地铁基坑施工安全风险分析＊

科技与创新｜Science and Technology & Innovation
2024年 第08期
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.08.010
地铁基坑施工安全风险分析＊
蒋琴琴1，王正一2，张电吉1，柳 锐1，聂 正1
（1.武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074；2.中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北 武汉 430073）摘 要：对地铁基坑施工安全进行了风险研究，阐述了国内外地铁基坑施工安全风险研究的理论成果，以南京某地铁基坑为例，对其进行了施工风险评估。

首先，识别基坑施工所带来的潜在风险因素，并建立相应的事故树模型；然后，在构建层次分析模型时，采用事故树的结构重要度作为判别依据，这一方法在层次分析法中得到了广泛应用；最后，根据各因素的权重比例和排序，定性定量分析事故的主要因素。

故在地铁基坑施工过程中应及时关注施工状况及日常管理工作，确保施工安全、可靠进行，改进后的方法也能为企业提供相关的理论借鉴。

关键词：风险分析；基坑施工；事故树分析；层次分析法
中图分类号：U231.3 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）08-0042-04
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＊［基金项目］武汉工程大学第十三届研究生教育创新基金（编号：CX2021478）随着中国经济的快速增长，城市人口的激增不可避免地引发了大中城市人口密集、交通不畅、交通拥堵等一系列问题[1]。

然而地铁以效率高、时间准、速度快、运量大等优点得到了快速发展[2]，尽管中国地铁发展起步晚，但是基于国家与城市的强力投入，轨道交通获得了有力支持。

据权威人士分析，21世纪将是中国轨道交通发展的热潮，现在全国许多大中型城市已陆续启动城市轨道交通建设规划[3-5]。

但是地铁建设周围环境极其复杂，如环境不确定、隐蔽复杂等，导致风险大、困难多。

尽管随着科技的不断进步，施工技术和工具也在不断演进和创新，以适应日新月异的时代需求，但基坑开挖导致周边地表沉降、周边管线破裂、钢支撑变形和坠落、钢支撑架设不及时导致基坑变形或坍塌的情况仍然存在[6-8]。

近年来，根据有关网站、期刊、新闻等统计，地铁基坑发生了不少事故，比如，2003—2017年共发生322起地铁施工事故[9]。

对2010—2020年期间国内基坑工程施工事故进行不完全统计发现，施工安全事故逐年增加[10]，因此，一些学者也对基坑施工安全风险问题进行
了一定的研究。

YANG 等（2022）[11]
利用Midas GTS NX
计算软件对软土地区地铁站附近的基坑施工进行了数值模拟，研究了基坑施工对地铁车站结构变形和应力的影响，分析了基坑支护结构对车站的影响；张振中
（2022）[12]
针对传统的层次分析法在基坑风险评估方面
的不足，对层次分析法过程中构造判断矩阵这一重要步骤进行改进，并结合熵权赋值提出基坑风险评估的
方法；黄建华等（2016）[13]在基坑围护方面使用
WBS-RBS 故障树法对其进行风险识别，使用贝叶斯网
络模糊综合法评估施工风险；ZHOU 等（2019）[14]
研究了
一款基于随机森林的智能结构模型，方便预测地铁车站深基坑的风险，为了实现这一目标，在RF 中引入了不同类型的监测数据和风险水平监测，以训练模型并估计监测值与矿井安全风险之间的未知关系；JIANG
等（2022）[15]
提出了一种基于模糊证据推理和二元语言
分析网络过程的此类矿井风险评估模型；SUN 等
（2023）[16]研究建立了一个基于数字孪生（DT ）的智能风
险预测和控制框架， 武汉地铁线路FPE 的案例研究验
证了所提出的方法；孟令玲和冯新刚（2012）[17]结合模
糊综合和层次分析构建了数学模型的评价体系，并在实际煤矿安全生产中使用了该模型，取得了良好的效果。

不难看出，改进层次分析法对于指标层选择的针对性有一定提升，对于事故树结构重要度在风险分析方面的不足有一定弥补，这些可为地铁基坑工程的风险研究提供相关借鉴。

以南京地铁风井基坑施工为例，本文对施工过程中可能出现的问题进行了深入分析，并运用改进的层次分析法对复杂的施工情况进行了定性定量分析，以识别基坑施工过程中的危险因素，明确导致地铁基坑施工事故的主要灾害因素，严格控制危险因素较大的影响因素，尽可能降低事故发生概率，确保施工安全。

