妈湾跨海隧道明挖段基坑施工风险评估

孙 威，杨 斌，张雪婵,2,3

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013； 2.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013)

0 引言

Einstein等[1-2]最早将风险管理理论应用于地铁工程的风险管理，分析了地铁工程的风险管理特点。黄宏伟[3]分析了隧道及地下工程建设的风险发生机理，明确风险及风险损失概念，并系统分析了目前风险管理存在的问题及若干研究方向。大型工程项目的风险因素多且相互关系复杂，风险因素具有很大的随机性和模糊性。模糊层次分析法在解决多层次、多目标的复杂问题时具有高度逻辑性和灵活性，能充分体现评价主体的模糊因素，减少主观判断引起的误差，使评估结果客观合理，因此广泛应用于工程的风险评估[4-7]。

建立基坑施工总体风险评价指标体系，对深圳妈湾跨海通道明挖段基坑施工总体风险进行评估。采用模糊层次分析法对基坑工程进行专项风险评估，并给出典型风险源的控制措施。

1 工程概况

妈湾跨海通道工程主线全长8.05km，其中海域段总长1.1km，将陆域段分为南、北两段，其中陆域段北段K4+340—K7+706里程范围的主线隧道及大铲湾盾构工作井为本次风险评估重点。主线基坑深度为3.2～21.8m，盾构工作井深度为29.6m，均采用左、右主线同槽明挖法施工。

1.1 工程地质条件

场地原始为海域及滨海滩涂，主要岩土层从上到下为：人工填土(素填土、杂填土、填石、填砂、吹填土)，第四系全新统海陆交互沉积淤泥(平均厚度4.78m)，全新统冲洪积黏土(平均厚度3.72m)、中粗砂(平均厚度2.19m)，上更新统湖沼沉积淤泥质黏土(平均厚度2.54m)，冲洪积细砂(含淤泥，平均厚度2.20m)、黏土(平均厚度1.87m)、粗砂(平均厚度2.63m)，中更新统残积砂质黏性土(平均厚度4.46m)、构造岩及全～微风化混合花岗岩。

人工填土成分复杂，透水性较强，工程性质较差，为基坑支护坑壁软弱土体。局部有深厚的填石层，对基坑开挖、围护桩墙施工影响较大。场地内大面积分布的海相淤泥和淤泥质土层具有压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高等特点，基坑开挖过程中极易引发流泥，引发地面建(构)筑物沉降变形。

1.2 水文地质条件

地下水主要有第四系松散层的孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙承压水3种。

1)孔隙潜水 主要赋存于表层素填土、填砂、填石层中，水位埋深0.5～1.0m。

2)孔隙承压水 主要赋存于第四系全新统冲洪积细砂层，第四系上更新统冲洪积粗砂及砾砂层中，与海水有一定的水力联系。水位埋深4～5m，水位变幅2～5m。

3)基岩裂隙承压水 基岩裂隙水主要赋存于岩石层、中等风化及构造裂隙带中，岩体破碎带附近含水量较丰富。水位埋深5～6m，变幅为1～3m。

2 设计及施工方案

2.1 基坑支护设计方案

隧道明挖段采用多种围护形式+混凝土支撑，主要有地下连续墙、钻孔灌注桩、咬合桩等，区间K4+340—K4+366.6为盾构始发井，采用地下连续墙+6道钢筋混凝土角撑。

根据地质条件及基坑深度等条件，将K4+340—K7+706里程范围的明挖隧道划分为10个区段，分别作为10个风险评估单元。各单元软弱土层情况及基坑支护方案等相关信息如表1所示。

表1 明挖段隧道北段基坑基本情况

2.2 土方开挖方案

根据隧道明挖段基坑宽、深、长的特点，尽量采用纵向放坡方式进行土方开挖，工作面较长时，由两端向中间同时开挖。当地质条件较差时可采用台阶法分层开挖，受条件限制时可采用长臂挖掘机、塔式起重机等方式垂直运输。

