地铁隧道盾构法施工风险评估

地铁隧道盾构法施工风险评估

1地铁隧道盾构法施工风险评估中国许多城市的轨道交通技术正在快速建设，尤其是大型和小直径隧道的建设。例如，武汉、南京和上海的岳江隧道和狮子海港的广深港列车线路在最近修建的武汉、南京和上海中马江隧道和上海的广深港列车上。无论是建筑规模还是建筑复杂，它都具有投资大、施工周期长、技术复杂、不预测风险和良好的社会环境。这是一项艰难的系统工程。因此,地铁隧道盾构法施工事故也频有发生,并造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此,只有通过合理的风险评估方法比较准确地对地铁隧道盾构法施工风险进行评估,才能有效的控制工程建设风险,以保证工程顺利完成。以往常用的风险评估方法有层次分析法、事故树分析法、蒙特卡洛模拟法、基于熵权的动态评估分析方法等。但是,现有的方法只能进行定性或半定量分析,无法从全定量的角度准确地反映风险水平的高低,还无法将已有的研究成果整合到现有的研究中,历史的经验积累没有很好地得以利用,对不确定性因素也无法准确考虑。由于风险具有不确定性和模糊性,风险水平很难用一个准确数值表示,因此,采用隶属函数来确定风险等级隶属度的模糊评估方法更合理且有效。本文运用数学理论中的模糊综合评判方法构建地铁盾构方案优选的数学模型,进行风险评估,通过评估得到地铁隧道盾构法施工工程的总体风险等级和每个风险事件的风险等级。并以上海地铁隧道盾构法施工工程事故的初步统计数据为基础,对地铁隧道盾构法施工风险进行评估,以期为地铁盾构工程建设的风险控制和管理提供参考依据。2多数人可以接受的评价结果模糊综合评价法是评价主体根据具体情况从模糊的评价尺度出发,进行首尾一贯的、无矛盾的价值测定,以获得对多数人来说均可以接受的评价结果。应用模糊评价时,除了确定评价项目及其重要度和评价尺度外,定义风险为:式中:P和C分别为风险件的发生概率和影响后果,本文中分别以对数概率和模糊对数损失率来表示。2.1险发生频率区间划分标准采用表1所列国际隧道协会(ITA)发布的风险发生频率区间划分标准。在得到每个风险事件发生的自然概率p,再进行对数运算后所得对数概率为:自然概率区间及对应的对数概率区间见表1。2.2对数损失率概率向量现有的损失等级判别标准均采用绝对损失值来界定风险损失的大小,但是对于不同国家、不同地区的不同工程项目并不完全适用。本文采用针对不同工程风险事件的后果损失:式中:Wi为某一风险事件损失总和。一旦出现Ti>1的情况,规定Ti>1时取值为1,且将Ti划分为表2所列的5个区间。某一风险事件发生的对数损失率定义为:表2中对数损失率区间中值可以用向量Ti表示为:由于所引起的损失率可能介于若干个损失率区间,而且其对数损失率处于不同对数损失率区间的可能性不同。采用对数损失率概率向量qi表示对数损失率所处不同对数损失率区间的几率,即:式中:i为任一风险事件,i=1,2,…,m;m表示所有风险事件的个数;qi1表示某一风险事件处于损失等级为1时对应的对数损失率区间的几率,依次类推。在进行工程风险分解时,对于上一层的某一风险事件而言,其q可由本层风险事件的对数损失率概率矩阵与所有对应风险事件的重要度向量计算得到。其中,重要度可以通过数据库统计分析或敏感性分析得到。上一层风险事件的对数损失率概率向量可表示为:式中:ωi为任一风险事件层风险事件相对于上一层风险事件的重要度,i=1,2,…,n;n为该层的风险事件个数。本文采用模糊对数损失率的概念对风险事件进行定量分析,通过q与所对应的对数损失率区间中值向量Rcv的运算,可得任一风险事件的模糊对数损失率为:2.3风险事故后果结合实际工程情况,采用如下5个等级的工程施工风险及其对应的隶属函数。(1)5级风险。风险最高,风险事故后果是灾难性的,并造成恶劣的社会影响和政治影响,其隶属函数为:(2)4级风险。风险较高,风险事故后果很严重,可能在较大范围内对工程造成破坏或有人员伤亡,其隶属函数为:(3)3级风险。风险一般,风险事故后果一般对工程可能造成破坏的范围较小,其隶属函数为:(4)2级风险。风险较低,风险事故后果在一定条件下可以忽略,对工程本身以及人员、设备等不会造成较大损失,其隶属函数为:(5)1级风险。