超大直徑盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險管理分析

吳璇穎

（上海市市政工程建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200025）

0 前言

目前，穿越江河等軟土地層采用的施工方法通常有沉管法與盾構(gòu)法等[1、2]，而對于流速大、跨越距離長的隧道工程，盾構(gòu)法以其明顯的技術(shù)、經(jīng)濟、安全、環(huán)保等優(yōu)勢已成為首選的施工工法。隨著各國交通的快速發(fā)展，建設(shè)各種跨海越江工程的超大直徑、超長距離、超深埋深和超高水壓作用的隧道越來越多，這對盾構(gòu)隧道施工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，因此，如何在大力提高盾構(gòu)設(shè)備可靠性能的同時，進一步降低隧道工程施工風(fēng)險，是隧道工程研究與技術(shù)人員面臨的重大課題。本文對盾構(gòu)隧道工程主要施工風(fēng)險因素進行了分析，討論了風(fēng)險分析的方法和意義，并結(jié)合上海上中路隧道工程對超大直徑盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險管理的程序進行了探討。

1 盾構(gòu)隧道工程主要風(fēng)險因素

1.1 工程水文地質(zhì)條件

工程水文地質(zhì)條件是隧道設(shè)計和施工的基礎(chǔ)資料，大量工程地質(zhì)勘察和試驗表明，地下土體的水文地質(zhì)條件具有很多不確定性[3]，這些復(fù)雜因素的存在給隧道及地下工程建設(shè)帶來巨大的風(fēng)險。這些風(fēng)險因素主要包括：（1）地質(zhì)條件：地層空間及巖土介質(zhì)的隨機性、流動性、變形，以及各種不良地質(zhì)情況等（如：有害氣體、孔洞、暗浜等）；（2）水文資料：巖土的滲透性、含水量、流向與流速，水位、水壓和水的沖刷力、承壓水，水的腐蝕性，水的補給來源等；（3）地層中的其它障礙物：建筑或其它構(gòu)筑物基礎(chǔ)，各種管線設(shè)施，廢棄構(gòu)筑物，其它孤立物等。

1.2 施工技術(shù)、設(shè)備和人員條件

施工技術(shù)、設(shè)備和操作的不確定是工程風(fēng)險發(fā)生的導(dǎo)火索，即風(fēng)險致險因子。在盾構(gòu)隧道建設(shè)中，施工隊伍、機械設(shè)備、施工操作技術(shù)水平等因素對工程是否發(fā)生風(fēng)險有直接的影響。由于隧道施工技術(shù)方案與工藝復(fù)雜，并且不同的工法又有不同的適用條件，很容易地導(dǎo)致設(shè)備類型與水文、地質(zhì)和邊界條件不匹配，機械設(shè)備發(fā)生停機、故障或失效等風(fēng)險。同時，由于施工技術(shù)錯誤或設(shè)備操作失誤，也勢必會導(dǎo)致工程施工風(fēng)險的發(fā)生。而且，隧道工程的建設(shè)周期長、施工環(huán)境條件惡劣，施工人員很容易產(chǎn)生心理影響發(fā)生人為操控失誤，這進一步加劇了各種風(fēng)險事故的發(fā)生。

1.3 工程周邊環(huán)境條件

工程周圍環(huán)境條件主要包括周圍建筑物、已有隧道、地下管線和道路等。隧道工程所建區(qū)域周圍的地面和地下環(huán)境設(shè)施一般都比較復(fù)雜，尤其是在城市繁華地帶建設(shè)大型隧道。工程周邊環(huán)境條件中潛在的復(fù)雜性主要有：（1）地面構(gòu)筑物的使用年限、結(jié)構(gòu)類型（框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)）、基礎(chǔ)類型（條形基礎(chǔ)、樁基等）和文物價值；（2）構(gòu)筑物與隧道之間的空間位置關(guān)系；（3）鄰近已有的隧道工程運營保護狀況；（4）周邊道路及管線的類別、年限、材料及施工方法；（5）周圍生態(tài)環(huán)境狀況和社會群體等。由于隧道的建設(shè)過程中，無論采用何種工法或工藝都不可避免地會對周圍構(gòu)筑物和人群造成直接或間接的影響或破壞，因而，工程施工中可能引發(fā)周邊環(huán)境影響風(fēng)險很大。

