上海國(guó)際旅游度假區(qū)建設(shè)工程指揮部辦公室 上海 201205

0 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口急劇膨脹，交通壓力日益凸顯，地鐵作為解決交通壓力的重要途徑之一，如雨后春筍般在各大城市鋪開(kāi)建設(shè)。由于地鐵工程投資巨大，特別是地鐵車(chē)站具有結(jié)構(gòu)體量大、建設(shè)范圍廣、周邊環(huán)境復(fù)雜、技術(shù)要求高、實(shí)施難度大、建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，地鐵車(chē)站的建設(shè)過(guò)程中不可預(yù)見(jiàn)因素多，最易發(fā)生工程事故，而地下水往往是事故發(fā)生的重要原因，需加以重點(diǎn)研究和控制。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于地鐵工程的風(fēng)險(xiǎn)分析，主要集中在以下幾個(gè)方面： Reilly 等[1,2]指出，隧道工程的建設(shè)過(guò)程是全面的風(fēng)險(xiǎn)管理和風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)的過(guò)程，將地下隧道工程中的主要風(fēng)險(xiǎn)分為四類：造成人員受傷或死亡、財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)，造成項(xiàng)目造價(jià)增加的風(fēng)險(xiǎn)，造成工期延誤的風(fēng)險(xiǎn)，和造成不能滿足設(shè)計(jì)、使用要求的風(fēng)險(xiǎn)。Cho&Choi 等[3,4]用專家調(diào)查與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)地下工程的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并開(kāi)發(fā)了基于風(fēng)險(xiǎn)模糊不確定模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件。李兵[5]針對(duì)地鐵地下車(chē)站的特點(diǎn),提出了風(fēng)險(xiǎn)分析在車(chē)站施工中的重要性，從常見(jiàn)的幾種地鐵車(chē)站的施工方法入手，論述了地鐵車(chē)站施工的風(fēng)險(xiǎn)源即為基坑工程風(fēng)險(xiǎn)源和結(jié)構(gòu)工程風(fēng)險(xiǎn)源，并分別給出了這二者的具體風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)防范對(duì)策。劉翔、羅俊國(guó)、王玉梅[6]介紹了地鐵深基坑的主觀風(fēng)險(xiǎn)源和客觀風(fēng)險(xiǎn)源，并給出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，強(qiáng)調(diào)了地鐵施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)充分重視并及時(shí)處理。朱征[7]以某軌道交通車(chē)站基坑為實(shí)例，介紹了風(fēng)險(xiǎn)管理過(guò)程，包括建立基于現(xiàn)有建設(shè)管理制度的參建各方共同參與的風(fēng)險(xiǎn)管理組織架構(gòu)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)估、預(yù)控和跟蹤控制四大管理任務(wù)分別設(shè)計(jì)的相應(yīng)工作流程和工作表格，以及工程監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)跟蹤工作方法。

本文以上海軌交11號(hào)線迪士尼車(chē)站為例，針對(duì)勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)這四大地鐵壽命周期階段中所面臨的地下水風(fēng)險(xiǎn)，我們運(yùn)用層次-模糊評(píng)價(jià)法對(duì)地鐵車(chē)站的地下水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)判，并提出了相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，達(dá)到了預(yù)想的效果。

1 地鐵車(chē)站概況及地下水風(fēng)險(xiǎn)

1.1 工程概況與地質(zhì)條件

上海軌交11號(hào)線迪士尼車(chē)站位于上海國(guó)際旅游度假區(qū)核心區(qū)的中心位置，南側(cè)為已建中心湖，其余為未建空地。車(chē)站為地下一層半、局部地面建筑，雙島四線，全長(zhǎng)約640 m，寬約46 m，在地面東南西北設(shè)置4 個(gè)出入口，車(chē)站平面和典型橫斷面如圖1、2所示。由于場(chǎng)地條件較好，施工采用明挖法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，設(shè)置2 道鋼筋混凝土支撐，基坑開(kāi)挖深度為9.8～11.0 m。由于工程南側(cè)為已建中心湖，車(chē)站地下室外墻距離中心湖護(hù)岸邊線為14.7～15.8 m，故在南側(cè)臨湖段局部區(qū)域作了特別加強(qiáng)，鉆孔灌注樁為Φ900 mm@1 050 mm，局部坑邊落深區(qū)域采用鉆孔灌注樁Φ1 000 mm@1 150 mm，其余部分鉆孔灌注樁采用Φ850 mm@1 000 mm；止水帷幕采用單排三軸水泥攪拌樁Φ850 mm@600 mm，水泥摻量不小于20%。

