盾构法隧道轨道交通施工

盾构法隧道穿越轨道交通工程的施工风险及其控制研究摘要：阐述了在地铁盾构法施工中进行安全风险评估的现实意义和社会意义，并在地铁盾构法施工的特殊性基础上，对国内外有关风险理论和风险管理等研究现状进行了系统总结，给出了在地铁隧道盾构法施工风险管理中新得研究方向和研究建议。关键词：地铁；盾构法施工；风险评估：模糊网络分析。一、 研究背景地铁隧道施工中，主要采用矿山法和盾构法两种施工方法。相对于矿山法施工，盾构法具有更好的地层适应性，特别是对于自稳性差的地层，再加上盾构法施工对周边环境相对扰动小、施工安全性髙、施工速度快等特点，使得地铁隧道施工中大都选择盾构法。虽然盾构法有着其他施工方法难以比拟的优越性，但在英施工期间依然而临着不少问题。在地铁的施工过程中，由于盾构隧道施工会对周边地层变形产生影响，稍有不慎就会影响周边建筑物、市政管线、道路、地表等，如市政道路开裂，地表下沉，房屋岀现大面积裂缝等。近年来在广州、杭州、南京及上海等地，盾构施工导致的事故不断地出现，不仅造成人身伤害和财产损失，还对城市形象和地铁建设产生了较大的负而影响。这些后果的产生不仅对施工区域内城市居民的生活、生产、日常出行带来极大不便，还会对项目的推进造成影响，给建设单位、施工单位带来投资损失、施工成本增加、工期损失等。如何在盾构隧道施工过程中，将盾构隧道施工对既有建筑物的影响控制在合理的范帀之内，在盾构隧道施工过程中，如何制左完善的施工方案、施工工艺，妥善协调组织施工，将风险因素对工程项目的不利影响控制在可预控的范囤之内，是控制近接施工风险的核心。为了更好地管控风险，降低事故发生的概率，对地铁盾构法施工风险管理的进一步研究是非常有必要的且具有显著的社会意义和现实意义二、 国外研究现状第一条盾构隧道始于1874年的英国伦敦泰晤士河水底隧道，至今已有180年，而对风险进行研究评估开始于二十世纪三十年代，至今亦有八十多年。在盾构隧道项目风险研究方而，大量的专家学者对此进行了大量的工作，形成了一系列的研究成果，但对盾构隧道邻近既有建（构）筑物的风险研究则相对较少。相对于盾构隧道施工风险的应用研究，因盾构隧道邻近既有建（构）筑物施工而产生的近接工程项目施工风险分析的研究，则显得进展有些缓慢，特别是近接工程项目施工面临着更多的风险以及更多的不确左性因素，这些潜在风险不仅来自于盾构隧道施工本身，也来自盾构隧道周边地层，包括来自邻近的既有建（构）筑物、地下管线等设施。欧美日等西方一些发达国家，由于在城市化建设的过程中起步早，而轨道交通基础设施建设相对较晚，因此在地下隧逍的建设过程中出现了大量的近接工程等类似项目，特別是国上资源而积极英稀少的日本。由于日本对地下空间的深度开发利用，造成了大量隧道近接或下穿既有建（构）筑物施工，因而积累了大量的可借鉴的工程经验，通过这些工程实践方而的研究，日本发表了大量的关于近接施工的专著，而有些则已经上升为近接施工指南或规范。日本在1997年公布的《既有铁路隧道近接施工指南》，其中对既有铁路近接施工类问题作了较为详细地、系统地、全而地阐述。关于近接工程的近接度如何划分，需要对哪些条件作出分析和判断，这些条件又包含哪些方而。在国外，以概率论为代表的风险分析方法很早就被运用于工程项目风险分析中，人们通过风险分析，来识别和评价项目风险的关键因素，现在风险分析已经成为工程项目管理中的关键部分。Kampman住对哥本哈根地铁工程的风险分析中，建立了详细地地铁工程风险分类体系,构建了风险评估模型，并运用蒙特卡罗模拟法工程项目风险评估模型进行了分析，提岀了具体的风险应对措施。S.D.Costopoulos在对雅典地铁邻近历史文化遗迹的TBM工法施工风险评价中，结合以往的工程经验和有关的专业理论知识，对开挖的地而条件、风险发生的概率和损失程度进行了评估界泄，并通过对相关的监测数据进行分析、研究，最后对雅典地铁项目风险进行了综合评估。SidGhosh和JakkapanJmtanapakaiiont在对泰国ChaloemRatchamongklion地铁工程项目风险分析中，结合相关的文献资料研究，对地铁工程项目风险因素进行了识别、分析，从而识别出影响项目整体的关键因素。