“日”形地下环隧施工风险因素综合分析

翟 越， 孟凡东， 屈 璐， 张韵生， 高 欢

(长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054)

随着城市化进程加快，人口迅速向城市中心集中，地面交通压力增大，城市地下交通系统开发力度随之逐渐加大[1]。城市环隧作为一种新型的城市地下交通系统，能够在很大程度上缓解城市核心区域的交通拥堵问题[2]，且具有重大的社会、经济效益。目前，北京、上海、重庆等地均有不同规模的环隧工程在建或投入使用，该类隧道未来必定会在城市中有更多的建设。

城市地下隧道工程由于其建设地质环境多样性、设计方案的局限性、施工环境的不确定性、周边建筑及人为因素复杂性等多方面的影响，易产生严重的建设生产安全事故[3-4]。环形隧道相较一般隧道不仅兼备以上特点，其特殊的形式还易引发通风、疏散及结构应力集中等更为复杂问题产生。一旦发生安全事故，将会造成巨大的经济损失及人员伤亡。所以，对城市环隧工程进行风险分析，及时防控安全事故的发生显得极为迫切和重要[5]。

目前中外对于隧道工程风险评价分析的研究很多，并取得了丰硕的成果。对隧道的风险分析方法有层次分析法[6]、故障树法[7]、检查表法[8]、作业条件危险性分析法、数值模拟结合法[9]、模糊神经网络法[10]、模糊综合评判法[11]及贝叶斯网络法[12-13]等。在此基础上进行方法改进的也有许多[14-15]。现有的隧道安全风险评价主要针对常见的公路、铁路隧道，鲜有对城市地下环隧，特别是“日”形环隧这种复杂的新型隧道建设安全的研究。Saaty[16]最先提出了层次分析法的概念，此种方法在多目标决策问题中占有极其重要的地位。但具有难以调整不满足一致性的矩阵等问题。张吉军[17]引入模糊一致矩阵的概念并给出了模糊层析分析法，解决了层次分析法存在的问题。模糊层次分析法考虑了多个相互作用的因素和各因素对于工程安全影响的模糊性，这种原理简单的、将定性分析与定量分析相结合的方式能很好地对所处建筑环境、施工条件及管理复杂的工程中的众多风险因素进行评估[18]，更适用于本文研究中特殊的、复杂的环隧工程实例。因此，现利用模糊层次分析法进行风险因素研究，以期为城市环隧建设风险防控提供新思路。

1 环隧工程实例介绍

1.1 工程概况

工程实例为某在建环隧，由主隧道、出入口支隧道及连接主隧道的连接隧道三部分构成，属于双环隧道。隧道(含敞口段)总长度为2 373.9 m，主隧道平面呈“日”字形(图1)，总长度为959.4 m。共设置5个出入口(2个单向入口，1个单向出口，2个双向出入口)，出入口匝道(含敞口段)总长度为1 414.5 m。隧道等级为二类城市交通隧道、单向两车道。

图1 地下隧道及周边建筑示意图Fig.1 Sketch map of underground tunnel and surrounding buildings

1.2 工程重难点介绍

(1)目前中国已经修建多条城市环隧，如北京奥林匹克公园环隧、北京中央商务区(CBD)环隧、重庆解放碑区环隧及北京金融街环隧等均属于单环隧道[19]。拟建“日”形环隧属于双环隧道，相较单环隧道，增加了6个三岔路口。三岔路口增多后，引发的安全事件有两点，一是影响隧道内稳定风压的形成，并扩大烟气蔓延范围，发生火灾时，将会严重影响烟气、人员疏散；二是三角拐点的建筑结构会存在应力集中，对建筑结构的疲劳寿命影响很大，易引发结构开裂等危害。

(2)本项目隧道基坑平均深度13 m，而在建环隧的周边紧邻7座建筑高度在150～350 m的超高层建筑，最近距离3.4 m，周边建筑间距情况如图1所示。在基坑开挖过程中，土体、围护结构和临近建筑桩基础三者之间是相互影响的。由图1所示的临近高层2#建筑，地下工程锚索抗滑桩的锚索长度计划为28 m，已经打入本基坑边界内，不仅影响本项目基坑开挖施工，而且施工期间会影响到2#建筑基坑的稳定性。

