城市地下大空间建设风险特征和分类研究

2022-11-08雷升祥黄明利谭忠盛

隧道建设(中英文) 2022年10期

雷升祥，黄明利，谭忠盛

(1.中国铁建股份有限公司，北京 100855；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

0 引言

近年来，随着我国经济不断发展，城市土地资源日趋紧张，城市地下空间的开发与综合利用得到国家的高度重视，其地位也愈显重要[1]。地下空间是一个巨大而丰富的空间资源，对其进行合理的开发利用能够促进我国的绿色发展[2]，提高土地利用率[3]，拓展城市发展空间，改善城市居住环境，因此对其进行研究具有重要的现实意义[4]。城市快速发展带来诸如环境污染、资源短缺、交通拥堵等一系列问题，而开发利用城市地下空间是解决问题的最佳选择[5]，也是城市核心区“城市更新”的主要途径之一[6]。目前，地下空间开发正由点—线—面向区块化、网络化发展，表现出空间多维化、尺度大型化、结构复杂化等特点，施工安全风险源多、施工难度大、施工安全风险高，地下工程建设领域的安全问题较为突出，事故及伤亡数在土木工程领域位居第二[7]。因此，在开展城市地下空间施工风险的相关研究时，有必要对地下大空间进行区分，从而更好地进行风险管理与控制。

国内外学者针对地下工程风险开展了大量研究，研究成果丰硕。文献[8-10]提出了隧道工程风险分析的特点和应遵循的理念。Sturk等[11]指出地下工程中错误的决策将导致不必要的风险，提出风险分析实用方法。Kampmann等[12]提出了地铁工程施工中存在的10多种风险类型及40余种风险源，并建立了一套风险类型表。Brown等[13]基于成本估算验证过程的想法提出了一种新的风险管理方法。Bu-Qammaz等[14]通过网络分析得出了风险的相对优先级，并将其应用于投标决策中。Fouladgar等[15]研究了TOPSIS方法，在可能的方案中分配最佳选择，消除隧道固有不确定性结果的影响。Nezarat等[16]通过研究自动化程度高的隧道发生的地质灾害，提出对一系列风险进行分类的方法。文献[17]给出了一种风险评估系统，可与定性评估方法配合使用。Shin等[18]利用人工神经网络理论，建立了一套用于评价隧道塌方事故的隧道塌陷风险指标和评价系统。Reilly等[19]研究了复杂地下工种与隧道的风险管理问题等。Meng等[20]建立了定量的风险评估模型，把城市隧道整体风险划分为几个区域分别评价，再按照一定的原则进行合并。Chidiebere[21]指出，应以事故为出发点来研究和分析风险，再用分析的结果来指导地下空间的安全作业。Forteza等[22]以事故为出发点研究和分析风险，总结了地铁施工可能产生的事故类型，并制定出大量的风险防范措施。

我国在地下工程及地铁工程领域的风险分析研究晚于国外。但是，随着城市地下工程的大规模开发利用，风险分析理论研究逐渐引起了国内学者的极大关注，并取得了一定的进展。沈国柱[23]撰写了《风险模糊分析法》一书，并将其中的风险分析方法应用于实例当中。毛儒[24-25]研究了西方国家的风险管理方法，全面介绍了其风险管理的先进思想。陈龙[26]系统分析了在软土区域中建造盾构隧道时可能出现的风险类型，并把风险损失分成4个方面。韩润波[27]对浅埋暗挖法隧道在施工过程中的风险管理进行了研究，并成功开发了软件平台，实现了风险可视化管理。刘学增等[28]采用模糊评价法和层次分析法，研究形成了多层次的模糊综合评价模型和断层塌方预测方法。何美丽等[29]将信息熵理论引入评价方法中，同时引入未确知测度理论，建立了未确知测度模型。

尽管国内外学者针对地下空间风险问题开展了一系列研究，但是在城市地下空间施工风险研究和工程风险评估实践中，没有考虑到地下“大空间”和“一般空间”的差别，当“地下大空间”达到一定空间规模的时候，其风险分类和特征发生了变化，由“量变”达到了“质变”。另外，地下工程施工新技术、新工法的应用，带来新的施工风险。因此，需要按照规模体量等多个指标定义城市地下大空间，对其施工风险分类和特征进行研究，得出城市地下大空间施工风险新分类和新特征，进而研究其风险的形成和作用机制。本文采用工程调研、统计分析等方法，针对城市地下大空间结构复杂、扰动强烈、地质环境多变、致险因素众多、风险防控困难的特点，开展风险源动态识别、风险分类特征等研究。研究成果可以提升我国城市地下大空间安全施工与风险管控的理论和技术水平，具有重要的科学与应用价值。

