水下隧道盾構法施工安全風險評估探討

盧 浩，施燁輝，戎曉力

（中國人民解放軍理工大學國防工程學院，南京 210007）

1 前言

隨著城市地鐵隧道、越江跨海交通隧道、水利水電隧道、市政公用隧道的陸續(xù)建設和發(fā)展，隧道不時需要從江、河底下穿越，以滿足地下交通線路走向的需要[1，2]。21世紀以來，多個越江越河隧道工程相繼動工，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前我國列入計劃的僅長江流域的地鐵、公路等水下隧道就達20條以上。隨著盾構技術日益完善，盾構在世界隧道建設特別是水底隧道施工中已經(jīng)占據(jù)了主要的地位，并在歐、美、日等國家隧道得到了廣泛應用[3]。面對穿越江河地區(qū)軟土土層的隧道工程，盾構法以其機械化程度高、掘進速度快、周圍環(huán)境影響小、施工安全等優(yōu)勢，成為地下隧道建設的首選施工方法[4]。

然而即使采用機械化程度比較高的盾構法施工，水下隧道依然存在很多安全隱患。由于水下隧道存在地下水豐富、水底地質(zhì)條件復雜以及地質(zhì)勘察的局限性等特點，難以掌握水底土層條件，比如隧道埋深的變化，由于河流、江水的沖擊作用，水底受到不斷的沖刷，就會造成埋深不斷變化，采用泥水盾構法施工時就會給泥水壓力的設定增加難度。另外，由于盾構機水下施工時客觀條件的限制，倘若設備出現(xiàn)嚴重問題，將難以像在地面一樣進行相應的處理，使得過江施工與平常施工面對的風險和遇到的問題均有所不同。

近年來，國內(nèi)很多學者針對水下隧道施工安全風險大的特點，做了很多風險評估的工作[5～10]，對于推動水下隧道施工安全管理起到了很大的作用，然而這些風險評估大都局限于定性的風險評估，即對于識別出來的風險采用專家調(diào)查法等方法進行風險可能性及后果等級的判定，這種方法難以體現(xiàn)風險的各個因素（或指標）在對于風險大小改變的作用。本文從水下隧道的特點出發(fā)，研究這些特點對于風險大小的影響機理，結合工程實際，提出一種操作性強的風險評估方法，并對水下隧道施工過程的動態(tài)控制提出合理的建議。

2 水下隧道施工的特點

2.1 隧道斷面大

由于水下隧道聯(lián)絡通道施工風險大，設計大都選擇單圓雙線，采用大直徑盾構（直徑大于10 m）施工，比如武漢長江越江隧道工程盾構直徑11.5 m，上海長江口崇明越江隧道直徑15.43 m，南京緯七路過江隧道盾構直徑15.4 m，南京地鐵3號線過江段盾構直徑11.64 m，這些隧道采用盾構機的直徑大于10 m。大直徑盾構機施工中會帶來一系列的問題。

1）刀盤上下面的高差大，開挖面可能穿越多種土層，由于不同土層的物理力學參數(shù)等性質(zhì)各不相同，導致刀盤切削土層軟硬不均，使盾構開挖面的泥水壓力、扭矩、千斤頂推力等參數(shù)控制困難大，且對施工中盾構的操作和姿態(tài)控制難度更大。

2）開挖面極限支護應力比增大，加大開挖面失穩(wěn)的可能性。

圖1為在一定的土體參數(shù)、地下水水位、埋深的情況下，開挖面極限支護應力比隨隧道直徑改變而變化的曲線圖。由圖1可見，隨著直徑的增大，開挖面極限應力支護比不斷增加，對泥水壓力的控制要求也越高，在相同的技術水平下，開挖面失穩(wěn)的可能性也會增大。

圖1 極限支護應力比隨隧道直徑改變的變化圖Fig.1 Change curve of limit support stress ratio with the tunnel diameter

3）增大地表沉降的可能性。地表沉降預測常用peck公式

式（1）中，Vi為土體損失，不考慮超挖的情況下，土體損失主要考慮是盾構機與管片之間的孔隙，由下面公式可得

式（2）中，D為盾構機直徑，a為盾構機直徑與管片外徑之差。由公式可以看出，隨著盾構直徑的增加，土體損失量就會不斷增大，導致地表沉降量增大。

4）加大隧道上浮的可能性。水下隧道施工中，由于隧道管片處于地下水、漿液的包圍中，浮力作用可能導致隧道上浮，從管片的受力分析來看，浮力與管片自重重力之差越大，上浮的可能性就越大。對于單位長度的管片來說，浮力表示為，管片重力表示為（D為盾構直徑，d為管片的厚度）。取ρ=1000 kg/m3，ρ管片=2450 kg/m3，d=0.3 m，可以得到浮力與重力之差與盾構直徑之間的關系圖。由圖2可知，盾構直徑越大，管片所受到的浮力越大，浮力與重力之間的差值也越大，繼而隧道上浮的可能性也會增大。

