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基于多監(jiān)測及預警要素的地鐵工程安全風險量化評估方法

文檔作者：徐耀德，祝建勛，郭濤文檔來源：北京安捷工程咨詢有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月11日
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都市快軌交通．第31卷第6期2018年12月
《熱點研討．一
№一-型wt絲m黜齲刪—■——————____——■—■■■———●—■■■■●■■——●—■■■—●■——■■■■■■——■■■■●——●—■■■■■■■■—■■■—■■■■■■■■■●■■■_
doi：10．3969，j．issn．1672-6073．2018．06．003
基于多監(jiān)測及預警要素的
地鐵工程安全風險量化評估方法
徐耀德，祝建勛，郭濤
(北京安捷工程咨詢有限公司，北京100037)
摘要：通過對地鐵基坑隧道工程各監(jiān)測項目實測數(shù)據(jù)及其預警指標、預警數(shù)量等多項因素進行挖掘和綜合分析，
研究建立一種基于多因素權(quán)重矩陣分析法的工程安全風險狀態(tài)量化評估方法，克服當前監(jiān)測預警多、風險評判定
性為主的工程安全風險狀態(tài)局限性，填補工程安全風險動態(tài)及定量化評估的空白，提升工程預警及安全風險狀態(tài)
判別的合理性、及時性和智能化。將該方法應用于某工程中，有效并及時地指導地鐵基坑隧道工程施工中安全風
險評估與控制、預警響應及處置工作，提高地鐵工程的安全風險預控效果及管理水平。
關鍵詞：地鐵：工程監(jiān)測；預警；安全風險；量化評估
中圖分類號：U231 文獻標志碼：A 文章編號：1672．6073(2018)06—0013-05
A Quantitative Method Based on Multiple Monitoring Items and Early Warning
Factors for Evaluation of Metro Engineering Safety Risks
XU Yaode，ZHU Jianxun，GUo Tao
(Agiletech Engineering Consultant Co．，Ltd．，Beijing 1 00037)
Abstract：A new quantitative method for evaluating metro engineering safety risks IS presented，which IS based on multifactor
weight matrix analysis by data mining and comprehensive analysis of the measured data of monitoring items，early—warning
indices，number of early—warnings，etc．，in metro foundation pit and tunnel engineering．The shortcomings of the existing
methods such as the multi—factor discrimination，qualitative analysis and the deviation from the real situations of risks in the
project are thus overcome both in theory and in application．This method fills in the gaps in quantitative evaluation of
engineering safety risks and improves the rationality，timeliness and intelligence of engineering early warning and
identification of safety risks．This method is then applied to a project，which shows that this method can enhance the whole
performance efficiently in safety risk assessment and control，early warning response and disposal in pre·control and