1 调研资料分析

城市地下空间施工风险包含风险源、风险事故(事件)和风险损失3个要素，其中风险事故起到连接桥梁的作用。通过分析风险事故可以直接找寻引起事故的风险源，也可以评价风险事件带来的损失。通过调研国内最近15年城市地下空间施工过程中的风险事故，从事故发生年份、事故发生地质区域、事故类型、风险源指向等方面对事故案例进行统计与分析，寻求城市地下空间施工过程中事故发生的演变条件和风险规律，为后续风险管理研究提供数据支持。

虽然对事故报告中的事故特征做的统计分析并非十分全面，但通过建立由大量城市地下空间施工事故形成的数据库，仍能明确事故发生的演变条件和规律，为风险源分析研究提供可靠依据。

1.1 事故空间分布统计分析

本文共搜集到295起城市地下空间施工安全风险事故，事故主要发生在上海、广州、北京、深圳、南京、杭州、重庆、武汉、西安、天津、哈尔滨、青岛、沈阳、南昌、南宁、兰州、郑州等城市的地下空间工程施工过程中。根据空间区域差异，按照不同城市地下空间施工事故数量和人员伤亡情况进行统计分析。

通过对不同城市的地质构造、地层特性、地形地貌、水文气象条件等进行分析，将全国分为软土地区、冲洪积土层地区、黄土地区、膨胀土地区、基岩或地质单元复杂地区5类区域。软土地区主要包括宁波、杭州、上海、无锡、天津等城市，地层以海相沉积和河湖淤积的淤泥、淤泥质土为主；冲洪积土层地区主要包括北京、石家庄、郑州、长春、沈阳、成都、呼和浩特等城市，地层以砂土、卵石、粉土、黏土为主；黄土地区主要包括西安、兰州、太原等城市，地层以风积黄土为主；膨胀土地区主要包括南宁、合肥等城市；基岩或地质单元复杂地区包括广州、深圳、重庆、大连、青岛、南京、济南、乌鲁木齐等。将事故按地质区域统计如图1所示。

图1 事故发生地区类型饼状图

由图1可以看出，基岩或地质单元复杂地区的事故所占总事故比例最大，事故数为109起，占比达41.76%。在基岩地区修筑城市地下空间工程主要受岩体完整程度和岩石强度影响，各城市基岩岩性不同，岩体完整程度不同，带来的工程问题也不同。软土地区发生事故70起，占比约27%。软土地区土体力学性质较差，地下水丰富，地层中含有多层地下水，其中承压水对工程影响突出。冲洪积土层地区发生事故53起，占比为20.31%。北方地区的突出特点是缺水，地下水位埋藏一般较深，土层颗粒由粗到细、渗透性差异大、力学指标变异大。膨胀土地区和黄土地区分别有18起和11起事故，占比分别为6.9%、4.21%。黄土地区和膨胀土地区事故案例较少，这和地区经济发展缓慢、土建工程数量较少、统计案例不足有关。黄土地区土层直立性和稳定性较好，对于工程建设十分有利，但黄土具有遇水湿陷的特点，容易出现城市地下空间和边坡失稳；另外，黄土地区的地裂缝会对地下空间结构产生影响。膨胀土地区膨胀土有吸水膨胀和失水收缩两重性能，开挖面遇大气降水易膨胀，使抗剪强度降低，物理力学性质发生较大改变，从而影响地基土的稳定性。然而，由于各类地质条件下修建的地下空间工程数量、规模不同，导致调研统计的事故基数不同。因此，不能简单地给出某类地质条件更易引起事故的结论。

1.2 事故类型统计分析

参照GB 6441—86《企业伤亡事故分类》中的事故类别，结合城市地下空间施工风险事故特点，将事故类型分为坍塌、高处坠落、透水透砂、物体打击、机械伤害、周边环境破坏、起重伤害、车辆伤害、火灾、触电、爆炸、中毒窒息、结构变形破坏和其他。将2004—2019年的295起事故按照以上事故类型进行统计，如图2所示。同一事故可能存在多个事故原因，故分类时合计数大于295。

