明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合综合评价

付 金，徐 筱，陈秉欣，张泽辉，张 翾

(1.中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530000；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

随着基础设施建设的不断推进，邻接工程并行建设与协同施工的情形不断涌现[1]。对于面向全域的复杂环境下邻接工程协同施工体系，施工安全管理需求突出，开展全域协同施工风险精细管控意义重大[2-3]。

对于协同施工体系，施工事故往往伴随着多种风险因素共同作用，在其施工风险综合评价及精细管控中需考虑风险间的耦合作用[4]。目前，风险评估中风险耦合作用渐被关注，结合实践应用，形成了初步的评价方法。其中，王乾坤等[5]采用C-OWA算子和相互作用矩阵法构建了地铁深基坑施工风险耦合评价方法;文艳芳等[6]基于PSR-IAHP模型构建了地铁隧道施工坍塌风险耦合体系;沈阳等[7]采用指标折减法考虑了超高层施工风险因素耦合。然而，对面向全域的复杂环境下明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合研究还鲜有报道[8]，将风险耦合引入协同施工风险研究中，以期探明面向全域的复杂环境下协同施工风险因素之间的耦合作用并量化耦合强度。

城市公路隧道施工中事故的发生往往是周围环境、施工、设计、现场管理等多种致灾因素共同作用的结果，传统的分析方法多以单一风险源为出发点，评估单一风险源诱发事故的概率，并未从事故的机理出发，讨论多种致灾因素共同致灾的耦合机制[9-12]。明挖公路隧道与地铁工程协同施工过程中安全事故致灾因素众多，相互之间的耦合关系也较为复杂。通过耦合路径和耦合程度的度量实现对明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险事件产生机理的阐释，同时为施工风险防控提供对策与建议，从源头上切除或削弱风险耦合事故的产生条件，避免强耦合效应的产生。

本研究针对明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合综合评价，构建了风险耦合评价指标体系，明确了风险源及其耦合信息分析框架，建立了明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合综合评价模型。结合深圳公常路明挖公路隧道与邻接地铁6号线支线协同施工项目，进行了实例分析，度量了风险耦合作用程度及各风险因素之间的耦合效应，以期为面向全域的明挖公路隧道与邻接地铁协同施工项目的风险评价与安全管理提供支撑，同时为后续近接同期、协同施工系统风险耦合分析提供参考。

1 风险耦合评价指标体系

影响明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工的风险事件主要包括施工变形超限、支护体系破坏(支撑失稳、基坑崩塌、围护结构位移过大、坑底隆起)、护壁基底渗漏突涌破坏(土体渗透破坏、降水引起周围地面沉降、基底突涌)、施工工期延误等，风险耦合研究首先要通过风险识别与因子分析，建立风险指标体系。

采用WBS工作分解法[13]，分析明挖下穿公路隧道与邻接地铁工程协同施工安全事故原因。如明挖公路隧道基坑开挖卸荷过程中，深基坑工程各施工程序、工艺错误(开挖高差太大，开挖土方的空间尺寸、暴露时间等时空效应考虑不足，各工种、工序之间协调和保护不周等)，支护结构设计不合理(土体强度指标选择不合理、围护支撑体系强度不够等)，邻接基坑开挖、降水的影响，周围环境监测不合理，施工单位施工质量差，施工管理混乱等，多种因素导致安全风险事件发生，即事故发生通常是一系列的失误、缺陷共同作用的结果。对于面向全域明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工风险耦合的复杂性，通过采用理论与应用相结合等研究方法，基于风险耦合致灾机理，明确风险源及其耦合信息的获取方式。运用风险耦合模型，获取风险状态的准确估计[14]。本研究将明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工安全风险主要因素分为同步施工因素、开挖因素、围护结构因素、降水止水因素和项目管理因素这5个方面，如表1所示。

表1 明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工安全风险因素Tab.1 Safety risk factors of collaborative construction of open cut highway tunnel and adjacent subway project