Bmland在对伦敦Jubilee线路延伸段工程项目分析中，结合自己在类似工程项目风险评价的经验总结，从而建立了隧道工程项目对周边环境影响的评价体系，并据此得出了该线路施工可能对周边既有建（构）筑物造成的潜在影响，并提出了相应的预防加固措施。三、国内研究现状在国内，以盾构隧道施工的风险分析在研究和实践上时间较短，正处于稳步发展的阶段，而近接工程项目施工风险分析在应用研究上就显得稍有不足了。面对着城市轨道交通设施建设的迅猛发展，近接工程施工项目会越来越多。因此，从事风险分析的研究者对此进行了前所未有的关注。陈亮通过对盾构隧道施工的风险分析，识别出影响项目的关键风险因素，并据此制泄了相应的风险应对措施。同时，对这些信息进行收集、归类、存储，从而建立起盾构隧道工程施工风险数据库，为项目风险管理决策提供信息支持。黄巍通过对上海地铁8号线盾构隧道邻近某既有建筑物桩基的风险分析，结合盾构施工方案、施工工艺以及施工现场的工程、水文地质条件的深入研究，识别岀盾构穿越时的关键风险因素，并提岀了相应的风险应对措施。李兴髙等通过对“现场实际地质参数呈区间分布的特征”进行分析研究后，提议采用区间分析理论来评估地铁施工对既有建（构）筑物的风险影响，并将此风险影响状况划分为3类事件：不可能事件、风险事件和必然事件，同时，引入风险指标nkn2,将风险事件细分为3个级别，并依相应的级别制定相应的应急措施。侯艳娟等通过运用模糊评价法对隧道开挖施工对邻近的既有建（构）筑物的安全影响情况进行了分析、评价，并结合周边环境的特殊性以及复杂性，获得了9类影响近接施工的关键风险因素，并给予了相应的风险等级。齐鑫针对我国ppp模式下地城市地铁建设项目情况，运用了模糊综合评价法、层次分析法以及专家调査法等对此进行了项目风险分析研究。李玉婷针对我国髙速铁路建设投资项目情况，采用了专家调查法、实地访谈法等风险识别方法，对项目风险进行了风险识别，构建了髙铁投资造价的风险指标体系，并先后采用了模糊层次分析法和模糊网络分析法对模型进行了分析、评估，并作出了对比结果。最后,结合工程实际应用，对投资项目风险进行评级，并提出了相应的风险应对播施。黄洪伟针对地铁工程项目施工的复杂性，对影响项目的风险因素进行了识别，构建了适合地铁项目风险评价的指标体系，建立了地铁项目风险评价模型，采用了网络分析法对模型进行分析、评价，并结合具体的工程案例进行了验证。四、国内外研究的归纳与评述（一）国外研究归纳与评述：国外地铁隧道盾构法施工安全风险管理的研究起步较早，许多发达国家逐步发展了比较成熟的风险管理理论研究，积累了大量的地铁项目实践经验，发布了适应本国国情的地铁隧道施工安全相关规范标准，为国际地铁隧道工程的实践提供了指导。通过概述国外研究现状，从风险识别、风险评价、实证研究和风险承担4个方而，述评英可借鉴之处和待探讨问题。（1） 在风险识别环节中，国外学者主要研究了地质条件、周边建筑物、地表和盾构机掘进参数等方面的影响隧道及地下工程施工的风险因素，对于兼具技术和环境复杂性的地铁隧道工程而言，影响盾构法施工安全的风险因素还需进一步全面、深入的识别。因此，为了更准确地识别风险因素，不仅要对盾构法施工进行关键阶段的划分，还应分析各阶段不同来源风险的发生原因和过程。（2） 在风险评价环宵中，国外学者采用了风险矩阵法和风险指数评估法对风险因素的发生可能性和影响程度进行了评估，因难以定量估计，遂引入了模糊理论，值得借鉴。但存在两个问题尚需进一步探讨：一方而，如果待评价的风险因素之间存在相关性，则可能导致评价者在对边界模糊的因素进行评价时岀现偏差，以致评价结果较不准确；另一方面，国外地铁隧逍建设的相关规范中关于风险等级的划分标准，可能不适应于我国地铁隧道建设的实际情况。因此，在对各项风险因素进行评价时，首先应保证风险因素之间相互独立，英次,应结合我国现行标准和规范文件的要求，选择一种符合我国国情和工程实际情况的风险评价方法。