膨胀土矿山法地铁隧道下穿既有车站的施工风险定量评估*

施有志，林联泉，车爱兰，秦佳佳

1. 厦门理工学院土木工程与建筑学院，福建 厦门 361024

2. 厦门市建设工程质量安全监督站，福建 厦门 361003

3. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240

4. 中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011

地铁工程因其地理位置特殊、地下作业多、涉及工程专业多等特殊性，导致建设过程中的不确定因素较多，安全风险大［1］。随着地铁建设规模的大力发展，新建地铁线路穿越既有地铁结构或轨道线路已不可避免［2］。当新线近距离穿越既有线或车站时，必然对既有结构产生扰动，影响隧道施工及上覆既有车站运营的安全［3-4］。此类地铁建设存在极大的风险，一旦引发安全事故，后果不堪设想［5-6］。国内已有不少学者对近距离下穿隧道的风险评估展开了研究。吴涛等［7］以青岛地铁3 号线为例，结合地铁下穿的20 栋建筑物现场检测鉴定结果，采用模糊综合评判法，评价不同程度的建筑物风险，并划分出风险等级；何梦超等［8］以福州地铁1 号线盾构隧道为案例背景，通过模糊故障树分析提出了基于模糊故障树的盾构隧道下穿既有轨道事故风险评估方法；贾剑青等［9］依托兰州轨道交通1 号线工程，考虑机械、人工操作、环境等风险，建立了下穿黄河隧道盾构施工的风险指标体系，采用层次分析法及多级模糊综合评价法，对施工风险进行了评价研究。但未见涉及下穿既有地铁车站隧道的工程案例。城市地铁下穿隧道施工条件本身就已比较复杂，如遇到膨胀土这样具有显著胀缩性，且干湿过程具有可逆性的多裂隙地质体，很可能引起隧道底部隆起、围岩开裂、支护结构变形破坏、围岩膨胀坍塌等危害［10-11］。目前关于膨胀土地层路基［12］、边坡［13］、基坑［14］施工的研究很多，也有部分学者对膨胀土隧道展开研究［15-16］，但未见关于穿越膨胀土地层，且近距离下穿既有地铁车站隧道的施工风险评估的报道。

本文以合肥市轨道交通5号线某区间隧道下穿既有地铁车站暗挖段工程为对象，构建故障树；然后，采用三角模糊函数来表征底事件的发生概率，计算出顶事件发生的概率、基本事件的重要度；最后，建立因素集和评价集，通过模糊层次分析法确定因素权重，专家打分法确定隶属度，并对上覆地铁车站破坏风险进行模糊综合评价，风险等级评定。

1 工程概况

合肥市轨道交通5 号线云谷路站-华山站下穿既有车站暗挖段的隧道采用矿山法施工，右线里程为K5+172.307-K5+215.207 m，长42.9 m；左线里程为K5+172.307-K5+226.207 m，长53.9 m。区间左右线间距16 m，标准段外皮净间距7.8 m。因隧道主体结构拱顶最小覆土仅1.988 m，下穿既有结构施工必然对既有结构产生扰动，甚至引起上覆既有地铁车站变形破坏。暗挖段与既有1号线车站关系图，如图1所示。

图1 暗挖段与既有1号线车站关系图Fig.1 The relationship between the dug section and the existing line 1 station

此外，该区间穿越的黏土层具有弱膨胀潜势，表现出显著的吸水膨胀和失水收缩变形性能。地下水类型主要为上层滞水，水位埋深为0.60～3.90 m。在暗挖区间隧道施工过程中，地表水容易顺着原基坑围护桩或车站外墙渗入地层中，引起隧道变形过大甚至坍塌，进而影响上覆车站的安全。

2 故障树的建立

以“上覆地铁车站变形破坏”为顶上事件，将造成上覆地铁车站变形破坏的因素分为下穿隧道因素、地质因素和上覆车站自身因素，见图2。

图2 上覆车站变形破坏的安全风险故障树Fig.2 Safety risk fault tree for deformation and failure of overlying station

