城市地下大空間建設(shè)風險特征和分類研究

雷升祥，黃明利，譚忠盛

(1.中國鐵建股份有限公司，北京 100855；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，城市地下空間的開發(fā)與綜合利用得到國家的高度重視，其地位也愈顯重要[1]。地下空間是一個巨大而豐富的空間資源，對其進行合理的開發(fā)利用能夠促進我國的綠色發(fā)展[2]，提高土地利用率[3]，拓展城市發(fā)展空間，改善城市居住環(huán)境，因此對其進行研究具有重要的現(xiàn)實意義[4]。城市快速發(fā)展帶來諸如環(huán)境污染、資源短缺、交通擁堵等一系列問題，而開發(fā)利用城市地下空間是解決問題的最佳選擇[5]，也是城市核心區(qū)“城市更新”的主要途徑之一[6]。目前，地下空間開發(fā)正由點—線—面向區(qū)塊化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，表現(xiàn)出空間多維化、尺度大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化等特點，施工安全風險源多、施工難度大、施工安全風險高，地下工程建設(shè)領(lǐng)域的安全問題較為突出，事故及傷亡數(shù)在土木工程領(lǐng)域位居第二[7]。因此，在開展城市地下空間施工風險的相關(guān)研究時，有必要對地下大空間進行區(qū)分，從而更好地進行風險管理與控制。

國內(nèi)外學者針對地下工程風險開展了大量研究，研究成果豐碩。文獻[8-10]提出了隧道工程風險分析的特點和應(yīng)遵循的理念。Sturk等[11]指出地下工程中錯誤的決策將導致不必要的風險，提出風險分析實用方法。Kampmann等[12]提出了地鐵工程施工中存在的10多種風險類型及40余種風險源，并建立了一套風險類型表。Brown等[13]基于成本估算驗證過程的想法提出了一種新的風險管理方法。Bu-Qammaz等[14]通過網(wǎng)絡(luò)分析得出了風險的相對優(yōu)先級，并將其應(yīng)用于投標決策中。Fouladgar等[15]研究了TOPSIS方法，在可能的方案中分配最佳選擇，消除隧道固有不確定性結(jié)果的影響。Nezarat等[16]通過研究自動化程度高的隧道發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，提出對一系列風險進行分類的方法。文獻[17]給出了一種風險評估系統(tǒng)，可與定性評估方法配合使用。Shin等[18]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了一套用于評價隧道塌方事故的隧道塌陷風險指標和評價系統(tǒng)。Reilly等[19]研究了復(fù)雜地下工種與隧道的風險管理問題等。Meng等[20]建立了定量的風險評估模型，把城市隧道整體風險劃分為幾個區(qū)域分別評價，再按照一定的原則進行合并。Chidiebere[21]指出，應(yīng)以事故為出發(fā)點來研究和分析風險，再用分析的結(jié)果來指導地下空間的安全作業(yè)。Forteza等[22]以事故為出發(fā)點研究和分析風險，總結(jié)了地鐵施工可能產(chǎn)生的事故類型，并制定出大量的風險防范措施。

我國在地下工程及地鐵工程領(lǐng)域的風險分析研究晚于國外。但是，隨著城市地下工程的大規(guī)模開發(fā)利用，風險分析理論研究逐漸引起了國內(nèi)學者的極大關(guān)注，并取得了一定的進展。沈國柱[23]撰寫了《風險模糊分析法》一書，并將其中的風險分析方法應(yīng)用于實例當中。毛儒[24-25]研究了西方國家的風險管理方法，全面介紹了其風險管理的先進思想。陳龍[26]系統(tǒng)分析了在軟土區(qū)域中建造盾構(gòu)隧道時可能出現(xiàn)的風險類型，并把風險損失分成4個方面。韓潤波[27]對淺埋暗挖法隧道在施工過程中的風險管理進行了研究，并成功開發(fā)了軟件平臺，實現(xiàn)了風險可視化管理。劉學增等[28]采用模糊評價法和層次分析法，研究形成了多層次的模糊綜合評價模型和斷層塌方預(yù)測方法。何美麗等[29]將信息熵理論引入評價方法中，同時引入未確知測度理論，建立了未確知測度模型。

盡管國內(nèi)外學者針對地下空間風險問題開展了一系列研究，但是在城市地下空間施工風險研究和工程風險評估實踐中，沒有考慮到地下“大空間”和“一般空間”的差別，當“地下大空間”達到一定空間規(guī)模的時候，其風險分類和特征發(fā)生了變化，由“量變”達到了“質(zhì)變”。另外，地下工程施工新技術(shù)、新工法的應(yīng)用，帶來新的施工風險。因此，需要按照規(guī)模體量等多個指標定義城市地下大空間，對其施工風險分類和特征進行研究，得出城市地下大空間施工風險新分類和新特征，進而研究其風險的形成和作用機制。本文采用工程調(diào)研、統(tǒng)計分析等方法，針對城市地下大空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擾動強烈、地質(zhì)環(huán)境多變、致險因素眾多、風險防控困難的特點，開展風險源動態(tài)識別、風險分類特征等研究。研究成果可以提升我國城市地下大空間安全施工與風險管控的理論和技術(shù)水平，具有重要的科學與應(yīng)用價值。

