雷升祥， 雷 可， 王秀英， 譚忠盛， 黃明利， 田圓圓

(1. 中國鐵建股份有限公司， 北京 100855； 2. 北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044； 3. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600)

0 引言

為解決日益緊迫的城市環(huán)境承載力問題，新建城市地下空間正由點—線—面向區(qū)塊化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，呈現(xiàn)出“上下一體、功能綜合、體量龐大、互聯(lián)互通、空間多維、地下超深”的新趨勢[1]。這些新型地下工程已在使用功能、空間規(guī)模、結(jié)構(gòu)形態(tài)等方面突破了傳統(tǒng)地下空間的限制，難以被簡單地歸為任何一類傳統(tǒng)地下空間。為進一步推進城市地下空間的有序發(fā)展，引導(dǎo)相關(guān)理論技術(shù)的針對性研發(fā)和產(chǎn)業(yè)升級，亟需對這類地下空間作出新的定義?！俺鞘械叵麓罂臻g”的概念便是在這一背景下提出的。

城市地下大空間由于工程規(guī)模大，地質(zhì)和周邊環(huán)境復(fù)雜，施工難度大大增加，對施工風(fēng)險的管控提出了更高的要求。由于施工過程的復(fù)雜性，城市地下大空間施工風(fēng)險也呈現(xiàn)出一些有別于一般地下空間的新特性。Perrow[2]的常態(tài)事故理論認(rèn)為，對于一項高復(fù)雜度的行動，其相關(guān)因素間的動態(tài)交互和耦合程度是判定對風(fēng)險產(chǎn)生影響的重要指標(biāo)。Leveson[3]認(rèn)為，事故是一個系統(tǒng)內(nèi)多種要素在不斷反饋和調(diào)整的過程中，由于缺少必要的約束而使系統(tǒng)行為突破安全邊界的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象。諸多實際案例和理論研究表明： 風(fēng)險是在多種因素緊密耦合作用下，在系統(tǒng)狀態(tài)的動態(tài)調(diào)整和演變過程中產(chǎn)生的，不能以孤立的、靜態(tài)的視角進行風(fēng)險分析。

針對以上問題，宮培松[4]在系統(tǒng)動力學(xué)框架內(nèi)提出了風(fēng)險能量、風(fēng)險流和耦合節(jié)點的概念，探討了多因素耦合作用對地鐵車站施工風(fēng)險的影響；王帆[5]整合了混合相關(guān)向量分類機、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立了地鐵施工安全風(fēng)險動態(tài)演化模型；許慧等[6]、朱敬宇等[7]、吳賢國等[8]采用N-K模型分別分析了城市軌道交通運營風(fēng)險、深水井噴風(fēng)險和地鐵施工安全風(fēng)險中“人、機、環(huán)、管”4大類因素耦合效應(yīng)的強度；徐濤[9]在采用N-K模型和耦合度模型分析了水下隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險因素耦合規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究了耦合效應(yīng)對風(fēng)險水平發(fā)展趨勢的影響；江新等[10-11]、劉清等[12]采用系統(tǒng)動力學(xué)分別對三峽大壩通航風(fēng)險和水電工程項目群施工風(fēng)險演變過程進行了分析；孟祥坤等[13]、趙賢利等[14]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分別分析了海底管道泄漏風(fēng)險和機場飛行區(qū)風(fēng)險的演變路徑。

上述研究為揭示風(fēng)險的多因素耦合演變規(guī)律做出了有益的探索，但缺少對耦合演變形成機制的系統(tǒng)分析和深入探討；且研究涉及的耦合系數(shù)、耦合度等重要參量不具備明確的物理或統(tǒng)計學(xué)意義，難以實際應(yīng)用。針對上述問題，本文從分析城市地下大空間工程的特點入手，從系統(tǒng)的角度剖析城市地下大空間施工風(fēng)險的特征，提出一套匹配于施工風(fēng)險形成機制的風(fēng)險多因素耦合演變分析方法，旨在揭示城市地下大空間施工重大風(fēng)險形成機制及關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以期為城市地下大空間安全、經(jīng)濟、高效施工提供參考。