圖2 浮力與重力之差值與盾構直徑之間的關系圖Fig.2 Relationship between the diameter of shield and difference of buoyancy and gravity

5）增大刀具磨損。盾構機直徑會影響刀具的磨損，刀具磨損經(jīng)驗公式

式（3）中，L為掘進距離；k為摩擦系數(shù)；n為刀盤轉速；D為刀具挖掘外徑；v為掘進速度。

從公式（3）可以看出，刀具磨損量與盾構機直徑成正比，隨著盾構機直徑的增大，地層對刀具的性能要求就越高。

2.2 長距離施工

除了大直徑的特點，水下隧道掘進距離一般都比較長，工程上一般將一次性掘進距離大于2 km稱為長距離掘進。而水下隧道由于其環(huán)境特點，掘進距離大都大于2 km，比如南京地鐵3、10號線過江段掘進距離都超過3km，南京緯七路過江隧道全長2932 m，上海長江隧道工程東線隧道長度為7471.65 m，江中段長度為6872.37 m；西線隧道長度為7469.36 m，其中江中段長度為6854.91 m。采用大直徑盾構一次性超長距離推進，施工中盾構的主軸承的耐磨與密封、刀具和盾尾密封刷等將面臨巨大的風險。根據(jù)上述公式可知，刀具磨損與掘進距離成正比，隨著盾構掘進距離的增大，盾尾密封刷的磨損也將不斷增大，在盾尾密封刷發(fā)生磨損或損壞以至于必須更換時，在水下隧道高水壓的作用環(huán)境下，盾構的防水密封風險較大，極有可能發(fā)生隧道內(nèi)大量進水的情況。

2.3 高水壓施工

水下隧道施工避免不了承受高水壓作用，南京地鐵3號線、10號線施工開挖面中需承受最高水壓達6 bar。高水壓施工就會帶來一系列的問題，比如開挖面的穩(wěn)定性，開挖面極限支護應力比與江水深度的關系如圖3所示。由圖3可以看出，隨著江水深度的不斷增加，開挖面極限支護應力比不斷增大，對開挖面的泥水壓力控制要求也越高。

此外，高水壓還會對盾尾密封，管片接頭密封，主軸承密封提出更高的要求。

2.4 穿越大堤

水底隧道特別是城市過江隧道，不免要穿越大堤，由于過江大堤堤防工程大都由拋石護坡加固改造而成，其抗變形的能力比較差，對于施工控制要求比較高（文獻研究表明，大堤沉降控制在20 mm），并且大堤的重要性等級比較高，一旦受到破壞，后果將十分嚴重。

3 風險辨識

根據(jù)風險發(fā)生的對象不同，可以將風險事件分為兩大類：自身風險事件和環(huán)境風險事件。同時，根據(jù)泥水盾構隧道施工不同風險事件發(fā)生的階段，又可以將風險事件劃分為：盾構始發(fā)階段、盾構掘進階段和盾構到達階段?？偨Y國內(nèi)外以往長大泥水盾構隧道工程經(jīng)驗和事故案例，得出大型泥水盾構隧道施工過程中可能存在的自身風險事件如表1所示。

表1 自身風險事件辨識表Table 1 The identification of risk events

4 風險評估的方法

4.1 風險評估方法介紹

風險評估方法主要有定性風險評估、定量風險評估以及半定量的風險評估方法3種，目前水下隧道施工安全風險評估大都采用定性的分析方法[7～9]，多數(shù)文獻僅僅依據(jù)風險等級劃分原則，直接評價出風險發(fā)生的可能性等級以及后果等級。黃宏偉等[10，11]采用事故樹等定量的風險評估方法進行評估，首先收集相關數(shù)據(jù)，得出事故樹基本事件的發(fā)生概率，再根據(jù)事故樹的計算方法得出頂事件的發(fā)生概率。無論是定性分析方法還是定量分析方法都在工程中得到了一定的應用，為推動風險管理的發(fā)展起到了一定的推動作用。但是從這些風險評估方法在工程中應用效果來看，在風險評估與工程的結合、方法的可操作性等方面存在一些問題。

