超大型沉井基礎的施工風險評估

施 洲 ，劉東東 ，紀 鋒 ，馮傳寶

（1. 西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2. 中國鐵路上海局集團有限公司，江蘇 南京 200142）

沉井基礎具有良好的承載能力、結構整體性好且施工便捷，在現代大型橋梁中應用較多，然而，隨著橋梁跨度、承受公路及鐵路荷載的不斷發展，沉井基礎平面、體積記錄不斷刷新，在設計、施工階段均面臨更大的困難和工程風險. 在施工階段，大平面尺寸沉井結構受力復雜，且受復雜地質因素影響顯著[1]，在開挖不均勻、涌水翻砂、突沉等異常工況下井壁易開裂甚至影響沉井施工的成敗[2]. 在國內的南京長江四橋、馬鞍山大橋、鸚鵡洲大橋等[3]大跨度橋梁的沉井基礎施工過程中，為滿足沉井施工安全與質量要求，相關沉井施工關鍵技術、沉井結構安全評估、施工監控等措施得到高度重視[4]. 橋梁等大型土木工程在建設階段的風險評估及控制對策問題日益受到關注，國內外學者在工程事故研究、風險損失模型及概率模型表達、風險決策理論等多方面進行了探索.Hillson 等[5]研究并開發了風險分解結構法（RBS），并將工作分解結構（WBS）[6]與之相結合成功用于軟件項目風險分析[7]，推廣了WBS-RBS 在土木工程建設等項目的風險管理方面的應用. 陳國華等[8]將WBS-RBS 結合層次分析法（AHP）[9]建立了施工風險評價體系，完成跨海橋梁工程的施工風險評估. 丁閃閃等[10]使用蒙特卡洛法建立橋梁施工階段風險評估模型，通過計算機模擬完成了風險等級劃分. 蘇潔等[11]在研究地鐵下穿橋梁項目風險中，建立了既有橋梁安全風險評估控制體系，應用多種控制與監測手段實現了工程的風險管控. 許振浩等[12]基于AHP對巖溶隧道在施工階段的突水、突泥風險進行研究，提出了三階段評估與控制方法，實現風險動態控制.程遠等[13]基于AHP，結合專家調查法完成了大跨淺埋公路隧道施工階段中重要風險事件的識別與權重分析工作，為風險處理提供了依據.

可見，大型工程的風險評估工作在不斷發展之中，隨著大型沉井智能化施工的發展，對風險評估提出新要求. 目前，既有的風險評估方法各有其優勢，但對大型橋梁沉井基礎施工分項工程的系統化、程序化風險評估研究較少. 在此，以連鎮鐵路五峰山長江大橋北錨碇大型沉井基礎為對象，基于WBSRBS 及模糊層次分析法（FAHP）開展沉井施工階段的風險評估研究.

1 風險識別與評估理論

1.1 基于WBS-RBS 與專家調查法的風險識別理論

大型工程的風險識別中，為避免常規識別方法[14]中風險源遺漏，并挖掘復雜工程所涉及的非常規、深層次的風險源，需發展新的風險識別理論方法. WBS-RBS 識別方法通過構建一個工作、風險雙維度的結構化逐級分解框架[7]，具有風險項識別全面的優勢. 專家調查法能夠集中工程專家和行業精英的經驗與洞察力. 結合兩者優勢提出WBS-RBS與專家調查法復合識別法.

風險識別中，基于WBS-RBS，結合專家調查建立工程風險結構分解矩陣（event risk breakdown matrix，eRBM），如圖1. 矩陣的橫、縱向代表了風險和工作分解狀況，每個矩陣元素表示一施工分項在一類風險下存在的具體風險. 然后在工程建設各崗位中選取風險評估人員及行業專家獨立判斷各矩陣元素位置風險是否存在、可能的風險形式（即風險項及致險原因），并初步考慮可能的出險概率及風險損失，對具體風險事件狀態作必要說明. 通過專家調查，還可以對基于WBS-RBS 識別的風險項進行增補調整. 經上述工作，實現工程活動中所有風險的全面識別.

圖1 WBS-RBS 風險分解矩陣Fig. 1 Event risk breakdown matrix of WBS-RBS

1.2 基于風險分解矩陣的風險等級評估理論

在大型沉井基礎工程施工階段的風險等級評估中，為提升評估的合理性與可靠性，降低人為因素干擾及相關風險樣本少等不足的影響，提出基于WBSRBS 及FAHP[15]的復合風險定量評估方法，采用修正風險值Rrij來表征風險嚴重程度. 以修正風險值Rrij組成修正后風險矩陣（Rr），并將Rr作為風險等級的評判依據. 其中,i、j為Rr元素對應的行、列序號. WBS-RBS 及FAHP 的復合風險定量評估方法的評價流程如圖2 所示.