1 城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)分析

1.1 城市地下大空間的定義

城市地下大空間，是指城市行政區(qū)域內(nèi)地表以下，在工程風(fēng)險和成本可控的開發(fā)深度范圍內(nèi)，為滿足特定生產(chǎn)、生活及防災(zāi)需求，修建的結(jié)構(gòu)跨度大或具有一定規(guī)模的單體地下大空間或網(wǎng)絡(luò)化地下空間[15]。

1.1.1 單體地下大空間

單體地下大空間根據(jù)施工方法不同分為明挖單體地下大空間和暗挖單體地下大空間。明挖單體地下大空間一般是采用明挖法施工的地下綜合體、地鐵車站或高層建筑基坑等深大基坑工程；暗挖單體地下大空間一般是暗挖車站或類似規(guī)模的大跨暗挖工程。單體地下大空間的具體定義見表1，周邊環(huán)境設(shè)施重要性等級劃分見表2，工程影響區(qū)定義見表3。

表1 單體地下大空間定義Table 1 Definition of monoblock large underground space

表2 周邊環(huán)境設(shè)施重要性等級Table 2 Importance level of surrounding environmental facilities

表3 工程影響區(qū)定義Table 3 Definition of project influence area

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)化地下空間

網(wǎng)絡(luò)化地下空間是指在既有地下空間的基礎(chǔ)上，通過零距離近接、連通接駁、豎向增層、以小擴大、多維拓展5類拓建方法形成的平面相連、上下互通的網(wǎng)絡(luò)化地下空間。網(wǎng)絡(luò)化地下空間的具體定義見表4。

表4 網(wǎng)絡(luò)化地下空間定義Table 4 Definition of networked underground space

1.2 城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)的概念及特征

1.2.1 概念

風(fēng)險系統(tǒng)是與誘發(fā)風(fēng)險的行動相關(guān)聯(lián)的自然或社會系統(tǒng)的一個抽象概念。風(fēng)險系統(tǒng)包含風(fēng)險源、風(fēng)險事件、風(fēng)險因素和致險路徑，也包含著與這些概念相關(guān)的物理實體。

1.2.2 特征

1)風(fēng)險源眾多，風(fēng)險多樣化。城市地下大空間施工中的以下特點導(dǎo)致其施工風(fēng)險多樣，風(fēng)險源眾多。①城市地下大空間施工流程復(fù)雜，對施工方法、工藝、施工團隊和施工管理水平的要求極高，施工過程的容錯率低； ②城市地下大空間多建于城市核心區(qū)域，人口密度大，建筑物及市政管線密集，周邊環(huán)境具有脆弱性； ③城市地下大空間工程一般是受到社會多方關(guān)注的關(guān)鍵性工程，任何疏漏都易導(dǎo)致極為不利的社會影響和信譽損失。

2)成險機制復(fù)雜。導(dǎo)致城市地下大空間施工風(fēng)險成險機制復(fù)雜的主要原因有： ①城市地下大空間的施工力學(xué)機制復(fù)雜，許多城市地下大空間的設(shè)計具有領(lǐng)先性、獨創(chuàng)性，難以基于傳統(tǒng)理論和經(jīng)驗分析其成險機制； ②城市地下大空間的施工需要多方協(xié)同，使得人的不安全因素影響十分復(fù)雜； ③城市地下大空間施工過程中的風(fēng)險因素間具有普遍的關(guān)聯(lián)性和相對性，使得風(fēng)險分析變得十分復(fù)雜，且難以把握分析的邊界。

3)風(fēng)險因素難以窮盡。風(fēng)險因素由風(fēng)險源及成險機制共同決定，因此，城市地下大空間的施工風(fēng)險因素勢必是極其復(fù)雜且難以窮盡的。對城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)的分析一定要把握好分析粒度(即將問題在邏輯上拆分至怎樣的細(xì)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。

1.3 城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.1 城市地下大空間施工風(fēng)險子系統(tǒng)

由城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)的特點出發(fā)，可將城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)劃分為工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和組織管理系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of risk system in urban large underground space construction

1)工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包含： ①以實現(xiàn)城市地下大空間功能為目的的永久結(jié)構(gòu)物； ②為在城市地下大空間施工過程中穩(wěn)定地層、提供作業(yè)空間而修建的永久或臨時支護結(jié)構(gòu)； ③施工流程，指為完成城市地下大空間永久結(jié)構(gòu)而必須采取的一系列工法、工序。