綜合以上分析，隧道工程中存在大量不確定性因素，由于工程致險因子的活動（包括施工操作和外界環(huán)境影響），激發(fā)了工程孕險環(huán)境潛在的風(fēng)險因素或破壞了孕險環(huán)境的原狀極限平衡，從而導(dǎo)致了工程風(fēng)險的發(fā)生，引起各承險體發(fā)生不同程度的破壞，并最終直接導(dǎo)致工程發(fā)生各類風(fēng)險損失（經(jīng)濟損失、人員傷亡等）。

2 盾構(gòu)隧道風(fēng)險管理的應(yīng)用和意義

2.1 隧道工程風(fēng)險管理方法分析

隧道工程建設(shè)的風(fēng)險管理與控制研究的最終目的是為各級工程決策者提供決策依據(jù)。為此，就必然要研究和開發(fā)科學(xué)的風(fēng)險評估與決策系統(tǒng)，對工程建設(shè)中的不確定因素（孕險環(huán)境）進行全面的分析，將不可預(yù)見的風(fēng)險因素（致險因子）轉(zhuǎn)化為定量指標，通過計算風(fēng)險效益來選擇風(fēng)險控制措施降低各種風(fēng)險（包括工期風(fēng)險、費用風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險），達到工程建設(shè)的安全、經(jīng)濟、高效的管理目標，幫助業(yè)主及有關(guān)部門完成最終的決策。

在一般意義上，風(fēng)險通常有兩種含義，一種是可能的損失或危險，另一種是沒有獲得預(yù)期的收益。在工程上，上述的兩種風(fēng)險客觀上也是存在的，人們更注重工程項目的順利實現(xiàn)并達到一定的質(zhì)量要求。因此，工程風(fēng)險分析通常更注重可能的工程災(zāi)害以及由此帶來的損失，也就是純風(fēng)險，工程上普遍接受的風(fēng)險定義就是將風(fēng)險表示成風(fēng)險事件的發(fā)生概率與發(fā)生后果的函數(shù)：

式中：P——事件發(fā)生的概率；

C——事件發(fā)生的后果。

一般風(fēng)險分析的步驟可分為：風(fēng)險辯識、風(fēng)險估計、風(fēng)險評價與風(fēng)險決策。在盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險分析中，同樣也有這四個步驟。但是，由于盾構(gòu)隧道工程建設(shè)是一項龐大的系統(tǒng)工程，風(fēng)險因素的涉及面廣，因此，在工程風(fēng)險分析上，通常要分階段按目標進行分析。一般可將隧道工程風(fēng)險分析分成總體風(fēng)險分析、施工期風(fēng)險分析和運營期風(fēng)險分析，本文主要對盾構(gòu)隧道施工期風(fēng)險進行分析。

2.2 隧道工程風(fēng)險管理的意義

隨著隧道工程向大直徑、長距離、深埋深和高水壓作用施工發(fā)展，隧道工程風(fēng)險分析問題研究已引起了工程界的廣泛重視。針對不同的參與對象，在隧道工程建設(shè)中進行風(fēng)險管理與控制研究具有以下作用：

（1）從決策者的角度來說，其研究價值可以體現(xiàn)為決策者的決策信心增強，對工程進展情況的宏觀控制與掌握及對資金流向的有效管理等方面，進一步提高決策者的科學(xué)決策能力，保障工程順利進行。

（2）從施工企業(yè)的角度，其價值體現(xiàn)在企業(yè)通過研究和處置風(fēng)險，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，跟蹤風(fēng)險狀態(tài)，實行動態(tài)風(fēng)險管理等措施來加強自身對施工風(fēng)險的控制力度，進一步快速改進和完善本企業(yè)自身的風(fēng)險防范能力和公理水平，適應(yīng)我國建筑市場國際化、法制化和規(guī)范化的工程建設(shè)需求，提高企業(yè)的工程信譽和國際競爭力。

