盾构竖井深基坑工程风险识别与评估

芮大虎，张长海，王 杨，陈永栓，杨建辉

（1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454000；2.中铁十六局集团有限公司，北京100018）

随着城市建设与大型公共设施建设的发展，地下空间开发与利用已成为当前工程建设的主要组成部分。尤其是盾构隧道工程的快速发展，其竖井深基坑工程随之大量涌现。由于深基坑开挖施工具有工期长、施工难度大及对周边环境要求高等特点［1］，因此是一个复杂的系统工程。如2008年杭州地铁湘湖车站基坑事故造成17人遇难，4人失踪的重大事故，给国家和社会带来巨大的经济损失和不良影响［2］。因此，为保证基坑工程顺利实施，应采取科学的方法，对可能遇到的风险进行预测、分析与控制［3－5］。

现行的风险评估理论和技术主要集中于基于不确定理论、概率与数学统计、工程可靠度、模糊数学等多种理论方法。其中，2011年Ondrej等［6］将概率风险评估应用于高速公路隧道，使隧道管理决策者能够较好地提出风险解决方案；Isaksson［7］于2002年采用风险分析理论，对地下工程中不同施工方案的工期与费用进行了分析，并通过工程应用验证了所提出的相应评估模型的合理性；Reilly［8］对大型隧道及地下工程进行风险分析时，着重从工程的风险管理方面进行研究，并应用到美国许多大型地铁工程的风险分析中；王晶等［9］提出了地铁隧道施工过程中风险管理的框架，说明了风险管理在地铁隧道施工中的重要性。然而，就目前关于隧道工程的风险评价中，唯独对盾构隧道始发竖井施工时的风险缺乏研究［10－11］。因此，本文结合北京市南水北调配套工程南干渠3＃盾构竖井深基坑工程，进行了风险评估探讨。根据该标段3＃盾构竖井深基坑地质特点以及周边环境等条件，首先采用工程分解结构（WBS，Work Breakdown Structure）法［12］对基坑工程进行分解，然后采用故障树（FTA，Fault Tree Analysis）法［12］对该基坑工程风险事件和风险因素进行识别，最后应用综合集成评估方法进行评估。

1 盾构竖井工程概况

1.1 工程地质条件

3＃盾构竖井地层结构为粘、砂、砾多元结构，工程地质条件较简单；上部依次为素填土厚度0.5～2.5m，粉土夹粉质粘土总厚度为7～11m；中部依次为中粗砂及粉质粘土，总厚度为1.6～2.7m；下部为圆砾及卵砾石层。

勘探期间，地下水位高程为12.6～13.78m，但局部存在上层滞水，其水位为29.91～32.42m；如遇上层滞水应及时将其抽出基坑，防止水泡基坑。其中，主要含水层圆砾层的渗透系数按80m／d考虑。

1.2 工程特点

3＃盾构井净长度80m，作为盾构始发兼接收井，盾构井始发端、接收端的竖井平面净尺寸均为13.5m×9.0m（长×宽），盾构井中间后配套段净尺寸53.0m×6.6m（长×宽），竖井基坑开挖阶段支护形式采用C25钢筋砼钻孔灌注桩＋钢管支撑形式，基坑深度17.651m。

由于工程施工周期长、开挖深度和跨度大，对支撑围护结构技术要求相对较高，因此如何保证基坑的稳定性成为工程的重点。其中，重点施工工序包括钻孔灌注桩施工、降水施工、基坑开挖及围护支撑和二衬结构施工等。

2 风险识别

根据基坑工程的地质条件和结构特点，首先采用WBS法将基坑工程按工序分解为钻孔灌注桩、基坑开挖与支撑、井点降水及二衬结构；然后再对每一个工序可能产生的风险事件进行分析；最后利用故障树法找出致险因子，并建立风险事件清单。基坑工程施工风险清单如图1所示。

图1 基坑工程施工风险清单

3 风险评估

风险评估［13］是利用综合集成法对基坑工程进行评估。该法是首先采用层次分析法对风险致险因子的重要度进行计算；然后根据调查打分法对风险事件发生的概率、发生后果进行调查估值；最后将风险事件的权重与风险可能性和风险影响后果进行综合计算，以保证计算结果更加客观、可靠。

3.1 评价指标权重的确定

权重的确定采用层次分析法（AHP）［14］。该法是把同级各个因子两两相互比较（包括因子自身比较）；然后按重要性大小在一个9标度表（表1）中进行仿数量化，从而使各因子数量值构成一个“构造判断矩阵”。该矩阵经一致性检验后，其最大特征值所对应的向量即为对应各因子的权重向量。具体重要度分析及相应权重向量计算结果分别如表2、表3所示。

表1 因素两两间相对重要性评估准则及其赋值

表2 A－B判断矩阵

表３ Ｂ－Ｃ判断矩阵

3.2 基坑工程风险计算

风险事件发生的概率P和发生后果C按照表4、表5估值打分。经过专家调查打分估值后，得出各个风险事件的估值，如表6所示。

表4 风险发生概率P等级标准

表5 风险发生后果C等级标准

表6 评价指标估值

对风险事件的风险计算，可据式（1）计算［15］。

式中：R为风险值；P为风险发生的概率；C为风险发生后果等级概率。

例如，风险事件“孔壁坍塌”的风险值R＝P＋C－P×C＝0.4＋0.2－0.4×0.2＝0.52。同理，可计算出钻孔灌注桩施工中其他风险事件的风险值，最后将计算出的风险值组成向量：B1＝ （0.52 0.51 0.65）。

其他工序的风险值向量分别为：

基坑开挖及支撑B2＝（0.68 0.58 0.54 0.6 0.65 0.68）；

井点降水B3＝（0.54）；

二衬结构B4＝（0.36 0.27）。

3.3 风险等级确定

按照综合集成的方法，并根据风险等级表（表7）确定风险等级［16］。

根据综合集成方法如式（2）所示，计算各个工序层的风险值。

式中：R为风险值；W 为各工序权重向量；B为各工序风险值形成的向量。

这样可计算出钻孔灌注桩工序的风险值为0.55，基坑开挖及支撑为0.65，井点降水为0.54，二衬结构为0.29。则各工序的风险值构成的向量即为（0.55 0.65 0.54 0.29），那么基坑工程施工的风险值则为

R＝W×B＝0.335×0.55＋0.384×0.65＋0.202×0.54＋0.079×0.29＝0.57

按照风险等级的定义如表7所示，该基坑工程属于三级，其风险事故后果严重，对工程施工可能造成一定范围内的破坏。其中，基坑开挖及支撑风险最大，二衬结构的风险最小，各个工序的风险值大小如图2所示。基坑开挖及支撑工序中的风险事件的风险示意图如图3所示。

表7 风险等级表

图2 各工序风险值

4 结 语

结合北京市南水北调配套工程南干渠某标段3＃盾构竖井深基坑工程的风险，进行了分析评估，得到以下结论：

1）采用工程分解结构法（WBS）对基坑工程进行分解，然后再根据故障树法（FTA）分析识别各个工序的风险，最后采用综合集成法对该基坑工程总体风险值进行了计算，结果为0.57，判定风险等级为三级，属较高等级。

图3 土方开挖及支撑风险排序

2）根据上述计算结果，可为设计和施工提供风险评估理论依据，并据此采用动态控制与风险管理，优化施工组织设计以确保安全、快速施工。

3）综合集成评估法在一定程度上克服了数据的主观性，从而使结果更加客观、可靠，可为同类工程提供借鉴经验。

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