超大型沉井基础的施工风险评估

2021-12-28刘东东冯传宝

西南交通大学学报 2021年6期

施洲，刘东东，纪锋，冯传宝

（1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2. 中国铁路上海局集团有限公司，江苏南京 200142）

沉井基础具有良好的承载能力、结构整体性好且施工便捷，在现代大型桥梁中应用较多，然而，随着桥梁跨度、承受公路及铁路荷载的不断发展，沉井基础平面、体积记录不断刷新，在设计、施工阶段均面临更大的困难和工程风险. 在施工阶段，大平面尺寸沉井结构受力复杂，且受复杂地质因素影响显著[1]，在开挖不均匀、涌水翻砂、突沉等异常工况下井壁易开裂甚至影响沉井施工的成败[2]. 在国内的南京长江四桥、马鞍山大桥、鹦鹉洲大桥等[3]大跨度桥梁的沉井基础施工过程中，为满足沉井施工安全与质量要求，相关沉井施工关键技术、沉井结构安全评估、施工监控等措施得到高度重视[4]. 桥梁等大型土木工程在建设阶段的风险评估及控制对策问题日益受到关注，国内外学者在工程事故研究、风险损失模型及概率模型表达、风险决策理论等多方面进行了探索.Hillson 等[5]研究并开发了风险分解结构法（RBS），并将工作分解结构（WBS）[6]与之相结合成功用于软件项目风险分析[7]，推广了WBS-RBS 在土木工程建设等项目的风险管理方面的应用. 陈国华等[8]将WBS-RBS 结合层次分析法（AHP）[9]建立了施工风险评价体系，完成跨海桥梁工程的施工风险评估. 丁闪闪等[10]使用蒙特卡洛法建立桥梁施工阶段风险评估模型，通过计算机模拟完成了风险等级划分. 苏洁等[11]在研究地铁下穿桥梁项目风险中，建立了既有桥梁安全风险评估控制体系，应用多种控制与监测手段实现了工程的风险管控. 许振浩等[12]基于AHP对岩溶隧道在施工阶段的突水、突泥风险进行研究，提出了三阶段评估与控制方法，实现风险动态控制.程远等[13]基于AHP，结合专家调查法完成了大跨浅埋公路隧道施工阶段中重要风险事件的识别与权重分析工作，为风险处理提供了依据.

可见，大型工程的风险评估工作在不断发展之中，随着大型沉井智能化施工的发展，对风险评估提出新要求. 目前，既有的风险评估方法各有其优势，但对大型桥梁沉井基础施工分项工程的系统化、程序化风险评估研究较少. 在此，以连镇铁路五峰山长江大桥北锚碇大型沉井基础为对象，基于WBSRBS 及模糊层次分析法（FAHP）开展沉井施工阶段的风险评估研究.

1 风险识别与评估理论

1.1 基于WBS-RBS 与专家调查法的风险识别理论

大型工程的风险识别中，为避免常规识别方法[14]中风险源遗漏，并挖掘复杂工程所涉及的非常规、深层次的风险源，需发展新的风险识别理论方法. WBS-RBS 识别方法通过构建一个工作、风险双维度的结构化逐级分解框架[7]，具有风险项识别全面的优势. 专家调查法能够集中工程专家和行业精英的经验与洞察力. 结合两者优势提出WBS-RBS与专家调查法复合识别法.

风险识别中，基于WBS-RBS，结合专家调查建立工程风险结构分解矩阵（event risk breakdown matrix，eRBM），如图1. 矩阵的横、纵向代表了风险和工作分解状况，每个矩阵元素表示一施工分项在一类风险下存在的具体风险. 然后在工程建设各岗位中选取风险评估人员及行业专家独立判断各矩阵元素位置风险是否存在、可能的风险形式（即风险项及致险原因），并初步考虑可能的出险概率及风险损失，对具体风险事件状态作必要说明. 通过专家调查，还可以对基于WBS-RBS 识别的风险项进行增补调整. 经上述工作，实现工程活动中所有风险的全面识别.