management of safety risks in metro foundation pit and tunnel engineering．
Keywords：urban rail transit；engineering monitoring；early warning；safety risk；quantitative evaluation；data mining
當前，我國城市軌道交通進入蓬勃發(fā)展時期，成
為促進地方經(jīng)濟發(fā)展和改善民生的重要引擎。但城市
軌道交通地處復雜城市環(huán)境、地質(zhì)巖土條件之下，工程
實施難度大、建設風險突出，一段時期風險事件及安全
收稿日期：2018-01—11 修回日期：2018．01．30
第一作者：徐耀德，男，碩士，教授級高級工程師，從事巖土工
程及城市軌道交通安全技術(shù)與管理的研究與應用，
yaode——xu@sina．com
事故易發(fā)多發(fā)，安全風險管理工作勢在必行。近年來，
國家及行業(yè)相繼出臺相關安全風險管理政策和標準，對
軌道交通工程領域安全風險管理提出明確要求【lj]。
工程監(jiān)測及其預警作為地鐵工程信息化施工和安
全風險管理的“眼睛”和重要內(nèi)容，在工程安全風險
狀態(tài)評價和預警管控中發(fā)揮越來越重要的作用【6】。但
以基坑隧道為主的地鐵工程，因地下工程的復雜性和
隱蔽性，多年來主要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及單一監(jiān)測預警工
作，并未考慮各類監(jiān)測項目的同時預警及共同作用，
URBAN RAPID RAIL TRANSIT l la
萬方數(shù)據(jù)
都市快軌交通·第31卷第6期2018年12月
對工程預警、安全風險狀態(tài)評價的把握，以及指導信
息化施工、風險處置工作存在一些不足，如對各項監(jiān)
測數(shù)據(jù)及其內(nèi)在相互關聯(lián)性挖掘分析不夠，單一監(jiān)測
預警并不能全面、科學地反映工程整體安全狀態(tài)，指
導施工仍顯單一、欠合理[4】。
鑒于地鐵基坑隧道工程的多種監(jiān)測項目及其實測
數(shù)據(jù)和確定的單項監(jiān)測預警指標、預警數(shù)量等，對這
些風險要素進行挖掘分析，研究建立多因素權(quán)重矩陣
分析方法，動態(tài)及時地預判工程安全風險狀態(tài)，有效
指導地鐵基坑隧道工程安全風險控制、預警響應及處
置工作，十分必要和及時。
1工程監(jiān)測預警及安全風險評價現(xiàn)狀
1．1監(jiān)測項目及控制值
根據(jù)相關規(guī)范和地區(qū)經(jīng)驗，地鐵基坑隧道工程的監(jiān)
測項目可劃分為結(jié)構(gòu)類監(jiān)測項目和周圍巖土體類監(jiān)測
項目，并細分為空間形態(tài)變化類和力學形態(tài)變化類?；?
坑隧道工程不同施工工法的主要監(jiān)測項目如表1所示【2】。
表1地鐵基坑隧道工程不同施工工法主要監(jiān)測項目
Tab．1 Main monitoring projects using different construction methods for subway excavation
結(jié)構(gòu)類監(jiān)測項目周圍巖土體類監(jiān)測項目
施工工法
空間形態(tài)變化類力學形態(tài)變化類空間形態(tài)變化類力學形態(tài)變化類
明蓋挖法
礦山法
盾構(gòu)法
樁(墻1、邊坡頂部水平位移
樁(墻)、邊坡頂部豎向位移
樁(墻1體水平位移
井壁結(jié)構(gòu)凈空收斂(豎井)
初支結(jié)構(gòu)拱頂沉降
初支結(jié)構(gòu)底板豎向位移
初支結(jié)構(gòu)凈空收斂
中柱結(jié)構(gòu)豎向位移(臨時中柱1
管片結(jié)構(gòu)豎向位移
管片結(jié)構(gòu)水平位移
管片結(jié)構(gòu)凈空收斂
喜蕁差寶：寡素菜釜尹’ 地表變形、管線變形等孔隙水壓力，地下水位
初支結(jié)構(gòu)、二襯應力地表變形、管線變形等言萎耋舅力7地下水位
管片結(jié)構(gòu)應力地表掀管線變形等誓等囂主警下水位
各監(jiān)測項目對應的監(jiān)測控制指標包括累計變化
量、變化速率、差異變化量等，不同施工工法及其監(jiān)
測項目的控制指標(值)如表2所示(以一級工程監(jiān)測項