圖2 風險等級評估流程Fig. 2 Operation flowchart of risk assessment

1） 初始風險值矩陣RI計算

計算初始風險值矩陣RI，基于WBS-RBS 風險源識別結果通過專家調查、事故分析或觀測統計等獲得發生概率、風險損失結果、環境影響等量化數據. 在具體的風險量化中，參考既有公路橋隧及鐵路橋梁風險評估方法中使用模糊的概率區間P來描述風險事件發生的概率大小，將具體風險按出險可能性劃為5 個等級，如表1 所示.

表1 風險概率等級區間劃分標準Tab. 1 Interval division standard of risk probability grades

風險損失按照人員傷亡（casualty）、經濟損失（economics）和環境影響（environment）分類，根據國家和行業對事故損失的劃分標準同樣分為5 個等級，并按照1～5 的量值賦值. 風險損失值重點考慮單項大風險，并考慮多種損失的疊加，第x項風險的損失值為

式中：Cx1、Cx2、Cx3分別為第x項風險事件造成的人員傷亡等級、經濟損失等級和環境影響等級，從高到低排列；系數0.7、0.2、0.1 亦可根據不同的風險評估及接受標準進行相應調整.

將風險項的發生量化概率值Px與風險損失值乘積作為對應風險項的初始風險值Rin，即

Rin按對應風險項在eRBM 中的出現位置排列即為RI.

2） 綜合風險權重W計算

為防止不同風險項因數據少及風險認識不足而導致初始風險值差異顯著，引入模糊層次分析 （FAHP），開展各風險項之間的1～9 標度法對比分析關系，從而形成單層模糊判斷矩陣A=[auv]m×m，（u，v= 1，2，3，···，m），其中auv指風險pu相對于風險pv的重要性比例；m為上層風險分解個數，如圖1 中R1 即向下分為m個風險. 根據非零對稱判斷矩陣性質，矩陣A滿足A?B=λmaxB，其中，λmax為最大特征值，對應特征向量B=[b1b2b3···bm]T，即為風險pu對應單層權重ωu[16]. 為避免風險評估中人為判別中可能存在的不一致性，考慮隨機性條件，引入隨機一致性比率C，如式（3）. 當C< 0.1 時，認為矩陣A滿足一致性要求，基于專家調查的判斷合理有效，否則須進行修正.

式中：R為平均隨機一致性指標，由計算或查表得到[17].

采用相同方法計算其他同層、上層節點的單層權重后，按RBS 層級結構關系，將同一分支路徑上風險的單層權重相乘得到底層風險的綜合風險權重值Wi，組成綜合風險權重W=[W1W2···Wn]T，n為底層風險個數.

3） 風險項等級評估

在初始風險值矩陣RI和綜合風險權重W的基礎上，將兩者乘積作為修正的風險值矩陣Rr，如式（4）.

其元素值（即修正風險值）越大表示該風險越嚴重，通過排序得知具體風險項嚴重性序列. 此外，綜合不同專家意見時，引入加權平均計算風險值，并根據專家的專業偏向、經驗水平等確定不同專家個人權重.第x項風險的專家綜合加權風險值為

式中：wl為第l位專家的權重系數；rx，l為由第l位專家對第x項風險源判斷算得的加權風險值；q為專家人數.

為便于衡量風險嚴重性，建立風險等級判斷標準. 極端條件下單項風險的最大風險值RMx= 1 ×Px×Cx= 1 × 5 × 5 = 25. 單項風險服從正態、二項分布、等概率分布等，在此以正態分布模型為基礎，并以68%、90%、95%的概率保證率劃分4 個等級區間，如表2 所示. 其中，風險分解識別項目越多則單項風險值越小，k為所識別風險項數目，以其作為分母構建風險評估指標值.

表2 風險等級劃分標準Tab. 2 Risk classification criteria

4） 風險類別及施工分項總體評估

為進一步宏觀分析施工分項及風險大類的總體風險狀況，將Rr元素按行累計，得到第i類風險的累加風險值Rai，類似地，按列累計得到第j項施工分項風險值Rcj，如式（6）、（7）.

式（6）、（7）中：Pij、Cij分別為Rr矩陣元素的出險概率值和損失值.

