城市地鐵隧道全壽命周期工程風(fēng)險(xiǎn)分析

龔文平 王明遠(yuǎn)

城市地鐵隧道工程建設(shè)項(xiàng)目是一項(xiàng)投資大、工期長(zhǎng)、專業(yè)多、涉及面廣的復(fù)雜性系統(tǒng)工程。目前，在項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間，存在諸多不確定因素以及不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)，使得地鐵建設(shè)與地鐵運(yùn)營(yíng)在安全性方面面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)。如何對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行完善和系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理，準(zhǔn)確預(yù)見可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)和災(zāi)害，從而采取有效的預(yù)防和控制措施，必要時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急方案，處理各種工程風(fēng)險(xiǎn)所造成的不利后果，使項(xiàng)目以最小的成本獲得最大的回報(bào)［1］，已經(jīng)成為城市地鐵建設(shè)中最為緊要的問題。

1 城市地鐵隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析

工程風(fēng)險(xiǎn)一般由系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)的損失程度與系統(tǒng)發(fā)生事故的概率兩方面控制，其中系統(tǒng)的損失主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)費(fèi)用損失、工程進(jìn)度損失、工程質(zhì)量損失、公司公眾形象損失、工程環(huán)境損失等多方面。城市地鐵隧道工程風(fēng)險(xiǎn)存在一系列特點(diǎn):1)需要一定的專業(yè)知識(shí)與專業(yè)經(jīng)驗(yàn)才能高效地識(shí)別、評(píng)估、解決工程中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn);2)城市地鐵隧道工程周期長(zhǎng)、工程線路長(zhǎng)、工程穿越地層環(huán)境多變等因素使得工程風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于一般土木工程;3)城市地鐵隧道工程量大、工程涉及面廣、工程線路長(zhǎng)、社會(huì)資源投資大等因素使得工程一旦發(fā)生工程風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)產(chǎn)生多方面的不利影響。由于城市地鐵隧道工程風(fēng)險(xiǎn)具有以上特點(diǎn)，使得工程從業(yè)人員對(duì)于工程的風(fēng)險(xiǎn)管理不敢掉以輕心，必須嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待。城市地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)可能出現(xiàn)在工程的各個(gè)生命環(huán)節(jié)，因此對(duì)于城市地鐵工程的風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)該本著全壽命周期概念，對(duì)工程的各個(gè)生命環(huán)節(jié)進(jìn)行高效的風(fēng)險(xiǎn)管理控制。根據(jù)以往的地鐵隧道工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在工程建設(shè)期間以及地鐵運(yùn)營(yíng)期間最易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故，因此本文主要從這兩個(gè)階段對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2 城市地鐵隧道工程建設(shè)階段風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

目前，在城市地鐵隧道工程建設(shè)方面主要存在理論研究以及工程經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足等問題。理論研究不足主要體現(xiàn)在:土體的本構(gòu)關(guān)系不成熟、地層與結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型研究不成熟;工程經(jīng)驗(yàn)不足主要體現(xiàn)在:地下工程結(jié)構(gòu)的地區(qū)性特點(diǎn)使得不同地區(qū)的地層特性和力學(xué)模型相差巨大，不同地區(qū)之間的工程經(jīng)驗(yàn)很難相互參考驗(yàn)證、缺乏對(duì)早期地下工程數(shù)據(jù)收集。理論研究以及工程經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致目前地鐵隧道開發(fā)、建設(shè)仍然是一項(xiàng)充滿不確定性的高風(fēng)險(xiǎn)事業(yè)。根據(jù)慕尼黑保險(xiǎn)公司的統(tǒng)計(jì)資料顯示，1994年以來世界主要地鐵隧道在施工過程中塌方事故造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上億美元［2］。城市地鐵隧道無論是在軟土地區(qū)盾構(gòu)法施工還是巖石地區(qū)采礦山法施工，在隧道進(jìn)出洞以及相鄰隧道橫通道施工期間都可能出現(xiàn)較大的工程風(fēng)險(xiǎn)。2003年7月，上海地鐵M4線越江隧道的聯(lián)絡(luò)通道施工失敗，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億元［3］。