3 风险评估

以里程范围为K5+700—K6+500(风险评估单元6)的基坑工程为例，依据《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(试行)[8]，对隧道明挖段基坑施工风险进行评估。施工风险评估流程如图1所示。

图1 风险评估流程

3.1 总体风险评估

建立隧道明挖基坑施工总体风险评价指标体系，并对K5+700—K6+500里程范围的基坑建设规模、地质情况、地下水情况、气候环境、地形地貌、周围环境及施工工艺成熟度等指标进行评估，如表2所示。

表2 总体风险评估指标体系

由表2可知，K5+700—K6+500里程范围的隧道基坑施工总体风险评估总分值A1+A2+A3+A4+A5+A6+A7=17。建立4级风险评价等级，总体风险分级标准如表3所示。总体风险为高度风险及以上时，需进行专项风险评估。

表3 明挖隧道工程施工安全总体风险分级标准

由表3可知，K5+700—K6+500范围的基坑施工总体风险等级为高度风险，需进行专项风险评估。

3.2 专项风险评估

3.2.1风险源辨识及分析

基于WBS分解法，将K5+700—K6+500里程范围的基坑工程按施工工序进行分解，并识别每项工序可能存在的风险事件。

3.2.2风险估测

采用专家调查法对风险事故可能性及事故严重程度进行估测，按表4～5确定事故可能性的估值P及严重程度的估值C。

表4 事故可能性估值

表5 事故严重程度估值

通过对K5+700—K6+500里程范围的基坑工程施工风险源的识别、分析及估测，形成施工风险估测汇总表，如表6所示。

表6 施工风险估测汇总

3.2.3风险评价

根据模糊数学原理，建立适用于软土地区基坑工程的模糊综合评判模型，并对该隧道明挖段基坑施工过程进行风险分析。

1)建立评语等级集合 基坑工程施工风险水平划分为4个等级，风险评语集合记为V={V1,V2,V3,V4}={低度风险，中度风险，高度风险，极高风险}。

2)权重计算 采用层次分析法确定单一准则下同层次n个风险因素的权重集。将同级风险因素两两比较(含自身比较)，按表7将比较结果数量化，构成n阶判断矩阵，元素aij表示i因素相对于j因素的重要程度。

表7 九标度各因子重要性大小比较数量化

计算判断矩阵的最大特征值λmax及对应的特征向量W，通过一致性检验后，该特征向量表示该层次n个风险因素相对于评价目标的权重向量。

钻孔灌注桩施工，WJK-1={35.63%，5.32%，15.16%，28.28%，10.02%，5.58%}T；三轴水泥搅拌桩施工，WJK-2={8.71%，5.66%，33.73%，51.89%}T；支撑体系施工，WJK-3={12.70%，5.96%，11.48%，69.86%}T；基坑降排水施工，WJK-4={64.83%，22.97%，12.20%}T；土方开挖，WJK-5={7.46%，23.70%，15.18%，10.40%，2.78%，4.95%，1.99%，3.07%，30.47%}T；基坑工程施工工序的权重向量计算，WJK={12.78%，7.02%，29.67%，4.14%，46.39%}T。

3)隶属函数的确定 假定风险事件的风险等级为L-R型模糊数，建立各风险事件对于风险评语集合V中各风险等级的隶属函数μ(x)：

(1)

式中：a，b为正数；L(x)为线形增函数，右连续；R(x)为线形减函数，左连续，且0≤L(x)，R(x)<1。

建立的隶属函数如图2所示。

图2 隶属函数

不同风险等级的隶属函数表达式如表8所示。表8中横坐标x为评价对象的概率估值和风险损失估值的乘积，即P×C。

表8 隶属函数表达式

4)风险事件隶属度计算 将风险事件的可能性估值P与严重程度估值C的乘积代入隶属函数，得到该风险事件相对于各风险等级的隶属度向量，各施工工序的隶属度判断矩阵如下。

钻孔灌注桩施工：

三轴水泥搅拌桩施工：

支撑体系施工：

基坑降排水施工：

土方开挖施工：

3.2.4模糊综合计算

从最低的风险事件层逐层向上进行多层次综合评判，将各风险事件的权重向量与判断矩阵进行模糊计算，得各施工工序的隶属度向量：

S=WT·R

(2)