（3） 部分国外学者对研究内容进行了实证研究，以验证风险识别方法、风险评价模型的科学性和适用性，对于风险应对措施的实证研究较少。结合盾构法施工安全风险应对措施的研究现状，可以在风险识别和风险评价的基础上，针对重大风险源采取风险应对措施，从而使风险管理的流程更为完整。（4） 从地铁隧道施工安全风险管理相关规范标准文件可以看出，国外隧道与地下工程的风险管理比较注重合同和保险的风险分担方式，例如在合同中明确参建各方的职责和在职业健康与安全风险管理中的作用。在实际工程中，施工单位作为与地铁建设安全息息相关的参建方，在施工阶段实施安全风险管理是十分必要的。（二）国内研究归纳与评述我国的工程项目风险管理始于20世纪80年代，相比于国外发达国家起步较晚。随着我国经济快速发展，基于大型上木工程项目建设的需要，尤苴是以地铁为代表的隧道与地下工程项目的大规模建设，国内学者对于相关理论和实践应用开展了深入地研究，通过概述国内关于地铁隧逍盾构法施工安全风险管理的研究现状，本文从风险识别、风险评价、风险应对、相关规范4个方而，述评其可借鉴之处和待探讨问题。（1） 在风险识别环节中，国内部分学者在统汁地铁施工事故的基础上，分析了事故的来源、类型和发生原因，探讨了风险发生机理。关于风险因素的来源，国内学者主要研究了施工场地工程地质、水文地质和周边环境条件等外部影响因素，并引入了机械设备、操作人员、技术方案、管理和组织等内部影响因素。因此，在关于地铁隧道盾构法施工安全风险因素识别的研究内容中，可以基于我国盾构法施工安全事故的统计，分析风险发生机理，从而比较全而地识别影响施工安全的内部、外部风险因素。（2） 在风险评价环节中，国内学者采用了多元化的风险评价方法主要有可靠度理论、层次分析法、模糊综合评价法、改进的LEC法、概率分布叠加模型（CIM）、故障树与参数灵敏度结合法、物元分析法等风险评价方法，从最初的启性分析方法向左量与泄性分析相结合的方法发展，逐渐弱化了风险评价过程中专家的主观因素，使评价结果更科学可靠。（3） 在风险应对环节中，国内学者主要研究了针对盾构法施工始发和到达、地表沉降、周边建筑物沉降、穿越既有线、穿越复合地层等典型安全风险的技术应对措施，部分学者提岀了管理和组织方而的应对措施，对工程实践具有一肚的指导意义。在关于地铁隧逍盾构法施工安全风险管理的研究中，从工程项目管理描施、组织措施、经济措施和技术措施4个方面采取风险应对措施，其中技术措施可以基于风险评价结果，对影响施工安全的重大风险源实施具体、适用的应对方案。（4） 法制化、标准化和规范化的管理，为我国地铁施工风险管理提供了制度保证，相关法律法规、国家标准、技术规范的相继颁布和实施，为我国地铁隧道建设中全过程风险管理的实施提供了指导和依据。从地铁施工风险管理的相关文献来看，国内研究学者在风险管理的实施流程中，包括风险识别单元的划分、风险等级的评价标准和风险应对的处宜原则等方面，与国家现行的法律法规、标准和相关规范文件的结合程度比较低。因此，在关于地铁隧道盾构法施工安全风险管理的研究中，可以依据我国关于地铁项目建设风险管理、盾构法施工工艺、安全生产管理的现行法律法规、规范和标准文件的要求，实施适应我国国情和工程实际情况的风险管理。五、 可以开展研究的方向地铁盾构法施工安全风险评估中以定性方法为主，主观因素影响大。当前的工作主要集中于盾构法施工的风险因素识别工作，评估工作以圧性的分析方法为主，即便有左性泄量结合的评估方法，评估过程中也夹杂了很多主观因素。无论是左性的风险评估方法还是宦性龙量相结合的风险评估方法，往往采用专家调查法，通过综合打分结果而获取所需要的值,即使邀请一批对该工程非常了解的专家进行打分，调査出来的结果也往往是很不收敛的，这样综合出来的结果较离散。由于项目风险有其自身的不确左性，所以在风险评价中我们很难用精确的数字对项目风险因素和项目风险评价指标进行综合描述，因而在工程项目风险评价中，针对项目风险因素和项目风险评价指标等风险严重程度的描述，具有很强的模糊性。当我们面对这些模糊性评价因素的系统时，为了对那些不确泄的、难以就化的因素进行评价时，就得采用模糊评价法。