图1 WBS-RBS 风险分解矩阵Fig. 1 Event risk breakdown matrix of WBS-RBS

1.2 基于风险分解矩阵的风险等级评估理论

在大型沉井基础工程施工阶段的风险等级评估中，为提升评估的合理性与可靠性，降低人为因素干扰及相关风险样本少等不足的影响，提出基于WBSRBS 及FAHP[15]的复合风险定量评估方法，采用修正风险值Rrij来表征风险严重程度. 以修正风险值Rrij组成修正后风险矩阵（Rr），并将Rr作为风险等级的评判依据. 其中,i、j为Rr元素对应的行、列序号. WBS-RBS 及FAHP 的复合风险定量评估方法的评价流程如图2 所示.

图2 风险等级评估流程Fig. 2 Operation flowchart of risk assessment

1）初始风险值矩阵RI计算

计算初始风险值矩阵RI，基于WBS-RBS 风险源识别结果通过专家调查、事故分析或观测统计等获得发生概率、风险损失结果、环境影响等量化数据. 在具体的风险量化中，参考既有公路桥隧及铁路桥梁风险评估方法中使用模糊的概率区间P来描述风险事件发生的概率大小，将具体风险按出险可能性划为5 个等级，如表1 所示.

表1 风险概率等级区间划分标准Tab. 1 Interval division standard of risk probability grades

风险损失按照人员伤亡（casualty）、经济损失（economics）和环境影响（environment）分类，根据国家和行业对事故损失的划分标准同样分为5 个等级，并按照1～5 的量值赋值. 风险损失值重点考虑单项大风险，并考虑多种损失的叠加，第x项风险的损失值为

式中：Cx1、Cx2、Cx3分别为第x项风险事件造成的人员伤亡等级、经济损失等级和环境影响等级，从高到低排列；系数0.7、0.2、0.1 亦可根据不同的风险评估及接受标准进行相应调整.

将风险项的发生量化概率值Px与风险损失值乘积作为对应风险项的初始风险值Rin，即

Rin按对应风险项在eRBM 中的出现位置排列即为RI.

2）综合风险权重W计算

为防止不同风险项因数据少及风险认识不足而导致初始风险值差异显著，引入模糊层次分析（FAHP），开展各风险项之间的1～9 标度法对比分析关系，从而形成单层模糊判断矩阵A=[auv]m×m，（u，v= 1，2，3，···，m），其中auv指风险pu相对于风险pv的重要性比例；m为上层风险分解个数，如图1 中R1 即向下分为m个风险. 根据非零对称判断矩阵性质，矩阵A满足A•B=λmaxB，其中，λmax为最大特征值，对应特征向量B=[b1b2b3···bm]T，即为风险pu对应单层权重ωu[16]. 为避免风险评估中人为判别中可能存在的不一致性，考虑随机性条件，引入随机一致性比率C，如式（3）. 当C< 0.1 时，认为矩阵A满足一致性要求，基于专家调查的判断合理有效，否则须进行修正.

式中：R为平均随机一致性指标，由计算或查表得到[17].

采用相同方法计算其他同层、上层节点的单层权重后，按RBS 层级结构关系，将同一分支路径上风险的单层权重相乘得到底层风险的综合风险权重值Wi，组成综合风险权重W=[W1W2···Wn]T，n为底层风险个数.

3）风险项等级评估

在初始风险值矩阵RI和综合风险权重W的基础上，将两者乘积作为修正的风险值矩阵Rr，如式（4）.

其元素值（即修正风险值）越大表示该风险越严重，通过排序得知具体风险项严重性序列. 此外，综合不同专家意见时，引入加权平均计算风险值，并根据专家的专业偏向、经验水平等确定不同专家个人权重.第x项风险的专家综合加权风险值为

式中：wl为第l位专家的权重系数；rx，l为由第l位专家对第x项风险源判断算得的加权风险值；q为专家人数.

为便于衡量风险严重性，建立风险等级判断标准. 极端条件下单项风险的最大风险值RMx= 1 ×Px×Cx= 1 × 5 × 5 = 25. 单项风险服从正态、二项分布、等概率分布等，在此以正态分布模型为基础，并以68%、90%、95%的概率保证率划分4 个等级区间，如表2 所示. 其中，风险分解识别项目越多则单项风险值越小，k为所识别风险项数目，以其作为分母构建风险评估指标值.