图2 事故类型统计条形图

从图2可以看出，坍塌事故发生次数最多，共计108起，占比33%；周边环境破坏、高处坠落和透水次之，分别占比17%、11%和9%。因此，在城市地下空间施工中，应该加强对这4类事故的分析与控制。坍塌和周边环境破坏事故属于技术性事故，可以通过施工前的风险分析和评估进行提前预防，体现出风险管理研究的重要性和必要性。

分析事故发生的主要原因，绘制各类原因的事故比例图如图3所示。由图3可知，造成城市地下空间施工事故的主要原因有工程自身原因和外界因素2类。工程自身原因主要包括勘察设计、管理和施工3个方面。勘察设计类风险源主要有勘察不足和设计不足；管理类风险源主要有安全意识不足、管理不当、设备不达标和人员无资质等；施工类风险源主要有监理不到位、工人违章作业和施工质量不合格。外界因素主要包括工程地质、水文地质、地下管线和降雨因素等。从风险源指向来看，占比最大的风险源是施工质量不合格、管理不当、工人违章作业、安全意识不足和地下管线，分别占26.81%、26.09%、25.36%、18.84%和16.67%。需指出的是，一起事故可能由一个风险源造成，也可能由多个风险源造成，故此处统计的风险源事故比例总和大于1。

图3 事故原因占比分析

2 城市地下大空间基本概念

2.1 城市地下大空间定义

城市行政区域内地表以下，在工程风险和成本可控的开发深度范围内，满足特定生产、生活以及防灾需求，修建的具有一定规模(1.5×105m3及以上)的地下单体大空间或网络化地下空间定义为城市地下大空间，包括新建明挖单体地下大空间、新建暗挖地下大空间及网络化拓建地下大空间。

2.1.1 新建明挖单体地下大空间

原则上满足以下条件的深大基坑工程属于城市地下大空间工程：

1)明挖法施工的地下4层及以上的城市地铁车站工程。

2)明挖法施工的地下3层地铁车站，且周边环境等级为二级及以上的工程。

3)基坑开挖深度超过30 m，宽度大于25 m，开挖量大于1.5×105m3的工程。

4)基坑开挖深度超过25 m，宽度大于25 m，开挖量大于1.0×105m3，且周边环境等级为二级及以上的工程。

2.1.2 新建暗挖地下大空间

一般地下双线及以上暗挖换乘车站或类似规模大跨暗挖工程属于城市地下大空间工程，原则上工程的结构层数、跨度、断面大小等应满足以下条件：

1)暗挖法施工的地下4层及以上城市地铁车站工程。

2)暗挖法施工的地下3层地铁车站，且周边环境等级为二级及以上的工程。

3)暗挖法施工的地下双层单跨地铁车站，且周边环境等级为二级及以上的工程。

4)开挖断面大于500 m2，且周边环境等级为二级及以上的暗挖工程或开挖断面大于300 m2，且周边环境等级为一级及以上的暗挖工程。

5)开挖宽度单跨大于18 m，周边环境等级为特级的超浅埋暗挖工程。

2.1.3 网络化拓建地下大空间

在既有地下空间的基础上，通过连通、扩建、改建、增建、结建等方式，使地下空间之间、地下空间与地面之间有机联系，形成平面相连、上下互通的网络化地下空间。原则上满足以下条件的网络化拓建工程属于城市地下大空间工程：

1)在既有不小于标准双层地铁车站体积的地下空间基础上，采用竖向增层方式拓建新的地下空间，新增体积不小于标准单层地铁车站的体积。

2)在既有不小于标准双层地铁车站体积的地下空间基础上，采用以小扩大、零距离近接方式拓建新的地下空间，新建体积不小于标准双层地铁车站的体积。

3)采用连通接驳或者多维拓展方式拓建的地下空间，相互连通后形成的地下空间不小于地下双线换乘地铁车站的体积。

2.1.4 环境等级划分

参考北京市地方标准DB 11/1067—2013《城市轨道交通土建工程设计安全风险评估》，依据新建明挖或暗挖单体大空间周边环境的复杂性及其风险对环境进行等级划分。环境分级标准宜根据周边环境设施的重要性、周边环境设施与城市轨道交通工程结构的接近程度、周边环境设施的状况、工程建设对环境设施的影响程度综合确定，见表1。

