高陡岩质边坡加固工程施工风险分析与控制

赖咸根, 刘运思, 周伏良, 赵俊逸, 陈浩锟, 彭宇



高陡岩质边坡加固工程施工风险分析与控制

赖咸根1, 刘运思2, 周伏良1, 赵俊逸1, 陈浩锟1, 彭宇1

(1. 中国建筑第五工程局土木工程有限公司, 湖南长沙, 410075; 2. 湖南科技大学土木工程学院, 湖南湘潭, 411201)

根据施工风险评估的一般流程, 对长沙冰雪大世界高陡岩质边坡加固工程施工风险源进行了识别。评估中考虑的主要风险因素有施工环境风险、基坑特征风险、施工技术风险、施工作业风险、施工管理风险、及预防措施风险6个一级指标, 以及与其相关的20个二级指标。综合运用模糊层次分析法, 构建了隶属度函数, 判断了边坡加固施工过程中的风险等级, 并提出了边坡加固过程中施工风险控制的要点。

高陡岩质边坡; 风险分析与控制; 层次分析法; 模糊综合评价

随着城市建设的迅速发展, 越来越多的超深超大基坑边坡涌现[1–3]。而这些超深基坑开挖过程中常会遇到不良地质条件、周边建筑物沉降过大导致结构破坏和失稳以及周边环境污染问题。超深基坑相对于浅基坑, 施工过程中考虑的因素更多, 面临的情况更复杂, 须将其视为一个复杂的系统工程来进行分析[4–6]。因此, 展开超深基坑多因素、多层次的风险分析, 是确保施工顺利进行和安全的前提。

目前, 许多学者已针对超深基坑施工风险进行了分析。顾雷雨[7]基于风险理论, 提出了复杂环境中基坑安全风险预警标准设计方法; 辛欣[8]首先对土岩组合复杂地质情况下明挖地铁基坑进行了风险识别, 建立了相应的风险评价指标; 包小华[9]从风险理念出发, 通过对基坑事故的广泛调查, 得到深基坑安全性的主要影响因素及其所占权重, 据此结果对深基坑安全风险等级进行评判; 周红波[10]根据工程地质特点和周围建筑物情况, 进行了深基坑风险识别和风险评估, 得到了基坑不同因素的风险等级。

长沙冰雪大世界高陡岩质边坡加固工程主体为一个经人工采石形成的深坑, 该坑上宽下窄, 坡度较陡。工程地质情况复杂, 存在岩溶、断层、裂隙和崩塌等不良地质现象。又因工程地处湘江新区, 周边环境要求高, 因此, 施工风险高、难度大。本文开展长沙冰雪大世界高陡岩质边坡加固工程风险研究, 对复杂地质情况下高陡边坡施工的风险进行了识别, 采用模糊层次分析法, 构建了隶属度函数, 判断边坡加固施工过程中的风险等级, 并提出了预防边坡加固工程项目施工风险控制的要点。本项目的研究具有一定的理论和工程实际意义。

1 工程概况及风险识别

1.1 工程概况

长沙冰雪大世界工程位于长沙市岳麓区坪塘镇山塘村至狮峰山地段, 坪塘大道东侧、清风南路南侧。采石坑为长直径约500 m、短直径约400 m的类椭圆形, 经人工采石深度达100 m。基坑上宽下窄, 坡度较陡, 坡角约为80º～90º, 其平面面积约为150 000 m2。抽水前, 坑内积水深度约30 m。采石坑场地呈四周高中间低地形。

工程场地基岩为灰岩(俗称石灰岩), 岩层产状较为平缓, 节理裂隙发育、岩溶作用发育(图1), 局部发育有溶洞及溶沟(槽), 场地范围内还存在数条断层。由于溶蚀及矿坑开采导致坑内岩壁存在危岩, 主要分布于矿坑坑顶部及南侧矿坑。危岩形状各异, 且大小不一, 最大直径达3 m。

图1 岩溶地质

场地东侧为中建五局项目部生活区, 距A拱脚区爆破最近点260 m; 南侧是本项目酒店施工场地, 距C拱脚区爆破点最近相距250 m, 东南角300 m外是原湖南省新生水泥厂生活区; 西侧是坪塘大道, B拱脚区爆破点距坪塘大道约100 m, 距水塘村民房超过200 m; 北侧是清风南路, 路北是岳麓区第二医院, 路南是本公司钢构项目部, 距A拱脚区爆破点220 m, 中间为钢构加工场地。工地位于湘江新区坪塘街道, 该工程属于国内极其罕见的超高岩壁加固支护工程, 对工程施工安全、环境保护、扬尘、渣土运输要求非常严格, 加上周边环境复杂, 施工难度极大。