1 調(diào)研資料分析

城市地下空間施工風險包含風險源、風險事故(事件)和風險損失3個要素，其中風險事故起到連接橋梁的作用。通過分析風險事故可以直接找尋引起事故的風險源，也可以評價風險事件帶來的損失。通過調(diào)研國內(nèi)最近15年城市地下空間施工過程中的風險事故，從事故發(fā)生年份、事故發(fā)生地質(zhì)區(qū)域、事故類型、風險源指向等方面對事故案例進行統(tǒng)計與分析，尋求城市地下空間施工過程中事故發(fā)生的演變條件和風險規(guī)律，為后續(xù)風險管理研究提供數(shù)據(jù)支持。

雖然對事故報告中的事故特征做的統(tǒng)計分析并非十分全面，但通過建立由大量城市地下空間施工事故形成的數(shù)據(jù)庫，仍能明確事故發(fā)生的演變條件和規(guī)律，為風險源分析研究提供可靠依據(jù)。

1.1 事故空間分布統(tǒng)計分析

本文共搜集到295起城市地下空間施工安全風險事故，事故主要發(fā)生在上海、廣州、北京、深圳、南京、杭州、重慶、武漢、西安、天津、哈爾濱、青島、沈陽、南昌、南寧、蘭州、鄭州等城市的地下空間工程施工過程中。根據(jù)空間區(qū)域差異，按照不同城市地下空間施工事故數(shù)量和人員傷亡情況進行統(tǒng)計分析。

通過對不同城市的地質(zhì)構(gòu)造、地層特性、地形地貌、水文氣象條件等進行分析，將全國分為軟土地區(qū)、沖洪積土層地區(qū)、黃土地區(qū)、膨脹土地區(qū)、基巖或地質(zhì)單元復(fù)雜地區(qū)5類區(qū)域。軟土地區(qū)主要包括寧波、杭州、上海、無錫、天津等城市，地層以海相沉積和河湖淤積的淤泥、淤泥質(zhì)土為主；沖洪積土層地區(qū)主要包括北京、石家莊、鄭州、長春、沈陽、成都、呼和浩特等城市，地層以砂土、卵石、粉土、黏土為主；黃土地區(qū)主要包括西安、蘭州、太原等城市，地層以風積黃土為主；膨脹土地區(qū)主要包括南寧、合肥等城市；基巖或地質(zhì)單元復(fù)雜地區(qū)包括廣州、深圳、重慶、大連、青島、南京、濟南、烏魯木齊等。將事故按地質(zhì)區(qū)域統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 事故發(fā)生地區(qū)類型餅狀圖

由圖1可以看出，基巖或地質(zhì)單元復(fù)雜地區(qū)的事故所占總事故比例最大，事故數(shù)為109起，占比達41.76%。在基巖地區(qū)修筑城市地下空間工程主要受巖體完整程度和巖石強度影響，各城市基巖巖性不同，巖體完整程度不同，帶來的工程問題也不同。軟土地區(qū)發(fā)生事故70起，占比約27%。軟土地區(qū)土體力學性質(zhì)較差，地下水豐富，地層中含有多層地下水，其中承壓水對工程影響突出。沖洪積土層地區(qū)發(fā)生事故53起，占比為20.31%。北方地區(qū)的突出特點是缺水，地下水位埋藏一般較深，土層顆粒由粗到細、滲透性差異大、力學指標變異大。膨脹土地區(qū)和黃土地區(qū)分別有18起和11起事故，占比分別為6.9%、4.21%。黃土地區(qū)和膨脹土地區(qū)事故案例較少，這和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展緩慢、土建工程數(shù)量較少、統(tǒng)計案例不足有關(guān)。黃土地區(qū)土層直立性和穩(wěn)定性較好，對于工程建設(shè)十分有利，但黃土具有遇水濕陷的特點，容易出現(xiàn)城市地下空間和邊坡失穩(wěn)；另外，黃土地區(qū)的地裂縫會對地下空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。膨脹土地區(qū)膨脹土有吸水膨脹和失水收縮兩重性能，開挖面遇大氣降水易膨脹，使抗剪強度降低，物理力學性質(zhì)發(fā)生較大改變，從而影響地基土的穩(wěn)定性。然而，由于各類地質(zhì)條件下修建的地下空間工程數(shù)量、規(guī)模不同，導致調(diào)研統(tǒng)計的事故基數(shù)不同。因此，不能簡單地給出某類地質(zhì)條件更易引起事故的結(jié)論。

1.2 事故類型統(tǒng)計分析

參照GB 6441—86《企業(yè)傷亡事故分類》中的事故類別，結(jié)合城市地下空間施工風險事故特點，將事故類型分為坍塌、高處墜落、透水透砂、物體打擊、機械傷害、周邊環(huán)境破壞、起重傷害、車輛傷害、火災(zāi)、觸電、爆炸、中毒窒息、結(jié)構(gòu)變形破壞和其他。將2004—2019年的295起事故按照以上事故類型進行統(tǒng)計，如圖2所示。同一事故可能存在多個事故原因，故分類時合計數(shù)大于295。

圖2 事故類型統(tǒng)計條形圖

從圖2可以看出，坍塌事故發(fā)生次數(shù)最多，共計108起，占比33%；周邊環(huán)境破壞、高處墜落和透水次之，分別占比17%、11%和9%。因此，在城市地下空間施工中，應(yīng)該加強對這4類事故的分析與控制。坍塌和周邊環(huán)境破壞事故屬于技術(shù)性事故，可以通過施工前的風險分析和評估進行提前預(yù)防，體現(xiàn)出風險管理研究的重要性和必要性。