表1 环境分级

周边环境设施的重要性依据环境设施的类型、功能、使用性质、特征、规模等综合确定，并分为极重要、重要、较重要。周边环境设施重要性分级宜符合表2的规定。

表2 周边环境设施重要性分级

周边环境设施与新建城市轨道交通结构的接近程度宜用接近关系表示，分为接近、较接近和一般3级，见表3。

表3 周边环境设施与新建城市轨道交通结构的接近关系分级

2.2 城市地下大空间工程案例

通过对工程资料进行调研分析可知，新建明挖单体地下大空间工程有71项，新建暗挖单体地下大空间工程有26项，网络化拓建地下大空间工程有24项，各类地下大空间工程数量占比如图4所示。从图4可以看出，新建明挖单体地下大空间工程占比最大，为58.68%；新建暗挖单体地下大空间工程和网络化拓建地下大空间工程占比相当，分别为21.49%和19.83%。需要说明的是，目前由于地下大空间工程建设基数相对于一般地下空间工程较小，因此，地下大空间的事故率由地下大空间建设基数上的事故发生概率决定。

图4 明挖、暗挖与拓建地下大空间工程数量占比

为了分析城市地下大空间工程建设数量与修建年份之间的关系，对其按照修建年份进行统计，绘制出如图5所示的柱状图。从图5可以看出，城市地下大空间工程数量随年份的增加而逐渐增多，尤其是近5年增幅较大，由2011—2015年的27项增加至2016—2020年的61项。面对逐渐增多的城市地下大空间工程，对地下大空间进行区分并独立研究其风险具有重要的现实意义，能够使其风险研究更具针对性、灵活性与高效性。

图5 城市地下大空间工程数量走势

2.3 城市地下大空间特征

通过分析，总结出城市地下大空间特征如下。

1)空间规模大。城市地下大空间，顾名思义，其空间规模应满足一定要求。地下结构物随着空间规模的扩大，其承担的荷载会显著增加，对开挖和支护方法及工艺的要求也明显不同；此外，地下结构物空间规模的扩大也会使其施工对周边环境的影响范围扩大，从而增加其规划和设计难度。正是因为在建设难度、建设投入以及风险等方面的显著差异，将城市地下大空间从一般地下结构中区别开来显得尤为必要。因此，空间规模是城市地下大空间的最显著特征。

2)功能综合性。地下大空间工程具有多种类型的城市功能。城市空间功能的多样性、复杂性，决定了作为城市空间功能重要组成部分的地下大空间工程开发必然向功能综合性方向发展。城市地下大空间工程往往承担着城市居民生产生活的多种功能，如交通、办公、商业、人防和医疗等，这使其具有功能上的综合性。

3)规划统一性。地下大空间是伴随着城市集约化发展应运而生的，也是城市资源统一规划、高效利用和综合开发的集中体现，其突出特点是各功能区实行统一规划、综合开发、同步进行、配套建设，其目的是强化中心区的城市功能，集中解决城市地面空间规划建设中的用地紧缺、空间拥挤、交通堵塞、环境恶化等一系列矛盾，避免地下空间孤立开发、功能单一、设施不配套造成地下空间资源浪费以及开发效益低等弊端，充分发挥地下建筑功能集聚性优势。

4)施工复杂性。施工复杂性主要体现2个方面：城市地下大空间工程若为新建工程，往往体量大，使得整个空间很难一次成型，需要分多步序开挖，增加了施工的复杂性；如果是新建地下空间与既有地下空间相连通形成地下大空间，这需要对既有建筑进行不同形式的破口施工，施工难度大，施工过程复杂。

5)网络拓展性。城市大空间中不同类型的功能根据需要采用不同的建筑空间布局和结构形式，在同一层面上分区组合或分层竖向组合，构成一个相互联系的整体，并与地铁站、地下城市道路、人行通道等相互连通，形成网络化的大型综合地下空间。

6)高品质性。由于地下大空间功能的综合性，人们往往会长时间待在地面以下，为了降低地下大空间环境对人类生理层面和心理层面的影响，需要提升地下大空间的品质，包括创造良好的空气环境、光环境、声环境、视觉环境等。此外，可借助智能化手段，综合监测、智能引导、终端可视化及信息发布等系统，提升局部空间要素的功能承载能力，通过减少诸如出入口、通道尺寸等要素，进一步提升地下空间品质。