1 工程概况
江心洲中间风井起讫里程为右DK9+398.650—右DK9+546.750，风井主体基坑外轮廓全长148.1 m ，是一个地下5层框架体系结构，其顶部覆盖着厚约3.1 m 的土壤。

根据工程特点和周边环境条件，在风井边坡坡面
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开挖时对边坡进行了防护处理。

风井标准段宽34.2 m 、深39.285 m ，拟半顺半逆。

1.1 地质情况
江心洲中间风井地貌区属宁镇扬丘陵岗地-平原区，地貌单元属长江边滩，地势较平坦。

拟建风井地面高程为4.5～6.0 m ，据地质调查及勘察资料结合地貌类型，人工填土在上半身场区地表广泛分布，其下依次为黏土、淤泥质粉质黏土（包括夹粉土和粉砂）、粉质黏土夹粉砂、粉砂及含有卵砾石的粗砂，而下伏基岩则为白垩系浦口组砂砾岩和泥质砂岩。

1.2 水文情况
风井周边较大的地表水体为长江、夹江。

长江距风井约130 m ，夹江距风井约190 m 。

场区内零星分布明沟，工程施工前可明排疏干，同时对其进行清淤换填，以保证后期施工安全，处理后对工程基本无影响，对风井影响较大的地表水体为长江和夹江。

1.3 支护情况
围护结构主体采用1.5 m 厚地连墙+0.8 m 厚素墙、叠合墙。

采用Φ850@600三轴搅拌桩，对地下连续墙内外侧的槽壁进行了加固，加固深度达到16 m 。

在地下连续墙墙底插入k2p-3b 中风化粉砂质泥岩（隔水层）约2 m ，形成封闭基坑，隔断地下潜水及承压水补给。

为了降低地下水位，坑内采用管井疏干的方法，将水位降至坑底下1 m 处。

同时，在坑外设置了观测井，以供回灌井使用。

标准段沿基坑深度方向设置7道混凝土支撑，盾构段设置8道混凝土支撑，每道支撑设置2道尺寸为700 mm×700 mm 的临时格构柱，格构柱基础采用Φ1 500钻孔灌注桩。

1.4 周边环境
江心洲中间风井位于江心洲洲尾，属于暂未开发区域，无交通导改，无管线迁改。

2 基于事故树和改进层次分析法的安全风险分析
2.1 分析方法简介
层次分析法是一种把一个总的评价对象根据一定的相关性划分成有序层次的方法。

通过选择模糊量化方法和合适的定性指标确定各个元素的权重，从而得到单排序和总排序，在该过程中对于一些无法测量的因素，也可以采用层次分析法进行处理[18]。

层次分析法中得出的指标权重表示其对于目标层的重要程度。

在事故树中，假设存在一起事故，从上至下寻找其发生的可能性，直到最终各个基本事件反映对顶层事件的影响程度[19]，这与结构重要度在目标层的重要性具有相似之处。

本文利用事故树对主要事件进行阐释，在层次分析法中将其转化为指标层，对与准则层相同属性的事件进行分类，在层次分析法中以事故树中的顶级事件为目标层，最后通过比较底层事件结构的重要性，在层次分析法中构造判断矩阵，确定每个事件的权重。

2.2 事故树建立
事故树的建立以“基坑施工事故”为顶上事件进行分析，对南京某地铁基坑开挖进行安全问题分析，找出该过程中可能导致事故发生的基本原因，构建基坑施工事故树，如图1所示。

基坑施工事故的基本事件及其所蕴含的意义如表1所示。

图1 基坑施工坍塌事故致因事故树
M 1
M 2
M 8M 9
M 7M 11
M 10M 6M 5M 4
M 3
M 12
M 13
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表1 基坑施工事故的基本事件及其含义
符号X 1X 2X 3X 4X 5X 6X 7X 8X 9X 10
事件类型地基不均匀沉降
施工扰动暴雨地震勘察失误施工组织方案不合理
超挖或欠挖开挖方案不合理排降截水方法不当
灌注水下砼
符号X 11X 12X 13X 14X 15X 16X 17X 18X 19X 20
事件类型
钢筋笼制作质量不合格泥浆质量浓度不当槽壁垂直度不合要求冠柱桩测量定位不合理
日常监管不及时安全培训不到位应急措施不当应急预案未演练操作不及时操作失误
2.3 层次分析模型建立
由事故树模型可知，南京某地铁基坑开挖存在多种危险因素，故将其发生的原因大致归纳为人员因素、施工因素、环境因素、管理因素4个方面。

