陣D：

（4）確定指標權重

對于某評價目標，因素集中各因素對評價目標的影響程度不同，通常引入權重向量A來反映各因素的重要程度：

指標權重的確定方法根據數據來源形式可以分為主觀賦權法、客觀賦權法以及綜合賦權法。本文采用層次分析法［12］中的1～9比例標度，通過專家打分的方法構造出各個風險指標權重的判斷矩陣。

（5）模糊綜合評價

對所有因素進行評價時，將權重向量A與模糊評價矩陣D進行綜合，可以得到各因素對評語集的隸屬程度，即模糊綜合評價集B：

（6）評價結果

通過最大隸屬度法對模糊評價向量進行清晰化，即取最大隸屬度對應評價集中的評價指標作為最終的評價結果。

4 運營地鐵車站接駁拓建施工風險評價及控制

4.1 風險指標

工程風險評價時，針對所有的影響因素逐一進行分析很難實現，因此應選擇最重要的一些影響因素作為風險指標。對于運營地鐵拓建工程而言，根據其施工特點，本文重點考慮地質風險、環境風險、設計風險和施工風險4個一級風險指標。

（1）地質風險

主要包括工程地質及水文地質等因素。

（2）環境風險

主要包括道路、鐵路、橋梁、地鐵、地下構筑物、地下管線、地面建筑物及地表水等因素。

（3）設計風險

主要包括工程規模及復雜性、施工工法、拓建類型及支護體系等因素。

（4）施工風險

主要包括工程規模、施工組織設計、施工專項方案、輔助工法、工程質量及安全措施等因素。

結合北京地鐵宣武門站接駁拓建工程的實際情況，建立了北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風險指標體系，見表1。

表1 風險指標及評價結果

4.2 指標權重

通過問卷形式向16名行業內專家進行調查和咨詢，利用層次分析法得到宣武門站接駁拓建工程風險指標的權重見表2～表5。

表2 地質風險評價結果

表3 環境風險評價結果

表4 設計風險評價結果

表5 施工風險評價結果

4.3 評價結果分析及風險控制措施

對宣武門站接駁拓建工程總體風險進行評價，根據表1～表5可以建立模糊評價矩陣：

對于運營地鐵車站接駁拓建工程而言，地質風險、環境風險、設計風險和施工風險4個一級指標都非常重要，本文取其指標權重均為0.25，即：

根據式（5）得到模糊綜合評價：

根據最大隸屬度法可知，北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風險等級為三級，屬于中等風險狀態，施工風險基本處于可控水平。

根據專家評價結果，可以得到各風險指標的風險等級，見表6。

表6 各指標風險等級

從表6可以看出，在所有的風險評估指標中，沒有指標的風險級別達到五級，大多數指標的風險級別為二級～三級，包括9個二級風險指標和8個三級風險指標。風險級別達到四級的3個指標分別為既有地鐵、周邊管線和既有結構破除，需要采取專項風險控制措施。

4.3.1 既有地鐵風險及控制措施

北京地鐵宣武門站拓建工程多處緊鄰既有地鐵2號線及4號線，其中西北象限新建暗挖通道（接2號線）部分結構初支外皮緊鄰2號線西北出入口結構外墻；東北象限新建暗挖出入口通道結構平行上穿4號線區間，初支外皮與區間凈距約2.3 m；東南象限新建出入口采用明挖法施工，基坑南側與2號線西南風道的水平凈距約1.0 m；西南象限新建暗挖廳與4號線西南口的水平凈距約1.8 m。拓建施工會對周圍地層造成擾動，產生不均勻沉降，威脅既有地鐵2號線和4號線的運營安全，可采取以下風險控制措施：

（1）施工前對既有2號線和4號線結構進行調查，并進行監測和評估，必要時對緊鄰既有地鐵結構部分進行加固處理，或采取樁基隔離措施。

（2）及時布設測點，施工期間加密監測頻率，根據監測結果及時調整施工參數，確保既有地鐵運營安全。

（3）制定針對性應急預案。

4.3.2 周邊管線風險及控制措施

宣武門站附近區域位置敏感，施工范圍地下管線密集，特別是大部分雨污水管線和電力隧道年代久遠，實際運行情況堪憂，施工擾動可能造成管線受周圍土體變形影響，出現結構性破裂而無法繼續使用，以及由于管線開裂而引起內部氣體或液體溢出，引發次生影響。具體風險控制措施：

（1）施工前對管線的現狀進行核查，了解管線結構現狀及運營現狀，對重要管線進行安全評估，獲取其能承受的沉降和差異沉降的有關數據。

（2）施工期間進行全程監測，通過監控量測結果，反饋現場施工及設計。

4.3.3 既有結構破除風險及控制措施

宣武門站拓建工程與既有線主體結構及出入口結構多處接駁連通，需要在保證換乘站正常運營條件下進行既有結構的破除，最大破口面積7 200×4 850 mm，最大變形控制指標為1 mm。破除時既有結構受力將發生改變，采取以下風險控制措施：

（1）對既有結構進行安全性驗算，分析施工對既有結構的影響。

（2）控制施工的空間效應，針對既有線結構形式及配筋，分塊切除、合理安排破除順序，降低施工對既有結構的影響。

（3）采取合適的加固措施對既有結構周圍土體進行加固。

（4）及時采取支護措施，提高支撐剛度和變形協調能力。

（5）制定針對性的監控量測措施，實施信息化施工，及時調整施工參數，確保既有線結構變形在可控范圍之內。

5 結論

（1）根據運營地鐵拓建工程的施工特點，結合北京地鐵宣武門站接駁拓建工程實際，考慮了4個一級指標和22個二級指標，建立了多層次的宣武門站接駁拓建施工風險指標體系。

（2）采用模糊綜合評價法對北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風險進行評估，結果表明北京地鐵宣武門站接駁拓建施工風險等級為三級，屬于中等風險狀態。

（3）既有地鐵、周邊管線和既有結構破除3個指標的風險等級達到四級，需要采取專項風險控制措施，以確保施工安全及既有地鐵運營安全。