2 明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合模型

耦合度模型可对风险因素间耦合作用的强弱进行定量评价并较为直观地展现各风险因素间的耦合作用状态[15]。明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合模型的基本原理：在明确风险耦合致灾机理(耦合信息)及评价指标体系基础上，确定风险指标的权重和特征值，构建功效函数及耦合度函数，计算系统耦合度，获取风险耦合状态的准确估计，得到明挖公路隧道与邻接地铁协同施工安全评价体系。

2.1 确定指标权重及指标值

基于层次分析法(AHP)来计算指标权重，即将定性问题与定量数值相结合，采用1-9比例标度法构建明挖公路隧道协同施工安全风险耦合评价指标的判断矩阵并计算指标权重ωi。

采用DEMATEL-逆向云模型相结合的方法测定风险特征的定量数值[16]，得到云特征值Ex，En，He。其中，Ex为期望值，En为熵，He为超熵，主要计算过程为：

先计算样本均值和方差：

(1)

(2)

式中xi为样本数据；n为样本数量。

再得到期望值、熵及超熵：

(3)

(4)

(5)

基于DEMATEL确立各风险因素之间因果关系和影响程度，构建评估矩阵。通过对评估矩阵的计算，评价明挖公路隧道协同施工安全风险耦合状态。

2.2 确定风险因素功效

耦合度模型能够直观、定量地表达出协同施工安全风险耦合评价体系内风险因素的强弱关系，其中通过功效函数来量化不同风险因素对导致事故(风险体系)的影响程度(综合作用水平)。功效函数模型为：

(6)

式中，Uij为明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合体系的功效系数(第i类因素的第j个因子)，即风险因子对施工安全的影响程度，其中正功效表示关注因素和安全风险正相关，其值越大对施工安全的影响越大；Exij为前述期望值；Aij和Bij为风险评估矩阵序参量的上、下限值。

基于得到的功效系数Uij，采用线性加权和法，可得各风险因素的功效Ui：

(7)

以此量化各风险因素对施工安全风险耦合系统的综合作用水平。

2.3 耦合度模型构建

将容量耦合模型引入明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合系统[17-18]，以耦合度来度量风险耦合(因素相互作用)的程度。基于前述得到的风险因素的功效Ui，构建明挖公路隧道与邻接地铁协同施工系统的耦合度模型：

Cm={(U1·U2…Um)/[∏(Ui+Uj)]}1/m，

(8)

式中，Cm为整个系统风险耦合的耦合度值；m为明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工系统风险耦合涉及的风险因素数。

依据耦合模型中耦合状态的划分原则，结合明挖公路隧道施工安全风险评价需求，将协同施工安全风险耦合评价等级划分为较低水平、中等水平和高等水平3个级别[10]。由式(9)可知，耦合度的值Cm∈[0,1]。当Cm=0时，表示风险耦合作用关系最弱；Cm=1时，表示风险耦合作用关系最强。具体来说，Cm∈[0,0.3]时风险耦合综合水平较低；Cm∈(0.3,0.7]时风险耦合水平中等；Cm∈(0.7,1]时风险耦合水平高。

3 实例分析

本研究以深圳市公常路明挖下穿公路隧道与邻接地铁6号线支线协同施工项目为例，该协同施工项目中公常路下穿隧道全长3.56 km，其中地下道路长2.6 km(封闭段2.22 km，敞开段0.425 km)。6号线支线项目包括中山大学站、武汉大学站2座地铁车站主体(开挖深度分别为20 m和18.5 m左右)及出入口和区间隧道，施工难度较大。本公路隧道距离中山大学站最小水平净距3 m，距离武汉大学站5 m，且2项工程同期施工。地铁武大站C出入口横下穿本公路隧道，地铁中大站出入口上跨本隧道，地铁盾构隧道与本项目隧道最小水平净距5 m。

该项目位于深圳市西北部的光明新区的公常路左幅，近东西向布置，为建(构)筑物密集地段。项目实施过程中就施工组织，尤其是相邻深基坑开挖等交叉施工，与地铁方进行了多次协调，达成了合理的解决方案，保障了施工安全。

3.1 权重计算

结合项目现场施工实际情况，构建风险因素判断矩阵，如1级指标5类风险因素间的风险判断矩阵为：

采用MCE软件中的AHP模块计算判断矩阵及权重数值，明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险指标体系权重计算结果如表2所示。

