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■施工与质量管理 福建建设科技2015. No. 351 厦门地铁车站的施工风险评估 林树枝1， 刘洋2 1． 厦门市建设与管理局福建厦门361003; 2． 厦门大学建筑与土木工程学院 福建厦门361005 ［ 摘要］ 地铁具有建设周期长、 施工难度大、 工程环境复杂、 事故易发等特点， 近些年， 地铁施工风险管理受到重视， 也取 得了一些经验和成果。本文首先对厦门地铁车站的建设特点进行总结， 并对可能发生的事故类型和形成原因进行统计分析。以 正在施工的高殿站点为例， 通过 WBS 逐级分解得到的主要工序的失效状态， 建立了风险识别指标体系， 再基于层次分析法和模糊 评价原理建立三级模糊综合评判计算模型， 并对该车站基坑施工风险进行评估， 计算结果表明该方法合理有效， 可为工程分级控 制提供参考。 ［ 关键词］ 地铁车站; 施工风险; 模糊综合评价法; 失效状态 The Ｒisk Assessment of the Construction of Xiamen Metro Station AbstractDeep excavations of urban subway system are generally located in those central city areas which are traffic dense，built － up and crowded． The protection of surrounding buildings，roads，engineering facilities，should be necessarily taken into account． In this paper the construction characteristics of Xiamen Metro station are summarized． The accident types are classified and the causes for those kinds of ac- cidents are analyzed in details． Taking the Gaodian station as an example， the failure modes at the construction phase by means of the WBS decomposition and the inds of the risk identification are obtained． The three － level fuzzy uation models are established to assess the risk for this deep excavation based on the hierarchical analysis and fuzzy assessment principle． It is showed that the cal- culation results are reasonable． This study would provide the basis and reference for the risk assessment of other metro stations． Key wordsSubway Station;Construction Ｒisk;Fuzzy uation;Failure Mode． 作者简介 林树枝， 男， 福建厦门人， 1963 年 5 月出生， 工学博士、 教授级 高工、 博士生导师， 总工程师。 1引言 有效辨识和控制地铁施工风险， 减小事故发生机率和负 面影响， 已成为热点研究方向。国外从上世纪 70 年代便开始 了对地下隧道工程风险评估的理论和特点进行研究， Ka- mpmann 1998 为哥本哈根地铁提出 10 种风险类型及 40 多 种灾害及相应的风险减轻措施， 用 Monte Carlo 结合电子表格 等方法构建风险模型［1 ］; 2004 年， 国际隧道协会 ITA 撰写了 隧道风险管理导则， 为隧道风险管理提供了一套参照标准和 方法 ［2 ］。 国内地铁建设风险管理的研究起步较晚， 2003 年起， 同 济大学的黄宏伟教授开展了大量针对隧道及地下工程的风险 管理研究， 并系统阐述了风险的定义、 发生机理和国内外研究 进展， 从风险管理的理念与视角将地铁工程从规划、 可行性研 究、 设计、 施工及运营的各个阶段进行整合分析。