圖1 迪士尼車(chē)站平面

圖2 車(chē)站典型橫斷面

根據(jù)勘察院提供的勘察報(bào)告，該車(chē)站具體的工程地質(zhì)條件情況如下：①素填土，以黏性土為主，含少量植物根莖和碎磚等；②褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土，厚度0.2～2.8 m，可塑到軟塑，中等壓縮性；③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土；④灰色淤泥質(zhì)黏土，呈流塑狀態(tài)，為高壓縮性靈敏軟土，分布穩(wěn)定，厚約7.9 m；⑤1灰色黏土，呈流塑狀，高壓縮性，厚約9.40 m；⑥暗綠-草黃色粉質(zhì)黏土，土質(zhì)均勻致密，可塑狀態(tài)，中壓縮性，強(qiáng)度高，平均Ps為2.40 MPa左右；⑦1-1草黃-灰黃色黏質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層，層頂標(biāo)高約－24.0 m，中密-稍密（可塑），平均Ps在4.70 MPa左右；⑦1-2灰色砂質(zhì)粉土，層頂標(biāo)高約－27.0 m，中密狀，平均Ps在8.40 MPa左右；⑦2灰色粉砂，層頂標(biāo)高約－31.0 m，密實(shí)，狀態(tài)較好，未鉆穿。

1.2 水文條件與地下水風(fēng)險(xiǎn)

本工程淺層主要含水層為②層褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土?？辈炱陂g測(cè)得潛水靜止水位埋深為0.5～1.0 m（相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高2.2～4.0 m）。

由于上海地區(qū)的潛水水位隨季節(jié)和環(huán)境等因素變化，設(shè)計(jì)、施工時(shí)年平均水位分為：高水位埋深按0.5 m計(jì)，低水位埋深按1.5 m計(jì)。在基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中，由于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土，其土體自立性差，易造成坡面的不穩(wěn)定，危害到基坑安全，甚至是人員的安全，因此需要引起足夠重視。

該車(chē)站工程的承壓水主要埋藏于基坑底部，為⑦層粉土-粉砂承壓含水層，其最淺埋深僅為26.5 m，因此存在承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行基坑底板抗突涌驗(yàn)算，以確定是否應(yīng)設(shè)置減壓井降水。

2 地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)理論，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法有定性的和定量的分析方法，目前一般的研究都采用定量的分析方法。定量的分析方法，主要有專家打分法、蒙特卡洛法、故障樹(shù)分析法、敏感性分析法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等等，而各種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。對(duì)于地鐵工程，由于地鐵車(chē)站體系龐大，引起地下水危害的風(fēng)險(xiǎn)因子眾多，因此運(yùn)用層次分析法能有效地將各風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行有序的分層、分類，并確定各風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重。同時(shí)，由于地鐵車(chē)站的地下水風(fēng)險(xiǎn)往往具有不確定性和模糊性的特點(diǎn)。因此，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法，往往能較好地分析出地鐵車(chē)站地下水風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)情況和進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)。故這里結(jié)合2 種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用層次-模糊數(shù)學(xué)法，對(duì)地鐵車(chē)站的地下水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.2 地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

為了進(jìn)行地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，需系統(tǒng)地將引起地下水風(fēng)險(xiǎn)的各種風(fēng)險(xiǎn)因子全面識(shí)別出來(lái)。在地鐵工程的壽命周期內(nèi)，地下水時(shí)時(shí)刻刻影響著地鐵的安全，為了便于分析，我們將地鐵壽命周期劃分為勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)四大主要階段。各階段的風(fēng)險(xiǎn)因子，根據(jù)歷史參考數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)給出，主要有15 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因子（圖3）。