风险最低,风险事故后果可以忽略,对工程本身以及人员、设备等造成的损失极小,其隶属函数为:将不同风险事件的R值代入隶属函数,可得任一风险事件对5个风险等级的隶属度,并形成如下隶属向量:根据最大隶属度原则,可确定每个风险事件的风险等级。3根据地铁隧道结构法的计算，建筑工艺风险3.1事件的发生次数由工作分解结构(WBS)、风险分解结构(RBS)与事故树识别相结合的方法对地铁隧道盾构法施工工程进行分解,其分解清单见表3。将事故树中各风险事件从顶事件开始依次定义为“顶事件”、“第1层中间事件”、“第2层中间事件”等。以表3中风险事件为对象,对上海地铁已建和在建的隧道盾构进行施工质量安全事故调查,并对8名教授和12名具有高级职称的设计人员进行调研,用事件发生次数与隧道总数的商作为事件发生的自然概率,用同层风险事件发生次数的比值归一化处理后作为该事件对上层风险事件的重要度,表3中符号的具体涵义如下:地铁隧道盾构法施工工程A为风险顶事件,其中在第一层中间风险事件中:B1为盾构进出洞时风险事件;B2为隧道盾构推进风险事件。在第二层中间风险事件中:C1工作井塌方;C2盾构进出洞产生的漏水、漏浆;C3盾构进出洞机械设备事故;C4盾构进出洞轴线偏离过大;C5盾构前工作面失稳;C6中轴线偏离;C7管头渗漏;C8管片变形破坏;C9隧道内涌水;C10盾构推进受阻;在底事件中:D1工作井的结构和支护不当;D2洞口开挖方法不当;D3土体加固效果不好;D4洞口附近管片接触不紧密;D5密封材料差;D6洞口密封效果不好;D7盾构验收出错;D8盾构技术文件和技术参数与设计不符;D9施工时操作不当;D10盾构初始掘进姿态不当;D11土层土质不良;D12进洞前100m或50m轴线探测检查失误;D13盾构出洞时姿态调整不当;D14出土量和出土速度不当;D15地下水位控制不当;D16泥水压力过大或浆液配比不合理;D17地质土层不均匀;D18纠偏不及时;D19轴线控制系统精度和稳定性不够;D20管片防水防腐处理不当;D21管片运输或施工时有损坏;D22变形缝密封效果不好;D23管片材质差;D24盾构隧道产生不均匀位移;D25拼装不当,受力不均匀而破坏;D26压浆不当;D27注浆参数不合理;D28管片受损破裂;D29超前地质预报不准确、不及时;D30盾构纠偏卡住。3.2出口数量和联合概率因地铁隧道盾构法施工每个风险顶事件的评估计算方法相同,现仅以盾构进出洞口为例进行计算。由统计资料和调研资料得到表4所列盾构隧道进出口风险事件发生的联合概率。其中,“1”表示发生的概率,“0”表示不发生的概率。通过式(2)可计算出非根节点风险事件的对数概率,其结果见表4。3.3根据最大隶属度确定风险等级通过对地铁隧道盾构法施工工程的质量安全事故初步统计数据和调研资料分析,并结合工程经验可得盾构进出洞的每个基本事件(D1~D13)的qi。结合表3中的重要度,并由式和(8)可求得非根节点风险事件(B1、C1~C4)的qi和C。由式(1)算出的每个中间风险事件的风险值。将其代入式(9)~(13)可得每个风险事件所对应的隶属度并形成隶属向量,根据最大隶属度原则确定各事件的风险等级,以上结果均列于表5。由表5可得:工作井塌方和盾构进出洞产生的漏水、漏浆的风险等级为4级,可能原因是工作井的结构和支护不当、土体加固效果不好、密封效果差等,不可接受,应立即采取有效的控制措施;盾构进出洞机械设备事故和盾构进出洞轴线偏离过大的风险等级为3级,可能原因为操作不当、地层地质不良、初始或出洞时掘进姿势不当等,可均衡风险损失与风险控制成本大小来决定是否需要采取适当的控制措施,并尽量避免设计或施工的人为差错。同理,可计算隧道盾构推进的风险等级为4级,其中中轴线偏离、管头渗漏、管片变形破坏、隧道内涌水风险等级为4级;盾构前工作面失稳、盾构推进受阻风险等级为3级。结果表明,地铁隧道盾构法施工工程的总体风险等级为4级,这与上海地铁盾构工程的风险现状相一致,应根据风险接受准则采取相应的措施预防和降低风险事故所带来的损失。4地铁隧道盾构法施工风险评估模型通过以上分析可知:以统计地铁隧道盾构法施工质量安全事故数据和调研数据为基础,通过模糊综合评价法分析地铁隧道盾构法施工工程,可全面考虑风险事故的基本事件,并计算出地铁隧道盾