在风险识别 方面， 周洁静 2008 根据施工风险的复杂性和多维特性提出 了基于 WBS － ＲBS 和基于事故致因机理的两种风险评价模 型 ［3 ］; 余宏亮博士 2011 研发了基于工程图纸的地铁车站施 工安全风险自动识别系统 SＲIS［4 ］。在风险评价方面， 除 了运用较广泛的模糊综合评价法， CIM 概率分布叠加 、 熵 权、 贝叶斯函数、 ＲBF 神经网络等也被引入进行风险的估计 和排序中 ［5 －7 ］。 目前国内外对地铁车站施工风险的研究已取得了一定的 研究成果， 但考虑到地质的区域性和独特性， 有必要对厦门地 铁建设进行更有针对性的研究。本文依托厦门地铁一号线工 程， 首先对各车站的建设特点、 常见事故统计和原因进行分 析。以正在建设的高崎站为例， 建立基坑施工风险评价指标 体系， 运用改进的模糊层次分析法构建三级模糊综合评判计 算模型， 完成车站工程的整体评级， 可为今后工程建设提供参 考。 2站点的建设特点与难点 轨道交通 1 号线整体呈南北走向， 起始自思明区镇海路， 终止于厦门北火车站， 线路长度为 30. 264km， 本岛 15. 0km， 岛外 15. 264km。其中地下线 25. 115km， 地面线 2. 354km， 高 架线 2. 795km。共设置车站 24 座， 其中地下站 23 座， 跨海处 有高架站 1 座 图 1 。 2. 1建设特点 拟建线位为近南北向展布， 跨越构造剥蚀丘陵区， 残积台 地区及第四纪松散堆积区三种地貌类型， 特殊岩土层包括人 工填土、 海积淤泥质土， 软塑状冲洪积黏土， 以及动水作用下 具有易软化崩解、 自稳性差的残积土和全、 强风化岩层。 软土层分布集中在文灶站到高殿站之间， 部分站点地下 还有风化球 孤石 ， 典型的 “上软下硬” 。液化砂土在岛内段 主要存在于湖滨东路站至吕厝站之间， 该砂层基本处于车站 基底以上。镇海路站、 中山公园站以及从莲坂站至高殿站之 间岩面比较高， 但均匀性差。岛外集美大道站地质比较复杂， 不良地质类型齐全。 岛内建筑物密集， 地下管线分布复杂， 施工场地狭窄， 若 52福建建设科技2015. No. 3 ■施工与质量管理 图 1厦门地铁一号线线路图 遇到软土广泛分布、 岩面不是特别高、 周边建筑较多且需要 严格控制变形的情况， 围护结构多采用地下连续墙， 其余一般 采用钻孔桩支护， 如果岩面较高， 钻孔桩还可能设计成吊脚 桩。岛外除集美大道站具有不良地质情况外， 因场地较开阔， 建筑和管线分布稀疏， 施工条件比较好， 部分站点甚至采用放 坡开挖。 2. 2建设难点 岛内站点周围环境极其复杂， 尤其中心城区交通压力大， 邻近建 构 筑物和生命线管线较多， 沿线还有重点风貌保护 建筑、 福厦铁路、 机场及隧道等重要设施， 在施工过程中或多 或少会引起围岩松弛， 严重时会引起塌方等事故， 施工降水还 会加剧土体的固结沉降， 容易导致邻近建筑物、 地下管线等出 现下沉、 开裂， 甚至更严重的破坏。 地层表层主要为素填土、 淤泥， 其中素填土成份复杂， 均 匀性差， 结构松散， 自稳能力差; 淤泥呈流塑状态， 强度低、 压 缩性高、 易产生流变和触变， 施工中易出现变形。部分站点有 较厚的洪积、 海积饱和砂层， 其透水性强， 结构松散， 施工开挖 中极易发生坍塌、 涌水、 涌砂等现象。花岗岩残积土， 全风化 花岗岩遇水强度会急剧降低， 位于地下水位以下部分， 施工中 可能会产生流泥等现象。部分残积土层中存在大块孤石， 可 能给开挖施工造成无法预料的阻碍， 例如机具磨损、 结构错位 等［8 ］。 3常见事故类型与原因 3. 1相近地区事故统计 常见的事故类型 图 2 包括坍塌、 水害、 机械 起重 伤 害、 火灾、 物体打击、 爆炸、 中毒、 触电、 高处坠落和其他伤害共 10 种 ［9 ］。本文对与厦门地理位置相邻或土岩层特性趋同的 六个城市， 广州、 深圳、 东莞、 福州、 青岛、 台湾， 近十年来共 61 起地铁事故进行统计 表 1 。 图 2地铁事故类型统计图 表 1相近地区近十年地铁事故统计 事故类型坍塌突泥涌水物体打击起重伤害高处坠落火灾中毒爆炸其他伤害 事故数量3185443224 百分比49. 212. 77. 96. 36. 34. 83. 23. 26. 3 注 其中有 2 起事故同时具有两种事故类型 坍塌和突泥涌水同时出现 。 坍塌是最常见的地铁施工事故， 除此之外物体打击、 突泥 涌水、 起重伤害、 高处坠落也是较频发的事故类型。