最后，將Rai、Rcj分別按數值大小排序，得到風險程度高低的風險類型序列和施工分項序列.

2 基于WBS-RBS 的沉井基礎風險識別與評估方法

2.1 超大型沉井基礎風險識別步驟

采用WBS-RBS 復合專家調查法進行超大型沉井基礎工程風險識別時，從風險和工序流程兩個方向，分層次、分環節對工程施工階段進行考察，通過以下步驟實現：

步驟1 成立評估小組，查閱沉井地勘報告、設計圖紙、施工組織設計等相關資料，廣泛收集類似工程事故案例，初步了解風險特征及發生原因.

步驟2 使用WBS-RBS 建立風險識別模型，主要分3 步：首先是工作分解（WBS），將沉井項目按工作流程逐級劃分形成樹狀分解結構，末端為具體可實施的具體工序；其次是風險分解（RBS），將工程風險按歸屬關系進行逐級展開，得到風險結構；最后是結果耦合，將RBS 風險類型與WBS 工作內容逐一對應組成風險識別矩陣eRBM 框架，并初步識別各風險項.

步驟3 向8～12 位沉井設計、施工及監理專家發函進行調查咨詢，由專家對eRBM 元素逐個進行判斷，若該處風險存在，則說明風險事件狀態、類型等信息，并判別其發生概率等級、風險損失等級等；否則計“0”.

步驟4 根據eRBM 內容，將矩陣元素對應的風險事件按施工項目流程進行匯總整理，得到工程施工階段風險清單，詳細說明風險名稱、類型及影響，完成風險項識別.

2.2 沉井基礎風險評估步驟

在大型沉井基礎風險源識別的基礎上計算RI，并通過FAHP 確定風險權重，最后綜合加權計算風險值劃分風險等級，具體步驟如下：

步驟1 基于WBS-RBS 計算RI：采用專家調查法重點對沉井施工風險事件的產生原因、發生概率、損失情況進行調查，其中損失主要考慮人員傷亡、經濟損失、環境影響3 類. 匯總專家判斷，得知每個沉井工程eRBM 元素（基本風險事件）的風險概率等級與損失等級. 每個矩陣元素計算得到唯一初始風險值Rin，形成新的矩陣RI.

步驟2 FAHP 確定風險權重：模型分析可利用WBS-RBS 中的風險結構RBS 建立權重分析模型，對處于相同層次和分支的風險的相對危害性進行兩兩比較，將比較結果（風險重要性比例auv）對號入座得到模糊判斷矩陣A=[auv]m×m. 計算單層風險權重B，并檢驗矩陣一致性，滿足一致性比率C<0.1000，否則作修正. 對底層風險在不同層次上的權重進行累乘，即得各風險的綜合權重值.

步驟3 綜合加權及風險排序：綜合RI與風險權重值W，對RI按風險類別賦以對應權重，得到Rr，從而將風險事件按風險值排序得到嚴重性序列，根據風險等級劃分標準劃分風險源等級，并進一步進行風險類別及施工分項總體評估.

3 大跨度公鐵兩用懸索橋沉井基礎風險識別與評估

3.1 工程背景

主跨為1 092 m 的公鐵兩用懸索橋——連鎮鐵路五峰山長江大橋承載四線高速鐵路及八線高速公路. 在大跨重載特點下，北錨碇采用沉井基礎平衡主纜的巨大拉力. 沉井長寬分別達到100.7 m 和72.1 m，高56 m，是目前世界上平面尺寸最大的沉井基礎.沉井結構如圖3 所示. 第一節使用鋼殼混凝土結構，第二至第十節為鋼筋混凝土結構. 沉井下沉穿過的土層有淤泥質粉質黏土、粉砂夾粉土、粉砂、粉細砂1、粉細砂2、粉細砂3、粉細砂4 等. 工程具有覆蓋層深厚且松軟，施工控制難度大的特點.

圖3 沉井結構示意（單位： cm）Fig. 3 Layout of the caisson structure (unit： cm)

五峰山長江大橋超大型沉井尺寸巨大，需分多次接高和下沉，且施工精度要求高；沉井下沉施工方法采用排水下沉和不排水下沉，開挖方法也經歷十字拉槽開挖、8 區開挖、4 區開挖、大鍋底開挖等多次方法轉換，對沉井各部分強度、剛度、在復雜受力狀態下的結構耐受能力方面形成諸多風險. 對工程復雜的大型沉井施工，有必要通過施工階段風險評估對施工中可能遇到的各類潛在風險問題進行分析把握，并有針對性地提出控制對策，達到降低綜合成本、保證施工安全和工程質量的目的.

