商兆濤， 尹志凱， 張紅彬， 盧坤林

（1.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥 230009）

城市交通是否快捷、便利是一座城市發(fā)展最基礎性的要求，也是群眾對城市印象的一張明信片. 改革開放以來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，地面交通早已不能滿足人們?nèi)粘３鲂械男枰?，因此開發(fā)地下交通空間是各個城市加快現(xiàn)代化步伐的一項重要建設. 地下空間工程往往伴隨著一些重大的安全問題［1-2］，城市軌道交通在施工建設過程中會存在一定的風險，如何及時發(fā)現(xiàn)風險、預防風險是城市軌道交通項目施工安全風險管理研究的一個重要課題.建立合理的風險預警體系，及時發(fā)現(xiàn)風險源，從而降低事故發(fā)生的概率，國內(nèi)外學者對此也開展了一系列研究.

Leonard Graha［3］通過模擬火山噴發(fā)事件利用集成風險預警系統(tǒng)設計和技術提出一種風險管理模式；Widarsson［4］利用貝葉斯網(wǎng)絡技術在預警系統(tǒng)設計時加入與預警判別相關的診斷理論，利用事故發(fā)生的概率建立了一個量化的早期預警系統(tǒng). 目前在安全生產(chǎn)領域常用的預警模型有閾值預警、基于模糊系統(tǒng)的事故預警、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的風險預警、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡融合技術預警、AHP-模糊綜合評判風險預警等［5-10］. 孫金鳳［11］比較生產(chǎn)領域事故預警模型，對模型建立提出改進意見，構(gòu)建一種基于模糊判斷和動態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的重大事故風險預警模型. 通過實際應用在預警量化分級上得到了較好的風險預警效果，對工程應用有一定的借鑒作用；Gaosheng Yang［12］運用模糊綜合評價的方法詳細分析施工階段安全風險，并在此基礎上建立安全風險預警系統(tǒng)和預警指標體系. 以項目進行過程中的安全性作為風險評價的指導標準，為降低項目施工風險提供依據(jù)，對有效應對風險具有指導意義；丁烈云［13］針對長江隧道施工預警系統(tǒng)，對長江隧道盾構(gòu)施工安全風險建立一體化控制體系，為施工安全風險實事控制提供一種科學可靠的手段，對理論研究和工程指導具有重要的意義；楊樹才［14］通過現(xiàn)場監(jiān)測和現(xiàn)場巡視對軌道交通工程安全風險進行監(jiān)控，利用現(xiàn)代化施工管理方法從管理和技術兩個方面提出全面控制施工安全風險的方案.

以上關于建立軌道交通施工安全風險預警指標體系的文獻具有較強的代表性. 建立合理的預警指標體系是軌道交通施工風險管理研究的一個重要環(huán)節(jié)，但就目前研究進展而言，針對軌道交通施工風險預警量化分級理論的研究仍然不足［15-17］，一方面預警指標體系無量化指標對預警量化分級；另一方面建立的量化指標依據(jù)不足，對大多數(shù)工程施工不具有普適性. 因此，筆者在前人研究的基礎上，吸取經(jīng)驗，根據(jù)軌道交通施工相關標準、規(guī)范、我國事故分級、施工風險損失量、施工風險概率以及事故統(tǒng)計分析結(jié)果，改進海因里希安全事故法則，對軌道交通施工安全風險進行合理量化分級，從而建立軌道交通施工安全分析預警指標體系.

1 預警指標體系

監(jiān)測預警指標、巡視預警指標和綜合預警指標是預警指標體系的三大組成部分.

1.1 施工階段安全風險監(jiān)測預警指標

監(jiān)測預警指標作為一項基礎性的預警指標，對預警指標體系的可靠性有重大的影響. 在施工過程中結(jié)合施工工藝特點和特殊環(huán)境因素對城市軌道交通項目施工階段常規(guī)施工監(jiān)測點進行單一指標監(jiān)測，建立全面可靠的施工監(jiān)測指標預警. 科學選取單一監(jiān)測指標是監(jiān)測指標體系是否合理的關鍵［18］. 針對地下工程項目監(jiān)測尚未出臺統(tǒng)一的監(jiān)測標準和規(guī)范，近十年出臺的軌道交通施工階段相關技術監(jiān)測標準有《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》、《地鐵施工安全評價標準》、《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》、《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》等. 也有地方根據(jù)施工經(jīng)驗建立的監(jiān)測標準，如上海市工程建設規(guī)范《基坑工程技術標準》（DG/TJ 08—16—2018）、福建省地方標準《地鐵基坑工程技術規(guī)程》（DBJT 13—283—2018）等.