特别对同 样以花岗岩残积土层为主的深圳、 东莞两地事故的调查中发 现， 与水有关的致险因素占据 60， 例如连续多天降雨和瞬 时大暴雨， 或水管老化破裂、 抽水不当等都会使得地层浸水 多， 花岗岩残积土层遇水软化， 强度急剧下降， 由此引发突泥 涌水、 坍塌等事故。 3. 2事故原因分析 地铁风险的大小和形成因素主要与自身特征、 工程环境、 技术水平和组织管理有关。 工程自身特征。包括开挖深度、 施工工法、 围护结构形式 等。不同施工工法的施工难度、 质量保证、 对周围扰动大小都 不一样， 例如明 盖 挖就比暗挖更为简单易行、 工艺简单， 但 带来较大的地层变位， 容易损害周围建 构 筑物。埋置或开 挖深度越深， 相应的施工难度和施工风险就越大。 工程环境。包括自然环境与人为环境。自然环境包括地 质、 水文和气候， 不可控性较大。在气候方面较常见的是极端 天气， 如连续暴雨或狂风， 可能直接吹垮现场临时结构或高耸 机械设备， 间接影响则是降低周围土层的承载力和冲击围护 结构。人为环境包括散布在地铁施工影响范围内的地上建 构 筑物， 例如房屋、 地下管线、 桥梁等。对工程本身而言， 地下构筑物和管线的存在会限制施工空间; 地铁施工在开挖 或大规模降水中破坏了原有土体相对稳定和平衡的状态， 最 终影响、 管线、 建 构 筑物安全。 ■施工与质量管理 福建建设科技2015. No. 353 技术水平带来的风险， 包括涉及技术的各个工种， 如勘 察、 设计、 施工等在技术标准与规范、 设计模型采用、 安全系数 的确定、 工艺流程的制订与执行等出现偏差［10 ］。 组织管理方面的风险来自管理主体， 包括建设、 勘察、 设 计、 监测、 监理、 施工等参建单位， 各单位组织管理风险主要来 自内部管理和外部执行两部分， 内部管理强调的是自身的组 织管理流程， 人员配备、 质保体系、 以及是否有转包挂靠、 肢解 工程等行为; 外部执行则是针对发生在施工现场的管理行为， 例如现场各方配合失误出现超挖、 行车路线或材料堆放安排 不当等。 4高殿站风险评价 4. 1工程概况 高殿站是全线开挖深度最深的一个站 超过 25m ， 位于 岛内石鼓山立交北侧交通繁忙的嘉禾路上， 总长度 263. 6m， 标准宽度 24. 3m。站位施工范围内不良地质类型相对较多， 包括软土 零星 、 花岗岩残积岩土、 风化孤石以及有害气体。 由于岩面较高， 采用 “围护桩 支撑 锚索锚杆” 的围护结构 设计， 标准断面采用直径1. 2m、 间距1. 4m 钻孔灌注桩 旋喷 桩止水围护， 桩底进入中风化约 2. 5m、 或微风化花岗岩约 1m， 局部采用间距1. 5m、 直径22mm 的岩石锚杆 即吊脚桩形 式 ， 设置四道内支撑， 其中第一道和第三道为 800* 1000mm 的混凝土支撑， 间距 6m 布置， 二、 四道为规格 D609， t 16mm 钢支撑， 间隔 3m 布置。 图 3高殿站站位图 4. 2风险指标建立 风险指标建立较常采用的是分解分析法、 核查表法、 流程 图法和事故树分析法。本文引入 WBS 工作结构分解 ， 将整 个半盖挖法车站按照工程分部进行分解， 把车站施工分为围 护桩施工、 止水帷幕施工、 降水排水、 土方开挖、 支撑和锚索锚 杆系统施工和主体结构施工 6 个分项， 对每个分项再逐级分 解到单位工程， 找出各工序容易出现偏差或失效的状态， 并进 行打分评价。按上述原则及案例建立三级评价体系 表 2 。 评价形式主要来自一线专家的问卷调查。 表 2各级风险辨识指标 一级指标 二级指标 施工阶段 编号 三级指标 工序失效状态 车站工程 自身安全 F1 围护桩施工阶段 F11 F111 成桩困难 F112 钢筋笼吊装不到位 F113 断桩 F114 大型设备倾覆 F115 桩位倾斜 F116 承载力不足 止水 帷 幕 施 工 F12 F121 旋喷体强度不足 F122 不冒浆或冒浆过大 F123 止水帷幕存在缺损 降水 排 水 阶 段 F13 F131 引起地面沉降过大 F132 排水不及时 F133 承压水突涌 土方 开 挖 施 工 F14 F141 坑外堆载过大 F142 不及时施作支撑 F143 坑底塑性隆起过量、 立柱隆起 F144 爆破飞石 支撑和锚索系统 施工 F15 F151 承载力不足 F152 预应力施加不满足 F153 支撑拆除时坠落 F154 锚杆布置不合理 F155 锚固体质量差 主体 结 构 施 工 F16 F161 脚手架搭设、 拆除不规范 F162 脚手架超载 F163 支模板强度不足 F164 车站整体上浮 4. 3风险评价标准 本文中的评价包括重要性评价 权重赋予 和综合考虑 发生概率、 损失程度、 可控性因素的风险性评价。