3.2 風險源識別

在該沉井基礎項目施工階段風險識別中，使用WBS-RBS 對工程完成工作、風險結構分解和潛在風險識別，并在RBM 基礎上結合專家意見對風險源完成系統性調查. 沉井項目的工作結構分解按沉井施工流程，按次序逐級進行細化分解, 如圖4所示.

圖4 沉井基礎施工階段工作分解結構Fig. 4 WBS structure of the open caisson foundation during construction stage

風險結構分解時需充分考慮沉井在施工階段面臨的各類風險，包括在工程設計與組織階段的可能存在的風險遺留. 將沉井基礎施工風險R 作為頂層，二級指標層分為：建設條件風險R1、結構設計風險R2、施工工藝風險R3 等5 項初級風險. 類似于工作結構分解，對各初級風險進行再次分解，達到將風險因素完全暴露的目的，所得沉井RBS 底層k=14，詳細分解如表3 所示.

表3 沉井工程風險分解Tab. 3 Risk decomposition table for caisson engineering

根據具體工程條件，討論WBS 和RBS 底層元素對應耦合時暴露出的單個或多種風險事件，若風險元素存在則注明存在形式，作必要解釋，否則計“0”，得到eRBM. 使用MATLAB 進行程序化操作，將沉井eRBM 中風險元素進行提取統計，將結果擴展生成風險清單. 經過WBS-RBS 程序性識別，得到大橋超大型沉井基礎施工全階段（包括井壁開裂、井底翻砂/涌水、沉井突沉、沉井幾何偏位等）共158 項風險源的風險源清單，其中代表性的風險源（W3-2）工序下的識別的風險事件結果包括：局部軟弱土層、過江電塔沉降超限、長江大堤變形、其他民建開裂、極端天氣、過降水或補水不當、井底翻砂及涌水、傾斜/扭轉/開裂、下沉速度控制差、井外土體液化.

3.3 風險評估

沉井風險的發生概率和損失程度估測是風險估測的兩項關鍵工作. 經過前述的項目風險細化和識別工作，得到風險估測與評價的風險目標元素. 將不同階段存在的風險源一一列舉，編制成風險等級評估調查表. 根據超大型沉井基礎工程結構特點、現場工程條件和施工工藝流程、現場管理狀況等，并調研既有類似工程事故，借鑒專家經驗和洞察力來共同確定沉井風險事件發生概率，得出各風險所處概率等級. 類似地，通過專家調查來估算風險事件造成的損失，如沉井突沉事故可能造成的傷亡人數、直接或間接經濟損失、環境影響這3 個控制指標，從而評定出各風險源的損失等級. 匯總處理多位專家數據時，對各組專家數據賦以不同的權重值，盡可能降低專家的個人傾向而得到共識，對比工程單位的事故損失容忍級別確定風險指標等級[18]. 沉井施工風險調查匯總（部分）如表4 所示.

表4 沉井施工風險調查表（部分）Tab. 4 Questionnaire on the open caisson construction risks (part)

對風險值Rin進行加權修正，可以很好地消除由于部分非重要風險被忽略對系統評價產生的影響，使評估結果切近客觀風險狀態和正常工程經驗.

沉井工程二、三級指標權重計算過程如下：

判別大型沉井基礎施工底層風險元素對上層目標的重要性. 將二級分解元素，如表3 所示二級指標R1、R2、R3 等風險組成5 階風險判斷矩陣，采用1-9 標度法進行重要比率賦值，得到判斷矩陣如表5 所示. 計算得矩陣最大特征值 λmax= 5.290 6，相容性指標CI= 0.072 7，一致性比率C= 0.064 9 < 0.1000，矩陣結果滿足一致性要求，計算元素權重B=（0.068 5，0.306 6，0.450 6，0.137 1，0.037 3）.