2.2.1 層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法是美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty 于20 世紀(jì)70年代中期提出的一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，簡(jiǎn)稱AHP 分析法。層次分析法是一種多準(zhǔn)則決策分析方法，其基本思路為：多個(gè)單準(zhǔn)則分層結(jié)果的綜合估計(jì)，分層一般包括：決策目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層。在風(fēng)險(xiǎn)分析中它有2 種用途：一是將影響項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素逐層歸類分解、識(shí)別，直到最基本的風(fēng)險(xiǎn)因素，稱為風(fēng)險(xiǎn)因素正向分解；二是兩兩比較同一層次風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度，列出該層風(fēng)險(xiǎn)因素的判斷矩陣（判斷矩陣可由專家調(diào)查法得出），每層判斷矩陣的特征根表明了該層次各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，利用權(quán)重與同層次風(fēng)險(xiǎn)因素得分的組合，求得上一層風(fēng)險(xiǎn)的得分，直至求出總目標(biāo)的得分，也稱反向合成，最后根據(jù)總目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)得分的大小綜合判斷項(xiàng)目的整體風(fēng)險(xiǎn)。層次分析法具有適用、簡(jiǎn)潔、實(shí)用和系統(tǒng)的特點(diǎn)。因此根據(jù)層次分析法的主要步驟，本工程建立了地鐵車(chē)站地下水風(fēng)險(xiǎn)分析的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

根據(jù)已建立的層次結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用層次分析法的基本理論，首先由專家對(duì)每一層次的風(fēng)險(xiǎn)因子的重要性進(jìn)行分析判斷，通過(guò)兩兩比較法，確定層次分析法的判斷矩陣，繼而計(jì)算出各因子的相對(duì)權(quán)重。其次，為了避免判斷失誤，需對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。權(quán)重計(jì)算的數(shù)學(xué)本質(zhì)是計(jì)算判斷矩陣的最大特征根和特征向量，即求解方程RW=λmaxw。將λmax對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化，即：

圖3 地鐵工程地下水風(fēng)險(xiǎn)因子層次結(jié)構(gòu)示意

記w=（w1，w2，wm），w為權(quán)重向量。如果判斷矩陣不具有完全一致性時(shí)，則λmax＞n。為了衡量不一致程度，引入一致性指標(biāo)CI：

其次，引入隨機(jī)一致性比率CR，通常用隨機(jī)一致性比率CR來(lái)檢驗(yàn)判斷矩陣一致性程度，當(dāng)CR=CI/RI≤0.1時(shí)，可認(rèn)為判斷矩陣的一致性程度滿足要求。式中RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值參見(jiàn)表1。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

綜上所述，構(gòu)造迪士尼地鐵車(chē)站地下水風(fēng)險(xiǎn)的兩兩比較判斷矩陣并計(jì)算總目標(biāo)層的權(quán)重，如表2所示。

表2 地鐵工程地下水風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣A

由近似公式：

得到λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

同理，二層次的判斷矩陣如表3～表6所示。

表3 勘察判斷矩陣B1

λmax=4.078，CI=0.026，CR=0.029＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

表4 設(shè)計(jì)判斷矩陣B2

λmax=4.066，CI=0.022，CR=0.024＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

表5 施工判斷矩陣B3

λmax=4.152，CI=0.051，CR=0.057＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

表6 運(yùn)營(yíng)判斷矩陣B4

λmax=3.007，CI=0.003 5，CR=0.006＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

2.2.2 模糊綜合評(píng)判

模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人是美國(guó)自動(dòng)控制專家 Zadeh 教授。模糊數(shù)學(xué)是用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的數(shù)學(xué)。它為現(xiàn)實(shí)世界中普遍存在的模糊、不清晰的問(wèn)題提供了一種充分的概念化結(jié)構(gòu)，并以數(shù)學(xué)的語(yǔ)言去分析和解決它們。地鐵實(shí)施過(guò)程中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)因素大部分難以用數(shù)字來(lái)準(zhǔn)確地加以定量描述，卻都可以根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜抑R(shí)用語(yǔ)言生動(dòng)地描述出它們的性質(zhì)及其可能的影響結(jié)果，模糊數(shù)學(xué)模型正適合解決這類問(wèn)題。模糊層次評(píng)估法經(jīng)過(guò)建立評(píng)估對(duì)象的因素集和評(píng)判集，用專家評(píng)定或其他方法生成評(píng)判矩陣，再通過(guò)適當(dāng)?shù)哪：阕舆M(jìn)行綜合評(píng)估。

首先，建立因素集和評(píng)判集。迪士尼車(chē)站案例中因素集B={B1，B2，B3，B4}，二級(jí)因素集C={C1，C2，…，C15}，評(píng)判集V={V1，V2，V3，V4}={很安全，安全，不是很安全，不安全}，并對(duì)評(píng)判集的語(yǔ)言變量進(jìn)行賦值V={4，3，2，1}。