分析事故發(fā)生的主要原因，繪制各類原因的事故比例圖如圖3所示。由圖3可知，造成城市地下空間施工事故的主要原因有工程自身原因和外界因素2類。工程自身原因主要包括勘察設(shè)計、管理和施工3個方面。勘察設(shè)計類風險源主要有勘察不足和設(shè)計不足；管理類風險源主要有安全意識不足、管理不當、設(shè)備不達標和人員無資質(zhì)等；施工類風險源主要有監(jiān)理不到位、工人違章作業(yè)和施工質(zhì)量不合格。外界因素主要包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下管線和降雨因素等。從風險源指向來看，占比最大的風險源是施工質(zhì)量不合格、管理不當、工人違章作業(yè)、安全意識不足和地下管線，分別占26.81%、26.09%、25.36%、18.84%和16.67%。需指出的是，一起事故可能由一個風險源造成，也可能由多個風險源造成，故此處統(tǒng)計的風險源事故比例總和大于1。

圖3 事故原因占比分析

2 城市地下大空間基本概念

2.1 城市地下大空間定義

城市行政區(qū)域內(nèi)地表以下，在工程風險和成本可控的開發(fā)深度范圍內(nèi)，滿足特定生產(chǎn)、生活以及防災(zāi)需求，修建的具有一定規(guī)模(1.5×105m3及以上)的地下單體大空間或網(wǎng)絡(luò)化地下空間定義為城市地下大空間，包括新建明挖單體地下大空間、新建暗挖地下大空間及網(wǎng)絡(luò)化拓建地下大空間。

2.1.1 新建明挖單體地下大空間

原則上滿足以下條件的深大基坑工程屬于城市地下大空間工程：

1)明挖法施工的地下4層及以上的城市地鐵車站工程。

2)明挖法施工的地下3層地鐵車站，且周邊環(huán)境等級為二級及以上的工程。

3)基坑開挖深度超過30 m，寬度大于25 m，開挖量大于1.5×105m3的工程。

4)基坑開挖深度超過25 m，寬度大于25 m，開挖量大于1.0×105m3，且周邊環(huán)境等級為二級及以上的工程。

2.1.2 新建暗挖地下大空間

一般地下雙線及以上暗挖換乘車站或類似規(guī)模大跨暗挖工程屬于城市地下大空間工程，原則上工程的結(jié)構(gòu)層數(shù)、跨度、斷面大小等應(yīng)滿足以下條件：

1)暗挖法施工的地下4層及以上城市地鐵車站工程。

2)暗挖法施工的地下3層地鐵車站，且周邊環(huán)境等級為二級及以上的工程。

3)暗挖法施工的地下雙層單跨地鐵車站，且周邊環(huán)境等級為二級及以上的工程。

4)開挖斷面大于500 m2，且周邊環(huán)境等級為二級及以上的暗挖工程或開挖斷面大于300 m2，且周邊環(huán)境等級為一級及以上的暗挖工程。

5)開挖寬度單跨大于18 m，周邊環(huán)境等級為特級的超淺埋暗挖工程。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)化拓建地下大空間

在既有地下空間的基礎(chǔ)上，通過連通、擴建、改建、增建、結(jié)建等方式，使地下空間之間、地下空間與地面之間有機聯(lián)系，形成平面相連、上下互通的網(wǎng)絡(luò)化地下空間。原則上滿足以下條件的網(wǎng)絡(luò)化拓建工程屬于城市地下大空間工程：

1)在既有不小于標準雙層地鐵車站體積的地下空間基礎(chǔ)上，采用豎向增層方式拓建新的地下空間，新增體積不小于標準單層地鐵車站的體積。

2)在既有不小于標準雙層地鐵車站體積的地下空間基礎(chǔ)上，采用以小擴大、零距離近接方式拓建新的地下空間，新建體積不小于標準雙層地鐵車站的體積。

3)采用連通接駁或者多維拓展方式拓建的地下空間，相互連通后形成的地下空間不小于地下雙線換乘地鐵車站的體積。

2.1.4 環(huán)境等級劃分

參考北京市地方標準DB 11/1067—2013《城市軌道交通土建工程設(shè)計安全風險評估》，依據(jù)新建明挖或暗挖單體大空間周邊環(huán)境的復(fù)雜性及其風險對環(huán)境進行等級劃分。環(huán)境分級標準宜根據(jù)周邊環(huán)境設(shè)施的重要性、周邊環(huán)境設(shè)施與城市軌道交通工程結(jié)構(gòu)的接近程度、周邊環(huán)境設(shè)施的狀況、工程建設(shè)對環(huán)境設(shè)施的影響程度綜合確定，見表1。

表1 環(huán)境分級

周邊環(huán)境設(shè)施的重要性依據(jù)環(huán)境設(shè)施的類型、功能、使用性質(zhì)、特征、規(guī)模等綜合確定，并分為極重要、重要、較重要。周邊環(huán)境設(shè)施重要性分級宜符合表2的規(guī)定。

表2 周邊環(huán)境設(shè)施重要性分級

周邊環(huán)境設(shè)施與新建城市軌道交通結(jié)構(gòu)的接近程度宜用接近關(guān)系表示，分為接近、較接近和一般3級，見表3。

表3 周邊環(huán)境設(shè)施與新建城市軌道交通結(jié)構(gòu)的接近關(guān)系分級

2.2 城市地下大空間工程案例

通過對工程資料進行調(diào)研分析可知，新建明挖單體地下大空間工程有71項，新建暗挖單體地下大空間工程有26項，網(wǎng)絡(luò)化拓建地下大空間工程有24項，各類地下大空間工程數(shù)量占比如圖4所示。從圖4可以看出，新建明挖單體地下大空間工程占比最大，為58.68%；新建暗挖單體地下大空間工程和網(wǎng)絡(luò)化拓建地下大空間工程占比相當，分別為21.49%和19.83%。需要說明的是，目前由于地下大空間工程建設(shè)基數(shù)相對于一般地下空間工程較小，因此，地下大空間的事故率由地下大空間建設(shè)基數(shù)上的事故發(fā)生概率決定。