表2 风险等级划分标准Tab. 2 Risk classification criteria

4）风险类别及施工分项总体评估

为进一步宏观分析施工分项及风险大类的总体风险状况，将Rr元素按行累计，得到第i类风险的累加风险值Rai，类似地，按列累计得到第j项施工分项风险值Rcj，如式（6）、（7）.

式（6）、（7）中：Pij、Cij分别为Rr矩阵元素的出险概率值和损失值.

最后，将Rai、Rcj分别按数值大小排序，得到风险程度高低的风险类型序列和施工分项序列.

2 基于WBS-RBS 的沉井基础风险识别与评估方法

2.1 超大型沉井基础风险识别步骤

采用WBS-RBS 复合专家调查法进行超大型沉井基础工程风险识别时，从风险和工序流程两个方向，分层次、分环节对工程施工阶段进行考察，通过以下步骤实现：

步骤1 成立评估小组，查阅沉井地勘报告、设计图纸、施工组织设计等相关资料，广泛收集类似工程事故案例，初步了解风险特征及发生原因.

步骤2 使用WBS-RBS 建立风险识别模型，主要分3 步：首先是工作分解（WBS），将沉井项目按工作流程逐级划分形成树状分解结构，末端为具体可实施的具体工序；其次是风险分解（RBS），将工程风险按归属关系进行逐级展开，得到风险结构；最后是结果耦合，将RBS 风险类型与WBS 工作内容逐一对应组成风险识别矩阵eRBM 框架，并初步识别各风险项.

步骤3 向8～12 位沉井设计、施工及监理专家发函进行调查咨询，由专家对eRBM 元素逐个进行判断，若该处风险存在，则说明风险事件状态、类型等信息，并判别其发生概率等级、风险损失等级等；否则计“0”.

步骤4 根据eRBM 内容，将矩阵元素对应的风险事件按施工项目流程进行汇总整理，得到工程施工阶段风险清单，详细说明风险名称、类型及影响，完成风险项识别.

2.2 沉井基础风险评估步骤

在大型沉井基础风险源识别的基础上计算RI，并通过FAHP 确定风险权重，最后综合加权计算风险值划分风险等级，具体步骤如下：

步骤1 基于WBS-RBS 计算RI：采用专家调查法重点对沉井施工风险事件的产生原因、发生概率、损失情况进行调查，其中损失主要考虑人员伤亡、经济损失、环境影响3 类. 汇总专家判断，得知每个沉井工程eRBM 元素（基本风险事件）的风险概率等级与损失等级. 每个矩阵元素计算得到唯一初始风险值Rin，形成新的矩阵RI.

步骤2 FAHP 确定风险权重：模型分析可利用WBS-RBS 中的风险结构RBS 建立权重分析模型，对处于相同层次和分支的风险的相对危害性进行两两比较，将比较结果（风险重要性比例auv）对号入座得到模糊判断矩阵A=[auv]m×m. 计算单层风险权重B，并检验矩阵一致性，满足一致性比率C<0.1000，否则作修正. 对底层风险在不同层次上的权重进行累乘，即得各风险的综合权重值.

步骤3 综合加权及风险排序：综合RI与风险权重值W，对RI按风险类别赋以对应权重，得到Rr，从而将风险事件按风险值排序得到严重性序列，根据风险等级划分标准划分风险源等级，并进一步进行风险类别及施工分项总体评估.

3 大跨度公铁两用悬索桥沉井基础风险识别与评估

3.1 工程背景

主跨为1 092 m 的公铁两用悬索桥——连镇铁路五峰山长江大桥承载四线高速铁路及八线高速公路. 在大跨重载特点下，北锚碇采用沉井基础平衡主缆的巨大拉力. 沉井长宽分别达到100.7 m 和72.1 m，高56 m，是目前世界上平面尺寸最大的沉井基础.沉井结构如图3 所示. 第一节使用钢壳混凝土结构，第二至第十节为钢筋混凝土结构. 沉井下沉穿过的土层有淤泥质粉质黏土、粉砂夹粉土、粉砂、粉细砂1、粉细砂2、粉细砂3、粉细砂4 等. 工程具有覆盖层深厚且松软，施工控制难度大的特点.