2.1 城市地鐵隧道進(jìn)出洞施工工程風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

城市地鐵隧道建設(shè)是一項(xiàng)涉及面廣、線路長(zhǎng)的大型系統(tǒng)性工程，工程風(fēng)險(xiǎn)不僅局限于城市地鐵隧道自身，還可能涉及到對(duì)周圍環(huán)境造成的影響。盾構(gòu)法施工中，由于城市地鐵隧道工作井在軟土地區(qū)普遍采用較厚的地下連續(xù)墻施作，而盾構(gòu)機(jī)刀盤不足以切削堅(jiān)硬的鋼筋混凝土墻體。因此，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞時(shí)，一般對(duì)工作井后的土體采用水泥土攪拌樁、旋噴樁等進(jìn)行加固、止水處理后，由人工或者機(jī)械鑿出盾構(gòu)機(jī)大小的圓形孔洞，然后利用盾構(gòu)機(jī)切削加固土體進(jìn)行進(jìn)出洞操作。由于工作井后的土體加固、止水效果難以有效控制，使盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出洞時(shí)存在較高風(fēng)險(xiǎn)，極易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)械故障、工作井漏泥漏水，輕則造成地面沉降，重則造成工作井坍塌、周圍環(huán)境大規(guī)模沉降，出現(xiàn)重大工程風(fēng)險(xiǎn)損失。礦山法施工中，城市地鐵隧道口部由于各種原因巖石一般會(huì)發(fā)生風(fēng)化，造成巖石強(qiáng)度降低，使隧道口部施工存在重大風(fēng)險(xiǎn)，此階段施工如果不采取一定的工程保護(hù)措施極易出現(xiàn)洞口坍塌、洞墻大變形等工程事故，造成重大風(fēng)險(xiǎn)損失。

2.2 城市地鐵隧道橫通道施工工程風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

除隧道進(jìn)出洞施工外，地鐵隧道施工最大風(fēng)險(xiǎn)可能存在于區(qū)間隧道橫通道施工過程中。橫通道施工破壞了隧道與土體原有的力學(xué)作用體系，使得隧道結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)不利的偏壓受力狀態(tài)，極易造成隧道結(jié)構(gòu)破壞。盾構(gòu)法施工中，橫通道施工一般是在區(qū)間隧道主體施工結(jié)束后，在橫通道處采用凍結(jié)法、管棚法等施工。由于盾構(gòu)隧道多位于軟土地區(qū)，地下水位較高，致使管棚法施工成本較高且安全性能不足，加之管棚法施工受到隧道空間限制，目前管棚法施工逐漸被凍結(jié)法取代。上海長(zhǎng)江隧道雙管之間8條連接通道的施工中，采用了人工凍結(jié)法作為臨時(shí)的土體加固措施，施工過程中采用以鹽水凍結(jié)的人工地層凍結(jié)法作為臨時(shí)土體加固［4］。然而，凍結(jié)法施工中依然存在不少風(fēng)險(xiǎn)因子:土體的凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)溫度、凍結(jié)管網(wǎng)布設(shè)方式、土體解凍等一系列因素，使得橫通道施工比區(qū)間隧道的施工變得更具有風(fēng)險(xiǎn)性。礦山法施工中，橫通道一般仍然采用礦山法進(jìn)行施工，其施工過程主要破壞了原有隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)封閉性，因此容易出現(xiàn)一系列工程風(fēng)險(xiǎn)問題，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，需要引起足夠的重視。

2.3 城市地鐵隧道區(qū)間隧道施工工程風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

城市地鐵隧道縱向穿越的巖土層地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境存在諸多不確定性，因此，區(qū)間隧道施工時(shí)依然可能存在較大風(fēng)險(xiǎn)因子，需要引起重視。

盾構(gòu)法施工中，區(qū)間隧道穿越地層變異等原因使盾構(gòu)機(jī)在區(qū)間隧道推進(jìn)過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn):如盾構(gòu)機(jī)頻繁穿越變異土層需要及時(shí)進(jìn)行施工參數(shù)調(diào)整，否則極易造成盾構(gòu)刀盤磨損破壞、盾構(gòu)掉頭、盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎等一系列問題;城市地鐵隧道線路較長(zhǎng)，隧道周邊環(huán)境復(fù)雜多變，如區(qū)間隧道需要穿越已建運(yùn)營(yíng)隧道(上海軌道交通7號(hào)線需要斜穿越1號(hào)線下面［5］)、區(qū)間隧道需要穿越重要保護(hù)性建筑等，這些區(qū)段隧道推進(jìn)都極易造成原有工程環(huán)境破壞，如果不制定與實(shí)施相應(yīng)保護(hù)措施，極易造成區(qū)間隧道周圍環(huán)境破壞，出現(xiàn)重大工程事故;同時(shí)，當(dāng)區(qū)間隧道上覆土層較薄時(shí)，也需要制定與實(shí)施相應(yīng)保護(hù)措施，合理地控制盾尾注漿壓力，否則極易造成上覆土層以及地面環(huán)境等破壞(隆起或者沉降)。