3 城市地下大空间施工风险源识别方法

风险源识别有一定的识别方法，不同方法的适用范围与环境也不相同。在进行风险源识别的过程中，必须根据实际情况和客观条件，选择合适的识别方法。风险源识别方法可分为主观识别方法、客观识别方法和综合识别方法。其中，主观识别方法包括事故树法、专家调查法、头脑风暴法等；客观识别方法包括WBS-RBS法、层次分析法、流程图法、幕景分析法等。

3.1 风险源数据库

风险等级是指根据风险事件发生的可能性和风险损失、社会影响等，按照一定的风险评估方法将风险源划分成的高低不同的等级。基于上百例工程案例及事故案例资料，首先运用事故树法、层次分析法等常规风险识别方法对调研工程进行风险源识别，汇总结果如表4所示，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示地质、环境、工程自身等各因素的风险级别；再采用因果分析图法，从地质、环境、勘察设计、施工及管理等角度对事故案例进行风险源识别，识别流程如图6所示。

图6 事故因果分析图

表4 工程案例风险点统计

将风险源识别结果归纳汇总，采用专家调查法补充和完善，初步建立具有事件逻辑层次结构和数据信息的地下空间风险源数据库。该数据库具备良好的检索机制，能根据用户输入的关键词匹配对应的事故或工程风险源信息。同时，数据库设置了数据更新模块，可随时添加最新工程及事故案例的相关资料。鉴于篇幅有限，数据库未予列出。

3.2 城市地下大空间风险源识别方法

城市地下大空间工程具有规模大、设计施工复杂、风险等级高等特点，仅以传统的风险源识别方法识别城市地下大空间工程的风险，存在一定的局限性。本文在传统风险源识别方法的基础之上，提出一种适用于城市地下大空间风险源识别的方法，主要分4个步骤：工程分区、风险评估单元划分、基于数据库的风险源识别、重大风险源划分。该方法相对于传统风险源识别方法考虑的因素更为全面，尤其考虑了地下大空间工程所处的水文地质条件、工程规模及复杂性等对风险源识别结果的影响，能够提高地下大空间风险源识别准确性与可靠性。

1)工程分区。由2.3节城市地下大空间的特征可知，该类工程往往具有一定规模的体量，若仅笼统地以工程整体进行风险源识别，识别结果往往缺乏针对性。因此，本识别方法建议结合工程施工步序、空间位置等特点，将城市地下大空间工程分区考虑，通过区域划分来提高识别针对性及准确性。

2)风险评估单元划分。城市地下大空间工程建设复杂程度较高，工程所涉及建设项目涵盖种类繁多，包括地铁车站、隧道、通道、风井、出入口等，通过梳理不同风险评估单元进行风险源识别，可层次清晰地反映不同评估单元的风险状态。

3)基于数据库的风险源识别。各区域、各风险评估单元的风险源识别均可参照风险源数据库，分别从地质、环境、设计、施工及管理等角度进行逐一排查，相较于传统的专家调查法识别，此阶段减少了个人知识及经验限制带来的主观性及片面性，提高了风险源识别效率，降低了风险源识别成本。风险源排查如表5所示。

表5 工程风险源排查

4)重大风险源划分。由于不同评估单元所涉及的工程分项及周边环境均有所不同，因此其对应的风险源也不尽相同。根据风险源排查表，绘制风险源清单，将风险源按基本评估单元进行划分，如表6所示。

表6 重大风险因素划分

3.3 典型城市地下大空间工程风险因素识别案例

以武汉光谷广场综合体项目地下空间工程为例，采用城市地下大空间风险因素识别方法，开展风险因素识别研究。

3.3.1 工程分区

武汉光谷广场综合体项目地下空间是集轨道交通工程、市政工程、地下公共空间于一体的综合项目。根据综合体位置特点，将其在水平投影上划分为南、北、中3大区域，分区情况如图7所示。

图7 圆盘综合体各部位平面分区

3.3.2 评估单元划分

该工程主体开挖结构包含9号线及鲁磨路隧道、换乘大厅、2号线南延线区间、珞喻路隧道、11号线车站等，除主体结构之外，还附属有5个下沉庭院及连接2号线的暗挖隧道。根据工程特点，将工程按其分项和主要工序划分为12个基本风险评估单元，如图8所示。