(3)在建深基坑内，分布着已建好的雨水管道、污水管道、给水管道、燃气管道、热力管道、电力管道以及通信管道。所涉及周边地下管线均置于规划开挖的深基坑之内，受深基坑开挖影响。其中除电缆以外的管线大部分都进行了改迁，但仍有约近1 km电缆管线不允许改迁，在深基坑开挖过程中，由于土体位移、机器挖掘等原因，会对地下管线造成破坏，产生管线断裂、变形、破裂等问题，会影响周边甚至大范围的城市居民正常生活。

2 安全分析

针对拟建工程的安全评价首先建立评价指标体系，之后构造成对比较矩阵，最后计算权向量及组合权向量并作一致性检验，得出各风险指标因素的影响权重。

2.1 评价指标体系建立

依据评价指标体系划分原则，指标体系分为目标层(M)、准则层(Mi,i=1, 2, 3, 4)、指标层1(Mij，j=1, 2, 3)和指标层2(Mijq,q=1, 2, 3, 4，5)共4层；上层元素对下层起支配作用，且相同层元素互不相交。参考现有对于地铁深基坑、隧道等工程建设过程中识别的风险因素，并结合本工程自身特点，将可能引起城市环隧建设过程中发生事故的风险因素归纳为地质环境风险、建筑环境风险、建筑设计风险和施工建设风险4类，并作为准则层。建立的风险分析模型如图2所示。

图2 城市环隧建设风险评价指标体系Fig.2 Risk assessment index system of urban ring tunnel construction

2.2 确定评语标准等级

根据文献[20-21]中对隧道施工时的安全风险等价的划分，依据城市环隧建设过程中事故发生的可能性，将风险划分为4个等级：高、较高、较低、低。相应的评价集V={4，3，2，1}，4为很可能发生事故，3为可能发生事故，2为偶然发生事故，1为不太可能发生事故(表1)。

表1 事故发生可能性Table 1 Accident probability rating criteria

2.3 构造成对比较矩阵

利用专家打分法，从层次结构模型的第2层开始，对于从属于(或影响)上一层每个因素的同一层诸因素，用成对比较法和1～9比较尺度[22]构造成对比较阵[23]，直到最下层。专家组构成信息如表2所示。成对比较阵A形为

表2 专家组构成信息Table 2 Information on the composition of the expert group

(1)

式(1)中：aij为第i个因素相对于第j个因素的比较结果。式(1)满足以下要求[24]：①aij>0；②aij=1/aji；③aii=1。

2.4 计算权向量并做一致性检验

对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致检验[25]。若检验通过，特征向量(归一化后)即为权向量：若不通过，需重新构造成对比较阵。

计算最下层对目标的组合权向量，并根据公式做组合一致性检验[11]，若检验通过，则可按照组合权向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率较大的成对比较阵。

2.5 模糊综合评判

对城市环隧的单因素评判ri={ri1,ri2,…,rim}，对应模糊子集的隶属度R[26]为

(2)

式(2)中：rpm为被评价的影响因素up对应评价集V标准等级模糊子集的隶属度。

对各因素发生事故风险进行综合评估，运用模糊矩阵乘法的运算法则[26]，评价向量B为

B=AR

(3)

式(3)中：A为指标因素权向量。

3 评价结果及对策分析

3.1 模糊综合评判结果

依据得到的各指标权重(表3)，对本实例工程的模糊综合评判结果计算如式(4)和式(5)所示。综合评价值v为2.727。

表3 各级指标权重汇总表Table 3 Summary of weights of indicators at all levels

可以得出，本工程环隧建设过程中不太安全，可能会发生事故。应严格控制建设中风险高的各指标的执行。

B=AR=[0.1,0.3,0.3,0.3]×

(4)

(5)