2)環(huán)境子系統(tǒng)包含： ①地層，包括與城市地下大空間工程施工具有力學(xué)聯(lián)系的地層及水系； ②市政設(shè)施，包括工程周邊一定范圍內(nèi)的既有建筑物或構(gòu)筑物； ③自然環(huán)境，包括工程周邊一定范圍內(nèi)的地形地貌、自然景觀等實體，也包括工程區(qū)域內(nèi)的氣候、溫度、濕度等自然狀態(tài)； ④社會環(huán)境，指城市地下大空間工程所處的周邊社區(qū)環(huán)境、社會輿論環(huán)境等抽象實體。

3)組織管理子系統(tǒng)是刻畫施工管理行為對施工過程的影響的系統(tǒng)。組織管理子系統(tǒng)由一系列變量及其相互關(guān)系構(gòu)成，這些變量既包含可定量描述的物質(zhì)變量，如材料要求、安裝進度等，也包含難以定量描述的軟變量，如政策決策的影響、組織機構(gòu)合理性等。

1.3.2 城市地下大空間施工風(fēng)險子系統(tǒng)間的關(guān)系

一方面，在施工過程中，工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)通過力學(xué)作用等形式對環(huán)境子系統(tǒng)施加影響；另一方面，環(huán)境子系統(tǒng)對工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)有著制約作用，環(huán)境子系統(tǒng)的狀態(tài)決定了工程結(jié)構(gòu)的特性及施工方法。而組織管理子系統(tǒng)通過監(jiān)控量測收集工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)相互作用過程中的信息，以對下一步施工措施進行動態(tài)控制。

工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與環(huán)境子系統(tǒng)由施工力學(xué)過程主導(dǎo)，體現(xiàn)著系統(tǒng)中具有客觀性的一面，因此，又可將兩者統(tǒng)稱為施工力學(xué)子系統(tǒng)；組織管理子系統(tǒng)由人的行為主導(dǎo)，體現(xiàn)著系統(tǒng)中具有主觀性的一面。

2 城市地下大空間施工重大風(fēng)險多因素耦合演變模型

2.1 施工力學(xué)子系統(tǒng)模型

2.1.1 施工力學(xué)子系統(tǒng)的特點

工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與環(huán)境子系統(tǒng)具備以下特點： 1)系統(tǒng)的所有行為具有明確的物理機制，理論上可以反復(fù)出現(xiàn)； 2)系統(tǒng)中的變量具有明確的物理意義，且可通過計算或測量得出； 3)系統(tǒng)的行為可以定義為一系列具體的事件，可在事件之上定義概率； 4)系統(tǒng)內(nèi)各層事件之間具有確定的因果關(guān)系。因此，可采用基于概率的方法對系統(tǒng)的行為進行量化分析。

2.1.2 施工力學(xué)子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述特點，建立如圖2所示的施工力學(xué)子系統(tǒng)模型。模型總體上分為事件空間和狀態(tài)空間2個部分。

圖2 施工力學(xué)子系統(tǒng)模型示意圖Fig. 2 Model diagram of construction mechanics subsystem

2.1.2.1 事件空間

事件空間中的元素是具有明確定義的事件(event)，相關(guān)變量為事件發(fā)生的概率，事件間由因果關(guān)系相聯(lián)系。事件空間中包含風(fēng)險事件層、中間事件層、征兆事件層和因素事件層4級元素。

1)風(fēng)險事件層。其位于事件空間頂層，其中，元素為風(fēng)險事件，是風(fēng)險分析的目標(biāo)。

2)中間事件層。中間事件指風(fēng)險形成路徑上必要的事件節(jié)點，起承上啟下作用。

3)征兆事件層。征兆事件的主要意義在于定義了一種對中間事件的觀測方法。

4)因素事件層。因素事件又稱事件型因素，是發(fā)生概率較高但發(fā)生后影響較小的“小事件”。

2.1.2.2 狀態(tài)空間

狀態(tài)層中的元素是指標(biāo)(indices)。指標(biāo)是表征系統(tǒng)狀態(tài)的變量。狀態(tài)層中包含宏觀狀態(tài)層和評估指標(biāo)層2級元素。

1)宏觀狀態(tài)層。宏觀狀態(tài)層中包含設(shè)計質(zhì)量、勘察質(zhì)量等涵蓋城市地下大空間施工風(fēng)險各方面因素的10個指標(biāo)。宏觀狀態(tài)指標(biāo)是包含著大量信息的總括性指標(biāo)，需要通過概念更具體、更具有可操作性的評估指標(biāo)來對其間接賦值。