其次，建立模糊評(píng)判矩陣。通常情況下，用專家評(píng)定、打分、統(tǒng)計(jì)或者建立模糊隸屬函數(shù)的方法生成判斷矩陣R=（rij）n×m。其中，rij表示因素ui對(duì)決斷vj的隸屬度，ri=（ri1，ri2，…，rim）表示因素ui對(duì)評(píng)判集V的隸屬向量，由n個(gè)隸屬向量生成判斷矩陣R=（r1，r2，…，rn）T。這里采用專家打分法來(lái)獲得評(píng)判矩陣。經(jīng)過(guò)計(jì)算并歸一化，可得到如下評(píng)判矩陣。

其三，計(jì)算綜合評(píng)估向量。Bi=wioRi，式中“o”為模糊算子。對(duì)于案例中模糊算子采用加權(quán)平均型，以突出各影響因子的共同貢獻(xiàn)。對(duì)于加權(quán)平均型模糊算子，可由公式B=A×R，即：

因此B1=w1×R1，即：

B1=（0.462 0.381 0.100 0.057），IB1=B1×VT=3.248，同理可得B2=（0.567 0.300 0.100 0.032），IB2=3.400，B3=（0.430 0.297 0.194 0.079），IB3=3.078，B4=（0.542 0.267 0.100 0.091），IB4=3.26。

根據(jù)上述計(jì)算分析，可知施工階段的得分最低，其值為3.078，因此，施工階段的地下水風(fēng)險(xiǎn)最大。

最后，進(jìn)行二級(jí)模糊評(píng)判，根據(jù)一級(jí)模糊評(píng)判得到的結(jié)果，可得二級(jí)模糊評(píng)價(jià)集為：

IB＝VT＝2.958。由此可見(jiàn)，上海迪士尼車(chē)站的地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)接近于評(píng)判值3，因此總體近于安全。

3 主要預(yù)防控制措施

綜合上述建立的層次—模糊評(píng)估模型和分析計(jì)算結(jié)果，迪士尼地鐵車(chē)站地下水風(fēng)險(xiǎn)的影響排序依次為施工階段、勘察階段、設(shè)計(jì)階段、運(yùn)營(yíng)階段。在施工階段，地下水的風(fēng)險(xiǎn)巨大，稍有不慎，便會(huì)釀成重大事故。因此，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和施工規(guī)范施工，杜絕偷工減料、違反施工工序等作業(yè)，加強(qiáng)施工期間的監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)管理，將施工中出現(xiàn)的危險(xiǎn)苗頭及時(shí)上報(bào)勘察設(shè)計(jì)進(jìn)行處理，并建立應(yīng)急預(yù)案，防止事故發(fā)生。另外，在勘察階段，應(yīng)嚴(yán)格按照勘察方案進(jìn)行勘察，重視實(shí)驗(yàn)室的分析數(shù)據(jù)，重視地下水的特性。工程實(shí)施過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)異常情況，堅(jiān)持補(bǔ)勘，重新試驗(yàn)確定計(jì)算參數(shù)，以便動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)和施工。

在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)重視地下水的處理，重視計(jì)算模型的選取，嚴(yán)格按照勘察成果提供的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，切不可憑個(gè)人主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坑底抗突涌的驗(yàn)算，提供切實(shí)可行的降壓措施。

在運(yùn)營(yíng)階段，應(yīng)建立完善的地鐵監(jiān)測(cè)體系，加大監(jiān)測(cè)頻率，加強(qiáng)列車(chē)動(dòng)荷載的控制，建立應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)與有關(guān)部門(mén)進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用層次-模糊評(píng)價(jià)法，對(duì)上海軌交11號(hào)線迪士尼車(chē)站的地下水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，得出的評(píng)價(jià)為安全。同時(shí)，地鐵車(chē)站全壽命周期中地下水的風(fēng)險(xiǎn)往往集中在施工階段，因此施工階段是最為重要的環(huán)節(jié)，需予以高度重視，其次，也要重視勘察階段，因?yàn)榭辈斐晒绊懼O(shè)計(jì)和施工，是非常重要的環(huán)節(jié)。本文采用的層次-模糊評(píng)價(jià)法，對(duì)地鐵工程的地下水風(fēng)險(xiǎn)分析是切實(shí)可行的，具有一定的借鑒意義。