王彬，宗秋雷，徐昕，陳保國*，王程鵬

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

近年來我國各大城市地下空間建設(shè)發(fā)展迅速，譬如城市地下給排水、電力、通信、燃?xì)?、城市交通和工業(yè)設(shè)施等很多地下管線是城市錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成部分.近年來各大中小城市的城市綜合管廊建設(shè)也如火如荼[1-3].為了保障繁華路段城市路面交通的順暢，減少對(duì)周邊居民生活的干擾，頂管施工法由于其地表開挖小、對(duì)周邊影響小的特點(diǎn)逐漸成為城市地下工程建設(shè)的首選[4-5].

由于大斷面頂管工程受力特性復(fù)雜、施工控制難度大、事故較多，故開展大斷面頂管工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值.

頂管施工技術(shù)起步較晚.早期的工程風(fēng)險(xiǎn)分析在地下工程中的研究運(yùn)用主要從盾構(gòu)隧道工程方面開始，國內(nèi)外學(xué)者在隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)分析研究取得了一定的成果.著名隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析專家Einstein等[6-7]為隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析開辟了道路，他指出了隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)、應(yīng)遵循的風(fēng)險(xiǎn)分析理念，為后人的研究奠定了指導(dǎo)性基礎(chǔ).SNEL和VAN HASSELT[8]依據(jù)Amsterdam南北地鐵工程，研究了設(shè)計(jì)施工中的風(fēng)險(xiǎn)管理問題并提出了新型風(fēng)險(xiǎn)管理模型—“IPB”風(fēng)險(xiǎn)管理模式.2004年，國際隧協(xié)年會(huì)(ITA)由Soren Degn Eskesen和Per Tenorg等起草發(fā)布了《隧道管線管理指南》(Guidlines for Tunneling Risk Managment)作為隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn).黃宏偉[9]編寫了《地鐵與地下工程建設(shè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》.白云等[10]運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)圖形表達(dá)法建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析模型，提出了地下工程風(fēng)險(xiǎn)管理的基本步驟.陳揚(yáng)勛[11]結(jié)合武漢首例矩形頂管工程建構(gòu)模糊多屬性評(píng)價(jià)模型，對(duì)頂管施工的各風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序、定級(jí)評(píng)價(jià).康祖瑋等[12]將風(fēng)險(xiǎn)矩陣定級(jí)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，對(duì)鄭州市紅專路隧道盾構(gòu)頂管施工的各風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排序和評(píng)價(jià)，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)提出了預(yù)防或降低風(fēng)險(xiǎn)的措施.

以深圳市軌道交通12號(hào)線上川站某出入口矩形頂管過街通道工程為背景，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣定級(jí)法、專家調(diào)查法與模糊綜合分析法相結(jié)合的方法對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定級(jí)與排序，并針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源制定相應(yīng)的預(yù)防或降低風(fēng)險(xiǎn)的控制措施以便為工程建設(shè)單位提供科學(xué)的參考依據(jù).實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理目標(biāo).

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

根據(jù)頂管工程實(shí)際情況，本工程采用的評(píng)估流程如圖1所示.

圖1 評(píng)估流程

層次分析法通過把系統(tǒng)問題逐級(jí)分成若干層次關(guān)系，通過數(shù)學(xué)方法構(gòu)造并計(jì)算各層次的判斷矩陣，通過特征值來確定各指標(biāo)的權(quán)重.

風(fēng)險(xiǎn)矩陣定級(jí)法是綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)后果從而給風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)的一種方法.表示為R=P×C，R表示風(fēng)險(xiǎn)；P表示風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率；C表示風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的后果.P×C不是簡(jiǎn)單意義的相乘，而是表示風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果的級(jí)別組合.

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法.該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià).

對(duì)于所依托的頂管工程項(xiàng)目，采用層次分析法建立了大斷面矩形頂管風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)模型，分析頂管施工中存在的各種主要風(fēng)險(xiǎn)因素.再使用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法以獲得各風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重，并對(duì)頂管施工的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排序.通過對(duì)10名行業(yè)相關(guān)專家問卷調(diào)查以獲取頂管施工風(fēng)險(xiǎn)各層級(jí)的各級(jí)因子評(píng)價(jià)矩陣.最后使用模糊綜合評(píng)價(jià)法將風(fēng)險(xiǎn)矩陣法得到的風(fēng)險(xiǎn)源因子權(quán)重與專家調(diào)查所得到的單因子評(píng)價(jià)矩陣相結(jié)合做出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià).并針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源制定了相應(yīng)的預(yù)防或降低風(fēng)險(xiǎn)的控制措施.