圖4 明挖、暗挖與拓建地下大空間工程數(shù)量占比

為了分析城市地下大空間工程建設(shè)數(shù)量與修建年份之間的關(guān)系，對其按照修建年份進行統(tǒng)計，繪制出如圖5所示的柱狀圖。從圖5可以看出，城市地下大空間工程數(shù)量隨年份的增加而逐漸增多，尤其是近5年增幅較大，由2011—2015年的27項增加至2016—2020年的61項。面對逐漸增多的城市地下大空間工程，對地下大空間進行區(qū)分并獨立研究其風險具有重要的現(xiàn)實意義，能夠使其風險研究更具針對性、靈活性與高效性。

圖5 城市地下大空間工程數(shù)量走勢

2.3 城市地下大空間特征

通過分析，總結(jié)出城市地下大空間特征如下。

1)空間規(guī)模大。城市地下大空間，顧名思義，其空間規(guī)模應(yīng)滿足一定要求。地下結(jié)構(gòu)物隨著空間規(guī)模的擴大，其承擔的荷載會顯著增加，對開挖和支護方法及工藝的要求也明顯不同；此外，地下結(jié)構(gòu)物空間規(guī)模的擴大也會使其施工對周邊環(huán)境的影響范圍擴大，從而增加其規(guī)劃和設(shè)計難度。正是因為在建設(shè)難度、建設(shè)投入以及風險等方面的顯著差異，將城市地下大空間從一般地下結(jié)構(gòu)中區(qū)別開來顯得尤為必要。因此，空間規(guī)模是城市地下大空間的最顯著特征。

2)功能綜合性。地下大空間工程具有多種類型的城市功能。城市空間功能的多樣性、復(fù)雜性，決定了作為城市空間功能重要組成部分的地下大空間工程開發(fā)必然向功能綜合性方向發(fā)展。城市地下大空間工程往往承擔著城市居民生產(chǎn)生活的多種功能，如交通、辦公、商業(yè)、人防和醫(yī)療等，這使其具有功能上的綜合性。

3)規(guī)劃統(tǒng)一性。地下大空間是伴隨著城市集約化發(fā)展應(yīng)運而生的，也是城市資源統(tǒng)一規(guī)劃、高效利用和綜合開發(fā)的集中體現(xiàn)，其突出特點是各功能區(qū)實行統(tǒng)一規(guī)劃、綜合開發(fā)、同步進行、配套建設(shè)，其目的是強化中心區(qū)的城市功能，集中解決城市地面空間規(guī)劃建設(shè)中的用地緊缺、空間擁擠、交通堵塞、環(huán)境惡化等一系列矛盾，避免地下空間孤立開發(fā)、功能單一、設(shè)施不配套造成地下空間資源浪費以及開發(fā)效益低等弊端，充分發(fā)揮地下建筑功能集聚性優(yōu)勢。

4)施工復(fù)雜性。施工復(fù)雜性主要體現(xiàn)2個方面：城市地下大空間工程若為新建工程，往往體量大，使得整個空間很難一次成型，需要分多步序開挖，增加了施工的復(fù)雜性；如果是新建地下空間與既有地下空間相連通形成地下大空間，這需要對既有建筑進行不同形式的破口施工，施工難度大，施工過程復(fù)雜。

5)網(wǎng)絡(luò)拓展性。城市大空間中不同類型的功能根據(jù)需要采用不同的建筑空間布局和結(jié)構(gòu)形式，在同一層面上分區(qū)組合或分層豎向組合，構(gòu)成一個相互聯(lián)系的整體，并與地鐵站、地下城市道路、人行通道等相互連通，形成網(wǎng)絡(luò)化的大型綜合地下空間。

6)高品質(zhì)性。由于地下大空間功能的綜合性，人們往往會長時間待在地面以下，為了降低地下大空間環(huán)境對人類生理層面和心理層面的影響，需要提升地下大空間的品質(zhì)，包括創(chuàng)造良好的空氣環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、視覺環(huán)境等。此外，可借助智能化手段，綜合監(jiān)測、智能引導、終端可視化及信息發(fā)布等系統(tǒng)，提升局部空間要素的功能承載能力，通過減少諸如出入口、通道尺寸等要素，進一步提升地下空間品質(zhì)。

3 城市地下大空間施工風險源識別方法

風險源識別有一定的識別方法，不同方法的適用范圍與環(huán)境也不相同。在進行風險源識別的過程中，必須根據(jù)實際情況和客觀條件，選擇合適的識別方法。風險源識別方法可分為主觀識別方法、客觀識別方法和綜合識別方法。其中，主觀識別方法包括事故樹法、專家調(diào)查法、頭腦風暴法等；客觀識別方法包括WBS-RBS法、層次分析法、流程圖法、幕景分析法等。

