沼气对盾构施工影响的风险评估

沼气对盾构施工影响的风险评估
张震;刘铭;沈圆顺
【摘要】Methane combustion, explosion and release are a threat to shield tunnel construction, which can' t be quantitatively analyzed by current methods. During the shield construction, base on ana-lyzing the risk factors due to marsh gas, a model of three-stage fuzzy synthetic evaluation is proposed, and analytic hierarchy process is used to determine the weight of each stage factor, fuzzy sets method is used to determine membership function, risk ranking is also classified. The proposed method is applied to a sheild construction in the gas soil, the simulation results show that the method is reasonable. The analyt-ical approach and the results will be practical and helpful to other similar projects.%沼气的燃烧、爆炸和沼气的释放都会对盾构隧道的施工和结构安全造成威胁,一般的研究方法难以对其进行准确定量的分析.在盾构隧道的施工过程中,通过深入分析由于沼气而产生的各种风险因素,建立了沼气对盾构隧道施工的风险评价指标体系.基于风险影响因素的层次性,提出了三级模糊综合评价计算模型,并利用层次分析法确定各级因素权重,利用模糊集法确定隶属函数,划分了风险接受等级.以某含有沼气土层的区间盾构施工为例,应用三级模糊综合评判计算模型对其由于沼气而产生的风险进行分析,计算结果表明,该方法是合理实用的.其理论、方法、思路和结论可供同类工程借鉴.【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2011(033)011
【总页数】4页(P117-120)
【关键词】沼气土层;盾构隧道;模糊综合评判;层次分析法;风险评估
【作者】张震;刘铭;沈圆顺
【作者单位】同济大学地下建筑与工程系,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海200092;同济大学地下建筑与工程系,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU473.2
在软土沼气地区盾构隧道施工过程中，一旦遇到沼气泄露和释放，将对隧道中的施工人员、机械设备及隧道结构造成极大的威胁。

如1993年东京都水道局输水管道盾构隧道发生沼气爆炸事故，造成4人死亡、1人受伤，盾构机和隧道都遭到不同程度的破坏[1]。

长江口一排水盾构隧道在江底施工时，遇到沼气释放涌入隧道，最终使隧道下沉断裂，而不能使用[2]。

由于沼气土层性质的特殊性和自身物理化学性质，给盾构隧道的施工带来很大风险。

因此，建立拟建和在建工程沼气对盾构隧道影响的风险评估，继而进行风险控制是十分必要的。

1 沼气对盾构影响的风险评价体系
引进模糊数学理论分析沼气对盾构施工风险，其关键是确定评价指标。

通过深入研究影响沼气对盾构隧道施工的风险因素及工程实际，采用层次分析法建立三级评价指标体系，一级指标3个，二级工序层指标共15个。

一级指标为宏观因素层，每个宏观因素又由若干个二级指标因素决定，而每个二级指标根据具体工程情况由若干个三级风险源指标因素所对应。

这样，评价目标、评价准则及评价指标因素就处于不同层次，形成一个递阶层次结构，如图1所示。

其中二级评价指标内容主要包括:盾构进出洞施工:出洞时洞口土体大量流失，盾构
掘进偏离轴线，中毒，火灾;盾构掘进施工:盾构无法正常推进，掘进面土体失稳、
涌水或涌砂，盾构掘进偏离设计轴线，土压盾构螺旋机出土不畅，刀盘扭矩和千斤顶推力增大，地层变形过量，盾构机稳定，隧道结构，事故人员安全;隧道注浆施工:注浆管堵塞，注浆质量。

2 评价体系中各因素权重的确定
2.1 建立评判因素级
根据软土沼气地区盾构隧道工程风险评价指标体系，从宏观上将盾构隧道施工评价指标体系U分为U1、U2、U3三个一级指标，即 U={U1U2U3}，按照相同的原则，一级指标再细分为若干个二级指标u1，u2，…u15;每个二级指标根据具体情
况细分为对应的三级指标，如 u1={r1－1，r1－2，…r1－n}。