1.2 改進(jìn)的層次分析法簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的層次分析法(AHP)的判斷矩陣標(biāo)度由1～9組成，在形成判斷矩陣之后需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)來判斷矩陣中標(biāo)度選取的整體邏輯合理性.如矩陣不具有一致性，需經(jīng)過多次調(diào)整直至檢驗(yàn)出一致性矩陣才算完成，這個(gè)過程中難免產(chǎn)生個(gè)人主觀影響.對(duì)此，將判斷矩陣標(biāo)度改用-1,0,1 3個(gè)標(biāo)度，這樣可以減少人為主觀因素影響，并免去了對(duì)判斷矩陣q的調(diào)整，檢驗(yàn).在形成了三標(biāo)度判斷矩陣后，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將其轉(zhuǎn)化為最優(yōu)傳遞矩陣，從而得到無需進(jìn)行調(diào)整、檢驗(yàn)的一致性判斷矩陣.具體步驟如下：

(1)建構(gòu)系統(tǒng)問題層次模型

(2)用三標(biāo)度法構(gòu)建比較矩陣A

(1)

其中：A為3標(biāo)度法比較矩陣；

(3)計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣R

(2)

其中：R為三標(biāo)度矩陣轉(zhuǎn)換的最優(yōu)傳遞矩陣；

(4)轉(zhuǎn)化為一致判斷矩陣D

(3)

其中：D為最優(yōu)傳遞矩陣轉(zhuǎn)換的一致判斷矩陣；

dij=exp(rij)

(5)計(jì)算一致判斷矩陣D的特征向量w

(4)

故有：

(5)

wi對(duì)應(yīng)相應(yīng)元素的權(quán)重值.

2 工程風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)模型建立

深圳地鐵12號(hào)線上川站位于寶安區(qū)上川路、前進(jìn)一路交叉路口，為全線的第11個(gè)車站.本次工程研究的J、F1、F2出入口頂管工程兼具過街通道功能，通道總長(zhǎng)45 m，管片厚度50 cm，長(zhǎng)度為1.5 m，管片采用C50砼，管片尺寸10 m×5 m，頂管機(jī)外形尺寸10.2 m×5.02 m，采用土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行施工.場(chǎng)地位置如圖2所示.

圖2 站址環(huán)境圖

頂管施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素眾多，且彼此之間存在關(guān)聯(lián).結(jié)合施工資料、專家意見以及文獻(xiàn)資料，從主觀和客觀因素出發(fā)，依次構(gòu)建4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，10個(gè)三級(jí)指標(biāo)和30個(gè)四級(jí)指標(biāo).系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 頂管施工風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)模型

其中，二級(jí)指標(biāo)為：進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)(X1)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)(X2)、掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)(X3)以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(X4).

三級(jí)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)因素(Y1)、施工因素(Y2)、自然因素(Y3)、機(jī)械故障(Y4)、人為因素(Y5)、

施工(Y6)、其他因素(Y7)、隧道狀況(Y8)、線路狀況(Y8)及道路狀況(Y10).

四級(jí)指標(biāo)為：頂管尺寸(Z1)、加固措施(Z2)、設(shè)計(jì)水位(Z3)……道路完好狀態(tài)(Z29)及修建年代(Z30).

3 實(shí)例分析

3.1 各級(jí)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重排序

基于上述介紹的改進(jìn)的層次分析法流程，對(duì)方案層(二級(jí)指標(biāo))進(jìn)行兩兩對(duì)比，構(gòu)建3標(biāo)度判斷矩陣見表1.

表1 方案層次3標(biāo)度判斷矩陣

①根據(jù)式(2)計(jì)算A-X最優(yōu)傳遞矩陣R：

②根據(jù)式(3)將傳遞矩陣R轉(zhuǎn)化為一致判斷矩陣D：

③根據(jù)式(4)，(5)計(jì)算一致判斷矩陣的特征向量：

重復(fù)上述步驟計(jì)算出準(zhǔn)則層(三級(jí)指標(biāo))各層次指標(biāo)權(quán)重大小及排序見表2.

表2 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重大小及排序

同樣的可計(jì)算出子因素層(四級(jí)指標(biāo))各指標(biāo)權(quán)重，將該層級(jí)指標(biāo)所占系統(tǒng)權(quán)重繪制示意圖，見圖4.

圖4 子因素層風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重值

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

構(gòu)建系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型，需要從子因素層逐級(jí)向上推算.首先采用一級(jí)評(píng)價(jià)模型對(duì)構(gòu)成準(zhǔn)則層(第三指標(biāo))進(jìn)行單因素評(píng)價(jià).模糊綜合評(píng)判的公式如式(6)所示：

(6)

式中：Wi為一致判斷矩陣的特征向量；Ri為專家評(píng)價(jià)矩陣.

