城市轨道交通施工安全风险预警体系研究

商兆涛， 尹志凯， 张红彬， 卢坤林

（1.芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站，安徽芜湖 241000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009）

城市交通是否快捷、便利是一座城市发展最基础性的要求，也是群众对城市印象的一张明信片. 改革开放以来，我国经济飞速发展，地面交通早已不能满足人们日常出行的需要，因此开发地下交通空间是各个城市加快现代化步伐的一项重要建设. 地下空间工程往往伴随着一些重大的安全问题［1-2］，城市轨道交通在施工建设过程中会存在一定的风险，如何及时发现风险、预防风险是城市轨道交通项目施工安全风险管理研究的一个重要课题.建立合理的风险预警体系，及时发现风险源，从而降低事故发生的概率，国内外学者对此也开展了一系列研究.

Leonard Graha［3］通过模拟火山喷发事件利用集成风险预警系统设计和技术提出一种风险管理模式；Widarsson［4］利用贝叶斯网络技术在预警系统设计时加入与预警判别相关的诊断理论，利用事故发生的概率建立了一个量化的早期预警系统. 目前在安全生产领域常用的预警模型有阈值预警、基于模糊系统的事故预警、基于神经网络的风险预警、模糊神经网络融合技术预警、AHP-模糊综合评判风险预警等［5-10］. 孙金凤［11］比较生产领域事故预警模型，对模型建立提出改进意见，构建一种基于模糊判断和动态模糊神经网络的重大事故风险预警模型. 通过实际应用在预警量化分级上得到了较好的风险预警效果，对工程应用有一定的借鉴作用；Gaosheng Yang［12］运用模糊综合评价的方法详细分析施工阶段安全风险，并在此基础上建立安全风险预警系统和预警指标体系. 以项目进行过程中的安全性作为风险评价的指导标准，为降低项目施工风险提供依据，对有效应对风险具有指导意义；丁烈云［13］针对长江隧道施工预警系统，对长江隧道盾构施工安全风险建立一体化控制体系，为施工安全风险实事控制提供一种科学可靠的手段，对理论研究和工程指导具有重要的意义；杨树才［14］通过现场监测和现场巡视对轨道交通工程安全风险进行监控，利用现代化施工管理方法从管理和技术两个方面提出全面控制施工安全风险的方案.

以上关于建立轨道交通施工安全风险预警指标体系的文献具有较强的代表性. 建立合理的预警指标体系是轨道交通施工风险管理研究的一个重要环节，但就目前研究进展而言，针对轨道交通施工风险预警量化分级理论的研究仍然不足［15-17］，一方面预警指标体系无量化指标对预警量化分级；另一方面建立的量化指标依据不足，对大多数工程施工不具有普适性. 因此，笔者在前人研究的基础上，吸取经验，根据轨道交通施工相关标准、规范、我国事故分级、施工风险损失量、施工风险概率以及事故统计分析结果，改进海因里希安全事故法则，对轨道交通施工安全风险进行合理量化分级，从而建立轨道交通施工安全分析预警指标体系.

1 预警指标体系

监测预警指标、巡视预警指标和综合预警指标是预警指标体系的三大组成部分.

1.1 施工阶段安全风险监测预警指标

监测预警指标作为一项基础性的预警指标，对预警指标体系的可靠性有重大的影响. 在施工过程中结合施工工艺特点和特殊环境因素对城市轨道交通项目施工阶段常规施工监测点进行单一指标监测，建立全面可靠的施工监测指标预警. 科学选取单一监测指标是监测指标体系是否合理的关键［18］. 针对地下工程项目监测尚未出台统一的监测标准和规范，近十年出台的轨道交通施工阶段相关技术监测标准有《城市轨道交通工程监测技术规范》、《地铁施工安全评价标准》、《建筑基坑工程监测技术规范》、《铁路隧道监控量测技术规程》等. 也有地方根据施工经验建立的监测标准，如上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》（DG/TJ 08—16—2018）、福建省地方标准《地铁基坑工程技术规程》（DBJT 13—283—2018）等.

结合各地方标准、规范和轨道交通项目、地下工程项目分部分项工程技术标准和设计规范总结出常见的轨道交通施工监测指标. 其中深基坑监测指标、区间隧道暗挖工程监测指标、地铁盾构施工监测指标均为常见分布分项工程施工监测指标［19-20］. 限于篇幅本文仅列出区间隧道采用浅埋暗挖法施工的安全风险预警监测指标作为本文探讨对象，如图1所示.