目為例)。
表2地鐵基坑隧道工程不同施工工法監(jiān)測項目控制值一覽
Tab．2 Control value for monitoring projects built by different construction methods
施工工法監(jiān)測項目累計變化值／mm
樁(墻)頂豎向位移10～25
樁(墻)頂水平位移15～25
樁(墻)體水平位移20～50
明蓋挖法地表沉降20～40
支撐軸力Max：(60％一70％)，
錨桿拉力Min：(80％～100％Ⅵ
豎井井壁支護結(jié)構(gòu)凈空收斂30
初支結(jié)構(gòu)拱預沉降：。0～～23。0((車Y-．站f．-J{
初支結(jié)構(gòu)底板豎向位移10
礦山法初支結(jié)構(gòu)凈空收斂10
中柱結(jié)構(gòu)豎向位移10～20
地表沉降
標準區(qū)間20～30
車站、大斷面區(qū)間40～60
管片結(jié)構(gòu)沉降10～30
盾構(gòu)法苧片結(jié)構(gòu)孝異沉降n04％￡s
管片結(jié)構(gòu)凈空收斂0．2％D
地表沉降10～25
翻豳豳圈圜
2～3
2～3
2—4
2～4
3
：
o
2：2，4卜
一
，，
萬方數(shù)據(jù)
1．2監(jiān)測預警、安全風險狀態(tài)評價及存在問題
根據(jù)國家及有關城市的標準規(guī)范和風險管理經(jīng)
驗，針對工程監(jiān)測的預警一般分為黃色監(jiān)測預警、橙
色監(jiān)測預警、紅色監(jiān)測預警3級，其監(jiān)測分級標準(以
北京為例)如表3所示‘31。
表3地鐵工程監(jiān)測預警等級劃分
Tab．3 Classification of monitoring and early warning
in subway engmeermg
監(jiān)測預警等級劃分條件(滿足以下條件之一時)
黃色“雙控”實測值均達到相應監(jiān)測對象及項目
控制值的70％(含)以上
“雙控”實測值之一達到控制值的85％(含)
以上
橙色“雙控”實測值均達到相應監(jiān)測對象及項目
控制值的85％(含)以上
“雙控”實測值之一達到控制值f合)以上
紅色“雙控”實測值均達到監(jiān)測對象及項目控制
值f舍)以上
“雙控”實測值之一超過控制值(含)，且實測
數(shù)據(jù)持續(xù)未收斂
注：表中“雙控”實測值指針對監(jiān)測項目的累計變化量和變化
速率值。
由上表可知，當前普遍采用的監(jiān)測預警是針對單
一監(jiān)測項目及其監(jiān)測點的預警(如某一地表沉降監(jiān)測
點實測值超標，并達到某級別預警)，工程實際風險管
控中存在如下問題：1)單一監(jiān)測項目監(jiān)測點的預警較
易發(fā)生，絕大部分情況下并不能反映該監(jiān)測項目存在
預警甚至工程安全風險；2)基于1進行的監(jiān)測預警響
應是相對不科學、不嚴謹?shù)?，易造成有關單位過度關
注反而降低了安全風險管控的時效性、敏感性；3)多
個監(jiān)測項目或監(jiān)測點的同時預警情況較多，但進一步
挖掘和綜合性分析相對欠缺，導致準確及時地預判工
程安全風險狀態(tài)不足，遑論采取科學合理的風險處置
方案或措施。
比較監(jiān)測預警和現(xiàn)場巡視預警并行并以此為基礎
的綜合預警方法，前者是局部的、片面的和表面的，
后者是相對立體的、全面的和實際存在的，因此二者
并不在同一層面上，導致了綜合預警的合理性、準確
性大打折扣。
2工程安全風險狀態(tài)評測
2．1 工程安全風險要素分析
工程監(jiān)測是地鐵工程信息化施工和安全風險管理
的“眼睛”和重要手段，其預警情況在一定程度上直
接或問接反映了工程安全風險狀態(tài)。根據(jù)有關文獻資
基于多監(jiān)混及預警要素的地鐵I程安全風險量化評估雋法
料7—1，工程安全風險狀態(tài)主要取決于以下影響因素：
1)工程施工進度及工況、工序；2)單一監(jiān)測點的預
警數(shù)量及等級；3)多個監(jiān)測項目預警的關聯(lián)度；4)現(xiàn)
場巡視異常及預警情況。同時應進一步區(qū)分是主控還
是次要影響因素，是直接影響因素還是問接影響因素，
是結(jié)構(gòu)類監(jiān)測項目為主還是周圍巖土體類監(jiān)測項目為主，
是累計變化量預警為主還是變化速率預警為主，等等。
2．2 多因素權(quán)重矩陣分析法評價工程安全風險
狀態(tài)