2.1 下穿隧道因素

下穿隧道因素的风险故障树如图3所示。其破坏因素分为2个大类：超前支护加固和隧道变形。

图3 下穿隧道因素子系统安全风险故障树Fig.3 Safety risk fault tree of factor subsystem of underpass tunnel

2.1.1 超前支护加固超前支护的注浆压力较难控制，当注浆压力过大时会引起土体隆起，导致上覆车站局部应力过大而变形。当大管棚或超前小导管打设角度过大，直接打入了上覆车站，将会使得上覆车站出现结构损失。而超前支护注浆加固强度不足时，还可能引起上覆车站沉降变形。因此，超前支护加固的基本事件为注浆压力过大、打设角度过大侵犯上覆车站、注浆加固强度不足。

2.1.2 隧道变形开挖方法、导坑开挖顺序或各导坑的步序间距不合理，都会引起隧道变形过大。而隧道施工过程中初期支护和二次衬砌的强度不足时，也会导致隧道塌方、上覆车站变形。因此，隧道变形的基本事件为开挖工法不合理、支护强度不足。

2.2 地质因素

地质因素包括不良土质影响和地下水位影响。不良土质影响主要包括膨胀土、湿陷性土、软土及其他不良地质。膨胀土吸水膨胀、失水干缩，具有显著胀缩性。在微量渗水条件下，膨胀土会发生轻微松动，进而影响上覆车站的耐久性；在大量渗水条件下，膨胀土会完全松动，失去强度，导致隧道塌方。大量渗水一般只发生在施工阶段，而微量渗水不仅发生于施工阶段，运营阶段也有可能发生。

地下水位下降会引起土体固结沉降，进而导致上覆车站沉降。地下水位上升会引起土层强度下降，可能导致隧道塌方从而影响上覆车站稳定。地质因素的风险故障树如图4所示。

图4 地质因素子系统安全风险故障树Fig.4 Safety risk fault tree of geological factor subsystem

2.3 上覆车站自身因素

完损现状差和地表水渗水通道是上覆车站自身的破坏因素。我国《城市轨道交通设施养护维修技术规范》［17］将车站结构状态总体技术评定结果分为1～5级。地铁车站在运营中很有可能会出现结构裂缝和沉降变形。而地表水会通过车站的结构（桩或墙体外侧）渗入车站下方，形成渗水通道，导致下面土层增湿。因此，上覆车站自身因素的风险故障树如图5所示。

图5 上覆车站自身因素子系统安全风险故障树Fig.5 Safety risk fault tree of subsystem with its own factors of overlying station

2.4 最小割集

通过“下行法”对故障树进行遍历得出224个割集，均为四阶割集。最小割集的逻辑运算为

3 顶事件的概率及底事件的重要度

3.1 底事件发生概率

采用三角模糊数表征基本事件发生的概率（α，m，β），如表1 所示。首先确定各底事件中值m，α和β为m的左右扩展值。在下穿隧道施工过程中，注浆压力过大、打设角度过大侵犯车站、各导坑的歩序间距不合理等事件发生的风险大，因此取高值；二次衬砌强度不足的风险最低，取值最小。在地质因素的基本事件中，由于本次研究只涉及膨胀土，因此X9～X11的发生概率为0。

表1 底事件发生概率Table1 Probability of occurrence of bottom event

3.2 顶事件发生概率

根据模糊数区间运算法则求得顶事件发生概率［18-19］， 可近似表示为（0.134%， 0.988%，3.690%）。顶事件故障树见图6。

图6 “上覆地铁车站变形破坏”故障树模型Fig.6 Fault tree model of"Deformation and failure of overlying subway station"