1.2 风险识别

本文确定了施工环境风险、基坑特征风险、施工技术风险、施工作业风险、施工管理风险以及预防措施风险共6个一级指标。每种风险一级指标下设置若干风险因素二级指标, 二级指标共20个。本文建立的基坑工程安全风险评价对象及评价指标体系如表1所示。

表1 基坑安全风险评价指标

2 风险评估方法

2.1 专家调查法

专家评估采用函调方法, 安全风险评估单位将制定好的风险源识别和评估表、冰雪大世界勘察设计资料以及对冰雪大世界的现场调研成果一并邮寄给专家, 专家根据提供的资料进行评估后返回给安全风险评估单位进行统计分析。共邀5名专家对基坑工程施工风险事件打分。

2.2 层次分析法

本项目采用层次分析法对所需评价指标进行比较, 并构成一个判断矩阵, 然后采用方根法对权重进行计算。计算公式为:;;;。式中:b为判断矩阵中的元素;u为元素b按行相乘;u为个u所得的乘积分别开次方;W为特征向量的第个分量; ()为向量的第个分量;max为判断矩阵的最大特征根。

2.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法对于不确定复杂问题很适用, 在风险评价中应用非常广泛, 特别是对风险因素多的模型, 比其他方法更能准确地评价风险水平。在评价风险水平之前需要建立隶属度函数, 本文采用了指派法来得出隶属度函数。风险等级一、二、三、四、五所对应的隶属度函数表达式分别为:

3 风险评价

3.1 风险源权重的确定

本文采用专家调查法确定风险源的权重。5位专家根据项目情况进行打分, 再根据层次分析法求出各指标的权重, 结果见表2。

表2 风险因素权重

3.2 高陡岩质边坡施工的模糊综合评价

邀请5位专家(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)对基坑工程施工风险事件打分, 专家评分表见3。

表3 专家评分统计表

将一级风险准则权重向量和模糊运算得到的判断矩阵相乘, 得到6种风险准则的隶属度向量分别为: 施工环境风险隶属度向量1=11= (0.066 0, 0.000 0, 0.000 0, 0.720 8, 0.212 2); 基坑特征风险隶属度向量2=22= (0.426 0, 0.574 0, 0.000 0, 0.000 0, 0.000 0); 施工技术风险隶属度向量3=33= (0.000 0, 0.297 0, 0.588 9, 0.114 1, 0.000 0); 施工作业风险隶属度向量4=44= (0.048 0, 0.000 0, 0.127 7, 0.417 6, 0.407 7); 施工管理风险隶属度向量5=55= (0.000 0, 0.000 0, 0.970 4, 0.028 6, 0.0000); 预防措施因素风险隶属度向量6=66= (0.000 0, 0.667 0, 0.333 0, 0.000 0, 0.000 0)。

根据最大隶属度原则可知, 施工环境风险为四级, 基坑特征风险为二级, 施工技术风险为二级, 施工作业风险为四级, 施工管理风险为三级, 预防措施因素风险为二级。

将施工环境风险、基坑特征风险、施工技术风险、施工作业风险、施工管理风险和预防措施因素风险的隶属度向量1、2、3、4、5、6与进行模糊运算, 可以得出深基坑施工的总体风险=·[1,2,3,4,5,6]T6= (0.052 4, 0.185 8, 0.271 3, 0.369 1, 0.139 2)。根据最大隶属度原则, 得出本基坑工程施工总体风险为四级。

3.3 风险评价结论

结合以上基坑工程施工风险评价的结果和风险等级相应的处置措施, 该工程整体风险大, 为四级, 应当引起重视, 立即采取风险处理措施, 响应应急预案。基坑特征风险、施工技术风险和预防措施因素风险为二级, 由于基坑属于超深超大基坑, 存在一些潜在的施工风险, 遇到施工难度较大的地方, 需及时与设计方沟通, 在施工过程中应做好安全监控。施工管理风险为三级, 应当重视, 需要加强日常管理, 加强人员安全培训, 分包管理者应得到一些专业培训以增强他们的管理技巧, 在设备管理方面需特别注意风险防范。从施工环境和施工作业的风险角度来看, 其处于四级风险状态, 应当引起高度重视, 特别是支护结构施工、爆破开挖以及脚手架搭设应立即采取风险处理措施, 响应应急预案。

以上分析符合工程的实际情况, 各种风险等级是由基坑的具体情况、外界条件和施工单位自身情况共同决定的。总体看来, 各种风险在可以控制的范围内, 但须引起足够的重视。该基坑工程项目施工风险评价结论综合考虑了风险产生的后果以及风险发生的概率, 并且在考虑5种风险准则的基础上得出了整体的风险等级, 给决策者从宏观上掌控施工风险提供了依据。