图1 隧道暗挖工程安全风险预警监测指标Fig.1 Early warning and monitoring indicators for safety risk of tunnel excavation engineering

1.2 施工阶段安全风险巡视预警指标

轨道交通巡视预警指标从人员因素、施工器具因素、材料因素、管理因素和环境因素五个方面建立安全风险巡视指标，运用传统风险评估采用的“A计分法”把五大因素的各个环节细化，对当前安全状态和未来风险发展程度进行评分，确定监测指标预警阈值并对单一指标进行预警. 监测预警限量化标准和量化原则较为开放，在保证安全施工和规范操作的准则下进行现场巡视评分，同时也可以及时发现可能引起安全事故的现场风险源和安全隐患，包括施工过程中人员操作不规范、施工机械和工作环境的不安全状态以及管理的缺陷. 对于可以及时制止或处理的行为及时采取措施，做到防微杜渐，避免危险扩大到不可接受的状态.

1.3 施工阶段安全风险综合预警指标

综合预警指标是由施工阶段安全风险监测预警指标和巡视预警指标中可以统一量纲、方便计量的指标组成，主要是结合两种预警指标对轨道交通施工安全风险的影响合理量化指标发出综合预警.

施工过程中的各个单一监测指标值可能存在量纲不完全统一的问题，对此需统一量化施工现场获得安全风险监测预警指标值和安全风险巡视预警指标值，便于量化计算. 对监测指标值构建模糊隶属度函数并进行计算，计算单一预警结果发生的概率并与临界值比较后评价定性指标风险状况. 发出无警蓝色预警、轻警黄色预警、中警橙色预警、重警红色预警（表1）.

监测预警、巡视预警均在量化的指标阈内发出相应指标预警，同时结合监测预警和巡视预警发出综合预警，针对同一指标预警，综合预警级别一般同监测及巡视预警级别较高者，特殊情况下高于二者预警.

表1 城市轨道交通项目施工阶段安全风险预警警限Tab.1 Early warning limits for safety risks of urban rail transit projects during construction

2 城市轨道交通施工安全风险预警指标警限划分

通过合理改进海因里希安全事故法则，确定适合轨道交通工程施工的预警指标阈值和警限，从而建立城市轨道交通安全风险预警指标体系. 根据现行的轨道交通施工相关标准、规范、我国事故分级、施工风险损失量、施工风险概率以及轨道交通施工事故统计分析结果，改进适合轨道交通的海因里希300∶29∶1法则，使量化的预警指标准确判断各个预警.

2.1 施工安全事故量化分析

我国生产安全事故划分标准由国务院规定，《安全事故报告和处理条例》中将规定生产安全事故造成的人员伤亡事故划分为特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故. 对于轨道交通施工安全风险预警的重警如表2所示，本文将可能发生重大事故和特大事故定性的最低量化标准作为轨道交通施工重警事故可能造成人身伤害的参考值，将可能发生一般事故定性的最低量化标准作为轨道交通施工轻警可能造成人身伤害的参考值，中警最低参考值介于重警和轻警之间，根据轨道交通事故发生频率和可能发生较大事故定性最低量化标准确定.

2.2 建设项目风险等级划分

事故损失程度一般从人身、经济和社会三个要素警限定量定性分析，事故的社会影响与人身和经济损失成正相关，伤亡人数越多造成的财产损失越大，社会影响就越恶劣［21］. 本文依据建设工程项目风险管理的风险等级评估（表3）、风险区域图（图2）对轨道交通施工安全风险事故影响程度定量分析.

表2 伤亡人数判定事故等级Tab.2 Accident level of casualties

按表3风险等级划分，图中各风险区的风险等级如下：

1）风险区A——5等风险；

2）风险区B——3等风险；

3）风险区C——3等风险；

4）风险区D——1等风险.

如图2，处于风险区A的事件，则属于高概率、高损失的风险，风险评估等级为最高级别5 级，需要及时采取有效的措施降低风险等级，避免危害人身财产安全的事故发生. 风险区A可以通过降低事故发生概率将风险转移至风险区B，同时也可以通过减小损失量将风险转移到风险区C. 即使事件处于风险区B、C 也仍然存在风险，为避免风险扩大需要进一步采取措施将其转移到风险区D，将事故发生的概率和损失减小到最低状态.

表3 风险等级评估Tab.3 Risk level assessment

图2 风险区域图Fig.2 Schematic diagram of risk areas

2.3 修正相关量化指标值

确定城市轨道交通施工安全风险预警指标阈值及警限，由2.1、2.2节并参照实际施工情况和相关统计资料，总结三条设置原则修正相关量化的指标值. 加入事故影响因子分析得到调整后的事故预警量值（表4）.

1）设定预警阈值，将事故从人身、社会的角度给出具体的量值，社会影响引入影响因子辅以量化，严格按照相关规范、施工经验选取具有代表性的预警指标，对施工阶段现场监测和巡视的指标勤做记录，当情况复杂不宜说明缘由时应选取较小的报警值.