2)評估指標(biāo)層。評估指標(biāo)服務(wù)于宏觀狀態(tài)指標(biāo)，是一些需要通過觀測、計算或評價得出的具有明確涵義和取值方法的變量。

2.1.3 施工力學(xué)子系統(tǒng)分析方法

采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和馬爾科夫-模糊綜合評價法作為施工力學(xué)子系統(tǒng)風(fēng)險分析方法。事件空間中的風(fēng)險事件、中間事件、征兆事件、因素事件連同狀態(tài)空間中的宏觀狀態(tài)指標(biāo)一起構(gòu)成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；馬爾科夫-模糊綜合評價法作為聯(lián)系評估指標(biāo)與宏觀狀態(tài)指標(biāo)的紐帶，實現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)輸入。

2.1.3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)險多因素耦合系數(shù)

風(fēng)險因素的耦合，是指2個以上風(fēng)險因素同時出現(xiàn)時，由于各風(fēng)險因素的作用在物理層面上產(chǎn)生相互影響，從而引發(fā)的對風(fēng)險的增幅或抑制作用。風(fēng)險多因素耦合系數(shù)是為度量這種耦合效應(yīng)的強弱而提出的。

1)雙因素耦合模型。圖3(a)所示為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的一個最簡化局部，稱為基本單元。圖中所有節(jié)點均為二態(tài)節(jié)點，代表某一事件。節(jié)點R1和R2為節(jié)點C的父節(jié)點，即C的因素事件。當(dāng)R1和R2對于C的因果機制獨立時[16]，可將圖3(a)轉(zhuǎn)化為圖3(b)所示的模型。圖3(b)中，ξ1，ξ2為與C具有共同狀態(tài)空間的隨機變量；“∨”為邏輯“或”合成算子。此時，關(guān)于C的條件概率可表達為

(a) 雙因素耦合原始模型(b) 雙因素耦合等價模型圖3 雙因素耦合模型示意圖Fig. 3 Schematic of dual-factor coupling model

λ2|R2)。

(1)

式中：P(ξi=λi|Ri)為Ri對C的貢獻概率分布；λi∈{True, False}，εi=True代表事件εi發(fā)生，εi=False代表事件εi不發(fā)生，下文記εi=T或εi=F。

根據(jù)因素事件的定義，可假定P(ξi=T|Ri=F)=0，即因素事件不發(fā)生時對結(jié)果事件的發(fā)生概率不產(chǎn)生影響。在這一假定下，圖3(a)所示貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點C的條件概率表(CPT)便可根據(jù)式(1)由2個條件概率P(ξi=T|Ri=T)=αi表達。

(2)

(3)

表5 耦合系數(shù)取值表Table 5 Value reference of coupling coefficient

(a) 多因素耦合原始模型 (b) 多因素耦合樹圖4 多因素耦合模型示意圖Fig. 4 Schematic of multi-factor coupling model

為解決這一問題，在處理多因素耦合的情況時，認(rèn)為耦合作用是以“耦合樹”的形式，按一定順序逐層作用的。如圖4(b)所示，耦合作用首先在R1和R2間產(chǎn)生，隨后逐個與R3，R4，…，Rn作用，表達為

(4)

(5)

需要指出的是，同一個問題中“耦合樹”不是唯一的，耦合樹的選取會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定影響，在實際操作中應(yīng)盡量將耦合效應(yīng)強烈的因素對置于耦合樹的下層。

2.1.3.2 馬爾科夫-模糊綜合評價

馬爾科夫-模糊綜合評價法是將隨機過程理論中的馬爾科夫鏈與模糊綜合評價法進一步融合建立的，可在一定時間序列上對被評價問題進行預(yù)測。

設(shè)問題的論域U為包含m個元素的離散集合，因素集V中包含n個元素，時間序列由離散指標(biāo)t=0,1,2,…表示。在初始時刻(t=0)，各因素對論域的隸屬度向量

(6)

對隸屬度向量歸一化：

(7)