钻孔灌注桩施工风险隶属度向量：

SJK-1={0，0.617，0.383，0}

三轴水泥搅拌桩施工风险隶属度向量：

SJK-2={0，0.144，0.856，0}

支撑体系施工风险隶属度向量：

SJK-3={0，0，1，0}

基坑降排水施工风险隶属度向量：

SJK-4={0，0.352，0.648，0}

土方开挖施工风险隶属度向量：

SJK-5={0，0.058，0.637，0.305}

根据最大隶属度原则，钻孔灌注桩施工风险为中度风险，三轴水泥搅拌桩施工、支撑体系施工、基坑降排水施工、土方开挖施工风险为高度风险。

将施工工序的权重向量与各施工工序隶属度向量组成的判断矩阵进行模糊运算，得基坑施工风险隶属度向量：

根据最大隶属度原则，K5+700—K6+500里程范围的基坑工程施工风险为高度风险，与总体风险评估结论一致。

为了验证已建立的模糊综合评判模型对于明挖段基坑施工过程风险评估的适用性，依据相关规范[8-9]，基于施工风险估测结果及同层次各风险因素相对于评价目标的权重向量，采用层次分析法(AHP)重新对明挖基坑施工过程进行专项风险分析。

将各风险因素的概率估值与风险损失估值的乘积P×C定义为风险系数，已知任一施工工序所包含的各风险因素的权重向量W、风险系数向量X，可得到该施工工序的综合风险系数R=WT·X。根据风险系数R值大小划分各施工工序的风险等级：R=1时，风险等级为低度风险；19时，风险等级为极高度风险。

以钻孔灌注桩施工为例，共包含6个风险因素，各因素的风险权重向量WJK-1={35.63%，5.32%，15.16%，28.28%，10.02%，5.58%}T，风险系数向量XJK-1={3，3，2，4，4，3}T，因此考虑各风险因素权重向量的钻孔灌注桩施工综合风险系数RJK-1为3.23，为中度风险；同理可得出三轴水泥搅拌桩施工综合风险系数RJK-2为4.75，为高度风险；支撑体系施工综合风险系数RJK-3为5.65，为高度风险，基坑降排水施工综合风险系数RJK-4为4.82，为高度风险，土方开挖施工综合风险系数RJK-5为7.66，为高度风险，各工序的风险等级与建立的模糊综合评判模型的评估结果相同，说明模糊综合评判模型对于基坑施工过程的风险评估具有较好的适用性。

3.3 风险控制

妈湾跨海隧道明挖段基坑施工过程中，对于风险等级为中度的钻孔灌注桩施工过程应加强施工监测；对于风险等级为高度的三轴水泥搅拌桩施工、支撑体系施工、基坑降排水施工、土方开挖施工过程，除了应加强施工监测外，还需采取风险处理措施降低风险等级，降低风险的成本不高于风险损失[8-9]。

基于K5+700—K6+500里程范围的基坑工程施工过程的风险评价结果，给出典型风险的控制措施建议，如表9所示。

表9 典型风险及控制措施建议

4 结语

1)建立隧道基坑总体风险评价指标体系，对妈湾跨海隧道K5+700—K6+500里程范围的基坑施工总体风险进行评估。评估结果表明，该里程范围内基坑施工总体风险等级为高度风险。

2)采用模糊层次分析法，对K5+700—K6+500里程范围的基坑施工过程进行专项风险评估。结果表明，该里程范围内基坑施工风险为高度风险，与总体风险评估结论一致，给出各施工工序的风险等级及基坑施工过程中潜在重大风险源的控制措施建议。

3)通过层次分析法验证了采用模糊综合评价评判模型对基坑施工过程风险评估结果的合理性，风险评估结果客观合理，验证建立的总体风险指标体系及模糊综合评判模型在隧道基坑工程风险评估中具有良好的可行性。采用的风险评估思路及评价方法对类似工程具有重要的参考价值。