結(jié)合各地方標準、規(guī)范和軌道交通項目、地下工程項目分部分項工程技術標準和設計規(guī)范總結(jié)出常見的軌道交通施工監(jiān)測指標. 其中深基坑監(jiān)測指標、區(qū)間隧道暗挖工程監(jiān)測指標、地鐵盾構(gòu)施工監(jiān)測指標均為常見分布分項工程施工監(jiān)測指標［19-20］. 限于篇幅本文僅列出區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工的安全風險預警監(jiān)測指標作為本文探討對象，如圖1所示.

圖1 隧道暗挖工程安全風險預警監(jiān)測指標Fig.1 Early warning and monitoring indicators for safety risk of tunnel excavation engineering

1.2 施工階段安全風險巡視預警指標

軌道交通巡視預警指標從人員因素、施工器具因素、材料因素、管理因素和環(huán)境因素五個方面建立安全風險巡視指標，運用傳統(tǒng)風險評估采用的“A計分法”把五大因素的各個環(huán)節(jié)細化，對當前安全狀態(tài)和未來風險發(fā)展程度進行評分，確定監(jiān)測指標預警閾值并對單一指標進行預警. 監(jiān)測預警限量化標準和量化原則較為開放，在保證安全施工和規(guī)范操作的準則下進行現(xiàn)場巡視評分，同時也可以及時發(fā)現(xiàn)可能引起安全事故的現(xiàn)場風險源和安全隱患，包括施工過程中人員操作不規(guī)范、施工機械和工作環(huán)境的不安全狀態(tài)以及管理的缺陷. 對于可以及時制止或處理的行為及時采取措施，做到防微杜漸，避免危險擴大到不可接受的狀態(tài).

1.3 施工階段安全風險綜合預警指標

綜合預警指標是由施工階段安全風險監(jiān)測預警指標和巡視預警指標中可以統(tǒng)一量綱、方便計量的指標組成，主要是結(jié)合兩種預警指標對軌道交通施工安全風險的影響合理量化指標發(fā)出綜合預警.

施工過程中的各個單一監(jiān)測指標值可能存在量綱不完全統(tǒng)一的問題，對此需統(tǒng)一量化施工現(xiàn)場獲得安全風險監(jiān)測預警指標值和安全風險巡視預警指標值，便于量化計算. 對監(jiān)測指標值構(gòu)建模糊隸屬度函數(shù)并進行計算，計算單一預警結(jié)果發(fā)生的概率并與臨界值比較后評價定性指標風險狀況. 發(fā)出無警藍色預警、輕警黃色預警、中警橙色預警、重警紅色預警（表1）.

監(jiān)測預警、巡視預警均在量化的指標閾內(nèi)發(fā)出相應指標預警，同時結(jié)合監(jiān)測預警和巡視預警發(fā)出綜合預警，針對同一指標預警，綜合預警級別一般同監(jiān)測及巡視預警級別較高者，特殊情況下高于二者預警.

表1 城市軌道交通項目施工階段安全風險預警警限Tab.1 Early warning limits for safety risks of urban rail transit projects during construction

2 城市軌道交通施工安全風險預警指標警限劃分

通過合理改進海因里希安全事故法則，確定適合軌道交通工程施工的預警指標閾值和警限，從而建立城市軌道交通安全風險預警指標體系. 根據(jù)現(xiàn)行的軌道交通施工相關標準、規(guī)范、我國事故分級、施工風險損失量、施工風險概率以及軌道交通施工事故統(tǒng)計分析結(jié)果，改進適合軌道交通的海因里希300∶29∶1法則，使量化的預警指標準確判斷各個預警.

2.1 施工安全事故量化分析

我國生產(chǎn)安全事故劃分標準由國務院規(guī)定，《安全事故報告和處理條例》中將規(guī)定生產(chǎn)安全事故造成的人員傷亡事故劃分為特別重大事故、重大事故、較大事故、一般事故. 對于軌道交通施工安全風險預警的重警如表2所示，本文將可能發(fā)生重大事故和特大事故定性的最低量化標準作為軌道交通施工重警事故可能造成人身傷害的參考值，將可能發(fā)生一般事故定性的最低量化標準作為軌道交通施工輕警可能造成人身傷害的參考值，中警最低參考值介于重警和輕警之間，根據(jù)軌道交通事故發(fā)生頻率和可能發(fā)生較大事故定性最低量化標準確定.