根據(jù)前述工程監(jiān)測項目及其安全風險影響因素分
析，要真正、準確評判工程安全風險狀態(tài)，應利用各
類實際監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應的單項預警指標，基于層次分
析和隸屬度賦值等方法，建立一種工程安全預警及安
全風險狀態(tài)判別的綜合分析和智能預測方法，主要步
驟包括以下5方面：
1)根據(jù)相關規(guī)范標準和工程經(jīng)驗，分析并確立影
響工程安全預警的多層級影響因素或監(jiān)測項目以及預
警指標(本次分為四層級)，并預設各級影響因素或監(jiān)
測項目預警指標所屬上一級安全預警指標的權(quán)重值或
隸屬度值，如圖1所示。
2)以各級影響因素或監(jiān)測項目預警值為基礎，仍
設定分為黃、橙、紅三色級預警標準，并對各級影響
因素或安全預警色級賦予一定的數(shù)值范圍，并假以相
應的計算公式，便于計算機程序自動實現(xiàn)，公式如下：
腑cx，={彝差霾蓁1≤X<2
2≤z<4 (1)
x≥4
3)根據(jù)基坑隧道工程安全監(jiān)測方案和實測數(shù)據(jù)，
先獲取第四級影響因素或預警指標的實際預警值及其
所屬笫三級影響因素或監(jiān)測預警指標的實際發(fā)生數(shù)
量，代入預設的所在級別的隸屬度函數(shù)，進行權(quán)重計
算和歸一化處理，判定得到該級各因素指標的預警指
標權(quán)重矩陣％33，即：
H／333=％33—4，+w333力(2)
式中，％弘州為各第四級指標參數(shù)的實際預警指標值
(如對蹦，．，％，，州分別為W1111(累計變化量)和％112(變
化速率)；如為四級指標參數(shù)所占對應的第三級預警的
相對權(quán)重或隸屬度(如對％?針對％?(累計變化量)
相對于％ll的權(quán)重Al可設為0．45，％112(變化速率)的
如則為0．55)。
4)將步驟3中判定的各三級單因素預警指標權(quán)
重矩陣值，步驟二獲取的各三級單因素預警指標的
URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 5
萬方數(shù)據(jù)
都市快軌交通·第31卷第6期2018年12月
圖1 地鐵基坑隧道工程預警分層概化
Fig．1 Hierarchy and generalization of the early warning in subway tunnel engineering
實際發(fā)生數(shù)量，代入預設的二級隸屬度函數(shù)，判定得
到各二級影響因素的預警指標權(quán)重矩陣％2；同樣地，
在對各二級影響因素的預警指標權(quán)重矩陣％2進行模
糊綜合評判的基礎上，可得到相應各一級影響因素的
預警指標權(quán)重矩陣嘲。
w22=w22．iSifI@)+≯瑪33一西4@) (3)
式中，％：．“為各三級指標參數(shù)的實際預警指標或計
算預警指標值；6H為對應三級指標參數(shù)所占二級預警
的相對權(quán)重或隸屬度(如對％2，針對％：，(圍巖(土)壓
力變化值預警指標)相對于為％2的相對權(quán)重6，可為
0．6，％22(孔隙水壓力變化值)的西則為0．4)；厶◇)為各
三級預警指標的實際發(fā)生數(shù)量(y為整數(shù)，由步驟二確
定)對應的預警調(diào)整系數(shù)，主要針對存在第三級指標參
數(shù)的二級預警指標項目(如％，、％2)，根據(jù)工程經(jīng)驗，
具體計算公式為：
f Y y 2o或1
li(y)={Y／2 Y=2、3或4 (4)
【(y+1)／3 J，≥5
同樣地，可得到各第一級影響指標的權(quán)重矩陣
聯(lián)值，計算公式如下：
％=％嘏+％．耪(5)
5)根據(jù)上述層級評判計算結(jié)果，可得到基于基坑
隧道工程監(jiān)測數(shù)據(jù)及預警項目的最終工程預警指標或
工程安全風險等級暇其中工程預警仍分為黃、橙、紅
三色預警，對應的安全風險等級分別為：低風險、較
高風險、高風險)，并依此進行預警管理或安全風險分
級管控。
膽W1一，af+WI．ja， (6)
3應用案例
以下為某地鐵車站(三層標準車站)發(fā)生多個監(jiān)測
點預警，根據(jù)上述方法進行工程安全風險量化評估。
通過該車站的監(jiān)測結(jié)果，一共發(fā)生了3個地表沉
降監(jiān)測點的橙色監(jiān)測預警、6個管線變形監(jiān)測點的橙