图3 沉井结构示意（单位： cm）Fig. 3 Layout of the caisson structure (unit： cm)

五峰山长江大桥超大型沉井尺寸巨大，需分多次接高和下沉，且施工精度要求高；沉井下沉施工方法采用排水下沉和不排水下沉，开挖方法也经历十字拉槽开挖、8 区开挖、4 区开挖、大锅底开挖等多次方法转换，对沉井各部分强度、刚度、在复杂受力状态下的结构耐受能力方面形成诸多风险. 对工程复杂的大型沉井施工，有必要通过施工阶段风险评估对施工中可能遇到的各类潜在风险问题进行分析把握，并有针对性地提出控制对策，达到降低综合成本、保证施工安全和工程质量的目的.

3.2 风险源识别

在该沉井基础项目施工阶段风险识别中，使用WBS-RBS 对工程完成工作、风险结构分解和潜在风险识别，并在RBM 基础上结合专家意见对风险源完成系统性调查. 沉井项目的工作结构分解按沉井施工流程，按次序逐级进行细化分解, 如图4所示.

图4 沉井基础施工阶段工作分解结构Fig. 4 WBS structure of the open caisson foundation during construction stage

风险结构分解时需充分考虑沉井在施工阶段面临的各类风险，包括在工程设计与组织阶段的可能存在的风险遗留. 将沉井基础施工风险R 作为顶层，二级指标层分为：建设条件风险R1、结构设计风险R2、施工工艺风险R3 等5 项初级风险. 类似于工作结构分解，对各初级风险进行再次分解，达到将风险因素完全暴露的目的，所得沉井RBS 底层k=14，详细分解如表3 所示.

表3 沉井工程风险分解Tab. 3 Risk decomposition table for caisson engineering

根据具体工程条件，讨论WBS 和RBS 底层元素对应耦合时暴露出的单个或多种风险事件，若风险元素存在则注明存在形式，作必要解释，否则计“0”，得到eRBM. 使用MATLAB 进行程序化操作，将沉井eRBM 中风险元素进行提取统计，将结果扩展生成风险清单. 经过WBS-RBS 程序性识别，得到大桥超大型沉井基础施工全阶段（包括井壁开裂、井底翻砂/涌水、沉井突沉、沉井几何偏位等）共158 项风险源的风险源清单，其中代表性的风险源（W3-2）工序下的识别的风险事件结果包括：局部软弱土层、过江电塔沉降超限、长江大堤变形、其他民建开裂、极端天气、过降水或补水不当、井底翻砂及涌水、倾斜/扭转/开裂、下沉速度控制差、井外土体液化.

3.3 风险评估

沉井风险的发生概率和损失程度估测是风险估测的两项关键工作. 经过前述的项目风险细化和识别工作，得到风险估测与评价的风险目标元素. 将不同阶段存在的风险源一一列举，编制成风险等级评估调查表. 根据超大型沉井基础工程结构特点、现场工程条件和施工工艺流程、现场管理状况等，并调研既有类似工程事故，借鉴专家经验和洞察力来共同确定沉井风险事件发生概率，得出各风险所处概率等级. 类似地，通过专家调查来估算风险事件造成的损失，如沉井突沉事故可能造成的伤亡人数、直接或间接经济损失、环境影响这3 个控制指标，从而评定出各风险源的损失等级. 汇总处理多位专家数据时，对各组专家数据赋以不同的权重值，尽可能降低专家的个人倾向而得到共识，对比工程单位的事故损失容忍级别确定风险指标等级[18]. 沉井施工风险调查汇总（部分）如表4 所示.

表4 沉井施工风险调查表（部分）Tab. 4 Questionnaire on the open caisson construction risks (part)

对风险值Rin进行加权修正，可以很好地消除由于部分非重要风险被忽略对系统评价产生的影响，使评估结果切近客观风险状态和正常工程经验.

