軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估

樊立強(qiáng)

(中煤邯鄲中原建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，河北邯鄲 056031)

1 概述

軟土是指廣泛分布于我國(guó)東南沿海及內(nèi)陸地區(qū)的一種淤泥質(zhì)軟粘土，主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土。在濱海、湖沼、谷地、河灘沉積等地區(qū)表現(xiàn)為天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土。軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)。在某些地區(qū)，顆?？紫侗壬踔量梢猿^2.0，同時(shí)，低透水性和高可壓縮性也是軟土的兩大特征。由于軟土具有的這些特征，使得在軟土分布地區(qū)進(jìn)行土壓盾構(gòu)掘進(jìn)施工存在著許多未知和模糊的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工程進(jìn)度造成了影響，研究不同地區(qū)軟土的性質(zhì)，并建立結(jié)合相關(guān)地質(zhì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型是在這一地區(qū)進(jìn)行施工時(shí)減少風(fēng)險(xiǎn)的必要措施。

盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)，即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)隧道施工法，是靠旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)刀盤，通過盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成型的隧道施工方法，在國(guó)內(nèi)外地下隧道施工中被廣泛的使用。這一方面是因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，尤其是能在軟土地區(qū)開展地下隧道掘進(jìn)施工，同時(shí)也是因?yàn)槎軜?gòu)開挖還是不可避免地會(huì)引起一些環(huán)境巖土問題，特別是地表沉降問題。所以自問世幾十年以來，其以高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用在水利交通采礦等領(lǐng)域。目前對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)展開的研究多集中在刀具、施工預(yù)測(cè)及施工技術(shù)等方面。在隧道方案選擇，特別是長(zhǎng)大隧道施工采用常規(guī)或是TBM法施工的選擇上，還是建立在一般的比較上，沒有完整的選擇方法。由于隧道工程往往涉及資金投入大、工期長(zhǎng)、相關(guān)因素多，所以對(duì)具體盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方案的選擇還需慎重［1］。

在軟土分布廣泛的地區(qū)進(jìn)行地下隧道施工，需要考慮多方面的問題。這其中既包括了設(shè)備和技術(shù)的問題，還包括對(duì)地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)和對(duì)施工可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)判斷是否準(zhǔn)確。一般來說，軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工對(duì)主客觀條件的要求很高，需要建立相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，以盡可能的減少施工風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文等客觀條件進(jìn)行分析，結(jié)合盾構(gòu)隧道施工的特點(diǎn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行量化表達(dá)，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后確定相關(guān)計(jì)算權(quán)重，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行比較確定。對(duì)可能出現(xiàn)模糊性和未知性的因素，還要通過風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)和評(píng)估模型進(jìn)行模擬計(jì)算，最后得出對(duì)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工有指導(dǎo)性意義的數(shù)據(jù)。

2 軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)分析

地下隧道交通是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，優(yōu)勢(shì)十分明顯:首先是節(jié)省土地，由于一般大都市的市區(qū)地皮價(jià)值高昂，將鐵路建于地底，可以節(jié)省地面空間，令地面地皮可以作其他用途;其次是減少噪聲，鐵路建于地底，可以減少地面的噪聲;再次，地下隧道交通還由于地鐵的行駛路線不與其他運(yùn)輸系統(tǒng)重疊、交叉，因此行車受到的交通干擾較少，可節(jié)省大量通勤時(shí)間。此外，在節(jié)約能源，應(yīng)對(duì)全球變暖的大背景下，地下隧道交通是最佳大眾交通運(yùn)輸工具。大規(guī)模的地下交通的使用方便了市民的生產(chǎn)生活，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步，但也正是由于地鐵交通的廣泛使用，在不同的地區(qū)修建地下隧道工程也就不可避免。在某些地質(zhì)特殊地區(qū)，地下隧道工程建設(shè)面臨的不僅是資金、設(shè)備和管理方面的問題，更多的還是需要克服客觀地質(zhì)條件而引起的技術(shù)問題。

軟土地區(qū)受其客觀地質(zhì)條件影響，進(jìn)行土壓實(shí)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工存在著管片拼裝風(fēng)險(xiǎn)、隧道注漿風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)械設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和地表沉降風(fēng)險(xiǎn)等。這其中，最主要的是地層變形或是地表沉降，以及盾構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)的設(shè)備問題，如涌土、進(jìn)水、掘進(jìn)路線出現(xiàn)偏差等。眾所周知，在外荷載作用下，軟土層土體容易產(chǎn)生沉降變形。這種沉降變形是土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工中的一個(gè)主要問題，也是危害最嚴(yán)重的問題。軟土的沉降可以分為固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降兩大類，在前一類中，包括了飽和以及接近飽和的土顆粒在外在作用力的壓力下，伴隨著超靜孔隙水壓力的消散，土骨架產(chǎn)生變形所造成的沉降。對(duì)于瞬時(shí)沉降來說，是指緊隨著加壓之后地基即時(shí)發(fā)生的沉降，地基土在外荷載作用下其體積還來不及發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為地基土的畸曲變形。除了軟土沉降之外，盾構(gòu)機(jī)本身的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視，盡管盾構(gòu)隧道技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了幾十年，但近些年來發(fā)生的事故也不少，其中部分就是由于盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)備故障或者是不適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境引起的。