（3）從工程建設(shè)的角度來說，其價值體現(xiàn)在可以逐步地實現(xiàn)“工程精算”，即所有的風(fēng)險子項均由其費用損失來表示，從而有效地管理和控制施工建設(shè)方案與決策，確保工程建設(shè)的施工工期和建筑質(zhì)量。

（4）從工程建設(shè)的周圍環(huán)境來說，其價值體現(xiàn)在可以有效地減少和避免各種環(huán)境影響，降低周圍環(huán)境的損失，使隧道工程的建設(shè)與自然和社會環(huán)境的發(fā)展相協(xié)調(diào)，保證國家的可持續(xù)發(fā)展。

3 上中路隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險管理分析

上海市上中路隧道工程起點為上中路-龍川路交叉口東側(cè)，與中環(huán)線南段上中路銜接；終點為浦東規(guī)劃華夏西路-公園大道交叉口西側(cè)，與中環(huán)線南段華夏西路銜接；工程全長2.8 km，隧道外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m。隧道施工采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)的外徑為14.87 m，為超大直徑泥水平衡盾構(gòu)設(shè)備，施工難度大。為了有效地控制和管理在施工過程中可能遇到的各種突發(fā)事故而造成的人員傷亡或財產(chǎn)損失等問題，上中路隧道建設(shè)方成立了風(fēng)險分析小組，對整個工程進行全方位的風(fēng)險管理，即“全壽命動態(tài)風(fēng)險管理”，探索超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工風(fēng)險管理的方法。

3.1 上中路隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險因素

結(jié)合國內(nèi)外大型水底隧道的施工經(jīng)驗，分析上中路隧道工程中超大直徑泥水盾構(gòu)施工中可能發(fā)生的風(fēng)險事故，其中潛在的主要風(fēng)險因素有：

（1）水文地質(zhì)條件：在江中可能會遇到沼氣、障礙物等，包括穿越地層的變異，都可能會對盾構(gòu)工作面的穩(wěn)定性造成影響；

（2）盾構(gòu)設(shè)備因素：該臺盾構(gòu)是二手盾構(gòu)，設(shè)備故障可能是推進過程中最可能碰到的問題；

（3）泥水材料、配比和泥水壓力設(shè)定；

（4）隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量、運輸和拼裝；

（5）輔助施工工法：進出洞區(qū)的土體加固采用冰凍法，如果效果不佳，會發(fā)生滲漏水問題，甚至影響基坑的穩(wěn)定；

（6）人為決策失誤或施工操作不當；

（7）其它因素或外界環(huán)境的影響。

上述因素中，可能導(dǎo)致工程施工發(fā)生風(fēng)險的最關(guān)鍵的客觀因素是水文地質(zhì)條件問題。由于該項因素的潛在風(fēng)險巨大，大量工程施工發(fā)生的重大風(fēng)險都與工程的地質(zhì)、水文條件有關(guān)。而且，一旦施工中出現(xiàn)不良地質(zhì)條件，如遇到流沙、突涌水或有害氣體等，同時，主觀上又出現(xiàn)施工方案決策失誤或人為操作不當，這必將導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

3.2 盾構(gòu)施工風(fēng)險管理程序應(yīng)用

3.2.1 風(fēng)險分析的啟動程序

針對各種盾構(gòu)施工風(fēng)險因素，在每一個單位工程開工前一個半月啟動該項工程的風(fēng)險分析及管理程序。根據(jù)相互關(guān)聯(lián)或時間關(guān)系，多項工程可同時進行分析。單位工程風(fēng)險分析程序如圖1所示。

3.2.2 事故的初步分析

圖1 單位工程風(fēng)險分析流程圖

施工方負責(zé)對該分項工程中的產(chǎn)生經(jīng)濟損失的風(fēng)險事故及其發(fā)生工況、產(chǎn)生原因進行詳細識別，然后分送設(shè)計院、監(jiān)理、建設(shè)方修改補充。程序如圖2所示。

