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基于多监测及预警要素的地铁工程安全风险量化评估方法

文档作者：徐耀德，祝建勋，郭涛文档来源：北京安捷工程咨询有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月11日
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都市快轨交通．第31卷第6期2018年12月
《热点研讨．一
№一-型wt丝m黜龋删—■——————____——■—■■■———●—■■■■●■■——●—■■■—●■——■■■■■■——■■■■●——●—■■■■■■■■—■■■—■■■■■■■■■●■■■_
doi：10．3969，j．issn．1672-6073．2018．06．003
基于多监测及预警要素的
地铁工程安全风险量化评估方法
徐耀德，祝建勋，郭涛
(北京安捷工程咨询有限公司，北京100037)
摘要：通过对地铁基坑隧道工程各监测项目实测数据及其预警指标、预警数量等多项因素进行挖掘和综合分析，
研究建立一种基于多因素权重矩阵分析法的工程安全风险状态量化评估方法，克服当前监测预警多、风险评判定
性为主的工程安全风险状态局限性，填补工程安全风险动态及定量化评估的空白，提升工程预警及安全风险状态
判别的合理性、及时性和智能化。将该方法应用于某工程中，有效并及时地指导地铁基坑隧道工程施工中安全风
险评估与控制、预警响应及处置工作，提高地铁工程的安全风险预控效果及管理水平。
关键词：地铁：工程监测；预警；安全风险；量化评估
中图分类号：U231 文献标志码：A 文章编号：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
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
收稿日期：2018-01—11 修回日期：2018．01．30
第一作者：徐耀德，男，硕士，教授级高级工程师，从事岩土工
程及城市轨道交通安全技术与管理的研究与应用，
yaode——xu@sina．com
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【lj]。
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，
URBAN RAPID RAIL TRANSIT l la
万方数据
都市快轨交通·第31卷第6期2018年12月
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
结构类监测项目周围岩土体类监测项目
施工工法
空间形态变化类力学形态变化类空间形态变化类力学形态变化类
明盖挖法
矿山法
盾构法
桩(墙1、边坡顶部水平位移
桩(墙)、边坡顶部竖向位移
桩(墙1体水平位移
井壁结构净空收敛(竖井)
初支结构拱顶沉降
初支结构底板竖向位移
初支结构净空收敛
中柱结构竖向位移(临时中柱1
管片结构竖向位移
管片结构水平位移
管片结构净空收敛
喜荨差宝：寡素菜釜尹’ 地表变形、管线变形等孔隙水压力，地下水位
初支结构、二衬应力地表变形、管线变形等言萎耋舅力7地下水位
管片结构应力地表掀管线变形等誓等嚣主警下水位
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
施工工法监测项目累计变化值／mm
桩(墙)顶竖向位移10～25
桩(墙)顶水平位移15～25
桩(墙)体水平位移20～50
明盖挖法地表沉降20～40
支撑轴力Max：(60％一70％)，
锚杆拉力Min：(80％～100％Ⅵ
竖井井壁支护结构净空收敛30
初支结构拱预沉降：。0～～23。0((车Y-．站f．-J{
初支结构底板竖向位移10
矿山法初支结构净空收敛10
中柱结构竖向位移10～20
地表沉降
标准区间20～30
车站、大断面区间40～60
管片结构沉降10～30
盾构法苎片结构孝异沉降n04％￡s
管片结构净空收敛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
，，
万方数据
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‘31。
表3地铁工程监测预警等级划分
Tab．3 Classification of monitoring and early warning
in subway engmeermg
监测预警等级划分条件(满足以下条件之一时)
黄色“双控”实测值均达到相应监测对象及项目
控制值的70％(含)以上
“双控”实测值之一达到控制值的85％(含)
以上
橙色“双控”实测值均达到相应监测对象及项目
控制值的85％(含)以上
“双控”实测值之一达到控制值f合)以上
红色“双控”实测值均达到监测对象及项目控制
值f舍)以上
“双控”实测值之一超过控制值(含)，且实测
数据持续未收敛
注：表中“双控”实测值指针对监测项目的累计变化量和变化
速率值。
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
接或问接反映了工程安全风险状态。根据有关文献资
基于多监混及预警要素的地铁I程安全风险量化评估隽法
料7—1，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问接影响因素，
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：
腑cx，={彝差霾蓁1≤X<2
2≤z<4 (1)
x≥4
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
所属笫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％33，即：
H／333=％33—4，+w333力(2)
式中，％弘州为各第四级指标参数的实际预警指标值
(如对蹦，．，％，，州分别为W1111(累计变化量)和％112(变
化速率)；如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％⋯针对％⋯(累计变化量)
相对于％ll的权重Al可设为0．45，％112(变化速率)的
如则为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
URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 5
万方数据
都市快轨交通·第31卷第6期2018年12月
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
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％2；同样地，
在对各二级影响因素的预警指标权重矩阵％2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
预警指标权重矩阵嘲。
w22=w22．iSifI@)+≯玛33一西4@) (3)
式中，％：．“为各三级指标参数的实际预警指标或计
算预警指标值；6H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％2，针对％：，(围岩(土)压
力变化值预警指标)相对于为％2的相对权重6，可为
0．6，％22(孔隙水压力变化值)的西则为0．4)；厶◇)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％，、％2)，根据工程经验，
具体计算公式为：
f Y y 2o或1
li(y)={Y／2 Y=2、3或4 (4)
【(y+1)／3 J，≥5
同样地，可得到各第一级影响指标的权重矩阵
联值，计算公式如下：
％=％嘏+％．耪(5)
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
工程安全风险等级暇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。
胆W1一，af+WI．ja， (6)
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
f见图2、表3)。
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
万方数据
表3测点监测结果
Tab．3 Monitoring sesults of observation points
．．． ．，⋯，
累计变形控制值
监测点
测点名测点类型变化脚，速考／、变化量变形速率≮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管线沉降31．2 0．106 20．0 5 0 橙色
WGXC一04，10管线沉降一37．0—0．0353 20．0 5．0 橙色
WGXC一04．07管线沉降72．7 0．141 20．0 5．0 橙色
WGXC．04．08管线沉降61．2 0．212 20．0 5．0 橙色
WGXC．04—03管线沉降22．5～0．367 20．0 5．0 橙色
WGXC．04—04管线沉降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 黄色
DB一02．1 1 地袁沉降27．7～O．022 30．0 2．0 黄色
DB．02—17 地表沉降～10 —0 19 30．0 2．0 正常
ZQS．19 桩顸位移1．8 0．23 30．0 3．0 正常
ZQT一1 5 桩体变形10．8 1．04 30．0 3．0 正常
zL一07—03 支撑轴力142．81 -4 75 2325 500 正常
根据前述工程安全风险评测方法，本工程中存在
％33．1(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，％33．1(地表沉降)指标发生了2个黄色预警
和3个橙色预警，％33，2(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％2—1=[1．5x0．45x0．5x(2／2)+3x0．45x0．5x(312)]+
[4x0．45x0．5x(6+1)／3]=3．45。然后，根据公式(4)和(5)，
将％：所占第二级影响权重系数∥、第一级影响权重
系数“分别设为0．9、0．5，则：W=3．45x0．9x0．5=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-,00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。
基于多鉴漉及预警要素的地铁I程安全风硷量化评怙力法
21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。
31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。
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(编辑：郝京红)

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