根據(jù)模糊統(tǒng)計與概率統(tǒng)計之間的關(guān)系，歸一化的隸屬度可視為因素處于論域中各狀態(tài)的主觀概率。設(shè)該因素在時間維度上受某一馬爾科夫鏈調(diào)控(論域U即為馬爾科夫鏈的狀態(tài)空間)，那么該因素在任意時刻的狀態(tài)分布可由馬爾科夫鏈表達為

(8)

(9)

2.2 組織管理子系統(tǒng)模型

2.2.1 組織管理子系統(tǒng)的特點

組織管理子系統(tǒng)主要體現(xiàn)著人的不確定因素，這一系統(tǒng)有著與力學(xué)系統(tǒng)截然不同的特點，如下： 1)系統(tǒng)的行為僅存在邏輯上的聯(lián)系，很難與物理機制掛鉤。2)系統(tǒng)中的變量眾多，且各變量的狀態(tài)具有極大的不確定性。即便在相對一致的外部條件下，系統(tǒng)的行為也很難復(fù)現(xiàn)。3)系統(tǒng)的行為一般僅能以其宏觀狀態(tài)的變化來描述，難以采用事件的形式進行定義，因此也難以采用概率的方法去度量系統(tǒng)的響應(yīng)。4)系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系錯綜復(fù)雜，因果關(guān)系交織，即便通過邏輯推演得出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也難以直觀預(yù)測系統(tǒng)的行為。

2.2.2 組織管理子系統(tǒng)分析方法

組織管理子系統(tǒng)采用系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics，SD)作為風(fēng)險分析方法。SD理論由美國麻省理工學(xué)院的Forrester教授于20世紀(jì)50年代提出[17]。SD基于系統(tǒng)論、控制論與信息論，從系統(tǒng)內(nèi)部控制機制和結(jié)構(gòu)出發(fā)，著重研究系統(tǒng)機構(gòu)與其功能行為的動態(tài)關(guān)系，是對具有復(fù)雜非線性多重反饋機制的系統(tǒng)進行定性和定量分析的有效方法。

城市地下大空間SD建模步驟如下。

1)確定系統(tǒng)邊界。建模的首要任務(wù)是確定系統(tǒng)內(nèi)的要素和變量。組織管理子系統(tǒng)包含組織機構(gòu)、現(xiàn)場管理、人員素質(zhì)及工程合同等若干狀態(tài)集，而系統(tǒng)狀態(tài)的變化體現(xiàn)為施工質(zhì)量、施工成本和施工進度3個相互間具有約束關(guān)系的績效指標(biāo)的變化，并以此影響施工力學(xué)子系統(tǒng)的行為。

2)分析因果關(guān)系。系統(tǒng)邊界確定后，需要分析主要變量間的因果關(guān)系，確定其傳遞極性，繪制因果回路圖(見圖5(a))。城市地下大空間施工組織管理子系統(tǒng)包含以下4個主要回路：

(a) 因果回路圖

(b) SD存量流量圖圖5 城市地下大空間組織管理子系統(tǒng)SD模型Fig. 5 Modeling procedure of system dynamics

①施工速率—施工進度—工期壓力—施工質(zhì)量回路；

②施工質(zhì)量—施工成本—預(yù)算余量—安全措施回路；

③施工質(zhì)量—事故征兆出現(xiàn)頻率—安全意識—安全措施回路；

④施工質(zhì)量—事故征兆出現(xiàn)頻率—施工速率—施工進度—工期壓力回路。

3)建立存量流量圖。在因果回路圖的基礎(chǔ)上，補充存量、流量、輔助變量、外生變量和參數(shù)，建立包括模型內(nèi)所有關(guān)系的SD存量流量圖(見圖5(b))。城市地下大空間施工組織管理子系統(tǒng)模型以施工進度作為唯一的存量變量，以施工速率作為與施工進度相關(guān)聯(lián)的率變量。組織管理系統(tǒng)狀態(tài)隨著施工進度的推進而自發(fā)演變，并在工期壓力、施工質(zhì)量、施工成本和安全措施之間的反饋關(guān)系支配下動態(tài)調(diào)整。

4)建立方程。根據(jù)SD存量流量圖建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，并為方程中的參數(shù)賦值。

5)仿真模擬。進行模擬仿真，調(diào)試并修正模型，得到輸出結(jié)果。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