2.2 构造判断矩阵
根据递阶层次结构所确定的上下层因素之间的隶属关系，将下一层制约因素对上一层准则因素的重要程度运用专家调查法进行两两比较，并结合TLSatty[3]的1～9
标度，标度的含义见表1，建立各层次因素的判断矩阵。

表1 1～9标度的含义标度含义1 i因子与j因子完全一样重要，或i与i，j与j自身比较;i因子比j因子重要性略大5 i因子比j因子明显重要7 i因子比j因子重要
的多9 i因子比j因子极为重要2，4，6，8 两两因子重要性比较介于上述标度两
值之间倒数上述重要性相反情况，即j比i重要的情况3
假定以指标因素U1为准则，对子制约层指标因素u1，u2，…u5有支配关系，将ui和uj的重要程度相比较得一个比例标度cij，它用来反映两个因素的相对重要性。

uj与ui相比得到的比例标度为cji=1/cij，从而可以得到一个n×n的判断矩阵
同理可以构建出其它制约因素判断矩阵。

2.3 单一准则下元素相对权重的计算
对于排序权向量的计算方法主要有特征根139法、对数最小二乘法、最小二乘法
和上三角元素法[4]。

在精度要求不高的情况下，特征根法方便简洁，更具实用价值，故本文采用特征根法。

对于判断矩阵，先算出最大特征值λmax，求出其对应的特征向量W，即:
其中，cij为判断矩阵元素，ωi为相对权重。

排序权向量W即为相应的n个制约
因素的相对权重。

通过以上方法，可以得到各指标因素的所有排序权向量。

2.4 一致性检验
因为地铁建设安全体系的复杂性和人的认识的多样性，构造判断矩阵时往往会出现判断不一致的情况，一个混乱的、经不起推敲的判断矩阵有可能导致决策上的失误，而上述计算排序权重向量的方法中，当判断矩阵过于偏离一致性时候，其可靠度也就值得怀疑了，因此需要对判断矩阵进行一致性检验，以便将偏差控制在允许的范围内[5]。

(1) 引入C.I.作为度量判断矩阵偏离的指标，以检验决策者思维的一致性。

C.I.值越大，矩阵不一致的程度就越高。

(2) 对于平均一致性指标R.I.采用龚木森、许树柏1986年得出的1～15阶重复计
算1000次的平均随机一致性指标如表2所示。

(3) 计算一致性比例C.R.。

对于1、2阶判断矩阵总是完全一致的，当阶数大于2时，只要C.R.≤0.10，则认为这个判断矩阵的一致性是可以接受的。

3 模糊综合评判
层次－模糊综合评判是从最低层开始逐层向上做出评判，直至最高的目标层次得到原问题的综合评判结果。

这里从三级风险源指标出发，先对制约层各因素进行一级模糊综合评判，再对目标层因素进行二级模糊综合评判。

3.1 风险估计
风险估计是对工程风险发生的可能性和不良后果进行数量的估算，可以从事故发生的概率和损失两方面考虑:
式中，R表示地铁隧道工程的风险，P表示风险发生的概率，C表示风险发生后的损失。

参考相关文献[6－8]，可以查阅到地铁隧道工程风险发生概率等级标准、风险发生的概率(施工阶段)、地铁隧道工程风险损失等级标准、地铁隧道工程风险矩阵、风险估值及接受准则。

根据地铁隧道建设风险发生的概率和损失等级，将工程风险等级分为五级，建立风险分级矩阵(简称风险矩阵)。

根据风险矩阵得到的风险等级确定的三级风险源指标的风险值估值。

3.2 模糊评判
(1) 建立权重集和风险估值:根据各级指标因素的排序权向量W，建立各级指标的权重，采用专家调查法估计三级风险源指标r发生的概率及损失以确定其风险估值矩阵。