3.2 指标权重计算结果

3.2.1 准则层结果及对策分析

根据表3所示，准则层中相比其他三个指标，地质环境风险对目标层影响最小。这是因为依照现有经验及相邻场地工程建设情况，特殊岩土及人为坑洞对工程施工建设影响较小，采取相应加固措施即可避免风险发生；且场地距地裂缝的最近距离较远(大于300 m)，大于地方相关规程中规定的一类建筑的避让距离。上述两原因使得地质环境风险对目标层的权重仅为0.1，而其他3指标的权重均为0.3，表明本项目在建设期间，应重点关注建筑环境、建筑设计及施工建设。在环隧建设过程中，建筑设计前首先要通过文献调研、资料收集等方式查明拟建场地的地质环境，尤其是建筑环境；在选材与建筑布局、防排烟系统及结构设计时要充分考虑本环隧项目多三岔口的需要；在后续施工时要加强安全管理，完善安全管理制度，做好安全教育培训及宣传、工人安全常规控制措施及安全措施。将上述3个方面同时兼顾，才能在最大程度上降低工程总体风险。

3.2.2 指标层1结果及对策分析

图3可以更加直观地看出指标层1中各指标元素对目标层影响大小。如图3所示，邻近建筑及地下管网对工程安全性影响最大，其次为机械作业与人为作业，再次为荷载设计。将上述5个指标定为主要影响因素，所占权重比例高达71.75%。针对上述主要影响因素，要对每一指标采取相应对策防止事故的发生。在建筑设计前应充分考虑周边建筑对拟建基坑变形的影响，在施工建设时，必须对基坑以及周边建筑物进行更好的监测监控并加强基坑的支护。

图3 指标层1对目标层总排序权重Fig.3 The total ranking weight of the index layer 1 to the target layer

隧道开挖时，要严格重视其对周围管道的影响[27]。建议将拟建基坑影响内的管线均进行改迁，改迁距离以及相关的要求要满足《电力工程电缆设计标准》(GB 50217—2018)和《城市工程管线综合规划规范》(GB 50289—2016)的规定；现场情况确实不允许管线改迁，则需在施工过程中采用支架保护、逆作法[28]或悬吊保护等方法对管线，尤其是电缆进行保护，以防止被损坏。

在施工时，应注意机械、人为作业过程，需要根据不同地质条件，合理选择施工设备，配备专业施工队伍施工；涉及的各种大型挖掘机、塔吊、吊车等大型机械设设备的使用，应严格执行有关机械的安全操作规程，由专人操作并加强机械维修保养，严禁违章操作。

设计过程中，应严格设计标准，一旦在工程地下施工过程中发生不符合前期勘察和设计的情况，设计单位和勘察单位应及时沟通，变更勘察和设计内容，以防出现工程事故。

图4 指标层2对目标层总排序权重Fig.4 The total ranking weight of the index layer 2 to the target layer

3.2.3 指标层2结果及对策分析

指标层2对目标层总排序权重如表3所示。由表3可以直观地发现指标层2对目标层的影响大小。其中，管线分布、管线类型、邻近建筑间距、邻近建筑基坑设计、运动物危害(机械作业)、管线设计(荷载设计)、进出口设计(荷载设计)及防护缺陷为主要影响因素，权重总和所占比例高达50.97%；运动物危害(人为作业)、进出口设计、人员组织失误、安装调试失败、消防分区、地裂缝、古墓穴、坑洞、用地条件、邻近建筑高度、操作失误、填土结构松散、黄土状土质不均为中等影响因素，权重总和比例为31.54%；其他指标因素所占权重较小，确定为次要影响因素。指标层2各指标因素的研究使得对指标层1中主要影响因素的管理更具有针对性，将重点放在指标层2中各主要影响因素，减少管理的盲目性。坚持主要影响因素管理为主，中等影响因素为辅，兼顾次要影响因素的原则。

4 结论

以某在建环隧为研究背景，基于模糊层次分析法，结合统计分析方法对其运营前存在的各种风险因素进行分析，得出结论如下。

(1)本项目的模糊综合评价结果显示具有较高风险，可能发生事故，建设过程中应重点注意高风险指标引发危险事故。

(2)本项目在建设过程中，建筑环境风险、建筑设计风险及施工建设风险同等重要，相比下地质环境风险影响较小。通过对指标层1的研究分析得出，要重点关注拟建场地周围的管线分布、管线类型以及周边建筑的距离及邻近建筑的基坑的设计方案；而施工时是否规范作业以及建设设计时是否满足工程实际需求也不容忽视。

(3)依据指标层2中各指标对目标层影响权重，将其划分为主要影响因素、中等影响因素、次要影响因素三类。隧道建设时要对主要影响因素要实施针对性的重点监管，对中等影响因素、次要影响因素实施综合的辅助管理。