2）全国各地预警指标阈值因为各地的工程实际情况会有所不同，可适当根据各地区环境特点、机械设备、材料供应和施工工艺对预警值进行合理界定.

3）由工程建设事故定性标准和国际上通用的风险等级评估、事件风险量区域，对轨道交通安全风险预警指标做出合理的量化. 在量化的基础上根据各分部分项工程的施工特点和重难点施工方案的专家论证建议对相应指标进行修正，保证单一预警指标阈值的合理性，对安全事故起到预警的作用.

由于建设项目风险等级划分最高为5级，对应的事故危害和影响最大，故将发出重警的事件影响因子定为5. 建设项目风险等级划分最低为1级，对应的事故危害和影响相对较小，故将发出轻警的事件影响因子定为1. 中警介于轻警和重警之间，中警预警影响因子确定为3. 本文认为中警影响因子u=3时，死伤人数可能会比重大事故的最低定性标准要多. 由于重大事故造成人员伤亡过多并且社会影响巨大，在设立预警指标时应做到提前预警，对即将可能造成重大事故的警情升级为重警，引起足够的重视，及时采取有效额措施避免事故发生概率和损失量扩大.

表4 预警事故伤亡量值表Tab.4 The casualty value of early warning accident

2.4 改进海因里希法则确定预警指标阈值

海因里希300∶29∶1法则，由美国著名安全工程师海因里希提出. 海因里希在统计大量机械事故得出结论：在300起安全隐患和违章中，大概率会出现死亡或重伤、轻伤和无伤害事故的比例为1∶29∶300. 轨道交通施工过程危险因素远多于一般的生产活动，现根据海因里希法则结合轨道交通施工特点，适当调整事故发生频数，通过事故或警情发生规律和海因里希统计结论，确定预警综合指标值.事故发生的综合指标值表示，一旦事故发生可能造成的伤亡程度，指标值越大相应伤亡比例越高（如表5）.

利用城市轨道交通施工安全风险预警综合指标量总值替代海因里希法则中总结的事故发生频数. 故预警指标量值为死伤人数与影响因子的乘积，结合事故统计规律［22-26］，本文认为重警发生概率与一般事故发生占比一致，轻警发生概率与重大事故发生占比一致，中警发生概率与较大事故发生占比一致.

通过定性—定量—定性分析，对海因里希安全事故法则合理改进. 对轨道交通事故安全风险预警合理量化轻警、中警、重警预警区间和阈值，即在指标阈内按轻警占2/330、中警占48/330、重警占280/330划分.

表5 轨道交通施工风险预警阈值Tab.5 Early warning thresholds of rail transit construction risk

2.5 预警指标警限划分

根据《建筑施工安全检查标准》（JGJ 59—2011）和改进海因里希安全事故法则确定的预警阈值，划分监测预警指标和巡视预警指标的警限. 限于篇幅本文仅列出浅埋暗挖法区间隧道工程监测预警指标警限划分（如表6）.

表6 浅埋暗挖法区间隧道工程监测预警指标警限划分Tab.6 Division of warning limits for monitoring and early warning indicators of tunnel engineering in the shallow excavation method

因轨道交通工程基坑开挖较深，故所选用的预警指标阈值按一类基坑确定. f1为构建承载力设计值，f2为荷载设计值，B为建筑物宽度. 另外预警指标警限还参考《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）、《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）等，确保预警警限确定的合理性.

2.6 预警指标无量纲化预警

为更好地建立统一评判依据，通过对施工现场监测指标进行无量纲处理，并建立关于监测指标安全风险预警的隶属度函数，如下式：

其中：［a，b］为预警指标阈值；［0，a）为无警区间；［a，c）为轻警区间；［c，d）为中警区间；［d，b］为重警区间.

预警指标无纲量化处理，单一指标之间可以直接通过隶属度函数统一量化表达. 对比指标量值可以读出各个指标的风险程度从而进行综合指标评价，过滤出无警指标；对于带有警情预报的指标从小到大以此排序进而确定安全事故的警级，发出相应警报，从而引起安全管理人员注意，做出相应预防，从而有效管控风险，降低事故发生的概率.

对于综合预警，可先计算无量纲指标值与单一指标权重的乘积求得预警指标加权平均值，再将其与相应预警指标警限区间对比，发出综合预警.

设有m个预警指标，每一个指标共获取了n个原始数据，无纲量化处理这些原始数据，从而得到标准矩阵：

在m个指标中，第i个指标的熵定义：

对相应重警、中警、轻警状态的安全事故预警指标，由式（1）进行无量纲化处理，得到无量纲化值xi，利用式（4）指标熵权与相应量化值相乘通过加权求和得到加权平均值Δ：

3 工程实例

芜湖轨道交通建设项目自2017年开工建设，目前规划建设中的1、2号线大部分区间采用高架铺设轻轨的方式. 2号线一期工程有部分暗挖区段和深基坑工程，其中神山公园站至芜湖火车站区间暗挖段位于弋江北路与站北路交叉口处，沿站北路东西方向布置，下穿弋江北路.