(2) 一级评判:根据各二级指标对应的三级风险源指标的权重集和风险估值，进行各二级指标的Fuzzy综合评判。

(3) 二级评判:根据各一级指标对应的二级指标的权重集和一级风险评判值，进行各一级指标的Fuzzy综合评判。

(4) 三级综合评判:综合U1U2U3三个一级指标的权重集和二级评判风险值，得到
总的风险值。

将一、二、三级风险评判值进行归纳，得到评价指标体系中各因素风险评估成果，根据风险估值及接受准则采取合理的应对措施。

4 实例分析
武汉轨道交通二号线一期工程是武汉轨道交通网中最重要的一条主干线路，线路全长27.985km，横穿武昌、汉口，下穿长江。

本标段武汉地铁二号线汉～青区间分为两段(汉口站－范湖站和范湖站－青年路站)，包括两个联络通道，采用盾构法施工。

隧道单线总长4402m，区间隧道为外径6m，内径5.4m，管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片混凝土C50、S12。

其中汉～范区间地层中发现存有沼气气体。

4.1 建立层次风险评价体系
按照图1所示的原则建立沼气隧道的三级风险评价体系，其中“盾构进出洞施工”、“隧道掘进施工”和“隧道注浆施工”的风险树状图如图2、图3、图4所示。

4.2 权重计算与检验
根据判断矩阵计算得到所有指标因素的排序权向量。

以“隧道掘进施工”的二级指标“隧道结构”为例，计算如下:
表2 沼气土层引起的隧道结构风险判断矩阵12 r1－1 r1－1 r1－2 r1－3 r1－4 r 隧道结构uϖi ωi 1－5 r1－21 1/2 3 1/5 1/7 0.53 0.07 r1－3 2 1 3 1/4 1/6 0.76 0.10 r1－4 1/3 1/3 1 1/6 1/7 0.31 0.04 r1－5 5 4 6 1 1/3 2.09 0.28 r1－17 6 7 3 1 3.88 0.51
计算最大特征根:
一致性可以接受，灌注桩施工各因素的排序权向量为:
同样方法可以得到各二级指标排序权向量。

4.3 模糊综合评判
依据各二级指标对应的三级风险源指标的权重集和专家评判的风险估值，进行各二级指标的Fuzzy综合评判。

同法得到各二级指标的一级风险评判值，见图5。

根据各二级指标对应的二级指标的权重集和一级风险评判值，进行各一级指标的Fuzzy综合评判。

结果见图5。

从图5可以看出，在含有沼气的土层中施工盾构隧道，风险最高的是施工人员及
机械设备的安全，主要是由于施工对沼气囊带的扰动，导致沼气的释放，一方面，沼气的渗漏和释放到工作空间可能会引起施工人员的中毒，遇到火星更会发生火灾和爆炸;另一方面，土层中由于沼气的释放，隧道的底部土体收缩，甚至会造成土
体与隧道管片脱离，结构变形，严重时会出现裂缝影响结构的安全。

从图6可以看出，沼气土层，对地铁盾构隧道施工的风险从高到低依次为:隧道掘
进施工，隧道注浆施工，盾构进出洞施工。

隧道掘进施工风险最大，需要高度重视，这与实际工程情况是相符的。

5 结语
(1) 根据沼气对盾构隧道的影响风险因素，可建立三级评价指标体系，使评价目标、
准则及指标因素形成递阶层次结构，消除了风险的随机性、模糊性，结果更趋向实际。

(2) 采用层次－模糊综合评判法进行风险评估，在得到各排序权向量的同时，有利于发现事故隐患和薄弱环节，且该方法将定性分析以定量的形式表现出来，降低了评判中的主观随意性，所得结果更客观，可信度更高。

(3) 该评估方法具有很强的理论性和实用性，它为建立科学合理的评估模型提供思路，不但可以用于沼气对盾构隧道影响的安全评估，还可以广泛地用于其它工程的风险管理中。

参考文献
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