將準(zhǔn)則層的一致判斷矩陣的特征向量代入模糊綜合評(píng)判公式，得到結(jié)果如下：

①Y1單因素評(píng)價(jià)結(jié)果：

②Y2單因素評(píng)價(jià)結(jié)果：

③Y3單因素評(píng)價(jià)結(jié)果：

④Y1，Y2，Y3的一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果組成頂管施工進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)的二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣RX1：

同樣的可以計(jì)算Y4，Y5…Y10的單因素評(píng)價(jià)結(jié)果，組成X2、X3、X4的二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣.

⑤X1，X2，X3與X4的二級(jí)評(píng)價(jià)判斷矩陣組成系統(tǒng)即目標(biāo)層即頂管施工風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣RA：

⑥系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

系統(tǒng)安全狀況等級(jí)的百分制評(píng)分見表3.可求得系統(tǒng)的總得分為：

FA=30×0.062 2+45×0.185 0+65×0.291 9+80×0.274 9+95×0.188 2=69.04

表3 綜合評(píng)判系統(tǒng)安全等級(jí)

結(jié)合總評(píng)價(jià)矩陣和各因素權(quán)重，可得頂管施工方案層風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)值分析結(jié)果，如表4所示.

表4 方案層的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)值

根據(jù)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)得知該頂管工程風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度為“0.062 2，0.185 0，0.291 9，0.274 9，0.188 2”，按照最大隸屬原則，最大隸屬度為0.291 9，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，因此該頂管工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等.其中，頂管進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)為中等，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為較小.

3.3 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，結(jié)合頂管工程現(xiàn)場(chǎng)具備的條件應(yīng)采取相應(yīng)地控制措施以降低施工風(fēng)險(xiǎn).針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)源提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施如下：

(1)針對(duì)頂管機(jī)進(jìn)出洞問題，可作出如下改進(jìn)措施：施工前做好充足的地質(zhì)勘探工作以深入了解施工中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事故；在始發(fā)、接收洞口周圍采用加固措施；設(shè)置進(jìn)洞密封壓板等密封裝置；對(duì)洞口進(jìn)行防水密封處理；輔以豎井等降水處理措施.

(2)針對(duì)頂管設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，可作出如下改進(jìn)措施：根據(jù)工程情況合理進(jìn)行頂管機(jī)選型；根據(jù)理論計(jì)算的頂推力配置頂推千斤頂以保證足夠的頂力且可以避免過度配置頂力而加大工程預(yù)算；適當(dāng)配置常壓可更換刀具；根據(jù)地層情況應(yīng)采用耐磨刀具；施工期定期檢查維修頂推設(shè)備.

(3)針對(duì)頂管掘進(jìn)過程的風(fēng)險(xiǎn)情況，可作出如下改進(jìn)措施：合理管控頂推力和同步注漿；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；糾偏是頂管掘進(jìn)過程的重中之重，前面管節(jié)的頂進(jìn)姿態(tài)控制關(guān)系到后續(xù)管節(jié)的偏移，可采用先進(jìn)的高精度自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng).

(4)針對(duì)頂管施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，可作出如下改進(jìn)措施：盡量控制勻速推進(jìn)以保持開挖面的穩(wěn)定性；采用管節(jié)止退裝置以防止管節(jié)在拼裝或加墊塊時(shí)后退；管土注漿應(yīng)及時(shí)且應(yīng)控制均勻的注漿速度；施工前制定合適方案保護(hù)管線及軍用光纜安全.

4 結(jié)論

(1)將以往的層次分析法中采用9標(biāo)度組建的判斷矩陣改進(jìn)為3標(biāo)度矩陣，這樣可以減少人為主觀因素影響，并免去了對(duì)判斷矩陣的調(diào)整、檢驗(yàn).并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將3標(biāo)度矩陣先轉(zhuǎn)化為最優(yōu)傳遞矩陣，最后得到無需進(jìn)行調(diào)整、檢驗(yàn)的一致性判斷矩陣.通過該方法可以確定系統(tǒng)模型的各因素權(quán)重并排序.

(2)通過專家調(diào)查法獲取的風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)矩陣以及改進(jìn)的層次分析法得到各因素的權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)頂管工程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了客觀的風(fēng)險(xiǎn)分析，得到了綜合施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，頂管進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)為中等，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為較小的結(jié)論.并給出了風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，該成果有助于現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員識(shí)別各類風(fēng)險(xiǎn)的重要性程度，從而有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施以減小施工風(fēng)險(xiǎn).