图8 武汉光谷广场综合体基本风险评估单元划分

根据工程分区结果，将基本评估单元按其所在区域进一步划分为子评估单元，如表7所示。

表7 子评估单元划分

3.3.3 风险因素识别

根据风险因素库信息，通过分析武汉光谷广场综合体风险评估报告、施工组织设计、专项施工方案等资料，筛选出光谷广场综合体施工过程中的风险因素，筛选结果如表8所示。

表8 武汉光谷广场综合体风险因素排查表

根据风险因素排查表，绘制出各区域各单元风险因素识别清单，识别结果如表9所示。

表9 武汉光谷综合体风险因素识别清单

4 城市地下大空间施工风险特征及典型工程风险特征分析

4.1 施工风险特征

根据城市地下大空间定义，并结合安全事故案例分析可知，城市地下大空间特征主要体现在空间规模大、平面尺寸大、结构跨度大、地下超深度、围护支护复杂、周边环境影响大、开挖步序多等。这些特点决定了地下大空间施工是一个复杂的系统化工作。通过对城市地下空间施工安全事故进行统计分析，总结出了城市地下大空间施工风险特征。

4.1.1 多元化

随着开挖尺度、结构复杂度的提升，地下空间施工危险性呈非线性增加趋势。城市地下大空间体量大、复杂度高，施工安全受到极大挑战。

研究发现，符合城市地下大空间定义的工程大部分为位于人口密集、地上地下建筑繁多的城市核心区域的地下综合体、大型地下交通枢纽与地下人防工程等。新建大型地下工程会面临周边既有建(构)筑物等带来的一系列问题，如既有市政管线的迁移及保护，地表道路、桥梁等的沉降控制等。

4.1.2 成险机制复杂

1)城市地下大空间工程结构体量大、功能多，新建结构自身及其与周围既有结构之间的相互作用机制极为复杂，难以通过传统理论模型进行分析。设计者和建设者往往难以借鉴既有工程经验对施工中的风险点及其成险机制进行透彻且全面的分析。

2)人的不安全因素在事故中所起的作用只有在结合具体事故具体分析时，才能明确其对事故的影响机制。人的不安全因素累积到一定程度可能导致质变，使得事故的发生成为大概率事件；不论人的不安全因素累积到何种程度，必须有外界因素或偶发事件的触发，才会最终诱发事故。

3)城市地下大空间施工过程中的风险与风险因素间具有普遍的关联性和相对性。换言之，某一事件在一定的条件下被称为风险事件，但当条件发生变化时，该事件可能会被作为另一事件的风险因素。在这种特性下，风险系统中的任一事件或事件序列都可能不是孤立的，而是构成一个“事件网络”，使得风险分析难度增加且难以把握分析的边界。

4.1.3 风险因素繁杂

1)风险因素与风险源挂钩，一个风险源的存在会自然地导出与之相关的一系列风险因素。风险源与风险因素之间是一对多的关系，当风险源数量增加时，风险因素的数量自然会呈几何级别增加。

2)风险因素与成险机制相关，成险机制越复杂，风险因素越多。从风险分析的角度来讲，穷尽所有风险因素不仅没有必要，还可能会增加风险分析的逻辑复杂度。因此，城市地下大空间施工风险系统的分析需要把握好分析粒度(即将问题在逻辑上拆分至怎样的细节)以及分析边界(即哪些要素需要考虑，哪些要素不必考虑)等问题。

4.1.4 难预测

目前，城市地下大空间工程样本并不充分，虽然风险可测，但是依旧难测，这是风险难测特性的第1层含义；另外，随着地下空间修建规模的增加，以往在一般空间使用的工法、工艺会表现出局限性，随之配套的新工艺、新工法、新装备、新设备等孕育产生，由于是之前没有的“新”，即使会针对性的进行风险分析评价和预测，但依旧难以面面俱到，这是城市地下大空间风险难测性的另一层含义。

4.1.5 高危

城市地下大空间最大的特点就是工程规模大，这也使得大空间的施工风险一旦发生则危害极大。其高危特点显著由3方面因素决定：1)风险因素众多。由于工程规模大，使得影响施工的因素比一般工程更多，如施工过程会接触更多的地层、管线等，这些因素会影响施工全过程。2)风险事故类型多。地下大空间工程由于因素繁多，具有耦合和动态演化的特征，工程施工过程可能会引发多种事故类型。3)相互影响更大。城市地下大空间施工对周边环境(重要的建(构)筑物等)的影响相较于一般空间工程影响程度更大、范围更广，一旦发生风险，波及范围更广，影响更恶劣，后果更严重。