圖2 分項工程經(jīng)濟損失事故的分析流程圖

監(jiān)理方負責(zé)對該分項工程中的產(chǎn)生人員傷亡的風(fēng)險事故及其發(fā)生工況、產(chǎn)生原因進行詳細識別，然后分送設(shè)計院、施工方、建設(shè)方修改補充。程序如圖3所示。

3.2.3 事故調(diào)研和處置方案討論

圖3 分項工程人員傷亡事故的分析流程圖

施工方及監(jiān)理方根據(jù)確定的風(fēng)險事故制定調(diào)研表格，然后分別組織進行調(diào)研，調(diào)研數(shù)量15～20份，調(diào)研對象為設(shè)計院、施工方、監(jiān)理方、建設(shè)方。施工方及監(jiān)理方將調(diào)研表及調(diào)研數(shù)據(jù)送交建設(shè)方，由建設(shè)方組織的風(fēng)險分析小組進行數(shù)據(jù)處理和分析。程序見圖4所示。

在風(fēng)險分析小組分析基礎(chǔ)上，召開會議討論確定需要進行采取措施和需要提出處置預(yù)案的風(fēng)險事故，并進行初步討論。施工方及監(jiān)理方在會議討論的基礎(chǔ)上，分別對需要進行風(fēng)險控制的風(fēng)險事故提出幾項可行的預(yù)防措施，并初步分析，計算資金投入，由建設(shè)方組合進行調(diào)研，調(diào)研數(shù)量不少于10份，調(diào)研結(jié)果由建設(shè)方風(fēng)險分析小組負責(zé)分析。程序見圖5所示。

3.2.4 處置方案的確定

對風(fēng)險控制措施、風(fēng)險預(yù)案進行討論修改，根據(jù)分析結(jié)果進行協(xié)商，確定相應(yīng)的工程措施，形成“一說明三處理”表格（即風(fēng)險說明、預(yù)防處理、征兆處理、事后處理）。程序見圖6所示。

3.2.5 處置過程的監(jiān)管和完善

施工過程中由監(jiān)理監(jiān)督實施，并如實記錄所發(fā)生的施工問題或事故。 在施工過程中，加強施工監(jiān)測的管理力度，一旦內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題，由監(jiān)理單位上報風(fēng)險分析小組進行技術(shù)分析，以確定進一步的施工方案。程序見圖7所示。

圖4 風(fēng)險事故調(diào)研流程圖

圖5 處置方案討論流程圖

圖6 處置方案確定流程圖

圖7 處置過程監(jiān)督流程圖

結(jié)果表明：以上上中路盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險管理程序在工程實施過程中得到了較好的應(yīng)用，對盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的事故風(fēng)險起到了預(yù)控作用，并及時進行了處置。

4 結(jié)語

（1）分析了隧道工程中可能導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素，認為隧道工程中存在大量不確定性因素。

（2）盾構(gòu)隧道風(fēng)險管理分析的步驟分為：風(fēng)險辯識、風(fēng)險估計、風(fēng)險評價與風(fēng)險決策；并且通常要分階段按目標進行分析。

（3）結(jié)合上中路隧道工程，對超大直徑盾構(gòu)隧道施工中潛在的主要風(fēng)險因素及風(fēng)險管理程序應(yīng)用進行了介紹；認為水文地質(zhì)條件問題是超大直徑盾構(gòu)隧道工程施工發(fā)生風(fēng)險的最關(guān)鍵的客觀因素。

（4）建議盡快建立一個行業(yè)普遍認可和適用的超大直徑盾構(gòu)隧道風(fēng)險分析與評估體系。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]張鳳祥，朱合華.盾構(gòu)隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]Christoph Hass and Herbert H.Eistein(2002),Updating the decision aids for tunneling[J],Journal of Construction Engineering and Management,Vol.128(1):40-48,2002.

[4]H.Ohstu,Y.Ohnishi.A study on estimation of construction cost variation of underground construction projects caused by geo-technical risk factors[J],Proceedings of The ISRM International Symposium 3rd ARMS,2004 Mill press,Rotterdam,ISBN905966020X:267-272.