通過對(duì)軟土地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行細(xì)致的勘探，同時(shí)結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的功效以及土壓盾構(gòu)隧道施工的特點(diǎn)建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式，毫無疑問能對(duì)隧道掘進(jìn)施工帶來莫大的幫助。

3 軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的應(yīng)用研究

軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立是以相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)函數(shù)為依據(jù)的，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的選定和收集可以確定相關(guān)評(píng)價(jià)集合，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際地質(zhì)情況對(duì)指標(biāo)權(quán)數(shù)進(jìn)行篩選，由風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)得出風(fēng)險(xiǎn)事件概率系數(shù)，通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果評(píng)價(jià)確定最終的掘進(jìn)方案。

1)基于模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的施工評(píng)估模型的建立。

首先是確定綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)集合。軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的確立是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要考慮方方面面的問題。如軟土的構(gòu)造問題，不同的地區(qū)軟土的特點(diǎn)各不相同，結(jié)合當(dāng)?shù)氐能浲恋刭|(zhì)特征才能得出準(zhǔn)確的地質(zhì)條件，成為評(píng)估指標(biāo)。又如盾構(gòu)機(jī)本身出現(xiàn)事故的概率問題，盾構(gòu)機(jī)在施工過程中有可能出現(xiàn)漏水、掘進(jìn)路線偏差等，這些因素也需要考慮。此外，遇到特殊的地質(zhì)構(gòu)造，造成盾構(gòu)正面阻力過大，或者是軟土特征性明顯，地表沉降可能性加大等都需要在評(píng)估指標(biāo)中予以考慮。一般來說，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和設(shè)備狀況，選擇最合理的評(píng)估指標(biāo)，建立評(píng)估集合。

其次是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重進(jìn)行分析。軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)集合確立后，還需要對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行層次劃分，一般的，我們可以采用層次分析法，即通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行比較，以一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的度進(jìn)行衡量，按重要性對(duì)其進(jìn)行排列。不同的地區(qū)有著不同的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)事件也各不相同，我們需要確認(rèn)的是，哪些風(fēng)險(xiǎn)事件是比較重要的，能對(duì)工程產(chǎn)生重要影響的，而哪些是不重要的，或者說產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)的［2］。

再次是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的概率進(jìn)行測(cè)算。在確立了軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)事件的排序后，接下來的工作就是要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的概率也即隸屬度進(jìn)行測(cè)算。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件隸屬度的測(cè)算需要借鑒相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)得出每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的概率，為最后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。這里需要注意的是，風(fēng)險(xiǎn)事件有輕重之分，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件隸屬度的確定也需要結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重考慮，對(duì)于那些影響重大的風(fēng)險(xiǎn)事件，即使其概率相對(duì)較小，但也不能忽視，要做好充分的準(zhǔn)備，防止出現(xiàn)無法挽回的損失。

最后是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的影響后果進(jìn)行評(píng)估。在前面的環(huán)節(jié)中我們已經(jīng)提到了風(fēng)險(xiǎn)事件可能產(chǎn)生的后果與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估權(quán)數(shù)的關(guān)系，在建立軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型時(shí)還包括了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件影響后果的評(píng)估。這里所說的影響后果，是指風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)整體工程進(jìn)度或者是施工所產(chǎn)生的影響，這種影響因不同的風(fēng)險(xiǎn)事件而不同。有些事件的影響是具有決定性的，比如軟土沉降，其直接后果就是塌方，對(duì)隧道施工的影響不可謂不重。我們?cè)谶@里要根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件的概率和權(quán)數(shù)的不同風(fēng)險(xiǎn)事件的影響后果進(jìn)行分級(jí)，一般的可以分為:“極低風(fēng)險(xiǎn)”“低風(fēng)險(xiǎn)”“中等風(fēng)險(xiǎn)”“高風(fēng)險(xiǎn)”“極高風(fēng)險(xiǎn)”5個(gè)等級(jí)。

2)模糊綜合評(píng)判。

在軟土地區(qū)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估體系建立以后，還需要對(duì)模型的結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。通過模型的數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)了解了這一地區(qū)的大致地質(zhì)條件和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)事件分布，而模糊綜合評(píng)判的工作就是對(duì)土壓盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的整個(gè)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得出科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)之后，提供給施工人員。這里面需要注意的是，模糊因子可能是不完全的，也就是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的認(rèn)知是有限的，所以得出的結(jié)論也是有限的，但風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估模型給出的掘進(jìn)施工總體風(fēng)險(xiǎn)水平依然是可信的。

［1］ 王占生，王夢(mèng)恕.盾構(gòu)施工對(duì)周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，12(2)：135-137.

［2］ 方述誠(chéng)，汪定偉.模糊數(shù)學(xué)與模糊優(yōu)化［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.