3.3 底事件的重要度分析

顶事件故障树的重要度排序为

澳大利亚《F-10体育与健康国家课程标准》非常重视培养学生的创造性思维，有意识地引导学生在知识学习和运动过程中运用创造性的思维来思考问题、解决问题，引导学生自主设计运动游戏，包括通过自主设计和修改规则促进公平竞争，培养学生敢于创造的勇气和能够创造的能力。我国目前的体育与健康课程在创造性思维的培养方面还有所欠缺，建议加强对于学生创造性思维能力的培养。

底事件的重要度见表2。在所有底事件中，上覆地铁车站的结构裂缝对顶上事件的影响最为显著。在下穿隧道因素中，注浆压力过大、打设角度过大侵犯车站和各导坑的歩序间距不合理影响最明显；在地质因素中，微量渗水下膨胀土轻微松动、水位下降土体固结沉降和水位上升土层强度下降对顶事件的影响最明显。

表2 基本事件重要度Table 2 Importance of basic events

4 上覆车站安全风险评估

4.1 模糊层次综合评估

4.1.1 建立因素集参考规范［20］，“上覆地铁车站变形破坏”事件的后果评价因素为

4.1.4 一级模糊综合评价设uij=（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）表示第i个因素第j个等级，相应的权重为aij，则对于ui的等级权重集为

表3 专家打分评价矩阵Table 3 Expert scoring evaluation matrix

4.1.5 建立因素权重集先构造两两比较判断矩阵［21］，如表4 所示，再由判断矩阵计算被比较因素的相对权重。具体步骤如下：

表4 判断矩阵Table 4 Judgement matrix

①引入三角函数［22］，转换成三角模糊函数表，见表5。

②通过表5计算列向量的几何平均数ri。其中

表5 三角模糊函数表Table 5 Trigonometric fuzzy function table

则所求的特征向量为W=[0.644，0.074，0.282]T。

⑥计算判断矩阵的最大特征根λmax。

最后，进行一致性检验。本算例CR ＜0.10，满足要求［23］。

4.1.6 二级模糊综合评价将4.1.3 节和4.1.5节求得的结果代入，得

4.1.7 评价结果采用等级评分办法确定“上覆地铁车站变形破坏”风险事件后果的等级。分值乘以权重，总分为2.712，事件后果等级的模糊值在（需考虑的，严重）之间，见表6。

表6 等级评分Table 6 Grade score

4.2 风险等级综合评定

因第3.2节顶事件“上覆车站变形破坏”事件的发生概率为（0.134%，0.988%，3.690%），事件后果等级在（需考虑的，严重）之间。参考规范［20］，评定出顶上事件的风险等级区间，可以得出“上覆车站变形破坏”的风险分级分布在二级、三级之间。

5 工程实施情况

为降低下穿隧道施工对上覆地铁车站的影响，以开挖导坑顺序为①→③→②→④，开挖步距为0.5 m 的优化方案进行施工，在开挖前对下穿车站段上半断面土体采取袖阀管注浆加固处理（见图7）；并在工程现场布设了地表和车站结构沉降测点，如图8所示。隧道施工过程中，既有车站结构沉降变化曲线如图9所示。

图7 注浆加固断面图（单位：mm）Fig.7 Grouting reinforcement section map(unit:mm)

图8 监测平面图Fig.8 Monitoring plan

图9 既有车站结构沉降随距离变化曲线Fig.9 The change curve of the existing station structure settlement with the distance

从图9中可以看出，地表沉降与既有地铁车站结构沉降最大值均处于允许范围之内。隧道自身及既有车站结构基本处于安全稳定状态，文章提出的上覆车站安全风险评估模型正确可行。

6 结 论

本文对合肥地铁5号线隧道下穿既有车站的施工风险评估进行了研究。建立了“上覆车站变形破坏”的故障树模型，得到了顶事件的发生概率和底事件的3种重要度值，并对模型进行了FTA 定量分析，以确定降低风险的措施；运用模糊层次分析法，分别得到“上覆车站变形破坏”风险事件的发生概率和事故后果的严重程度，确定了风险事件的风险等级。最后，通过工程实例，验证了本文的风险评估模型的正确性和可行性。