根据图1建立基坑施工安全层次分析模型，其中目标层是基坑施工安全，准则层是4个原因分类，对基本事件进行中性转换，例如，将事故树中的“钢筋笼生产质量不合格”转换为“钢筋笼生产质量合格”分类，如基坑施工安全层次模型（如表2所示）。

2.4 基于结构重要度构建判断矩阵
根据图1展现出基本事件的结构，通过行列法，计算基本事件的最小割集是126，使用已经得到的最小割集来计算每个基本事件的结构重要度[20]，计算公式如下：
I i =
1q ∑r =1
q
1m r []
x i ∈E r （i =1，2，…，n ） （1）式中：I i 为第i 个基本事件的结构重要度；q 为最小割集
的总数；m r 为第r 个最小割集E r 中含有的基本事件数；x i 为基本事件；E r 为第r （r = 1，2，…，k ）个最小割集的符号。

基本事件对应结构重要度及判别因子如表3所示。

式（1）用于计算20个基本事件的结构重要度，而表3则采用最小割集方法来计算这些事件的结构重要性。

表2 层次分析模型
目标层A 基坑施
工安全
准则层
B
B 1人为
因素
B 2施工技术
B 3环境因素
B 4管理
因素指标层C
5 勘察资料正确性19 操作及时性7 超挖或欠挖9 排、降、截水方法合
理性11 钢筋笼制作质量13 槽壁垂直度控制
情况
1 基坑边坡顺层滑塌
3 暴雨
15日常监管情况
17 应急措施实施情况
6 施工组织方案合理性20 操作准确性8开挖方案合理性10 喷射砼质量12 泥浆浓度合理性14 灌注桩定位精确度
2 施工扰动4地震16安全培训18 应急预案演练
情况
基本事件结构重要度判别因子基本事件结构重要度判别因子
11/306111/1512
21/306122/458
31/306132/458
41/306142/458
51/3061513/18013
61/3061613/18013
71/3061713/18013
81/3061813/18013
91/3061913/18013
101/15122013/18013
可见监控不准确X 15、安全工作未落实X 16、应急措施不合理X 17、应对措施不演练正确X18、作业不及时X 19、操作失误X 20等，都是基坑施工过程中导致人员伤亡事故的主要因素。

但是基本事件结构重要度没有考虑到基本事件发生的可能性，存在一定的不足。

文中采用层次分析法对事故树定量分析进行了改进，一般事故的主要判别因素x （i ）=I i L ，最小公倍数L 根据对每个基准事件结构的重要性分母得出，准则层由相当数量的指标层构成，其判定因子可以用每个标准层中涉及各个指标层的判定因子之和来描述。

准则层包括多个指标层，其中判断因子可表示为参与各标准层各指标层判断因子的总和。

准则层内各个影响因素判断因子为包括指标层内全部判断因子的总和，计算B 1、B 2、B 3、B 4的判断因子分别为38、66、24、52，这些因子由所有包含在指标层内的判断因子总和所决定。

通过对准则层不同影响因素的判断因子两两比较获得准则层判断矩阵，按相同方法得到每个指标层判断矩阵。

在得到各准则层和指标层的判断矩阵后，采用SPSS Pro 软件应用层次分析法计算各准则层的W 权重、置信区间一致性指数和CR 一致性系数以及指标层判断矩阵，进行一致性测试的一致性权重排序和该级别的最终总体排名[21]。

将4组指标层因素判断因子两两比对后，所得A-B 判断矩阵如表4所示。

通过一致性检验可以看到最后汇总结果如表5所示。

表3 基本事件对应结构重要度及判别因子
表4 A-B判断矩阵及各因素的权重
A B
1 B
2 B
3 B
4 B
1
1.0
3.0
0.5
2.0
B
2
0.333
1.000
0.333
0.833
B
3
2
3
1
2
B
4
0.5
1.2
0.5
1.0
W
i
0.170 32
0.406 36
0.120 44
0.302 88
注：λ
max
=4.067，CI为0.022，CR为0.025＜0.1。