3.1 風險源數(shù)據(jù)庫

風險等級是指根據(jù)風險事件發(fā)生的可能性和風險損失、社會影響等，按照一定的風險評估方法將風險源劃分成的高低不同的等級。基于上百例工程案例及事故案例資料，首先運用事故樹法、層次分析法等常規(guī)風險識別方法對調(diào)研工程進行風險源識別，匯總結(jié)果如表4所示，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示地質(zhì)、環(huán)境、工程自身等各因素的風險級別；再采用因果分析圖法，從地質(zhì)、環(huán)境、勘察設(shè)計、施工及管理等角度對事故案例進行風險源識別，識別流程如圖6所示。

圖6 事故因果分析圖

表4 工程案例風險點統(tǒng)計

將風險源識別結(jié)果歸納匯總，采用專家調(diào)查法補充和完善，初步建立具有事件邏輯層次結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信息的地下空間風險源數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫具備良好的檢索機制，能根據(jù)用戶輸入的關(guān)鍵詞匹配對應(yīng)的事故或工程風險源信息。同時，數(shù)據(jù)庫設(shè)置了數(shù)據(jù)更新模塊，可隨時添加最新工程及事故案例的相關(guān)資料。鑒于篇幅有限，數(shù)據(jù)庫未予列出。

3.2 城市地下大空間風險源識別方法

城市地下大空間工程具有規(guī)模大、設(shè)計施工復(fù)雜、風險等級高等特點，僅以傳統(tǒng)的風險源識別方法識別城市地下大空間工程的風險，存在一定的局限性。本文在傳統(tǒng)風險源識別方法的基礎(chǔ)之上，提出一種適用于城市地下大空間風險源識別的方法，主要分4個步驟：工程分區(qū)、風險評估單元劃分、基于數(shù)據(jù)庫的風險源識別、重大風險源劃分。該方法相對于傳統(tǒng)風險源識別方法考慮的因素更為全面，尤其考慮了地下大空間工程所處的水文地質(zhì)條件、工程規(guī)模及復(fù)雜性等對風險源識別結(jié)果的影響，能夠提高地下大空間風險源識別準確性與可靠性。

1)工程分區(qū)。由2.3節(jié)城市地下大空間的特征可知，該類工程往往具有一定規(guī)模的體量，若僅籠統(tǒng)地以工程整體進行風險源識別，識別結(jié)果往往缺乏針對性。因此，本識別方法建議結(jié)合工程施工步序、空間位置等特點，將城市地下大空間工程分區(qū)考慮，通過區(qū)域劃分來提高識別針對性及準確性。

2)風險評估單元劃分。城市地下大空間工程建設(shè)復(fù)雜程度較高，工程所涉及建設(shè)項目涵蓋種類繁多，包括地鐵車站、隧道、通道、風井、出入口等，通過梳理不同風險評估單元進行風險源識別，可層次清晰地反映不同評估單元的風險狀態(tài)。

3)基于數(shù)據(jù)庫的風險源識別。各區(qū)域、各風險評估單元的風險源識別均可參照風險源數(shù)據(jù)庫，分別從地質(zhì)、環(huán)境、設(shè)計、施工及管理等角度進行逐一排查，相較于傳統(tǒng)的專家調(diào)查法識別，此階段減少了個人知識及經(jīng)驗限制帶來的主觀性及片面性，提高了風險源識別效率，降低了風險源識別成本。風險源排查如表5所示。

表5 工程風險源排查

4)重大風險源劃分。由于不同評估單元所涉及的工程分項及周邊環(huán)境均有所不同，因此其對應(yīng)的風險源也不盡相同。根據(jù)風險源排查表，繪制風險源清單，將風險源按基本評估單元進行劃分，如表6所示。

表6 重大風險因素劃分

3.3 典型城市地下大空間工程風險因素識別案例

以武漢光谷廣場綜合體項目地下空間工程為例，采用城市地下大空間風險因素識別方法，開展風險因素識別研究。

3.3.1 工程分區(qū)

武漢光谷廣場綜合體項目地下空間是集軌道交通工程、市政工程、地下公共空間于一體的綜合項目。根據(jù)綜合體位置特點，將其在水平投影上劃分為南、北、中3大區(qū)域，分區(qū)情況如圖7所示。

圖7 圓盤綜合體各部位平面分區(qū)

3.3.2 評估單元劃分

該工程主體開挖結(jié)構(gòu)包含9號線及魯磨路隧道、換乘大廳、2號線南延線區(qū)間、珞喻路隧道、11號線車站等，除主體結(jié)構(gòu)之外，還附屬有5個下沉庭院及連接2號線的暗挖隧道。根據(jù)工程特點，將工程按其分項和主要工序劃分為12個基本風險評估單元，如圖8所示。

圖8 武漢光谷廣場綜合體基本風險評估單元劃分

根據(jù)工程分區(qū)結(jié)果，將基本評估單元按其所在區(qū)域進一步劃分為子評估單元，如表7所示。

表7 子評估單元劃分

3.3.3 風險因素識別

根據(jù)風險因素庫信息，通過分析武漢光谷廣場綜合體風險評估報告、施工組織設(shè)計、專項施工方案等資料，篩選出光谷廣場綜合體施工過程中的風險因素，篩選結(jié)果如表8所示。