4 边坡加固工程项目施工风险控制的要点

该基坑工程存在施工工期长、技术难度大、施工地质环境复杂等因素, 施工过程中对施工风险控制应注意以下几点。

(1) 支护结构的施工。支护结构的施工是重要的基础环节, 因此, 必须保证基坑的稳定性。在做好支护结构施工的同时, 还应注意周围土体的变形。在保证支护结构安全的前提下, 做好成本控制, 保证工期。

(2) 基坑周围土体的加固。软弱土层地区的基坑在开挖时很容易发生变形, 这会对周围的土体产生扰动, 这种情况下, 基坑隆起是常见的施工事故, 此外, 挡土墙缝隙可能还会产生水土流失。为了避免这些问题, 在施工初期应对基坑周围的土体作好加固。

(3) 监测和信息化施工。对基坑工程施工过程的监测能随时反映风险的变化情况, 监测数据是施工决策的重要参考依据, 因此, 信息化施工是施工安全的有力保障。

(4) 基坑工程施工前的必要准备。除了严格规范施工外, 还要提前准备好施工所必需的一些条件和设备。在施工前要确保原材料的质量达标, 确保施工所需设备齐全并达到安全标准, 确保质量技术文件达到业主对运行、扩建和维修的要求。

(5) 注意对基坑周围环境的保护。基坑开挖前, 应该估计开挖对周围土层产生的影响, 注意保护地下建(构)筑物和地下管线, 避免对周围产生的扰动过大。规范处置建筑垃圾, 避免对环境产生污染。安排好施工时间, 尽量减小干扰附近居民日常生活的噪音。

(6) 安全施工。安全施工已经成为施工规范中的强制性条款, 并且有专款为安全施工预备。安全施工的含义有2个方面的考虑: 一是避免事故对施工主体和周围人的人身受到伤害和财产受到损伤; 二是避免包括施工现场材料、机械设备和临时设施等遭受损失。常见的安全管理办法大致要求做到5点: ① 建立完备的风险管理制度; ② 定期举行安全教育和培训; ③ 对机械设备质量和特种作业人员的资质进行严格审查; ④ 及时处理安全隐患; ⑤ 购买保险。

5 结论

长沙冰雪大世界高陡边坡加固工程存在地质情况复杂, 周边环境和施工工艺要求高的特点。通过建立冰雪大世界高陡边坡工程风险识别模型, 利用模糊综合评判法对施工阶段的风险进行了识别和评估。判定该加固工程风险为四级, 整体风险大, 应当引起重视, 立即采取风险处理措施, 响应应急预案。基坑特征风险、施工技术风险和预防措施风险为二级, 遇到施工难度较大的地方, 需及时与设计方沟通, 在施工过程中及时做好安全监控。现场管理风险为三级, 应当重视, 需要加强日常管理, 加强人员安全知识培训, 在设备管理方面, 需要采取风险防范措施。工程环境和施工作业为四级风险, 应当引起高度重视, 特别是支护结构施工、爆破开挖以及脚手架搭设应立即采取风险处理措施, 响应应急预案。

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[10] 周红波, 姚浩, 卢剑华. 上海某轨道交通深基坑工程施工风险评估[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(z1): 1 902–1 906.

(责任编校: 江河)

Risk analysis and control of high and steep rock slope reinforcement engineering construction

Lai Xiangen1, Liu Yunsi2, Zhou Fuliang1, Zhao Junyi1, Chen Haokun1, Peng Yu1

(1. Civil Engineering Co Ltd, China Construction Fifth Engineering Bureau, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China)

Based on the general process for construction risk assessment, the risk source of the high steep rock slope reinforcement engineering for Ice and snow world in Changsha is identified. Evaluation of the main risk factors include six indicators: risks of foundation pit risk characteristics, construction technology, construction, construction management risk, and risk prevention measures, and 20 secondary indexes. By the integrated use of fuzzy analytic hierarchy process (AHP), the membership functions is constructed and the risk level of slope reinforcement construction process is judge, and the main points of the construction of risk control in the process of slope reinforcement are put forward.

high and steep rock slope; risk analysis and control; AHP; fuzzy comprehensive evaluation

http://www.cnki.net/kcms/detail/43.1420.N.20161009.1038.002.html

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.014

TU 473.2

1672–6146(2016)04–0058–05

赖咸根, 429491862@qq.com; 刘运思, 429491862@qq.com。

2016–03–23

湖南省自然科学基金(2015JJ6038); 湖南省教育厅一般项目(15C0555); 湖南科技大学校级科研项目(E51498)。