2.2 建設項目風險等級劃分

事故損失程度一般從人身、經(jīng)濟和社會三個要素警限定量定性分析，事故的社會影響與人身和經(jīng)濟損失成正相關，傷亡人數(shù)越多造成的財產(chǎn)損失越大，社會影響就越惡劣［21］. 本文依據(jù)建設工程項目風險管理的風險等級評估（表3）、風險區(qū)域圖（圖2）對軌道交通施工安全風險事故影響程度定量分析.

表2 傷亡人數(shù)判定事故等級Tab.2 Accident level of casualties

按表3風險等級劃分，圖中各風險區(qū)的風險等級如下：

1）風險區(qū)A——5等風險；

2）風險區(qū)B——3等風險；

3）風險區(qū)C——3等風險；

4）風險區(qū)D——1等風險.

如圖2，處于風險區(qū)A的事件，則屬于高概率、高損失的風險，風險評估等級為最高級別5 級，需要及時采取有效的措施降低風險等級，避免危害人身財產(chǎn)安全的事故發(fā)生. 風險區(qū)A可以通過降低事故發(fā)生概率將風險轉(zhuǎn)移至風險區(qū)B，同時也可以通過減小損失量將風險轉(zhuǎn)移到風險區(qū)C. 即使事件處于風險區(qū)B、C 也仍然存在風險，為避免風險擴大需要進一步采取措施將其轉(zhuǎn)移到風險區(qū)D，將事故發(fā)生的概率和損失減小到最低狀態(tài).

表3 風險等級評估Tab.3 Risk level assessment

圖2 風險區(qū)域圖Fig.2 Schematic diagram of risk areas

2.3 修正相關量化指標值

確定城市軌道交通施工安全風險預警指標閾值及警限，由2.1、2.2節(jié)并參照實際施工情況和相關統(tǒng)計資料，總結(jié)三條設置原則修正相關量化的指標值. 加入事故影響因子分析得到調(diào)整后的事故預警量值（表4）.

1）設定預警閾值，將事故從人身、社會的角度給出具體的量值，社會影響引入影響因子輔以量化，嚴格按照相關規(guī)范、施工經(jīng)驗選取具有代表性的預警指標，對施工階段現(xiàn)場監(jiān)測和巡視的指標勤做記錄，當情況復雜不宜說明緣由時應選取較小的報警值.

2）全國各地預警指標閾值因為各地的工程實際情況會有所不同，可適當根據(jù)各地區(qū)環(huán)境特點、機械設備、材料供應和施工工藝對預警值進行合理界定.

3）由工程建設事故定性標準和國際上通用的風險等級評估、事件風險量區(qū)域，對軌道交通安全風險預警指標做出合理的量化. 在量化的基礎上根據(jù)各分部分項工程的施工特點和重難點施工方案的專家論證建議對相應指標進行修正，保證單一預警指標閾值的合理性，對安全事故起到預警的作用.

由于建設項目風險等級劃分最高為5級，對應的事故危害和影響最大，故將發(fā)出重警的事件影響因子定為5. 建設項目風險等級劃分最低為1級，對應的事故危害和影響相對較小，故將發(fā)出輕警的事件影響因子定為1. 中警介于輕警和重警之間，中警預警影響因子確定為3. 本文認為中警影響因子u=3時，死傷人數(shù)可能會比重大事故的最低定性標準要多. 由于重大事故造成人員傷亡過多并且社會影響巨大，在設立預警指標時應做到提前預警，對即將可能造成重大事故的警情升級為重警，引起足夠的重視，及時采取有效額措施避免事故發(fā)生概率和損失量擴大.

表4 預警事故傷亡量值表Tab.4 The casualty value of early warning accident

2.4 改進海因里希法則確定預警指標閾值

海因里希300∶29∶1法則，由美國著名安全工程師海因里希提出. 海因里希在統(tǒng)計大量機械事故得出結(jié)論：在300起安全隱患和違章中，大概率會出現(xiàn)死亡或重傷、輕傷和無傷害事故的比例為1∶29∶300. 軌道交通施工過程危險因素遠多于一般的生產(chǎn)活動，現(xiàn)根據(jù)海因里希法則結(jié)合軌道交通施工特點，適當調(diào)整事故發(fā)生頻數(shù)，通過事故或警情發(fā)生規(guī)律和海因里希統(tǒng)計結(jié)論，確定預警綜合指標值.事故發(fā)生的綜合指標值表示，一旦事故發(fā)生可能造成的傷亡程度，指標值越大相應傷亡比例越高（如表5）.