表8 武漢光谷廣場綜合體風險因素排查表

根據(jù)風險因素排查表，繪制出各區(qū)域各單元風險因素識別清單，識別結(jié)果如表9所示。

表9 武漢光谷綜合體風險因素識別清單

4 城市地下大空間施工風險特征及典型工程風險特征分析

4.1 施工風險特征

根據(jù)城市地下大空間定義，并結(jié)合安全事故案例分析可知，城市地下大空間特征主要體現(xiàn)在空間規(guī)模大、平面尺寸大、結(jié)構(gòu)跨度大、地下超深度、圍護支護復(fù)雜、周邊環(huán)境影響大、開挖步序多等。這些特點決定了地下大空間施工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)化工作。通過對城市地下空間施工安全事故進行統(tǒng)計分析，總結(jié)出了城市地下大空間施工風險特征。

4.1.1 多元化

隨著開挖尺度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提升，地下空間施工危險性呈非線性增加趨勢。城市地下大空間體量大、復(fù)雜度高，施工安全受到極大挑戰(zhàn)。

研究發(fā)現(xiàn)，符合城市地下大空間定義的工程大部分為位于人口密集、地上地下建筑繁多的城市核心區(qū)域的地下綜合體、大型地下交通樞紐與地下人防工程等。新建大型地下工程會面臨周邊既有建(構(gòu))筑物等帶來的一系列問題，如既有市政管線的遷移及保護，地表道路、橋梁等的沉降控制等。

4.1.2 成險機制復(fù)雜

1)城市地下大空間工程結(jié)構(gòu)體量大、功能多，新建結(jié)構(gòu)自身及其與周圍既有結(jié)構(gòu)之間的相互作用機制極為復(fù)雜，難以通過傳統(tǒng)理論模型進行分析。設(shè)計者和建設(shè)者往往難以借鑒既有工程經(jīng)驗對施工中的風險點及其成險機制進行透徹且全面的分析。

2)人的不安全因素在事故中所起的作用只有在結(jié)合具體事故具體分析時，才能明確其對事故的影響機制。人的不安全因素累積到一定程度可能導致質(zhì)變，使得事故的發(fā)生成為大概率事件；不論人的不安全因素累積到何種程度，必須有外界因素或偶發(fā)事件的觸發(fā)，才會最終誘發(fā)事故。

3)城市地下大空間施工過程中的風險與風險因素間具有普遍的關(guān)聯(lián)性和相對性。換言之，某一事件在一定的條件下被稱為風險事件，但當條件發(fā)生變化時，該事件可能會被作為另一事件的風險因素。在這種特性下，風險系統(tǒng)中的任一事件或事件序列都可能不是孤立的，而是構(gòu)成一個“事件網(wǎng)絡(luò)”，使得風險分析難度增加且難以把握分析的邊界。

4.1.3 風險因素繁雜

1)風險因素與風險源掛鉤，一個風險源的存在會自然地導出與之相關(guān)的一系列風險因素。風險源與風險因素之間是一對多的關(guān)系，當風險源數(shù)量增加時，風險因素的數(shù)量自然會呈幾何級別增加。

2)風險因素與成險機制相關(guān)，成險機制越復(fù)雜，風險因素越多。從風險分析的角度來講，窮盡所有風險因素不僅沒有必要，還可能會增加風險分析的邏輯復(fù)雜度。因此，城市地下大空間施工風險系統(tǒng)的分析需要把握好分析粒度(即將問題在邏輯上拆分至怎樣的細節(jié))以及分析邊界(即哪些要素需要考慮，哪些要素不必考慮)等問題。

4.1.4 難預(yù)測

目前，城市地下大空間工程樣本并不充分，雖然風險可測，但是依舊難測，這是風險難測特性的第1層含義；另外，隨著地下空間修建規(guī)模的增加，以往在一般空間使用的工法、工藝會表現(xiàn)出局限性，隨之配套的新工藝、新工法、新裝備、新設(shè)備等孕育產(chǎn)生，由于是之前沒有的“新”，即使會針對性的進行風險分析評價和預(yù)測，但依舊難以面面俱到，這是城市地下大空間風險難測性的另一層含義。

4.1.5 高危

城市地下大空間最大的特點就是工程規(guī)模大，這也使得大空間的施工風險一旦發(fā)生則危害極大。其高危特點顯著由3方面因素決定：1)風險因素眾多。由于工程規(guī)模大，使得影響施工的因素比一般工程更多，如施工過程會接觸更多的地層、管線等，這些因素會影響施工全過程。2)風險事故類型多。地下大空間工程由于因素繁多，具有耦合和動態(tài)演化的特征，工程施工過程可能會引發(fā)多種事故類型。3)相互影響更大。城市地下大空間施工對周邊環(huán)境(重要的建(構(gòu))筑物等)的影響相較于一般空間工程影響程度更大、范圍更廣，一旦發(fā)生風險，波及范圍更廣，影響更惡劣，后果更嚴重。

4.1.6 耦合放大

城市地下大空間施工過程影響的因素眾多，風險事件的形成必然是多個風險因素同時出現(xiàn)，相互影響，相互促進所導致的結(jié)果。當若干個“小事件”同時發(fā)生時，可能會誘發(fā)嚴重的“大事故”。該特點說明城市地下大空間施工風險因素間存在耦合放大效應(yīng)，增加了風險發(fā)生概率或擴大了風險損失。因此，對于城市地下大空間施工風險而言，風險因素間的耦合放大性不容忽視。

4.1.7 動態(tài)演變

城市地下大空間工程跨度和規(guī)模的增加，使得工程難以一次成型，通常采用分段開挖、變大斷面為中小斷面的方法進行施工。城市地下大空間施工開挖的過程，也是圍巖卸載的過程，開挖步序多，對地層造成多次重復(fù)擾動，使得風險的演變和發(fā)展更加復(fù)雜。城市地下大空間工程施工周期往往較長，孕險環(huán)境、承險體長期處于多個致險因素作用下，使得多次擾動下的風險隨著施工全過程不斷發(fā)生動態(tài)演變。