沉井工程二、三级指标权重计算过程如下：

判别大型沉井基础施工底层风险元素对上层目标的重要性. 将二级分解元素，如表3 所示二级指标R1、R2、R3 等风险组成5 阶风险判断矩阵，采用1-9 标度法进行重要比率赋值，得到判断矩阵如表5 所示. 计算得矩阵最大特征值 λmax= 5.290 6，相容性指标CI= 0.072 7，一致性比率C= 0.064 9 < 0.1000，矩阵结果满足一致性要求，计算元素权重B=（0.068 5，0.306 6，0.450 6，0.137 1，0.037 3）.

表5 二级指标元素判断矩阵Tab. 5 Element judgment matrix of secondary indicators

三级风险指标元素对上层元素的重要性权重通过类似方法计算得到，并以施工工艺风险R3 为例作说明如下：五峰山沉井的施工工艺风险R3 如表3 所示分为4 类风险，计算其判断矩阵如表6所示. 通过一致性检验得，矩阵最大特征值λmax=4.0787，相容性指标CI= 0.0262，一致性比率C=0.0292 < 0.1000，说明判断结果满足一致性要求，计算出各元素权重值B=（0.0626，0.1464，0.4721，0.3189）. 经过计算得到沉井施工阶段RI与风险权重向量，对RI依次按列赋权，得到同时考虑整体风险状态和工程细部条件的Rr. 在分析风险评估结果时，按带权风险值大小进行排序. 按等级划分标准，由于k= 14，则Ⅳ级风险对应带权风险值Rrij>1.696，计算结果如表7 所示，最终识别出重大风险源共16 项.

表6 施工技术风险判断矩阵Tab. 6 Risk judgment matrix of construction technology

表7 重大风险源加权风险值表Tab. 7 Weighted risk values of major risk sources

对Rr进行横向和纵向累加，对比后确定具高风险性的风险类型和施工阶段. 通过横向累计排序评出最危险的前几类风险：智能施工及技术风险R3-3、几何姿态偏斜风险R3-4 等前6 类风险即占总风险值的95%，风险程度最为突出，需重点防控.风险类型比较结果见表8. 对Rr进行纵向累加表明：2 次不排水分区开挖及控制W3-3、首次均匀开挖及控制W3-2 等13 项工作在施工阶段风险较明显，是风险控制的主要对象. 工作风险比较结果见表9.

表8 风险类型比较（RBS）Tab. 8 Comparison of risk types (RBS)

表9 工作风险比较（WBS）Tab. 9 Comparison of construction works (WBS)

4 风险控制对策

通过对五峰山北锚碇沉井基础工程的施工风险等级评估，识别出工程所涵盖的一般、中度、高度及重大风险项.

针对北锚碇沉井基础施工阶段识别的风险源，以常规的风险控制、安全教育等控制中低度等级风险源；以施工专项方案、实时施工监控及风险预案等措施控制16 项重大风险源，部分代表性风险源及其具体控制措施如下：1）对周边环境风险中存在的风险事件，如长江大堤、电塔不均匀沉降，提出以下措施：详细补充勘察场地周边土层性质及水体条件；严格验算并分析降水及开挖对大堤、电塔的影响，引入智能化的实时在线监控其沉降情况，严控弃土堆放等. 2）对首次排水下沉中井壁及隔墙开裂、沉井倾斜等风险提出控制措施：开挖启动平稳控制；严控井内降水位；开展仿真分析优选十字开槽各仓室均匀开挖工艺；实时在线监测沉井应力及变形. 3）对不排水下沉施工中突沉风险控制：引入三维声呐技术监测井内水下泥面标高，控制均匀取土；下沉至砂土层时，严控沉井内外水位；下沉后期采用射水和空气幕降低摩阻力并促进下沉，避免滞沉及突沉. 4）对翻砂涌水的措施：及时监测井下泥面标高；严控刃脚埋深；控制井下吸泥速度，并避免刃脚过度吸泥开挖形成局部深坑及翻砂通道；严格控制沉井内外水头差等.

此外，在工程施工过程中，需跟踪相应控制措施的具体实施，对风险源进行再次评估其残余风险. 对于沉井姿态偏斜、下沉困难、翻砂涌水、突沉等重大风险，根据控制后的残余风险的具体存在形式和等级实施再评估验证，从而实现风险循环评估与控制.