3.1.1 工程背景

北京地鐵17號線東大橋站為與既有6號線的換乘站。東大橋站位于東大橋路、工人體育場東路與朝陽門外大街、朝陽北路相交的五叉路口，其平面位置如圖6所示。車站總長336.8 m，總建筑面積為24 590.9 m2。車站標(biāo)準(zhǔn)段為暗挖雙層雙柱3跨結(jié)構(gòu)(寬24.5 m)，下穿區(qū)段為暗挖單層單洞結(jié)構(gòu)(長36.5 m)，北端為暗挖雙層3柱4跨結(jié)構(gòu)(長49.7 m)。車站結(jié)構(gòu)高17.85 m，中心里程處單層結(jié)構(gòu)覆土約15.18 m，有效站臺中心處底板埋深約33.6 m。

圖6 東大橋站平面位置示意圖Fig. 6 Plane position of Dongdaqiao station

3.1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

圖7 東大橋站地質(zhì)剖面圖(單位: m)Fig. 7 Geological profile of Dongdaqiao station (unit: m)

站址區(qū)地下水主要可劃分為上層滯水、層間潛水、層間潛水—承壓水和承壓水。地下水主要補給方式為區(qū)域地下水側(cè)向徑流及來自上部的垂直滲透，以徑向側(cè)流方式排泄。

3.1.3 場地及周邊環(huán)境

車站周邊為成熟社區(qū)和商業(yè)、商務(wù)區(qū)，地面車流量大，交通繁忙。車站與既有6號線東大橋站及區(qū)間隧道距離較近，最小水平凈距3.14 m，最小垂直凈距1.68 m。車站范圍內(nèi)市政管線眾多，管徑300～1 750 mm，還存在多條熱力方溝、雨水方溝及電力隧道。

3.1.4 施工方法

車站主體采用暗挖洞柱法施工。導(dǎo)洞斷面為拱頂直墻平底結(jié)構(gòu)，上、下導(dǎo)洞開挖寬度為4.7 m，高度為5.5 m，采用臺階預(yù)留核心土法施工。導(dǎo)洞臨近既有區(qū)間段10 m范圍內(nèi)采用深孔注漿超前加固地層，導(dǎo)洞端頭打設(shè)導(dǎo)管注漿加固。車站采取降水措施進行無水暗挖作業(yè)。

3.2 風(fēng)險分析模型建立

3.2.1 風(fēng)險分析單元劃分

1)空間維度劃分。北京地鐵17號線東大橋站總長約330 m，最大寬度約33 m。根據(jù)東大橋站的結(jié)構(gòu)特點，將車站在其水平投影上劃分為東南(SE)、東北(NE)、西南(SW)、西北(NW)和中央(C)5個區(qū)域，如圖8所示。

圖8 東大橋站工程分區(qū)示意圖Fig. 8 Schematic of partition scheme of Dongdaqiao station

2)時間維度劃分。北京地鐵17號線東大橋站屬于網(wǎng)絡(luò)化拓建工程，根據(jù)工程特點，將工程按工程分項和主要工序在時間維度上劃分為13個分塊，如圖9所示。

圖9 東大橋站風(fēng)險分析單元劃分(時間維度)Fig. 9 Risk analysis unit division of Dongdaqiao station (time dimension)

3.2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立

3.2.2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

北京地鐵17號線東大橋站施工風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型見圖10。模型中共有29個節(jié)點，其中包含5個頂層風(fēng)險事件節(jié)點、3個中間事件節(jié)點、11個因素事件節(jié)點和10個宏觀狀態(tài)節(jié)點。

圖10 東大橋站施工風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 10 Bayesian network model of construction risk in Dongdaqiao station

3.2.2.2 耦合因素分析

通過會議討論和專家咨詢，確定東大橋站施工風(fēng)險系統(tǒng)中存在以下4組耦合因素對。

1)超前加固不到位-存在軟弱地層(ES3-EE3)。當(dāng)?shù)貙有再|(zhì)較差時，不合格的超前加固極易導(dǎo)致開挖面在支護結(jié)構(gòu)架設(shè)之前發(fā)生失穩(wěn)。顯然，該因素對的耦合會對風(fēng)險產(chǎn)生增幅作用，耦合極性為正耦合。一般來說，該因素對中任一方單獨出現(xiàn)均不足以導(dǎo)致較大的風(fēng)險，但兩者若同時出現(xiàn)則可能誘發(fā)災(zāi)難性的事故。因此，判定該因素對為“強耦合”。