本工程暗挖段起点里程左线CK11+183.015，终点里程左线CK11+324.214，长度125.943 m. 隧道结构采用单线马蹄形断面，为复合式衬砌（初期支护Φ42 mm×3.5 mm双层超前小导管+格栅钢架+Φ22纵向连接筋+锁脚锚管+Φ8@150 mm×150 mm钢筋网片+C25喷射混凝土+二次衬砌HRB400、HPB300钢筋+C35 P8模筑混凝土），主要穿越地层为3～24硬塑粉质黏土层，地下水位较高，基本位于地面下0～5.8 m，开挖断面宽为6.5 m，断面高为8.18 m，矿山法施工，设计轨顶标高-3.546～-5.915 m，区间线间距5.1 m，线路纵向下坡段坡度45.929‰，埋深7.2～9.8 m左右. 工法为二台阶预留核心土法施工. 本工程属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程. 暗挖段监测点布设原则见表7.

表7 暗挖段监测点布设原则Tab.7 Arrangement principles of monitoring points in underground excavation section

3.1 现场监测值

3.1.1 监测点布设及监测方法

1）地面沉陷监测. 地面沉陷监测应沿隧道轴线上方地表布设监测断面，监测断面间距应为20 m左右，每个监测断面的监测点间距应为2～5 m.

利用全站仪对隧道中心线在地表上进行放样，并作标记，在隧道轴线上方地表，每20 m设一横向监测断面，断面测点示意图如图3所示.

图3 暗挖段地面沉降监测布置断面图Fig.3 Sectional view of the ground settlement monitoring layout of the underground excavation section

2）拱顶下沉、底部隆起监测. 拱顶下沉监测点应布设在隧道支撑的拱顶位置，底部隆起监测点布设在隧道支撑的拱顶位置. 监测点断面布设示意如图4所示，具体监测点位置和数量可根据现场实际条件调整.

3）净空收敛. 净空收敛监测应在隧道的顶部及腰部布设收敛监测线，监测点断面布设示意如图5所示.应在隧道的顶部及腰部易于观测、便于保护的地方用红油漆喷置好，以便观测和瞄准.

图4 拱顶、拱底隆起监测点断面布置示意图Fig.4 Schematic diagram of the cross-section layout of the monitoring points of the arch top and arch bottom uplift

图5 净空收敛监测断面布设示意图Fig.5 Schematic diagram of cross-section layout of the headroom convergence monitoring

3.1.2 现场监测值 现场巡视所得芜湖火车站到弋江路区间基坑以及暗挖段监测报警值如表8所示.

表8 芜弋区间基坑、暗挖段监测精度和报警值表Tab.8 Monitoring accuracy and alarm value of foundation pit and underground excavation section in Wuyi interval

3.2 当前安全状态判别

根据2.6建立预警指标无量纲隶属度函数，对当前单一监测指标安全状态进行计算排序，并由表6安全事故预警的综合预警区间，将加权平均值Δ 与综合预警区间分析对比（表9），确定安全事故的警级，发出预警.

表9 监测指标量化预警Tab.9 Quantitative early warning of monitoring indicators

经计算与综合预警区间对比得出监测项目预警情况，芜弋区间基坑监测指标中的地面沉降、地下水位地表裂缝以及区间暗挖地表沉陷、净空收敛监测指标均呈现轻警状态，需采取必要措施控制风险避免风险扩大造成不必要的损失；尤其需要引起注意的是基坑周围建筑物倾斜，经量化计算可知，该监测指标呈现重警状态，发生倒塌事故的可能性和风险损失量巨大，需要组织专业应急队伍及时采取有效措施，防止事故发生.

芜弋区间基坑以及区间暗挖其他监测指标均处于无警状态，暂时无发生事故的风险.

4 结论

1）通过改进海因里希安全事故法则提出适合轨道交通施工特点的监测预警指标阈值与警限，并建立轨道交通施工安全风险的量化分级预警指标体系.

2）预警指标的量化分级根据轨道交通施工相关标准、规范、我国事故分级、施工风险损失量、施工风险概率以及事故统计分析总结，得出风险影响因子和监测预警综合指标值，在此基础上指标阈内按重警占2/330、中警占48/330、轻警占280/330进行划分.

3）结合芜湖轨道交通以2号线一期工程神山公园站至芜湖火车站区间暗挖段施工为例，建立施工安全风险预警体系，根据监测数据和现场巡视对暗挖段按本文方法计算，定量分析各监测项目预警警报情况，为相关轨道交通施工安全风险预警体系的构建提供参考.