运营地铁车站拓建施工风险分析与评估研究

2021-04-27冀国栋

铁道建筑技术 2021年2期

冀国栋

（1.中铁十八局集团有限公司天津 300350；2.天津大学建筑工程学院天津 300072）

1 引言

近年来，随着我国城市化进程的加快，大量人口涌入城市，造成城市人口聚集程度急速增加［1］。有些已经建成并投入运营的地铁，逐渐出现不能满足乘客出行及换乘需求的问题，需要对其进行针对性拓建。运营地铁拓建工程的周边环境一般较为复杂，地表及既有结构变形控制要求严格，施工过程中受力体系多次转换，极易发生安全风险事故。因此，运营地铁拓建施工风险管理研究对于确保建设施工安全和地铁运营安全意义重大。

风险管理的概念在二十世纪三十年代被提出后，就应用到全世界各个领域，众多学者对风险类型辨识、风险评估方法和程序、风险管控措施、风险管理规范等方面进行了科学系统的研究。Einstein［2－3］将风险概念引入到岩土工程领域，分析了风险管理在隧道工程中的应用；Reilly等［4］介绍了如何利用风险评估分析在隧道工程中实现风险管理与控制，对隧道工程设计及施工有效规避风险具有重要的指导意义；Choi等［5］使用模糊层次综合评判法分析了基坑开挖过程中的风险，取得了较好的效果。国内的相关研究中，路美丽［6］介绍了国内外隧道及地下工程风险评估方法的研究与运用；吴忠良［7］利用模糊综合评判法对西部山区邻近营业线铁路桥梁桩基施工方案进行比选；蔡来炳［8］对城市既有地下结构扩建改造施工的风险进行分析，提出了相关风险的控制措施；王雯婷［9］针对济青高速公路扩建工程全生命周期各阶段的风险提出了风险控制与管理措施。然而，当前对于拓建工程的风险评估大多集中在公路和隧道领域，针对运营地铁拓建施工风险的研究较为少见。本文依托北京地铁宣武门站接驳拓建工程，采用模糊综合评价法对其接驳拓建施工风险进行分析研究，其研究成果对相关工程的风险管理具有一定借鉴意义。

2 工程概况

北京地铁宣武门站位于北京市二环以内中心老城区，是地铁2号线与4号线的换乘车站。其中，2号线车站沿宣武门东、西大街呈东西向布置，4号线车站沿宣武门内、外大街呈南北向布置。地铁4号线下穿2号线，与2号线车站呈“十”字形相交，两座车站通过两条相对的“E”形通道，将2号线站台与4号线站厅相连以实现换乘。目前换乘通道为单向使用，西侧通道用于4号线换乘2号线，东侧通道用于2号线换乘4号线。2009年地铁4号线开通以来，因两线之间换乘设施能力严重不足，在早晚高峰期间大量乘客拥堵在换乘通道内，达到严重拥挤程度，存在较大的安全隐患。

为满足地铁宣武门站当前运营功能需求，对既有车站进行针对性拓建，通过在东北象限新建两个出入口解决原地铁4号线在东北方向无出入口的问题，并在东北、西北、西南三个区域各增建一条换乘通道实现4号线向2号线的换乘（原有“E”形通道解决2号线向4号线的换乘客流），同时在各象限均增设地下售检票厅并改造相关系统设备，以此解决换乘及进出站拥堵问题，方便乘客出入车站及提高2号线与4号线之间的换乘功能。拓建工程总平面如图1所示。

图1 北京地铁4号线宣武门站拓建工程平面

3 模糊综合评价模型

（1）建立因素集

根据模糊综合评价法原理［10］，将评价对象的各种影响因素组成集合，建立因素集：

式中，ui为第i个评价因素；m为评价因素个数。

（2）建立评价集

评价者用模糊语言对每一风险因素所处状态作出评价，建立评价集：

式中，vj为对风险严重程度的判断结果；n为评价结果个数。

本文采用5级风险划分，即n＝5，且v1为一级风险、v2为二级风险、v3为三级风险、v4为四级风险、v5为五级风险。其中一级为最低风险等级，五级为最高风险等级。

（3）建立模糊评价矩阵

邀请多位专家对因素集内各风险因素进行评价，根据评价结果计算各风险因素ui对风险等级vj的隶属度dij。

考虑到专家评价意见会有一定的差异，在此引入“信心指数法”来处理专家评分的主观性［11］。信心指数表示专家对其评价可靠性的信任程度（取值范围0～1），如某专家判断某风险因素处于v3等级，其信心指数为0.8，则认为该因素风险等级为中等的概率是80%。将所有专家给出的概率分布进行加权平均即可得到该风险因素的隶属向量。利用相同方法得到所有因素的评判向量，从而建立模糊评判矩阵D：

（4）确定指标权重

对于某评价目标，因素集中各因素对评价目标的影响程度不同，通常引入权重向量A来反映各因素的重要程度：

指标权重的确定方法根据数据来源形式可以分为主观赋权法、客观赋权法以及综合赋权法。本文采用层次分析法［12］中的1～9比例标度，通过专家打分的方法构造出各个风险指标权重的判断矩阵。