2)支護設(shè)計性能不足-存在軟弱地層(ES2-EE3)。軟弱地層基本不具有自承能力，支護結(jié)構(gòu)需要獨自承擔(dān)施工期的大部分荷載。在2007年巴西圣保羅地鐵皮涅羅斯車站隧道坍塌事故中[18]，由倒懸?guī)r脊形成的巨大荷載作用于性能不足的支護結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道瞬間坍塌。因此，判定該因素對為“強耦合”。

3)遭遇強降雨-存在軟弱地層(EE4-EE3)。軟弱地層通常具有更差的水理特性，在強降雨的作用下會進一步軟化。該因素對是多起地下工程施工事故的重要誘因，故判定其耦合強度為“極強耦合”。

4)支護設(shè)計性能不足-支護閉合不及時(ES2-ES1)?！皬娭ёo、快封閉”作為淺埋暗挖法十八字方針中的重要部分常被一同提及，說明這2個因素存在顯著的耦合效應(yīng)。但在不考慮其他因素的情況下，該因素對的耦合效應(yīng)不至于使風(fēng)險產(chǎn)生較大增幅，故判定其為“中耦合”。

東大橋站施工風(fēng)險因素耦合樹見圖11。各耦合因素對的耦合效應(yīng)評級及耦合系數(shù)取值見表6。

圖11 東大橋站施工風(fēng)險因素耦合樹Fig. 11 Coupling tree of construction risk factors of Dongdaqiao station

表6 東大橋站各耦合因素對的耦合效應(yīng)評級及耦合系數(shù)取值Table 6 Risk factor coupling effect evaluation form of Dongdaqiao station

3.2.2.3 條件概率表(CPT)

1)中間事件及風(fēng)險事件節(jié)點。模型中各事件節(jié)點間的貢獻概率分布見表7。中間事件及風(fēng)險事件節(jié)點的CPT可通過式(1)、式(3)、式(4)、式(5)及表6中的耦合系數(shù)計算得到。

表7 事件節(jié)點間的貢獻概率分布Table 7 Contribution probability distribution between event nodes

2)因素事件節(jié)點。因素事件節(jié)點上的條件概率通過式(10)計算。

(10)

(11)

本模型中宏觀狀態(tài)指標(biāo)的狀態(tài)數(shù)統(tǒng)一為4個，狀態(tài)1代表最不利狀態(tài)。宏觀狀態(tài)指標(biāo)與因素事件間的貢獻強度系數(shù)取值見表8。

表8 宏觀狀態(tài)指標(biāo)與因素事件間的貢獻強度系數(shù)取值表Table 8 Contribution intensity coefficient values

3.2.3 評估指標(biāo)及權(quán)重

各宏觀狀態(tài)指標(biāo)對應(yīng)的評估指標(biāo)、隸屬度及權(quán)重見表9。

表9 各宏觀狀態(tài)指標(biāo)對應(yīng)的評估指標(biāo)、隸屬度及權(quán)重Table 9 Evaluation index membership degree and weight

表9(續(xù))

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 施工過程風(fēng)險等級與演化規(guī)律分析

根據(jù)施工組織計劃，東大橋站自豎井開挖施工至內(nèi)部結(jié)構(gòu)澆筑完畢計劃工期2年10個月。本次分析時間跨度按150周考慮，分析時間步長為1個自然周。通過馬爾科夫-模糊綜合評價和系統(tǒng)動力學(xué)仿真得到評估指標(biāo)的時間歷程數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 東大橋站風(fēng)險分析結(jié)果Fig. 12 Risk analysis results of Dongdaqiao station

分析結(jié)果表明，東大橋站施工過程中主要風(fēng)險事件發(fā)生概率為0.06～0.09。根據(jù)GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》規(guī)定，風(fēng)險發(fā)生可能性等級為2級，風(fēng)險等級根據(jù)風(fēng)險事件不同為Ⅰ級或Ⅱ級。施工過程中風(fēng)險具有階段性特征，各風(fēng)險事件發(fā)生概率在開挖階段較大；在豎井開挖后約35周進入鉆孔灌注樁施工階段后以及于約90周主拱二次襯砌施作完成后，各風(fēng)險事件的發(fā)生概率有不同程度的降低。分析結(jié)果符合工程經(jīng)驗認(rèn)知。