4.2 典型工程風險特征分析

以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段、武漢市光谷廣場綜合體工程和北京軌道交通4號線宣武門站新增換乘通道工程為例，對典型的城市地下大空間工程的風險特征進行分析。

4.2.1 港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段

拱北隧道是港珠澳大橋主體工程與珠海連接的唯一通道，隧道下穿珠海拱北口岸，要求施工對口岸通關(guān)不能產(chǎn)生任何影響。受地形和環(huán)境的限制，拱北隧道按照“先分離并行，再上下重疊，最后又分離并行”的雙向6車道方案設(shè)計。采用世界最長的曲線管幕施工，搭建了一個長255 m、直徑24 m的超級“冰桶”。施工工法新穎、環(huán)境復(fù)雜，體現(xiàn)了本工程高危特點顯著的特性。

工程暗挖段的開挖斷面達336.8 m2，開挖寬度為18.8 m，高度為21 m，其中珠海連接段將整個開挖面分為5層14個小斷面進行施工，風險巨大。相鄰洞室多次開挖對圍巖造成重復(fù)擾動，且開挖步序的增多，也增加了施工風險，使得施工過程風險的時空演化更加復(fù)雜，體現(xiàn)了顯著的動態(tài)演變特點。

施工采用世界最長的曲線管幕+凍結(jié)法，施工本身風險巨大；工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)敏感，管幕頂部覆土厚度只有4～5 m。工程施工過程中，地質(zhì)因素、周邊環(huán)境因素和施工本身因素間相互影響，耦合疊加，體現(xiàn)了顯著的耦合放大特點。

4.2.2 武漢市光谷廣場綜合體工程

工程基坑圓盤直徑為200 m，最大開挖深度為34 m，主要采用地下3層多跨框架結(jié)構(gòu)。超大圓形基坑有3道混凝土支撐，最大支撐梁總跨度達100余m，圓形基坑中還有一個基坑，坑中坑也有3道混凝土支撐，支撐梁拆除方量大、難度大。基坑混凝土支撐梁布局形式復(fù)雜，傳統(tǒng)的拆除方式不能滿足現(xiàn)場工期要求，需分期施工拆除支撐。整個施工過程中時空效應(yīng)顯著，施工風險巨大，體現(xiàn)了工程施工顯著的高風險特性與動態(tài)演變特性。

工程位于武漢光谷核心區(qū)，是武昌地區(qū)交通咽喉和商業(yè)中心，周邊存在較多建(構(gòu))筑物，工程管線和商業(yè)非常密集，見圖9。周邊道路飽和度高，僅光谷轉(zhuǎn)盤日常車流量達13 000輛、人流量達23～26萬，高峰期車流量可達19 000輛、人流量可達30萬，交通異常繁忙，施工環(huán)境極其復(fù)雜，風險源眾多，體現(xiàn)了本工程顯著的高風險特性。

圖9 武漢光谷廣場綜合體工程總平面圖

該工程中地鐵2號線連接通道與既有地鐵2號線光谷站地下一層結(jié)構(gòu)零距離近接并銜接，對既有結(jié)構(gòu)、共用結(jié)構(gòu)、拓建結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系的受力及變形影響較大，加之嚴峻的周邊環(huán)境，使得施工期間周邊環(huán)境因素和施工本身因素繁雜，各因素間相互影響，耦合疊加，體現(xiàn)了顯著的耦合放大特性。

4.2.3 北京軌道交通4號線宣武門站新增換乘通道

工程位于北京市二環(huán)以內(nèi)的中心老城區(qū)，宣武門東、西大街與宣武門內(nèi)、外大街的交叉路口處，周邊建(構(gòu))筑物復(fù)雜，尤其是東南象限出入口明挖結(jié)構(gòu)緊挨既有地鐵2號線車站及東南風道結(jié)構(gòu)，東北象限北出入口平行側(cè)穿宣武門內(nèi)大街東側(cè)輔路和教堂圍墻，距圍墻最近僅1.3 m。施工期間周邊既有車站持續(xù)運營，加之老城區(qū)對施工要求更加嚴格，環(huán)境風險巨大，體現(xiàn)了本工程顯著的高風險特性。

工程需在不影響既有線路運營的情況下進行新增結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)的接駁施工。接駁部位共計10處，最大破口面積達34.92 m2(7.20 m×4.85 m)，最大變形控制指標為1 mm，結(jié)構(gòu)破除施工需減小振動、控制變形、控制煙塵，施工風險大，使得施工期間周邊環(huán)境因素和施工本身因素眾多，各因素之間相互影響，耦合疊加，體現(xiàn)了顯著的耦合放大特性。

工程施工過程有多處馬頭門開口部位，構(gòu)成多向馬頭門，馬頭門開口形成多維結(jié)構(gòu)。施工中結(jié)構(gòu)受力多次轉(zhuǎn)換，地層及結(jié)構(gòu)應(yīng)力頻繁變化，施工過程中空間效應(yīng)顯著，施工風險巨大，體現(xiàn)了本工程施工顯著的高風險特性和動態(tài)演變特性。

