徐耀德，祝建勋，郭 涛

（北京安捷工程咨询有限公司，北京 100037）

当前， 我国城市轨道交通进入蓬勃发展时期，成为促进地方经济发展和改善民生的重要引擎。但城市轨道交通地处复杂城市环境、地质岩土条件之下，工程实施难度大、建设风险突出，一段时期风险事件及安全事故易发多发，安全风险管理工作势在必行。近年来，国家及行业相继出台相关安全风险管理政策和标准，对轨道交通工程领域安全风险管理提出明确要求[1-5]。

工程监测及其预警作为地铁工程信息化施工和安全风险管理的“眼睛”和重要内容，在工程安全风险状态评价和预警管控中发挥越来越重要的作用[6]。但以基坑隧道为主的地铁工程，因地下工程的复杂性和隐蔽性，多年来主要根据监测数据及单一监测预警工作，并未考虑各类监测项目的同时预警及共同作用，对工程预警、安全风险状态评价的把握，以及指导信息化施工、风险处置工作存在一些不足，如对各项监测数据及其内在相互关联性挖掘分析不够，单一监测预警并不能全面、科学地反映工程整体安全状态，指导施工仍显单一、欠合理[4]。

鉴于地铁基坑隧道工程的多种监测项目及其实测数据和确定的单项监测预警指标、预警数量等，对这些风险要素进行挖掘分析，研究建立多因素权重矩阵分析方法，动态及时地预判工程安全风险状态，有效指导地铁基坑隧道工程安全风险控制、预警响应及处置工作，十分必要和及时。

1 工程监测预警及安全风险评价现状

1.1 监测项目及控制值

根据相关规范和地区经验，地铁基坑隧道工程的监测项目可划分为结构类监测项目和周围岩土体类监测项目，并细分为空间形态变化类和力学形态变化类。基坑隧道工程不同施工工法的主要监测项目如表1所示[2]。

表1 地铁基坑隧道工程不同施工工法主要监测项目Tab.1 Main monitoring projects using different construction methods for subway excavation

各监测项目对应的监测控制指标包括累计变化量、变化速率、差异变化量等，不同施工工法及其监测项目的控制指标(值)如表2所示(以一级工程监测项目为例)。

表2 地铁基坑隧道工程不同施工工法监测项目控制值一览Tab.2 Control value for monitoring projects built by different construction methods

1.2 监测预警、安全风险状态评价及存在问题

根据国家及有关城市的标准规范和风险管理经验，针对工程监测的预警一般分为黄色监测预警、橙色监测预警、红色监测预警3级，其监测分级标准(以北京为例)如表3所示[3]。

表3 地铁工程监测预警等级划分Tab.3 Classification of monitoring and early warning in subway engineering

由上表可知，当前普遍采用的监测预警是针对单一监测项目及其监测点的预警(如某一地表沉降监测点实测值超标，并达到某级别预警)，工程实际风险管控中存在如下问题：1) 单一监测项目监测点的预警较易发生，绝大部分情况下并不能反映该监测项目存在预警甚至工程安全风险；2) 基于1进行的监测预警响应是相对不科学、不严谨的，易造成有关单位过度关注反而降低了安全风险管控的时效性、敏感性；3) 多个监测项目或监测点的同时预警情况较多，但进一步挖掘和综合性分析相对欠缺，导致准确及时地预判工程安全风险状态不足，遑论采取科学合理的风险处置方案或措施。

比较监测预警和现场巡视预警并行并以此为基础的综合预警方法，前者是局部的、片面的和表面的，后者是相对立体的、全面的和实际存在的，因此二者并不在同一层面上，导致了综合预警的合理性、准确性大打折扣。

2 工程安全风险状态评测

2.1 工程安全风险要素分析

工程监测是地铁工程信息化施工和安全风险管理的“眼睛”和重要手段，其预警情况在一定程度上直接或间接反映了工程安全风险状态。根据有关文献资料[7-8]，工程安全风险状态主要取决于以下影响因素：1) 工程施工进度及工况、工序；2) 单一监测点的预警数量及等级；3) 多个监测项目预警的关联度；4) 现场巡视异常及预警情况。同时应进一步区分是主控还是次要影响因素，是直接影响因素还是间接影响因素，是结构类监测项目为主还是周围岩土体类监测项目为主，是累计变化量预警为主还是变化速率预警为主，等等。

2.2 多因素权重矩阵分析法评价工程安全风险状态

根据前述工程监测项目及其安全风险影响因素分析，要真正、准确评判工程安全风险状态，应利用各类实际监测数据及相应的单项预警指标，基于层次分析和隶属度赋值等方法，建立一种工程安全预警及安全风险状态判别的综合分析和智能预测方法，主要步骤包括以下5方面：

1) 根据相关规范标准和工程经验，分析并确立影响工程安全预警的多层级影响因素或监测项目以及预警指标(本次分为四层级)，并预设各级影响因素或监测项目预警指标所属上一级安全预警指标的权重值或隶属度值，如图1所示。