4.1.6 耦合放大

城市地下大空间施工过程影响的因素众多，风险事件的形成必然是多个风险因素同时出现，相互影响，相互促进所导致的结果。当若干个“小事件”同时发生时，可能会诱发严重的“大事故”。该特点说明城市地下大空间施工风险因素间存在耦合放大效应，增加了风险发生概率或扩大了风险损失。因此，对于城市地下大空间施工风险而言，风险因素间的耦合放大性不容忽视。

4.1.7 动态演变

城市地下大空间工程跨度和规模的增加，使得工程难以一次成型，通常采用分段开挖、变大断面为中小断面的方法进行施工。城市地下大空间施工开挖的过程，也是围岩卸载的过程，开挖步序多，对地层造成多次重复扰动，使得风险的演变和发展更加复杂。城市地下大空间工程施工周期往往较长，孕险环境、承险体长期处于多个致险因素作用下，使得多次扰动下的风险随着施工全过程不断发生动态演变。

4.2 典型工程风险特征分析

以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段、武汉市光谷广场综合体工程和北京轨道交通4号线宣武门站新增换乘通道工程为例，对典型的城市地下大空间工程的风险特征进行分析。

4.2.1 港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段

拱北隧道是港珠澳大桥主体工程与珠海连接的唯一通道，隧道下穿珠海拱北口岸，要求施工对口岸通关不能产生任何影响。受地形和环境的限制，拱北隧道按照“先分离并行，再上下重叠，最后又分离并行”的双向6车道方案设计。采用世界最长的曲线管幕施工，搭建了一个长255 m、直径24 m的超级“冰桶”。施工工法新颖、环境复杂，体现了本工程高危特点显著的特性。

工程暗挖段的开挖断面达336.8 m2，开挖宽度为18.8 m，高度为21 m，其中珠海连接段将整个开挖面分为5层14个小断面进行施工，风险巨大。相邻洞室多次开挖对围岩造成重复扰动，且开挖步序的增多，也增加了施工风险，使得施工过程风险的时空演化更加复杂，体现了显著的动态演变特点。

施工采用世界最长的曲线管幕+冻结法，施工本身风险巨大；工程周边环境复杂，地质敏感，管幕顶部覆土厚度只有4～5 m。工程施工过程中，地质因素、周边环境因素和施工本身因素间相互影响，耦合叠加，体现了显著的耦合放大特点。

4.2.2 武汉市光谷广场综合体工程

工程基坑圆盘直径为200 m，最大开挖深度为34 m，主要采用地下3层多跨框架结构。超大圆形基坑有3道混凝土支撑，最大支撑梁总跨度达100余m，圆形基坑中还有一个基坑，坑中坑也有3道混凝土支撑，支撑梁拆除方量大、难度大。基坑混凝土支撑梁布局形式复杂，传统的拆除方式不能满足现场工期要求，需分期施工拆除支撑。整个施工过程中时空效应显著，施工风险巨大，体现了工程施工显著的高风险特性与动态演变特性。

工程位于武汉光谷核心区，是武昌地区交通咽喉和商业中心，周边存在较多建(构)筑物，工程管线和商业非常密集，见图9。周边道路饱和度高，仅光谷转盘日常车流量达13 000辆、人流量达23～26万，高峰期车流量可达19 000辆、人流量可达30万，交通异常繁忙，施工环境极其复杂，风险源众多，体现了本工程显著的高风险特性。

图9 武汉光谷广场综合体工程总平面图

该工程中地铁2号线连接通道与既有地铁2号线光谷站地下一层结构零距离近接并衔接，对既有结构、共用结构、拓建结构等结构体系的受力及变形影响较大，加之严峻的周边环境，使得施工期间周边环境因素和施工本身因素繁杂，各因素间相互影响，耦合叠加，体现了显著的耦合放大特性。

4.2.3 北京轨道交通4号线宣武门站新增换乘通道

工程位于北京市二环以内的中心老城区，宣武门东、西大街与宣武门内、外大街的交叉路口处，周边建(构)筑物复杂，尤其是东南象限出入口明挖结构紧挨既有地铁2号线车站及东南风道结构，东北象限北出入口平行侧穿宣武门内大街东侧辅路和教堂围墙，距围墙最近仅1.3 m。施工期间周边既有车站持续运营，加之老城区对施工要求更加严格，环境风险巨大，体现了本工程显著的高风险特性。