风险接受准 则表示在规定的时间内或项目某个阶段内可接受或管理的风 险等级水平分级，它直接决定了工程中各种风险需采取的管 理控制措施， 为方便问卷填写和统计， 统一采用 19 标度值 衡量。 表 3风险评价标准和分级 等级重要性发生概率损失程度可控性描述估分值 一完全不重要 可能性可忽略可忽略 很容易控制 与解决 1 二稍显重要可能性很小需考虑 能够控制与 解决 3 三一般重要可能性一般一般严重 控制与解决 有一定难度 5 四强烈重要可能性较大非常严重 控制与解决 的难度大 7 五极端重要可能性很大灾难性的 几乎无法控 制与解决 9 注 在 19 的标度值中， 2、 4、 6、 8 表示折中值。 具体因素和风险估计， 即风险性评价是从由发生概率 P、 损失程度 C 和可控性 T 三方面考虑， 即 f P， C， T 3 P* C* 槡 T 由表 3 估值可知， 最小值为 1， 最大值为 9。最终风险等 级划分区域和接受准则如表 4 所示。 54福建建设科技2015. No. 3 ■施工与质量管理 表 4风险等级分区 风险 级别 级别 描述 估值 区间 中值控制措施 一低级［ 1， 32可忽略， 不必采取控制措施 二中级［ 3， 54可以接受， 需要加强控制措施 三较高［ 5， 76不期望， 必须采取控制措施 四高度［ 7， 9］8不接受， 需要想尽一切办法转移风险 4. 4各因素权重的确定［11 ］ 1 建立评判因素集 由上表可知一级指标有 1 个编号为 F1; 二级指标有 6 个， 编号分别为 F11， F12， ， F16; 再细分三级指标有 25 个， 编号如 F11 {F111， F112， ， F116} 。 2 构造判断矩阵及权重计算 根据递阶层次结构所确定的上下层因素之间的隶属关 系， 将下一层制约因素对上一层准则因素的重要程度 即重 要性 的打分值转换成两两比较的标度， 即打分值表示为 x， 差值为 eij xi－ xj， 建立各层次因素的判断矩阵 D ［ dij］ k* k。 具体转换如表 5 所示。 表 5重要性标度对应转换表 重要性 标度 dij 差值 eij 判断依据 10表示 xi与 xj相比， 具有同样重要性 3 0， 2］表示 xi与 xj相比， xi比 xj稍重要 5 2， 4］表示 xi与 xj相比，xi比 xj明显重要 7 4， 6］表示 xi与 xj相比， xi比 xj强烈重要 9 6， 8］表示 xi与 xj相比， xi比 xj极端重要 倒数 差值为负的 百分率区间范围 若元素 xi与 xj重要性之比为 dij 1 ～9 ， 那么元素 xj与 xi重要性之比为 dji1/dij 1 ～1/9 以“结构主体施工”为例， 得 到 判 断 矩 阵 为 D16 ［ dij］4* 4， 见表 6。 表 6层次分析法判断矩阵 F161F162F163F164 F1611571 F162 1/5131/5 F1631/71/311/7 F164 1571 运用特征根法可计算出权重 W W1， W2， ， Wn { 0. 42 0. 100. 06 0. 42} 为检验决策者思维的一致性， 提高数据的可信程度， 引入 一致性比率 CＲ作为度量判断矩阵偏离一致性的指标［12 ］ ， 即 当 CＲ≤0. 1 时， 矩阵具有满意一致性。本案例中计算出 C Ｒ 0. 028≤0. 1， 结构主体施工各失效状态重要性排序可接受， 同 理可确定评价体系中其他因素对上一级影响的权重。 4. 5模糊综合评判 当各个风险因素大部分难以用数学表达式精确定量描述 时， 便只能借助问卷等形式获取有经验的专家知识， 用语言定 性描述， 这也是模糊理论非常具有现实意义的一项应用。本 文依据建立的三级评价指标体系， 运用模糊综合评判， 从三级风 险源指标出发确定单因素风险级别隶属度， 再结合层次分析法得 到的权重， 可依次得到上一级的风险级别判断结果 ［ 13 ］。 1 建立评价集 评价集 V 是对评判对象可能做出各种评判集合的总体， 表示为 V { V1， V2， ， Vn} 其中各元素 Vj j 1， 2， ， n 在本文中代表各种可能的 总评判结果， 如上文的19 对事故发生概率、 损失程度、 可控性 的量值估计或风险标度 “低 ” “中 ” “较高 ” “高度” 这四个区间。 2 单因素模糊评判 首先单独对某指标进行评判， 并通过统计专家打分的频 率确定该对象对评价集元素的隶属程度 γij， 例如有 12 位专 家中有四位专家对第 i 个失效状态风险级别的评语是 “j” ， 则 γij1/3。 