表5 二級指標元素判斷矩陣Tab. 5 Element judgment matrix of secondary indicators

三級風險指標元素對上層元素的重要性權重通過類似方法計算得到，并以施工工藝風險R3 為例作說明如下：五峰山沉井的施工工藝風險R3 如表3 所示分為4 類風險，計算其判斷矩陣如表6所示. 通過一致性檢驗得，矩陣最大特征值λmax=4.0787，相容性指標CI= 0.0262，一致性比率C=0.0292 < 0.1000，說明判斷結果滿足一致性要求，計算出各元素權重值B=（0.0626，0.1464，0.4721，0.3189）. 經過計算得到沉井施工階段RI與風險權重向量，對RI依次按列賦權，得到同時考慮整體風險狀態和工程細部條件的Rr. 在分析風險評估結果時，按帶權風險值大小進行排序. 按等級劃分標準，由于k= 14，則Ⅳ級風險對應帶權風險值Rrij>1.696，計算結果如表7 所示，最終識別出重大風險源共16 項.

表6 施工技術風險判斷矩陣Tab. 6 Risk judgment matrix of construction technology

表7 重大風險源加權風險值表Tab. 7 Weighted risk values of major risk sources

對Rr進行橫向和縱向累加，對比后確定具高風險性的風險類型和施工階段. 通過橫向累計排序評出最危險的前幾類風險：智能施工及技術風險R3-3、幾何姿態偏斜風險R3-4 等前6 類風險即占總風險值的95%，風險程度最為突出，需重點防控.風險類型比較結果見表8. 對Rr進行縱向累加表明：2 次不排水分區開挖及控制W3-3、首次均勻開挖及控制W3-2 等13 項工作在施工階段風險較明顯，是風險控制的主要對象. 工作風險比較結果見表9.

表8 風險類型比較（RBS）Tab. 8 Comparison of risk types (RBS)

表9 工作風險比較（WBS）Tab. 9 Comparison of construction works (WBS)

4 風險控制對策

通過對五峰山北錨碇沉井基礎工程的施工風險等級評估，識別出工程所涵蓋的一般、中度、高度及重大風險項.

針對北錨碇沉井基礎施工階段識別的風險源，以常規的風險控制、安全教育等控制中低度等級風險源；以施工專項方案、實時施工監控及風險預案等措施控制16 項重大風險源，部分代表性風險源及其具體控制措施如下：1） 對周邊環境風險中存在的風險事件，如長江大堤、電塔不均勻沉降，提出以下措施：詳細補充勘察場地周邊土層性質及水體條件；嚴格驗算并分析降水及開挖對大堤、電塔的影響，引入智能化的實時在線監控其沉降情況，嚴控棄土堆放等. 2） 對首次排水下沉中井壁及隔墻開裂、沉井傾斜等風險提出控制措施：開挖啟動平穩控制；嚴控井內降水位；開展仿真分析優選十字開槽各倉室均勻開挖工藝；實時在線監測沉井應力及變形. 3） 對不排水下沉施工中突沉風險控制：引入三維聲吶技術監測井內水下泥面標高，控制均勻取土；下沉至砂土層時，嚴控沉井內外水位；下沉后期采用射水和空氣幕降低摩阻力并促進下沉，避免滯沉及突沉. 4） 對翻砂涌水的措施：及時監測井下泥面標高；嚴控刃腳埋深；控制井下吸泥速度，并避免刃腳過度吸泥開挖形成局部深坑及翻砂通道；嚴格控制沉井內外水頭差等.

此外，在工程施工過程中，需跟蹤相應控制措施的具體實施，對風險源進行再次評估其殘余風險. 對于沉井姿態偏斜、下沉困難、翻砂涌水、突沉等重大風險，根據控制后的殘余風險的具體存在形式和等級實施再評估驗證，從而實現風險循環評估與控制.

5 結 論

1） 基于WBS-RBS 方法并結合專家調查法提出大型沉井基礎結構的風險識別理論及方法；在其基礎上提出初始風險分解矩陣RI計算方法，并引入FAHP 及綜合加權風險排序，形成沉井施工風險等級評估理論方法.

2） 基于WBS-RBS 及專家調查法，完成五峰山公鐵兩用懸索橋北錨碇沉井基礎在施工階段的風險分解和識別，成功識別出施工全過程中潛在的風險源共158 項.

3） 基于提出的WBS-RBS 及FAHP 綜合加權風險評估方法，評估出大橋沉井基礎施工階段高度風險源：不良性質地層、沉井突沉、滯沉、姿態偏斜、沉井扭轉、涌水翻砂等共16 項，并提出相應的風險控制措施及殘余風險評估方法.

4） 五峰山長江大橋超大沉井基礎施工階段的風險源識別與評估驗證了風險識別、評估理論方法的可靠性，風險識別與評估成果、相關控制措施為項目安全施工提供了技術參考.

致謝：感謝中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題（2017G006-A）對本論文相關內容研究的支持.