工程需在不影响既有线路运营的情况下进行新增结构与既有结构的接驳施工。接驳部位共计10处，最大破口面积达34.92 m2(7.20 m×4.85 m)，最大变形控制指标为1 mm，结构破除施工需减小振动、控制变形、控制烟尘，施工风险大，使得施工期间周边环境因素和施工本身因素众多，各因素之间相互影响，耦合叠加，体现了显著的耦合放大特性。

工程施工过程有多处马头门开口部位，构成多向马头门，马头门开口形成多维结构。施工中结构受力多次转换，地层及结构应力频繁变化，施工过程中空间效应显著，施工风险巨大，体现了本工程施工显著的高风险特性和动态演变特性。

5 城市地下大空间施工风险分类与评估

5.1 城市地下大空间施工风险分类

本文综合考虑各分类方法的特点，根据风险表现形式(风险事件)将工程风险进行分类。根据地下工程的类型，参考事故案例调研报告统计结果并结合现有工程规范等资料，将城市地下大空间工程中的风险按风险事件类型分为新建明挖单体地下大空间风险、新建暗挖单体地下大空间风险及网络化拓建工程风险3类。

5.1.1 新建明挖单体地下大空间风险分类

结合明挖工程施工特点，可将城市地下大空间明挖工程风险事故分为：围护结构失稳风险、支撑体系失稳风险、坑底变形破坏风险、土体滑塌风险、地表沉降风险、建(构)筑物破坏风险、道路桥梁破坏风险、地下管线破坏风险等。具体风险事件类型及事件说明如表10所示。

表10 明挖单体地下大空间工程风险统计

5.1.2 新建暗挖单体地下大空间风险分类

根据暗挖工程施工特点，可按风险事件类型将暗挖工程风险事件分为：支护体系失稳风险、围岩失稳风险、突泥突水风险、建(构)筑物破坏风险、道路桥梁破坏风险和地下管线破坏风险等。具体风险事件类型及事件说明如表11所示。

表11 暗挖单体地下大空间工程风险统计

5.1.3 拓建工程风险分类

根据拓建工程施工特点，可按风险事件类型将拓建工程风险事件分为：既有结构破坏风险、新建结构破坏风险、围岩失稳、突泥突水风险、土体滑塌风险、地表沉降风险、建(构)筑物破坏风险、道路桥梁破坏风险、地下管线破坏风险等。具体风险事件类型及事件说明如表12所示。

表12 拓建工程风险统计

5.2 城市地下大空间风险评估方法

根据城市地下大空间施工安全风险特征，考虑施工过程分区域、分工序、多因素耦合的特点，指标体系法更适合城市地下大空间的风险评估。选择指标体系法作为城市地下大空间施工风险评估的基础方法，主要有以下原因：

1)城市地下大空间施工风险因素复杂。城市地下大空间施工风险因素分为地质因素、环境因素、施工因素、设计因素、管理因素，每个因素下设二级指标，计算过程复杂。因此，对每个指标进行打分，并按照层次分析法对每层指标进行权重划分，可以有条理地对风险进行定量评估。

2)耦合与演化的融合。城市地下大空间施工风险的评估需要考虑风险耦合与演化，因此选择一个形式相对简单的评估方法，可以在此基础上更好地扩展，以使其适应城市地下大空间的风险评估，而指标体系法相对于其他方法的优势就在于其计算形式简单。

3)实际可操作性。城市地下大空间施工风险评估方法不是作为一种研究方法来探讨，而是需要考虑实际工程应用，因此需要操作简单。指标体系法的核心是指标体系和权重。指标体系可以通过建立各类工程的指标库来满足实际操作的要求；权重则可以通过专家问卷的形式来判定。因此，基于指标体系法的评估方法更适合城市地下大空间风险评估的实际应用。

指标体系法的计算公式为：

P=∑Xij。

(1)

式中：P表示风险发生的可能性；Xij表示指标的分值大小。

考虑耦合和演化的作用，可以对式(1)进行改进：

P=λξ∑Xij。

(2)

式中：λ为耦合系数，考虑指标之间耦合作用导致的风险概率变化，可根据各指标的耦合关系形成一个耦合矩阵；ξ为施工过程的动态调整系数，考虑时空效应导致的风险概率变化，可采用马尔科夫链计算得到。