（5）模糊综合评价

对所有因素进行评价时，将权重向量A与模糊评价矩阵D进行综合，可以得到各因素对评语集的隶属程度，即模糊综合评价集B：

（6）评价结果

通过最大隶属度法对模糊评价向量进行清晰化，即取最大隶属度对应评价集中的评价指标作为最终的评价结果。

4 运营地铁车站接驳拓建施工风险评价及控制

4.1 风险指标

工程风险评价时，针对所有的影响因素逐一进行分析很难实现，因此应选择最重要的一些影响因素作为风险指标。对于运营地铁拓建工程而言，根据其施工特点，本文重点考虑地质风险、环境风险、设计风险和施工风险4个一级风险指标。

（1）地质风险

主要包括工程地质及水文地质等因素。

（2）环境风险

主要包括道路、铁路、桥梁、地铁、地下构筑物、地下管线、地面建筑物及地表水等因素。

（3）设计风险

主要包括工程规模及复杂性、施工工法、拓建类型及支护体系等因素。

（4）施工风险

主要包括工程规模、施工组织设计、施工专项方案、辅助工法、工程质量及安全措施等因素。

结合北京地铁宣武门站接驳拓建工程的实际情况，建立了北京地铁宣武门站接驳拓建施工风险指标体系，见表1。

表1 风险指标及评价结果

4.2 指标权重

通过问卷形式向16名行业内专家进行调查和咨询，利用层次分析法得到宣武门站接驳拓建工程风险指标的权重见表2～表5。

表2 地质风险评价结果

表3 环境风险评价结果

表4 设计风险评价结果

表5 施工风险评价结果

4.3 评价结果分析及风险控制措施

对宣武门站接驳拓建工程总体风险进行评价，根据表1～表5可以建立模糊评价矩阵：

对于运营地铁车站接驳拓建工程而言，地质风险、环境风险、设计风险和施工风险4个一级指标都非常重要，本文取其指标权重均为0.25，即：

根据式（5）得到模糊综合评价：

根据最大隶属度法可知，北京地铁宣武门站接驳拓建施工风险等级为三级，属于中等风险状态，施工风险基本处于可控水平。

根据专家评价结果，可以得到各风险指标的风险等级，见表6。

表6 各指标风险等级

从表6可以看出，在所有的风险评估指标中，没有指标的风险级别达到五级，大多数指标的风险级别为二级～三级，包括9个二级风险指标和8个三级风险指标。风险级别达到四级的3个指标分别为既有地铁、周边管线和既有结构破除，需要采取专项风险控制措施。

4.3.1 既有地铁风险及控制措施

北京地铁宣武门站拓建工程多处紧邻既有地铁2号线及4号线，其中西北象限新建暗挖通道（接2号线）部分结构初支外皮紧邻2号线西北出入口结构外墙；东北象限新建暗挖出入口通道结构平行上穿4号线区间，初支外皮与区间净距约2.3 m；东南象限新建出入口采用明挖法施工，基坑南侧与2号线西南风道的水平净距约1.0 m；西南象限新建暗挖厅与4号线西南口的水平净距约1.8 m。拓建施工会对周围地层造成扰动，产生不均匀沉降，威胁既有地铁2号线和4号线的运营安全，可采取以下风险控制措施：

（1）施工前对既有2号线和4号线结构进行调查，并进行监测和评估，必要时对紧邻既有地铁结构部分进行加固处理，或采取桩基隔离措施。

（2）及时布设测点，施工期间加密监测频率，根据监测结果及时调整施工参数，确保既有地铁运营安全。

（3）制定针对性应急预案。

4.3.2 周边管线风险及控制措施

宣武门站附近区域位置敏感，施工范围地下管线密集，特别是大部分雨污水管线和电力隧道年代久远，实际运行情况堪忧，施工扰动可能造成管线受周围土体变形影响，出现结构性破裂而无法继续使用，以及由于管线开裂而引起内部气体或液体溢出，引发次生影响。具体风险控制措施：

（1）施工前对管线的现状进行核查，了解管线结构现状及运营现状，对重要管线进行安全评估，获取其能承受的沉降和差异沉降的有关数据。

（2）施工期间进行全程监测，通过监控量测结果，反馈现场施工及设计。

4.3.3 既有结构破除风险及控制措施

宣武门站拓建工程与既有线主体结构及出入口结构多处接驳连通，需要在保证换乘站正常运营条件下进行既有结构的破除，最大破口面积7 200×4 850 mm，最大变形控制指标为1 mm。破除时既有结构受力将发生改变，采取以下风险控制措施：

（1）对既有结构进行安全性验算，分析施工对既有结构的影响。

（2）控制施工的空间效应，针对既有线结构形式及配筋，分块切除、合理安排破除顺序，降低施工对既有结构的影响。

（3）采取合适的加固措施对既有结构周围土体进行加固。