利用城市軌道交通施工安全風險預警綜合指標量總值替代海因里希法則中總結(jié)的事故發(fā)生頻數(shù). 故預警指標量值為死傷人數(shù)與影響因子的乘積，結(jié)合事故統(tǒng)計規(guī)律［22-26］，本文認為重警發(fā)生概率與一般事故發(fā)生占比一致，輕警發(fā)生概率與重大事故發(fā)生占比一致，中警發(fā)生概率與較大事故發(fā)生占比一致.

通過定性—定量—定性分析，對海因里希安全事故法則合理改進. 對軌道交通事故安全風險預警合理量化輕警、中警、重警預警區(qū)間和閾值，即在指標閾內(nèi)按輕警占2/330、中警占48/330、重警占280/330劃分.

表5 軌道交通施工風險預警閾值Tab.5 Early warning thresholds of rail transit construction risk

2.5 預警指標警限劃分

根據(jù)《建筑施工安全檢查標準》（JGJ 59—2011）和改進海因里希安全事故法則確定的預警閾值，劃分監(jiān)測預警指標和巡視預警指標的警限. 限于篇幅本文僅列出淺埋暗挖法區(qū)間隧道工程監(jiān)測預警指標警限劃分（如表6）.

表6 淺埋暗挖法區(qū)間隧道工程監(jiān)測預警指標警限劃分Tab.6 Division of warning limits for monitoring and early warning indicators of tunnel engineering in the shallow excavation method

因軌道交通工程基坑開挖較深，故所選用的預警指標閾值按一類基坑確定. f1為構(gòu)建承載力設計值，f2為荷載設計值，B為建筑物寬度. 另外預警指標警限還參考《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911—2013）、《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）等，確保預警警限確定的合理性.

2.6 預警指標無量綱化預警

為更好地建立統(tǒng)一評判依據(jù)，通過對施工現(xiàn)場監(jiān)測指標進行無量綱處理，并建立關于監(jiān)測指標安全風險預警的隸屬度函數(shù)，如下式：

其中：［a，b］為預警指標閾值；［0，a）為無警區(qū)間；［a，c）為輕警區(qū)間；［c，d）為中警區(qū)間；［d，b］為重警區(qū)間.

預警指標無綱量化處理，單一指標之間可以直接通過隸屬度函數(shù)統(tǒng)一量化表達. 對比指標量值可以讀出各個指標的風險程度從而進行綜合指標評價，過濾出無警指標；對于帶有警情預報的指標從小到大以此排序進而確定安全事故的警級，發(fā)出相應警報，從而引起安全管理人員注意，做出相應預防，從而有效管控風險，降低事故發(fā)生的概率.

對于綜合預警，可先計算無量綱指標值與單一指標權(quán)重的乘積求得預警指標加權(quán)平均值，再將其與相應預警指標警限區(qū)間對比，發(fā)出綜合預警.

設有m個預警指標，每一個指標共獲取了n個原始數(shù)據(jù)，無綱量化處理這些原始數(shù)據(jù)，從而得到標準矩陣：

在m個指標中，第i個指標的熵定義：

對相應重警、中警、輕警狀態(tài)的安全事故預警指標，由式（1）進行無量綱化處理，得到無量綱化值xi，利用式（4）指標熵權(quán)與相應量化值相乘通過加權(quán)求和得到加權(quán)平均值Δ：

3 工程實例

蕪湖軌道交通建設項目自2017年開工建設，目前規(guī)劃建設中的1、2號線大部分區(qū)間采用高架鋪設輕軌的方式. 2號線一期工程有部分暗挖區(qū)段和深基坑工程，其中神山公園站至蕪湖火車站區(qū)間暗挖段位于弋江北路與站北路交叉口處，沿站北路東西方向布置，下穿弋江北路.

本工程暗挖段起點里程左線CK11+183.015，終點里程左線CK11+324.214，長度125.943 m. 隧道結(jié)構(gòu)采用單線馬蹄形斷面，為復合式襯砌（初期支護Φ42 mm×3.5 mm雙層超前小導管+格柵鋼架+Φ22縱向連接筋+鎖腳錨管+Φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片+C25噴射混凝土+二次襯砌HRB400、HPB300鋼筋+C35 P8模筑混凝土），主要穿越地層為3～24硬塑粉質(zhì)黏土層，地下水位較高，基本位于地面下0～5.8 m，開挖斷面寬為6.5 m，斷面高為8.18 m，礦山法施工，設計軌頂標高-3.546～-5.915 m，區(qū)間線間距5.1 m，線路縱向下坡段坡度45.929‰，埋深7.2～9.8 m左右. 工法為二臺階預留核心土法施工. 本工程屬于超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程. 暗挖段監(jiān)測點布設原則見表7.