礦山法施工中，由于施工地質(zhì)條件不同，礦山法施工存在一系列不同于軟土盾構(gòu)法施工的工程風(fēng)險(xiǎn)因子。礦山法城市地鐵隧道往往需要穿越不同巖層、巖層斷層破碎裂隙帶、巖層風(fēng)化帶等，其都存在較高的施工風(fēng)險(xiǎn)，這些高危區(qū)段施工時(shí)，需要制定與實(shí)施相應(yīng)保護(hù)措施，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程安全;同時(shí)，礦山法施工普遍存在施工環(huán)境惡劣、空氣質(zhì)量差等問題，極易對(duì)從業(yè)人員造成一定身體傷害，這些風(fēng)險(xiǎn)因子需要引起工程人員的注意，制定一定工程保護(hù)性措施，以確保施工人員生命安全。

3 城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)

3.1 城市地鐵隧道周邊環(huán)境變化

城市地鐵隧道設(shè)計(jì)使用周期長(zhǎng)(一般為100年)，由于社會(huì)認(rèn)識(shí)水平制約，城市地鐵隧道在規(guī)劃、設(shè)計(jì)中很難將若干年后城市隧道周邊環(huán)境完全變化考慮進(jìn)去。在隧道的后期運(yùn)營(yíng)中，周邊環(huán)境發(fā)生了巨大變化，同時(shí)地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境也產(chǎn)生了一定影響等，這些環(huán)境變化都極大地改善了原隧道結(jié)構(gòu)的受力模型，使隧道結(jié)構(gòu)可能存在比設(shè)計(jì)時(shí)更為不利的荷載工況作用。這些不利因素作用極易造成城市地鐵隧道的過量變形(沉降、隆起、收斂變形等)以及破壞。由于地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)要求以及工程的隱蔽性特點(diǎn)，這些變化很難再及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行修復(fù)，從而可能導(dǎo)致一系列的工程風(fēng)險(xiǎn)事故。

3.2 城市地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)材料性能變化

城市地鐵隧道設(shè)計(jì)使用周期長(zhǎng)，鋼筋混凝土管片(襯砌)一般可以保證長(zhǎng)期使用要求，但是地鐵隧道防排水材料的質(zhì)量卻并不能保證長(zhǎng)期使用要求，因此地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)期間將會(huì)出現(xiàn):結(jié)構(gòu)不能較好的防水防泥，出現(xiàn)各種各樣的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量問題。隧道結(jié)構(gòu)不能有效地防水將造成隧道上方地層地下水位下降，誘發(fā)一系列環(huán)境保護(hù)問題;隧道結(jié)構(gòu)不能有效地防泥，造成隧道結(jié)構(gòu)周圍土層流失，改變隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，導(dǎo)致一系列的隧道病害。

城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)承受列車作用的反復(fù)動(dòng)荷載作用，容易造成隧道結(jié)構(gòu)以及接頭損傷積累以及疲勞破壞等問題。而目前針對(duì)該方面的理論研究較少，致使很難及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、識(shí)別、處理城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)期間可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)期間消防安全

城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)期間，由于地鐵隧道工程大部分埋設(shè)在地下，與地面出入口僅局限于地鐵車站，使地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)期間存在重大消防隱患。由于地鐵在地下空間運(yùn)行、環(huán)境相對(duì)封閉、人員聚集密集，通風(fēng)和疏散受到極大限制等，一旦發(fā)生意外事故，地下空間的人員以及財(cái)產(chǎn)很難及時(shí)轉(zhuǎn)移，從而容易造成巨大傷亡損失［3］。

4 結(jié)語

針對(duì)目前大規(guī)模修建的城市地鐵隧道存在眾多風(fēng)險(xiǎn)因子以及安全隱患，有必要對(duì)城市地鐵隧道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程建立全壽命周期的風(fēng)險(xiǎn)管理體系以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)，針對(duì)項(xiàng)目不同階段不同工程需求進(jìn)行工程參數(shù)信息化收集、管理、分析、處理，確定項(xiàng)目在各階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因素以及安全隱患，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)處理方案，及時(shí)識(shí)別、處理城市地鐵隧道在全壽命周期中可能存在的各種風(fēng)險(xiǎn)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，并通過對(duì)這些工程資料的收集整理為以后的科學(xué)研究以及工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保城市地鐵隧道建設(shè)的百年大計(jì)。

［1］ 張禮杰，張家春.風(fēng)險(xiǎn)管理在地鐵隧道工程中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2006，28(3):31-32.

［2］ 路美麗，劉維寧，羅富榮，等.隧道與地下工程風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)展［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006(5):462-469.

［3］ 陳桂香，黃宏偉，尤建新.對(duì)地鐵項(xiàng)目全壽命周期風(fēng)險(xiǎn)管理的研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(2):47-51.

［4］ 凌宇峰，王吉云.人工地層凍結(jié)技術(shù)在上海長(zhǎng)江隧道工程的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，2(6):184-188.

［5］ 周學(xué)領(lǐng)，王益群.軟土地層盾構(gòu)超近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的風(fēng)險(xiǎn)與施工控制［J］.上海建設(shè)科技，2008(1):45-48.