5 城市地下大空間施工風險分類與評估

5.1 城市地下大空間施工風險分類

本文綜合考慮各分類方法的特點，根據(jù)風險表現(xiàn)形式(風險事件)將工程風險進行分類。根據(jù)地下工程的類型，參考事故案例調(diào)研報告統(tǒng)計結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有工程規(guī)范等資料，將城市地下大空間工程中的風險按風險事件類型分為新建明挖單體地下大空間風險、新建暗挖單體地下大空間風險及網(wǎng)絡(luò)化拓建工程風險3類。

5.1.1 新建明挖單體地下大空間風險分類

結(jié)合明挖工程施工特點，可將城市地下大空間明挖工程風險事故分為：圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風險、支撐體系失穩(wěn)風險、坑底變形破壞風險、土體滑塌風險、地表沉降風險、建(構(gòu))筑物破壞風險、道路橋梁破壞風險、地下管線破壞風險等。具體風險事件類型及事件說明如表10所示。

表10 明挖單體地下大空間工程風險統(tǒng)計

5.1.2 新建暗挖單體地下大空間風險分類

根據(jù)暗挖工程施工特點，可按風險事件類型將暗挖工程風險事件分為：支護體系失穩(wěn)風險、圍巖失穩(wěn)風險、突泥突水風險、建(構(gòu))筑物破壞風險、道路橋梁破壞風險和地下管線破壞風險等。具體風險事件類型及事件說明如表11所示。

表11 暗挖單體地下大空間工程風險統(tǒng)計

5.1.3 拓建工程風險分類

根據(jù)拓建工程施工特點，可按風險事件類型將拓建工程風險事件分為：既有結(jié)構(gòu)破壞風險、新建結(jié)構(gòu)破壞風險、圍巖失穩(wěn)、突泥突水風險、土體滑塌風險、地表沉降風險、建(構(gòu))筑物破壞風險、道路橋梁破壞風險、地下管線破壞風險等。具體風險事件類型及事件說明如表12所示。

表12 拓建工程風險統(tǒng)計

5.2 城市地下大空間風險評估方法

根據(jù)城市地下大空間施工安全風險特征，考慮施工過程分區(qū)域、分工序、多因素耦合的特點，指標體系法更適合城市地下大空間的風險評估。選擇指標體系法作為城市地下大空間施工風險評估的基礎(chǔ)方法，主要有以下原因：

1)城市地下大空間施工風險因素復(fù)雜。城市地下大空間施工風險因素分為地質(zhì)因素、環(huán)境因素、施工因素、設(shè)計因素、管理因素，每個因素下設(shè)二級指標，計算過程復(fù)雜。因此，對每個指標進行打分，并按照層次分析法對每層指標進行權(quán)重劃分，可以有條理地對風險進行定量評估。

2)耦合與演化的融合。城市地下大空間施工風險的評估需要考慮風險耦合與演化，因此選擇一個形式相對簡單的評估方法，可以在此基礎(chǔ)上更好地擴展，以使其適應(yīng)城市地下大空間的風險評估，而指標體系法相對于其他方法的優(yōu)勢就在于其計算形式簡單。

3)實際可操作性。城市地下大空間施工風險評估方法不是作為一種研究方法來探討，而是需要考慮實際工程應(yīng)用，因此需要操作簡單。指標體系法的核心是指標體系和權(quán)重。指標體系可以通過建立各類工程的指標庫來滿足實際操作的要求；權(quán)重則可以通過專家問卷的形式來判定。因此，基于指標體系法的評估方法更適合城市地下大空間風險評估的實際應(yīng)用。

指標體系法的計算公式為：

P=∑Xij。

(1)

式中：P表示風險發(fā)生的可能性；Xij表示指標的分值大小。

考慮耦合和演化的作用，可以對式(1)進行改進：

P=λξ∑Xij。

(2)

式中：λ為耦合系數(shù)，考慮指標之間耦合作用導致的風險概率變化，可根據(jù)各指標的耦合關(guān)系形成一個耦合矩陣；ξ為施工過程的動態(tài)調(diào)整系數(shù)，考慮時空效應(yīng)導致的風險概率變化，可采用馬爾科夫鏈計算得到。

6 結(jié)論與建議

綜合工程調(diào)研與統(tǒng)計分析方法，開展了城市地下大空間分類與施工風險特征研究，得到以下主要結(jié)論：

1)提出了城市地下空間發(fā)展的新特點、新需求以及城市地下空間開發(fā)過程中出現(xiàn)的新問題、新挑戰(zhàn)，指出了城市地下空間發(fā)展的新方向，闡明了區(qū)分傳統(tǒng)地下空間工程與城市地下大空間工程的目的與意義。

2)提出了城市地下大空間的定義，并對其進行分類。將城市地下大空間工程分為新建明挖單體工程、新建暗挖工程和網(wǎng)絡(luò)化拓建工程3類，為后期城市地下大空間工程的系統(tǒng)性研究奠定了基礎(chǔ)。

3)提出了城市地下大空間的施工風險特征，主要有多元化、成險機制復(fù)雜、風險因素繁雜、難預(yù)測、高危、耦合放大、動態(tài)演變等特點。

城市地下大空間工程規(guī)模龐大，其地質(zhì)及周邊環(huán)境復(fù)雜，施工安全風險源較多。鑒于問題的復(fù)雜性，后續(xù)需要進一步研究優(yōu)化城市地下大空間分類與施工風險特征的方法，并分門別類地展開包括地下大空間施工風險評估在內(nèi)的系統(tǒng)性研究，為提高我國城市地下大空間施工風險防控水平提供科學依據(jù)與技術(shù)支持。