色監(jiān)測預警和2個地表沉降監(jiān)測點的黃色監(jiān)測預警
f見圖2、表3)。
圖2某地鐵車站基坑監(jiān)測點布設及測點預警平面
Fig．2 Layout of the monitoring point of foundation pit in a
subway station and an early warning plane of the measuring
point
萬方數(shù)據(jù)
表3測點監(jiān)測結(jié)果
Tab．3 Monitoring sesults of observation points
．．． ．，?，
累計變形控制值
監(jiān)測點
測點名測點類型變化腳，速考／、變化量變形速率≮善‘
DB．02．08 地表沉降一5l 2 O．28 30．0 2．0 橙色
DB．02．10 地袁沉降-41 0 0．25 30．0 2．0 橙色
DB．02—1 l 地表沉降44．95—0．32 30．0 2．0 橙色
WGXC一04．1 1管線沉降31．2 0．106 20．0 5 0 橙色
WGXC一04，10管線沉降一37．0—0．0353 20．0 5．0 橙色
WGXC一04．07管線沉降72．7 0．141 20．0 5．0 橙色
WGXC．04．08管線沉降61．2 0．212 20．0 5．0 橙色
WGXC．04—03管線沉降22．5～0．367 20．0 5．0 橙色
WGXC．04—04管線沉降20．3～O．532 20．0 5．0 橙色
DB．02—01 地袁沉降一26．6～0．035 30．0 2．0 黃色
DB一02．1 1 地袁沉降27．7～O．022 30．0 2．0 黃色
DB．02—17 地表沉降～10 —0 19 30．0 2．0 正常
ZQS．19 樁頇位移1．8 0．23 30．0 3．0 正常
ZQT一1 5 樁體變形10．8 1．04 30．0 3．0 正常
zL一07—03 支撐軸力142．81 -4 75 2325 500 正常
根據(jù)前述工程安全風險評測方法，本工程中存在
％33．1(地表沉降)和w333—2(管線變形)兩個三級監(jiān)測指
標，根據(jù)經(jīng)驗，將其所占二級指標的影響權(quán)重均取為
0．5。其中，％33．1(地表沉降)指標發(fā)生了2個黃色預警
和3個橙色預警，％33，2(管線變形)指標發(fā)生了6個橙
色預警(根據(jù)公式(1)，黃色預警取1．5，橙色預警取
3)。那么％2—1=[1．5x0．45x0．5x(2／2)+3x0．45x0．5x(312)]+
[4x0．45x0．5x(6+1)／3]=3．45。然后，根據(jù)公式(4)和(5)，
將％：所占第二級影響權(quán)重系數(shù)∥、第一級影響權(quán)重
系數(shù)“分別設為0．9、0．5，則：W=3．45x0．9x0．5=1．55。
最后根據(jù)公式(1)，該工程的整體安全風險狀態(tài)處于黃
色預警狀態(tài)(這里指的是-,00綜合性的工程預警)，雖
然出現(xiàn)了較多的單項監(jiān)測點預警，但通過本分析評測
方法，判定工程安全風險基本可控，須加強監(jiān)測、巡
視跟蹤等日常風險管控措施。
4結(jié)語
1)地鐵基坑隧道工程各監(jiān)測項目及監(jiān)測預警是
影響工程安全風險的重要因素，通過研究建立一種多
因素、多層次、權(quán)屬度分配等綜合分析方法，更加合
理地判別工程安全風險狀態(tài)，克服了當前監(jiān)測預警的
局限性，填補了工程安全風險動態(tài)及定量化評估的空
白，提高了工程預警及安全風險評測的科學合理性，
最大限度發(fā)揮了工程監(jiān)測數(shù)據(jù)及其預警在工程安全風
險預防預控中的作用。
基于多鑒漉及預警要素的地鐵I程安全風鹼量化評怙力法
21該評測方法易于進行計算機實現(xiàn)，通過信息系
統(tǒng)(包括手機客戶端)將進一步提高工程施工中安全風
險動態(tài)評估與管控的智能化和及時性。
31工程預警及安全風險狀態(tài)綜合評測中應加強
研究各監(jiān)測預測分項所占合理權(quán)重，根據(jù)工程實際，
合理考慮現(xiàn)場實測風險要素(通過現(xiàn)場風險巡查發(fā)現(xiàn))
的權(quán)重。
參考文獻
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(編輯：郝京紅)

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