2) 以各级影响因素或监测项目预警值为基础，仍设定分为黄、橙、红三色级预警标准，并对各级影响因素或安全预警色级赋予一定的数值范围，并假以相应的计算公式，便于计算机程序自动实现，公式如下：

3) 根据基坑隧道工程安全监测方案和实测数据，先获取第四级影响因素或预警指标的实际预警值及其所属第三级影响因素或监测预警指标的实际发生数量，代入预设的所在级别的隶属度函数，进行权重计算和归一化处理，判定得到该级各因素指标的预警指标权重矩阵W333，即：

式中，W333-i～j为各第四级指标参数的实际预警指标值(如对 W111，W333-i～j分别为 W1111(累计变化量)和 W1112(变化速率)；λi-j为四级指标参数所占对应的第三级预警的相对权重或隶属度(如对W111，针对W1111(累计变化量)相对于W111的权重λ1可设为0.45，W1112(变化速率)的λ2则为 0.55)。

4) 将步骤 3中判定的各三级单因素预警指标权重矩阵值，步骤二获取的各三级单因素预警指标的实际发生数量，代入预设的二级隶属度函数，判定得到各二级影响因素的预警指标权重矩阵W22；同样地，在对各二级影响因素的预警指标权重矩阵 W22进行模糊综合评判的基础上，可得到相应各一级影响因素的预警指标权重矩阵W1。

式中，W22-i～j为各三级指标参数的实际预警指标或计算预警指标值；δi-j为对应三级指标参数所占二级预警的相对权重或隶属度(如对W22，针对W221(围岩(土)压力变化值预警指标)相对于为 W22的相对权重 δi可为0.6，W222(孔隙水压力变化值)的 δj则为 0.4)；li(y)为各三级预警指标的实际发生数量(y为整数，由步骤二确定)对应的预警调整系数，主要针对存在第三级指标参数的二级预警指标项目(如W11、W22)，根据工程经验，具体计算公式为：

同样地，可得到各第一级影响指标的权重矩阵W1值，计算公式如下：

5) 根据上述层级评判计算结果，可得到基于基坑隧道工程监测数据及预警项目的最终工程预警指标或工程安全风险等级W(其中工程预警仍分为黄、橙、红三色预警，对应的安全风险等级分别为：低风险、较高风险、高风险)，并依此进行预警管理或安全风险分级管控。

3 应用案例

以下为某地铁车站(三层标准车站)发生多个监测点预警，根据上述方法进行工程安全风险量化评估。

通过该车站的监测结果，一共发生了3个地表沉降监测点的橙色监测预警、6个管线变形监测点的橙色监测预警和 2个地表沉降监测点的黄色监测预警(见图 2、表 3)。

图1 地铁基坑隧道工程预警分层概化Fig.1 Hierarchy and generalization of the early warning in subway tunnel engineering

图2 某地铁车站基坑监测点布设及测点预警平面Fig.2 Layout of the monitoring point of foundation pit in a subway station and an early warning plane of the measuring point

表3 测点监测结果Tab.3 Monitoring sesults of observation points

根据前述工程安全风险评测方法，本工程中存在W333-1(地表沉降)和 W333-2(管线变形)两个三级监测指标，根据经验，将其所占二级指标的影响权重均取为0.5。其中，W333-1(地表沉降)指标发生了2个黄色预警和3个橙色预警，W333-2(管线变形)指标发生了6个橙色预警(根据公式(1)，黄色预警取 1.5，橙色预警取3)。那么 W22-1=[1.5×0.45×0.5×(2/2)+3×0.45×0.5×(3/2)]+[4×0.45×0.5×(6+1)/3]=3.45。然后，根据公式(4)和(5)，将 W22所占第二级影响权重系数 β、第一级影响权重系数α分别设为 0.9、0.5，则：W=3.45×0.9×0.5= 1.55。最后根据公式(1)，该工程的整体安全风险状态处于黄色预警状态(这里指的是一种综合性的工程预警)，虽然出现了较多的单项监测点预警，但通过本分析评测方法，判定工程安全风险基本可控，须加强监测、巡视跟踪等日常风险管控措施。

4 结语

1) 地铁基坑隧道工程各监测项目及监测预警是影响工程安全风险的重要因素，通过研究建立一种多因素、多层次、权属度分配等综合分析方法，更加合理地判别工程安全风险状态，克服了当前监测预警的局限性，填补了工程安全风险动态及定量化评估的空白，提高了工程预警及安全风险评测的科学合理性，最大限度发挥了工程监测数据及其预警在工程安全风险预防预控中的作用。

2) 该评测方法易于进行计算机实现，通过信息系统(包括手机客户端)将进一步提高工程施工中安全风险动态评估与管控的智能化和及时性。

3) 工程预警及安全风险状态综合评测中应加强研究各监测预测分项所占合理权重，根据工程实际，合理考虑现场实测风险要素(通过现场风险巡查发现)的权重。