表5 层次总排序X
X
1 ，X
2
，
X
3 ，X
4
X
5，X
6
X
7 ，X
8
，
X
9
X
10 ，X
11
X
1 2，X
13
，
X
14
X
15 ，X
16
，
X
17，X
18
X
19，x
20
B
B
1
0.170 32
B
2
0.406 36
B
3
0.120 44
B
4
0.302 88
层次总
排序权
重W
i
0.030 11
0.022 41
0.036 94
0.073 88
0.049 25
0.075 72
0.058 26
排
序
6
7
5
2
4
1
3
2.5 结果与讨论
由图1可以看出，基坑开挖的任何一个小细节出错都有可能致使事故发生。

根据层次分析法的准则层次单排序判断矩阵可知，在基坑开挖过程中，施工技术的重要程度最高，其权重为0.406 36；其次为管理因素和人为因素，它们的权重分别为0.302 88和0.170 32；最后是环境因素对基坑安全的影响，其权重最小，数值为0.120 44。

由基坑施工事故致人伤亡事件层次总排序表可知，日常监管情况、安全培训、应急措施实施情况及应急预案演练情况等管理因素是导致事故发生的主要原因，钢筋笼制作质量、泥浆浓度合理性是第二重要因素，人为因素中操作及时、操作准确性为第三重要因素。

施工企业应根据评价结果保证日常管理、培训、应急方面做好充足准备。

技术人员、操作人员、管理人员应保持警惕，辨识危险、规避危险。

3 结论
本文以南京某地铁基坑开挖为例，采用改进的层次解析法对基坑施工过程中发生的事故进行定性和定量分析，得出以下结论：①南京某地铁基坑施工的安全与管理得到了可靠的依据，这是通过对致灾因素类别和重要程度进行风险分析得出的。

②将事故树风险评价与层次分析结合起来，可以将事故树中关键结构的重要程度转化为层次分析法中各因素的权重，并在此基础上仔细地对事故树进行风险评价。

该方法既能弥补事故树结构重要性分析中存在的缺陷，又能使层次分析法权重更客观，以得到符合实际案例的分析结果。

表明该方法具有一定的可行性、准确性，在实际工程领域具有现实意义。

③针对工程地质数据、施工技术、可预见风险因素相近的地铁基坑施工，为减少开挖事故引发的事故数量，企业应对公司管理人员和普通员工进行安全培训，在应急管理工作方面加强他们的应急应变能力，另外，加强动态监控和智能信息化工作，防患于未然。

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（下转第49页）
个植株的用水量、灌溉角度、埋灌深度等编程，更好地对植株进行灌溉。

采用物联网技术与手机APP开发[7]，实现小车浇灌集群式、替换式作业。

采用物联网技术对其进行远程故障检测，无需人工干涉，能进行持续工作。

小车采用自主设计的转换盘装置，可对各个装置进行调节和转换，保证其在不同工作状态下更好地在沙漠环境中移动。

6 结束语
目前沙漠植树的浇水方式主要是人工粗放式灌溉，也有一些大型机械及人工灌溉，如人工开沟沟灌、机械喷灌及滴灌等，这些都存在费水、费时、费力等问题。

现有文献对便携式自动化灌溉小车的研究较少，本文研究的精准化地下埋灌智能小车正好填补了这一技术空白。

该小车可以24 h集群式工作，可自动充电、装水，在沙漠等恶劣条件中也能工作，能够减轻甚至代替人工工作。

近年来，随着人口数量的快速增加，环境所面临的压力越来越大，水资源的问题日益显现，节水灌溉成为必然趋势。

该智能小车能够精准定量灌溉，减少水资源的浪费，同时可利用太阳能供电，符合节水灌溉、节能减排的社会理念，具有良好的推广应用价值。

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————————
作者简介：梁遥（ 2001—），男，在读本科，研究方向为机械设计制造及自动化。

通信作者：王永泉（1979—），男，博士，副教授，研究方向为现代制造装备设计、工程图学。

（编辑：王霞）
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作者简介：蒋琴琴（1998—），女，硕士，从事安全工程研究工作。

通信作者：王正一（1989—），男，硕士，高级工程师，从事隧道与城市地下空间工作。

（编辑：严丽琴）。