表7 暗挖段監(jiān)測點布設原則Tab.7 Arrangement principles of monitoring points in underground excavation section

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測值

3.1.1 監(jiān)測點布設及監(jiān)測方法

1）地面沉陷監(jiān)測. 地面沉陷監(jiān)測應沿隧道軸線上方地表布設監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距應為20 m左右，每個監(jiān)測斷面的監(jiān)測點間距應為2～5 m.

利用全站儀對隧道中心線在地表上進行放樣，并作標記，在隧道軸線上方地表，每20 m設一橫向監(jiān)測斷面，斷面測點示意圖如圖3所示.

圖3 暗挖段地面沉降監(jiān)測布置斷面圖Fig.3 Sectional view of the ground settlement monitoring layout of the underground excavation section

2）拱頂下沉、底部隆起監(jiān)測. 拱頂下沉監(jiān)測點應布設在隧道支撐的拱頂位置，底部隆起監(jiān)測點布設在隧道支撐的拱頂位置. 監(jiān)測點斷面布設示意如圖4所示，具體監(jiān)測點位置和數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場實際條件調(diào)整.

3）凈空收斂. 凈空收斂監(jiān)測應在隧道的頂部及腰部布設收斂監(jiān)測線，監(jiān)測點斷面布設示意如圖5所示.應在隧道的頂部及腰部易于觀測、便于保護的地方用紅油漆噴置好，以便觀測和瞄準.

圖4 拱頂、拱底隆起監(jiān)測點斷面布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the cross-section layout of the monitoring points of the arch top and arch bottom uplift

圖5 凈空收斂監(jiān)測斷面布設示意圖Fig.5 Schematic diagram of cross-section layout of the headroom convergence monitoring

3.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測值 現(xiàn)場巡視所得蕪湖火車站到弋江路區(qū)間基坑以及暗挖段監(jiān)測報警值如表8所示.

表8 蕪弋區(qū)間基坑、暗挖段監(jiān)測精度和報警值表Tab.8 Monitoring accuracy and alarm value of foundation pit and underground excavation section in Wuyi interval

3.2 當前安全狀態(tài)判別

根據(jù)2.6建立預警指標無量綱隸屬度函數(shù)，對當前單一監(jiān)測指標安全狀態(tài)進行計算排序，并由表6安全事故預警的綜合預警區(qū)間，將加權(quán)平均值Δ 與綜合預警區(qū)間分析對比（表9），確定安全事故的警級，發(fā)出預警.

表9 監(jiān)測指標量化預警Tab.9 Quantitative early warning of monitoring indicators

經(jīng)計算與綜合預警區(qū)間對比得出監(jiān)測項目預警情況，蕪弋區(qū)間基坑監(jiān)測指標中的地面沉降、地下水位地表裂縫以及區(qū)間暗挖地表沉陷、凈空收斂監(jiān)測指標均呈現(xiàn)輕警狀態(tài)，需采取必要措施控制風險避免風險擴大造成不必要的損失；尤其需要引起注意的是基坑周圍建筑物傾斜，經(jīng)量化計算可知，該監(jiān)測指標呈現(xiàn)重警狀態(tài)，發(fā)生倒塌事故的可能性和風險損失量巨大，需要組織專業(yè)應急隊伍及時采取有效措施，防止事故發(fā)生.

蕪弋區(qū)間基坑以及區(qū)間暗挖其他監(jiān)測指標均處于無警狀態(tài)，暫時無發(fā)生事故的風險.

4 結(jié)論

1）通過改進海因里希安全事故法則提出適合軌道交通施工特點的監(jiān)測預警指標閾值與警限，并建立軌道交通施工安全風險的量化分級預警指標體系.

2）預警指標的量化分級根據(jù)軌道交通施工相關標準、規(guī)范、我國事故分級、施工風險損失量、施工風險概率以及事故統(tǒng)計分析總結(jié)，得出風險影響因子和監(jiān)測預警綜合指標值，在此基礎上指標閾內(nèi)按重警占2/330、中警占48/330、輕警占280/330進行劃分.

3）結(jié)合蕪湖軌道交通以2號線一期工程神山公園站至蕪湖火車站區(qū)間暗挖段施工為例，建立施工安全風險預警體系，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場巡視對暗挖段按本文方法計算，定量分析各監(jiān)測項目預警警報情況，為相關軌道交通施工安全風險預警體系的構(gòu)建提供參考.