3.3.2 風(fēng)險因素耦合效應(yīng)影響分析

表10示出了考慮風(fēng)險因素耦合效應(yīng)、不考慮某一對風(fēng)險因素的耦合效應(yīng)和完全不考慮耦合效應(yīng)時的風(fēng)險事件最大發(fā)生概率。從表中可以看出，風(fēng)險因素耦合效應(yīng)對風(fēng)險事件發(fā)生概率具有較為顯著的影響。在本案例中，“超前加固不到位ES3”和“存在軟弱地層EE3”的耦合效應(yīng)影響最廣，而“遭遇強降雨EE4”和“存在軟弱地層EE3”的耦合效應(yīng)影響最大。在分析的5個風(fēng)險事件中，“坍塌RS1”、“地上建(構(gòu))筑物無法使用RE1”和“既有地下結(jié)構(gòu)變形超限RE2”受耦合效應(yīng)影響明顯，考慮耦合時的發(fā)生概率相較于不考慮耦合時的發(fā)生概率分別提高了0.019 5、0.011 2和0.012 2。在現(xiàn)行的風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)體系下，1%的風(fēng)險發(fā)生概率偏差已足以導(dǎo)致對風(fēng)險等級的錯誤估計，進而影響施工方對風(fēng)險處置策略和施工方案的決策，甚至可能成為事故的導(dǎo)火索?？梢?，對于城市地下大空間施工這類復(fù)雜的過程，在風(fēng)險評估中考慮耦合效應(yīng)的影響十分必要。

表10 風(fēng)險事件最大發(fā)生概率Table 10 Influence of risk factor coupling effect on probability of risk events

4 結(jié)論與討論

1)城市地下大空間的施工是一個復(fù)雜的系統(tǒng)化工作，因此，需要以系統(tǒng)的角度分析其施工風(fēng)險。城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)可分為工程結(jié)構(gòu)、環(huán)境和組織管理3個子系統(tǒng)。工程結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)是由力學(xué)機制主導(dǎo)的事件驅(qū)動型系統(tǒng)，適合采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合模糊綜合評價法進行分析；組織管理子系統(tǒng)是一個抽象系統(tǒng)，適合采用系統(tǒng)動力學(xué)進行分析。

2)城市地下大空間施工風(fēng)險系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了其風(fēng)險因素間的耦合效應(yīng)普遍存在，且不可忽略。通過在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)框架中引入風(fēng)險因素耦合系數(shù)的概念，可對耦合效應(yīng)作出合乎邏輯的定量化描述，同時也可簡化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程。

3)通過馬爾科夫鏈理論和模糊綜合評價法的結(jié)合，可將風(fēng)險分析工作拓展至?xí)r間維度上，對施工過程中的風(fēng)險演變趨勢進行預(yù)測；另外，系統(tǒng)動力學(xué)可對組織管理系統(tǒng)的內(nèi)生性動態(tài)行為進行模擬，較為真實地反映出工程管理組織行為的動態(tài)變化對施工風(fēng)險的影響。

4)以北京地鐵17號線東大橋站為依托，對城市地下大空間施工重大風(fēng)險耦合演變模型進行了實際運用。結(jié)果表明，城市地下大空間施工風(fēng)險具有明顯的階段性特征，在開挖階段達到最大；風(fēng)險因素耦合效應(yīng)對風(fēng)險事件發(fā)生概率具有顯著影響，忽略風(fēng)險因素的耦合效應(yīng)會使風(fēng)險分析結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

本文在城市地下大空間施工風(fēng)險分析理論及風(fēng)險多因素耦合演變效應(yīng)的研究方面取得了一定的成果，但仍有許多問題值得進一步研究。目前，對風(fēng)險耦合演變效應(yīng)的理解仍處在“灰箱”階段，僅能通過表觀現(xiàn)象和結(jié)果進行推測。在今后的工作中，需要對風(fēng)險耦合演變機制進行更深入的研究，并結(jié)合工程實踐不斷完善其理論框架、研究方法和量化標(biāo)準(zhǔn)。此外，本文提出的理論和模型較為復(fù)雜，難以在實際工程中推廣，如何以本文研究為基礎(chǔ)，提煉出一套更加實用、易用的施工風(fēng)險評估體系，也是一項值得探討的問題。