徐 沖 郭佳奇 陳海軍

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下工程重點實驗室 陜西西安 710043；3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院 河南焦作 454000)

1 引言

在穿江越河的長大地鐵盾構(gòu)區(qū)間建造過程中，往往需要設(shè)置中央風(fēng)井，用以實現(xiàn)防災(zāi)通風(fēng)、疏散救援、設(shè)備檢修等功能[1-2]。針對深大風(fēng)井設(shè)計方案的比選工作，通常以定性分析為主，且方案前期決策、過程控制過度依賴專業(yè)人員的主觀經(jīng)驗[3-6]。黃河岸灘深大風(fēng)井的安全建造受巨厚砂卵透水層、施工降水及堵水、工序工藝、設(shè)備機械等諸多因素影響。合理把控和減小建造過程中的風(fēng)險程度必須依靠客觀、科學(xué)的評價方法。據(jù)此，提出將專家評分和模糊層次分析相結(jié)合的綜合評價方法，客觀、定量地為風(fēng)井設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[7-11]。

2 工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程奧-世盾構(gòu)區(qū)間采用雙線雙洞同側(cè)上游繞避深安大橋并下穿黃河?？紤]區(qū)間通風(fēng)、防災(zāi)救援、聯(lián)絡(luò)疏散及盾構(gòu)接收功能，設(shè)一座中央風(fēng)井，位于七里河斷陷盆地巨厚狀強透水砂卵石地層中，平面尺寸(33.4×20.4)m，井深約45.5 m，見圖1。

圖1 中央風(fēng)井位置

3 深大中央風(fēng)井風(fēng)險評價模型

3.1 風(fēng)險等級及接受原則

依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》(GB 50652-2011)規(guī)定[12]，將風(fēng)險可能性等級和風(fēng)險損失等級量化評分并提出與規(guī)范風(fēng)險接受準(zhǔn)則4級對應(yīng)的(風(fēng)險)隸屬度，見表1～表3。

表1 風(fēng)險發(fā)生可能性等級標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)險損失等級標(biāo)準(zhǔn)

表3 風(fēng)險接受準(zhǔn)則

3.2 風(fēng)險評價對象集及因素集

風(fēng)井位于黃河漫灘區(qū)，與黃河堤岸水平距離100 m。地層主要為巨厚砂卵石層，地面以下5～8 m，屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水。

建造中，風(fēng)井具有“三高(高水壓0.4 MPa、高滲透62 m/d、高強度59 ～90 MPa)”、“兩深(開挖深度45 m、降水深度25 m)”、“兩多(圍護結(jié)構(gòu)形式多、風(fēng)井功能多)”的工程特點。據(jù)此，對該強透水深大風(fēng)井風(fēng)險，組織20名相關(guān)人員組成專家評審團，構(gòu)建了風(fēng)險評價對象集合P＝{深風(fēng)井安全}、風(fēng)險因素集合U＝{u1，u2，…，un}＝{圍護地連墻，施工降水，內(nèi)墻結(jié)構(gòu)施工，土方開挖}。集合U包含共4個階段，共15項指標(biāo)的A～C三級風(fēng)險層次模型，指標(biāo)體系見圖2。

圖2 中央風(fēng)井安全評價模型指標(biāo)體系

3.3 風(fēng)險評價集

評價集是由對評價客體可能作出的評判結(jié)果所組成的集合，表示為V＝ {v1，v2，…，vn}，其中元素vi(i＝1，2，…，n)是若干可能作出的評判結(jié)果。根據(jù)安全模型二級指標(biāo)特點，采用模糊層次法，將表1～表2中深風(fēng)井風(fēng)險發(fā)生可能性等級、后果等級矢量化矩陣，分別對應(yīng)VP＝{不可能的，罕見的，偶然的，可能的，頻繁的} ＝ {1，2，3，4，5}、VC＝ {可忽略的，需考慮的，嚴(yán)重的，非常嚴(yán)重的，災(zāi)難性的}＝{1，2，3，4，5}。

3.4 評價模型權(quán)重矩陣構(gòu)建

3.4.1 權(quán)重判斷矩陣構(gòu)建方法

表4 相對比較標(biāo)度

根據(jù)圖2的安全評價指標(biāo)體系并結(jié)合表4所示的比較尺度，針對有n個相關(guān)因素的某風(fēng)險事件，陪審團專家打分可得到一個aij(n×n)的指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣。

矩陣中的元素表示從判斷角度考慮要素Ai對要素Aj的相對重要性，即:

其中，權(quán)重比對矩陣中元素需要滿足三個基本性質(zhì):aij>0；aij＝1/aji；aij＝1(當(dāng)i＝j(luò)時)。

得到幾何平均值后，還需要經(jīng)過歸一化處理后得到相對重要度，即:

3.4.2 各級指標(biāo)權(quán)重矩陣

由式(1)～式(4)并結(jié)合表4，進行兩兩比較得到一級指標(biāo)B對總目標(biāo)A、二級指標(biāo)C對一級指標(biāo)B的模糊判斷矩陣，見表5～表6。

表5 A-B層(一級)指標(biāo)模糊判斷權(quán)重矩陣

表6 B-C層(二級)指標(biāo)模糊判斷權(quán)重矩陣

3.4.3 單因素整體權(quán)重矩陣

C層為單因素的二級指標(biāo)層，可通過將該層各風(fēng)險因素自下而上逐層乘以上層相關(guān)層權(quán)重值直至目標(biāo)層A，即為各底層因素的整體權(quán)重，見表7。

表7 巨厚砂卵層深風(fēng)井底層風(fēng)險指標(biāo)的整體權(quán)重

4 基于不同工法的深大風(fēng)井風(fēng)險模糊綜合評價

4.1 風(fēng)井設(shè)計工法簡介

在設(shè)計階段，提出順作、逆作不設(shè)止水帷幕、逆作設(shè)止水帷幕三種方案，見表8。

表8 三種工法工序示意

順作法為先自上而下分層開挖土體，后自下而上依次施作風(fēng)井的底板、邊墻、立柱、樓板和頂板；逆作法即由上向下逐層開挖土方，同步施工風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)直至基坑底部為止。

4.2 順作法安全風(fēng)險模糊綜合評價

(1)單因素評價矩陣

上述20名專家對順作法方案底層單因素進行定性評價，評價集如3.3節(jié)所述分為5個級別。假設(shè)對于任意一個指標(biāo)元素Ci，20位專家中有m個評語為v1、n個評語為v2、p個評語為v3、q個評語為v4、r個評語為v5，則指標(biāo)元素Ci所對應(yīng)的隸屬向量Ri＝ {m/20，n/20，p/20，q/20，r/20}，統(tǒng)計見表9。

表9 專家評分匯總

由表(9)得到單因素評價矩陣RB1～B4:

(2)模糊層次評價

利用表6中的二層指標(biāo)權(quán)重和對應(yīng)的RB1～B4，并采用式(5)得到順作方案一級模糊評價矩陣RA:

利用表5中的一層指標(biāo)權(quán)重和對應(yīng)的一級模糊評價矩陣RA得到模糊評價向量:

依據(jù)表1風(fēng)險發(fā)生可能性打分標(biāo)準(zhǔn)計算出該指標(biāo)體系在安全風(fēng)險概率方面的總得分P:

重復(fù)上述模糊評價步驟，結(jié)合表2風(fēng)險損失等級打分標(biāo)準(zhǔn)計算出該體系安全風(fēng)險后果的總得分C:

(3)風(fēng)險總評價

工程風(fēng)險是潛在不利事件的概率(P)和后果(C)的集合，表達式為:W＝f(P，C)，一般可以表達為W＝P×C。故順作法方案施工階段安全風(fēng)險度計算值為11.321，按照表3風(fēng)險接受準(zhǔn)則中的風(fēng)險(隸屬)度，可知該風(fēng)險為“Ⅱ級(高度)”。

4.3 逆作法安全風(fēng)險模糊綜合評價

依據(jù)4.1節(jié)所述方法，可分別計算得到逆作不設(shè)止水帷幕和逆作設(shè)止水帷幕兩種工況下，風(fēng)井總的安全度為10.134和7.927。二者分別對應(yīng)“高度”和“中度”風(fēng)險?？梢?，逆作法配合設(shè)止水帷幕顯著降低了工程風(fēng)險，屬可接受范圍，一般不再需要特殊風(fēng)險處理措施，但仍需加強監(jiān)控量測工作。

5 結(jié)論

(1)通過對《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》中風(fēng)險可能性、損失等級標(biāo)量化評分、風(fēng)險接受準(zhǔn)則中設(shè)置對應(yīng)風(fēng)險等級隸屬度，采用模糊層次分析法實現(xiàn)了風(fēng)井安全度的量化評價，使得依據(jù)規(guī)范定量評估更具操作性。

(2)模糊層次分析模型可全面考慮影響系統(tǒng)安全的多層次因素，實現(xiàn)各單因素的整體排序，得到的層間及整體權(quán)重系數(shù)客觀、準(zhǔn)確，且操作性強。

(3)大型土建設(shè)計方案比選過程中，有必要引入實用性較強的定量評價方法及指標(biāo)，可提高安全生產(chǎn)水平。本文針對實際工程計算分析結(jié)果顯示，黃河岸灘深大中央風(fēng)井應(yīng)采用內(nèi)襯逆作＋止水帷幕方案，風(fēng)險度從11.321(高度)降低為7.927(中度)，達到控制和降低施工風(fēng)險目的。