以 “主体结构施工” 为例， 该因素集中共有 4 个因素需要 做出 “低 ” “中 ” “高 ” “较高” 四种评价之一， 将各单因素评判 集的隶属度排列成行， 可构成模糊关系矩阵 Ｒ。 Ｒ γ11γ12γ1n γ21γ22γ2n ┇┇┇ γm1γm2γ           mn 0． 000． 230． 640． 13 0． 000． 880． 130． 00 0． 001． 000． 000． 00 0． 000． 720． 280．           00 3 模糊综合评判 对于上一级指标而言， 如果下属每个指标的重要程度都 一样， 则可用每列元素之和来反映所有指标的综合影响。但 是需要考虑相应的权重因素 Wi i 1， 2， m ， 则可通过下式 进行模糊综合评判。 B WＲ W1， W2， ， Wn γ11γ12γ1n γ21γ22γ2n ┇┇┇ γm1γm2γ           mn b1， b2， ， bn 0．420．100．060．42 0．000．230．640．13 0．000．880．120．00 0．001．000．000．00 0．000．720．280．           00 0 0．547 0．398 0．           055 T 由此可得到 F16阶段的风险评价隶属度， 即落在“中级” 是 0. 547 ， “较高” 级别是 0. 398 ， “高度” 级别是 0. 055。该结 果可以用隶属度分布柱状图表示 图 4 ， 也可以， 取 bj为权 数， 采用所属评价集元素的代表值 Vj进行加权平均法即 V ∑ n j 1bjVj 来最终确定评判对象的具体结果， 例如由表 4 可知， 取 各级别的区域中值作为代表值， 则 F16的综合评判值为 2* 0 4* 0. 547 6* 0. 398 8* 0. 055 5. 02， 落在 “较高” 级别。 同理可得到其他二级指标风险的综合评价值 图 5 ， 根据各 二级指标对应的权重级和计算出的风险评价值， 可以得到一 级指标， 即高殿站施工风险综合评价值 表 7 。 表 7车站工程施工风险评价结果和等级 隶属度 评价对象 一级二级三级四级 加权 量值 评级 施工自身安全0. 0140. 6420. 3120. 0334. 73中 ■施工与质量管理 福建建设科技2015. No. 355 图 4F16施工风险隶属度分布 图 5F1车站工程各施工阶段风险值 从图 5 可以看出， 判断为 “较高” 风险的施工阶段为止水 帷幕施工、 降水排水和主体结构施工， 必须采取相应的控制措 施， 例如高度重视和加强监测， 这与厦门独特的遇水软化的花 岗岩残积土地质特性环境相符; 其他阶段均属于中等风险， 需 要采取一些控制措施， 例如常规的受力、 变形监测等。整体车 站施工风险评级属于中上水平， 需要加强各个环节的管理与 技术手段运用。 5结论 本文以高殿站为例， 运用层次分析法得到各层次指标对 上一级指标的权重值， 运用模糊评价法得到各工序、 各施工阶 段以及整体自身风险的风险隶属度和评级。其中止水帷幕阶 段、 降水排水阶段、 主体结构施工阶段属于风险较高等级， 体 现了花岗岩残积土较厚的地质条件下应该注重加强对水的监 测、 阻断和疏排措施。其他施工阶段属于中等偏上级别， 整个 工程自身风险评级属于中级， 需要采取一定的管理和技术控 制措施。本文的风险评估方法可用于其他站点的分析， 也可 供其他地铁工程的施工风险评估参考。 参考文献 ［ 1］Kampmann J，Eskesen S D，Summers J W. Ｒisk assessment helps se- lect the contractor for the Copenhagen Metro System［C］/ /Proceedings of the world tunnel congress. 1998， 98 123 －128. ［ 2］International Tunneling Association. Working Group No. 2. Guide- lines for tunneling risk management［J］ . Tunneling and Underground Space Technology， 2004， 19 217 －237. ［ 3］周洁静 . 地铁施工项目风险评价研究［D］. 大连大连理工大 学， 2009. ［ 4］余宏亮 . 基于工程图纸的地铁车站施工安全风险自动识别研究 ［D］ . 武汉华中科技大学， 2011. ［ 5］李小浩，宋永发 . 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