徐 沖 郭佳奇 陳海軍

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下工程重點實驗室 陜西西安 710043；3.河南理工大學土木工程學院 河南焦作 454000)

1 引言

在穿江越河的長大地鐵盾構區(qū)間建造過程中，往往需要設置中央風井，用以實現(xiàn)防災通風、疏散救援、設備檢修等功能[1-2]。針對深大風井設計方案的比選工作，通常以定性分析為主，且方案前期決策、過程控制過度依賴專業(yè)人員的主觀經(jīng)驗[3-6]。黃河岸灘深大風井的安全建造受巨厚砂卵透水層、施工降水及堵水、工序工藝、設備機械等諸多因素影響。合理把控和減小建造過程中的風險程度必須依靠客觀、科學的評價方法。據(jù)此，提出將專家評分和模糊層次分析相結合的綜合評價方法，客觀、定量地為風井設計提供科學依據(jù)[7-11]。

2 工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程奧-世盾構區(qū)間采用雙線雙洞同側上游繞避深安大橋并下穿黃河?？紤]區(qū)間通風、防災救援、聯(lián)絡疏散及盾構接收功能，設一座中央風井，位于七里河斷陷盆地巨厚狀強透水砂卵石地層中，平面尺寸(33.4×20.4)m，井深約45.5 m，見圖1。

圖1 中央風井位置

3 深大中央風井風險評價模型

3.1 風險等級及接受原則

依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》(GB 50652-2011)規(guī)定[12]，將風險可能性等級和風險損失等級量化評分并提出與規(guī)范風險接受準則4級對應的(風險)隸屬度，見表1～表3。

表1 風險發(fā)生可能性等級標準

表2 風險損失等級標準

表3 風險接受準則

3.2 風險評價對象集及因素集

風井位于黃河漫灘區(qū)，與黃河堤岸水平距離100 m。地層主要為巨厚砂卵石層，地面以下5～8 m，屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水。

建造中，風井具有“三高(高水壓0.4 MPa、高滲透62 m/d、高強度59 ～90 MPa)”、“兩深(開挖深度45 m、降水深度25 m)”、“兩多(圍護結構形式多、風井功能多)”的工程特點。據(jù)此，對該強透水深大風井風險，組織20名相關人員組成專家評審團，構建了風險評價對象集合P＝{深風井安全}、風險因素集合U＝{u1，u2，…，un}＝{圍護地連墻，施工降水，內(nèi)墻結構施工，土方開挖}。集合U包含共4個階段，共15項指標的A～C三級風險層次模型，指標體系見圖2。

圖2 中央風井安全評價模型指標體系

3.3 風險評價集

評價集是由對評價客體可能作出的評判結果所組成的集合，表示為V＝ {v1，v2，…，vn}，其中元素vi(i＝1，2，…，n)是若干可能作出的評判結果。根據(jù)安全模型二級指標特點，采用模糊層次法，將表1～表2中深風井風險發(fā)生可能性等級、后果等級矢量化矩陣，分別對應VP＝{不可能的，罕見的，偶然的，可能的，頻繁的} ＝ {1，2，3，4，5}、VC＝ {可忽略的，需考慮的，嚴重的，非常嚴重的，災難性的}＝{1，2，3，4，5}。

3.4 評價模型權重矩陣構建

3.4.1 權重判斷矩陣構建方法

表4 相對比較標度

根據(jù)圖2的安全評價指標體系并結合表4所示的比較尺度，針對有n個相關因素的某風險事件，陪審團專家打分可得到一個aij(n×n)的指標權重判斷矩陣。

矩陣中的元素表示從判斷角度考慮要素Ai對要素Aj的相對重要性，即:

其中，權重比對矩陣中元素需要滿足三個基本性質(zhì):aij>0；aij＝1/aji；aij＝1(當i＝j時)。

得到幾何平均值后，還需要經(jīng)過歸一化處理后得到相對重要度，即:

3.4.2 各級指標權重矩陣

由式(1)～式(4)并結合表4，進行兩兩比較得到一級指標B對總目標A、二級指標C對一級指標B的模糊判斷矩陣，見表5～表6。

表5 A-B層(一級)指標模糊判斷權重矩陣

表6 B-C層(二級)指標模糊判斷權重矩陣

3.4.3 單因素整體權重矩陣

C層為單因素的二級指標層，可通過將該層各風險因素自下而上逐層乘以上層相關層權重值直至目標層A，即為各底層因素的整體權重，見表7。

表7 巨厚砂卵層深風井底層風險指標的整體權重

4 基于不同工法的深大風井風險模糊綜合評價

4.1 風井設計工法簡介

在設計階段，提出順作、逆作不設止水帷幕、逆作設止水帷幕三種方案，見表8。

表8 三種工法工序示意

順作法為先自上而下分層開挖土體，后自下而上依次施作風井的底板、邊墻、立柱、樓板和頂板；逆作法即由上向下逐層開挖土方，同步施工風井主體結構直至基坑底部為止。

4.2 順作法安全風險模糊綜合評價

(1)單因素評價矩陣

上述20名專家對順作法方案底層單因素進行定性評價，評價集如3.3節(jié)所述分為5個級別。假設對于任意一個指標元素Ci，20位專家中有m個評語為v1、n個評語為v2、p個評語為v3、q個評語為v4、r個評語為v5，則指標元素Ci所對應的隸屬向量Ri＝ {m/20，n/20，p/20，q/20，r/20}，統(tǒng)計見表9。

表9 專家評分匯總

由表(9)得到單因素評價矩陣RB1～B4:

(2)模糊層次評價

利用表6中的二層指標權重和對應的RB1～B4，并采用式(5)得到順作方案一級模糊評價矩陣RA:

利用表5中的一層指標權重和對應的一級模糊評價矩陣RA得到模糊評價向量:

依據(jù)表1風險發(fā)生可能性打分標準計算出該指標體系在安全風險概率方面的總得分P:

重復上述模糊評價步驟，結合表2風險損失等級打分標準計算出該體系安全風險后果的總得分C:

(3)風險總評價

工程風險是潛在不利事件的概率(P)和后果(C)的集合，表達式為:W＝f(P，C)，一般可以表達為W＝P×C。故順作法方案施工階段安全風險度計算值為11.321，按照表3風險接受準則中的風險(隸屬)度，可知該風險為“Ⅱ級(高度)”。

4.3 逆作法安全風險模糊綜合評價

依據(jù)4.1節(jié)所述方法，可分別計算得到逆作不設止水帷幕和逆作設止水帷幕兩種工況下，風井總的安全度為10.134和7.927。二者分別對應“高度”和“中度”風險?？梢姡孀鞣ㄅ浜显O止水帷幕顯著降低了工程風險，屬可接受范圍，一般不再需要特殊風險處理措施，但仍需加強監(jiān)控量測工作。

5 結論

(1)通過對《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》中風險可能性、損失等級標量化評分、風險接受準則中設置對應風險等級隸屬度，采用模糊層次分析法實現(xiàn)了風井安全度的量化評價，使得依據(jù)規(guī)范定量評估更具操作性。

(2)模糊層次分析模型可全面考慮影響系統(tǒng)安全的多層次因素，實現(xiàn)各單因素的整體排序，得到的層間及整體權重系數(shù)客觀、準確，且操作性強。

(3)大型土建設計方案比選過程中，有必要引入實用性較強的定量評價方法及指標，可提高安全生產(chǎn)水平。本文針對實際工程計算分析結果顯示，黃河岸灘深大中央風井應采用內(nèi)襯逆作＋止水帷幕方案，風險度從11.321(高度)降低為7.927(中度)，達到控制和降低施工風險目的。