表2 协同施工系统风险指标权重Tab.2 Collaborative construction system risk indicator weights

3.2 风险指标值

根据上述建立的项目施工安全风险评价体系，基于DEMATEL-逆向云模型，对各风险因素的直接影响程度赋值，标定该协同项目施工安全风险指标值。数据来源于相关决策试验，通过确定风险指标的得分，利用云发生器计算指标的风险值。基于式(1)～式(5)，得到的云模型结果如表3所示，这里仅示出1级指标标定结果，其中Aij=1，Bij=0。

表3 一级指标云模型Tab.3 Cloud model of first level indicators

3.3 耦合度计算

结合指标权重及指标值，基于式(7)给出风险因素的功效。结合指标功效，基于式(8)，可得到该明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工不同风险耦合状态下的耦合度，这里仅从1级指标角度进行说明，具体结果如表4所示。C(F1,F2)为F1(同步施工因素)和F2(开挖因素)之间的风险耦合(因素相互作用)的程度，其他同理。

3.4 风险耦合分析

基于表4得到的风险耦合状态量化值，来综合评价明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工风险耦合状态：(1)风险耦合体系中双因素耦合均为中等强度耦合，F1(同步施工因素)和F2(开挖因素)之间的耦合度最大，为0.677，接近高强度耦合。(2)在双因素、三因素、四因素耦合中，均表现出当有F1(同步施工因素)参与的耦合时，耦合度均较大，这表明同步施工因素对明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工安全风险影响最为显著。施工中开挖、围护、降止水等技术方案的确定及施工现场管理均应注重考虑同步施工因素的影响，降低同步施工风险因素的耦合作用程度，保障施工安全。(3)F1-F2耦合度最大表明，对于明挖公路隧道全域邻接复杂交叉协同施工项目，邻接深基坑同步开挖风险耦合程度最为显著。其中跟进、先行等相互间施工关系、施工时机、施工区段的间距、基坑开挖方式和工序、土方回填等因素相互作用(影响)明显，相互间风险耦合显著。施工中应重点关注相邻深基坑同步施工及基坑开挖二者风险耦合作用，加强沟通协调，与地铁方对接施工组织情况，切实考虑与地铁交叉施工的影响，预判存在的问题。对深基坑开挖选取适宜的开挖工法，即综合考虑2类因素，寻求合理的解决方案。(4)基于耦合度模型的评价结果对因素序参量的依赖程度较高，得到合理的风险因素序参量(因素功效)取值较为关键，后续研究可结合相近工程对应风险因素导致的风险事件发生的概率统计分析来给出因素功效。

表4 明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工风险耦合度Tab.4 Risk coupling degree of collaborative construction of open cut highway tunnel and adjacent subway project

4 结论

(1)通过对施工过程中施工变形超限、支护体系破坏等主要风险事件特征及机理解析，从同步施工、开挖、围护结构、降水止水和项目管理5个方面建立了明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合评价指标体系，构建了耦合信息分析框架。引入耦合度模型，基于各因素权重、风险值及功效，构建了明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合综合评价模型，度量了风险耦合(因素相互作用)的程度。

(2)采用理论与应用相结合的方法，结合深圳公常路明挖公路隧道与邻接地铁6号线支线协同施工项目，进行了实例研究。基于得到的不同风险耦合状态下的耦合度量化值，综合评价了明挖公路隧道与邻接地铁工程协同施工风险耦合状态，结合项目现场情况验证了模型的可行性。

(3)明挖公路隧道与邻接地铁协同施工风险耦合体系中，同步施工因素参与耦合时，耦合度均较大，即同步施工因素对施工安全影响较大。同步施工因素和开挖因素二者耦合度最大，即邻接深基坑同步开挖风险耦合程度最为显著。施工中开挖、围护、降止水等技术方案的确定及施工现场管理均应注重考虑同步施工因素的影响，同时对于相邻深基坑同步开挖，应选取合理的施工组织与开挖工法，降低风险耦合作用，保障施工安全。