模糊评价法，也称模糊综合评判，它由于采用模糊的方法来描述因素比较接近于我们的思维方法和描述习惯，它的数学模型简单直观，容易掌握，多因素、多层次的复杂系统评价效果较好，因而它更适用于对风险评价等不确定、难量化、模糊性地系统模型进行评价。因此，系统评价近接工程施工项目的风险管理这样一个复杂的网状结构，本文将根据模糊网络分析法理论，利用“近接工程施工项目风险的特点与网络分析法的思想相一致”和“风险评价模型符合模糊综合评判的思想”这两点理由，根据近接工程施工项目风险特点建立项目风险评价指标体系，依据模糊网络分析法理论，确定近接工程施工项目风险评估的模糊网络分析法模型，然后利用模型，系统地对近接工程施工项目展开评价分析。六、 研究的内容及方法通过对近接工程施工项目进行风险分析评价，找出诱发项目风险的关键因素，从而可以更好的管理控制风险，本文通过结合近接工程施工项目管理的实际情况，在风险管理理论的基础上，应用模糊网络分析法（FE「ANP）构建近接工程施工项目风险综合评价模型。1•层次分析法层次分析法是根拯某一准则将复杂的系统问题分解为不同的元素集合，通过不同元素集合的支配关系形成递阶层次结构，再根据风险元素间的两两比较得出层次间不同元素的相对重要性次序，最后通过决策者的综合分析判断，对决策方案的相对重要性进行排序。2•网络层次分析法网络层次分析法（ANP）将系统问题用网状层次结构可以分为两部分，第一部分为控制因素层，它包含的内容有：问题目标和决策准则。苴特点：问题目标支配所有的决策准则，且这些决策准则相互之间互相独立；控制因素层中可以没有决策准则，但至少要有一个目标。对控制因素层中每个决策准则的权重大小可采用层次分析法（AHP）确泄。第二部分为网络层,它主要是由元素组构成的，这些元素组受控制因素层所支配，英内部是各元素组构成的相互依存、相互影响、存在反馈情形的网状结构。3•模糊风险综合评价对工程项目项目风险进行模糊综合评价法的基本思路是：对所有项目风险因素的影响程度进行综合考虑，并设置风险评价等级以区分不同风险因素的相对重要性，通过建立评语集将左性评价转换为泄量评价，建立模糊数学风险评价模型，根据所应用的模糊变换原理和隶属度最大原则，合成重要度和影响程度，其中可能性程度髙者为相应的风险水平，以此确定该工程项目相应的风险等级。七、研究的思路在分析、评价复杂问题上，网络层次分析法因为其结构具有反馈和相互依赖的关系，可以作为一种更为有效、实用的方法去建立复杂项目评价模型，运用数学运算方法，有效地对复杂项目进行分析、评价。而层次分析法，由于它的基本思路是把一个问题分解成若干部分，按照这些部分的属性关系形成层次，并且假定层次中的每一部分元素是相互独立的，这些元素在某一准则下按照两两比较法获得相对重要度，建立判断矩阵，通过对矩阵进行运算分析获取相应的排序向量，对问题进行评价。但是这种处理问题的方式过于理想，因为在现实中，很多复杂问题并不是元素之间相互独立的递阶层次结构，更多的是元素之间相互依存并存在反馈情形的网状结构，但是在复杂的网状结构中也存在着递阶层次结构的特殊情形。所以，网络层次分析法是层次分析法的延伸，而层次分析法是网络层次分析法的一个特例。用网络层次分析法分析项目风险，因为风险有多维性的特征，如果单一地利用几个风险等级对风险因素进行评价，确左工程项目相应的风险等级，比如髙风险、较高风险、中等风险、较低风险、低风险等。这种风险评价方法对项目风险评价并不完善，它忽略了风险的不确定性、模糊性等特征，在具体的工程项目中，过度地强调了风险损失，而忽略了风险发生的可能性。在人们利用1-9比例标度来判断元素间的相对重要性的过程中，因为风险的多维性以及人们对事物的认识存在着不确左性和模糊性的情形，这样就会造成认识上的偏差，为了弥补这一缺陷，我们引入了三角模糊数的重要性语言标度。模糊综合评价法是基于模糊变换原理和隶属度最大原则，对评价系统内的各个相关元素,进行综合评价的方法。它可以避免对不确左的、难以量化的因素不合理的判断，因而便于人们对事物进行全而、实用、有效的评价。