對于定性的風險評估方法來說，存在以下幾個方面的不足：一是定性的分析方法往往采用專家調(diào)查法，邀請一些專家對風險進行可能性等級以及后果等級的打分，然后對打分結果進行綜合而獲取，根據(jù)筆者的經(jīng)歷，即使邀請一批對該工程非常了解的專家進行打分，調(diào)查出來的結果也往往是很不收斂的，這樣綜合出來的結果可信性必然不強；其次，定性的風險評估難以應對風險的動態(tài)變化，因為在施工的過程，有些風險因素會隨著外界環(huán)境的變化而變化，比如過江隧道中江水水位的變化，江底地形的變化等，此時風險事件的概率或后果也會隨之改變，如果變化在一定范圍內(nèi)，一般的定性分析方法對于這種改變難以及時調(diào)整。

對于現(xiàn)階段采用的定量風險評估方法，2011年發(fā)布的《城市軌道交通地下工程建設安全風險管理規(guī)范》[12]對風險發(fā)生的概率等級進行劃分，劃分的依據(jù)是風險發(fā)生真實概率的大小。然而在實際應用中發(fā)現(xiàn)：由于隧道與地下工程項目的風險因素、影響范圍、發(fā)生機理及潛在的破壞機制及其破壞力錯綜復雜，用概率方法研究隧道與地下工程風險問題時，很難判斷一個人為的概率分布假設是否合適，而且經(jīng)常會遇到小樣本問題，要想獲得事故發(fā)生的真實概率，是一項非常困難、幾乎是不可能完成的工作。這就使得定量風險評估方法變得難以操作。

鑒于以上的分析，可以得出以下幾個結論。

1）風險評估方法中必須要建立影響風險事件的風險指標與風險事件發(fā)生可能性之間的量化關系，這樣風險評估才具有可操作性，并且對于風險因素的變化，可以通過調(diào)整指標的大小來實現(xiàn)對于風險事件的影響。

2）鑒于風險事件真實發(fā)生概率獲取的難度，風險評估中避免不了有定性因素的存在，但是在風險評估的過程中，有必要采取一些可行的措施去降低主觀因素帶來的不利影響，比如現(xiàn)有的研究成果、數(shù)值試驗、現(xiàn)場試驗分析驗證等。

3）風險評估模型一定要結合現(xiàn)場的施工特點進行，能夠適應地層條件、設計方案、施工方法、施工技術水平等條件的變化。也就是說有其中一項變化，風險也應該隨之而變化。

4.2 肯特指數(shù)法風險評估

根據(jù)上面提出的要求，借鑒肯特在管道運行風險評估中應用指數(shù)評估法，并對該方法進行改進，建立一套滿足上述3條要求的隧道施工風險評估模型。

肯特[13]在管道運行風險評估中認為管道事故是無法精確預測的，風險評估不需要按照概率理論進行精確計算，他采用指數(shù)代替真實概率值的方法，在風險打分方法上越過了定量評估中的實際概率打分，且指數(shù)中包含了概率的因素，又不拘泥于確切的概率，具有比較好的說服力。

1）指數(shù)分類。根據(jù)地鐵施工中事故發(fā)生機理，對于一個災害事件來說，究其發(fā)生的原因，可以歸類于3類因素：隧道自身條件（包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、隧道自身參數(shù)如轉彎半徑、直徑、坡度等）、設計因素、施工因素。并且這3類因素之間是一個鏈性關系，其中任何一個發(fā)生變化，都會導致風險的變化。比如盾構進出洞時可能出現(xiàn)水土大量流失事故，風險發(fā)生的基本原因是盾構進出洞地層自穩(wěn)性差、地下水位高，不然不會出現(xiàn)水土流失的現(xiàn)象，在這個地層因素的基礎上，如果地層加固設計不當、施工中管理操作失誤的話，風險才會發(fā)生。

根據(jù)上述分析，將指數(shù)分為4大類：基本指數(shù)、設計指數(shù)、施工指數(shù)、后果指數(shù)。

基本指數(shù)是指工程自身所具有的特性，具有難以改變性，這種特性超越操作人員所能控制的范圍。一般來說，這種指數(shù)是在地鐵線路選形完成后就可以獲取的，類似這樣常規(guī)不能改變的指數(shù)有：工程水文條件、工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、隧道自身參數(shù)（包括隧道長度、隧道坡度、轉彎半徑等）。

設計指數(shù)，這里所說的設計是指在基本指數(shù)的基礎上為了預防基本指數(shù)帶來的風險或者為施工提供便利而進行的設計，它是進行施工的前提，為施工提供指導。

施工指數(shù)側重于施工期間的管理和操作，主要包括施工方法的選用、施工技術水平、工期影響、外界環(huán)境以及施工預控措施5個方面。

后果指數(shù)具體為5個方面：環(huán)境影響、經(jīng)濟影響、社會影響、人員傷亡影響。

2）基本計算模型。一般風險評估的基本模型

式中，R為風險值；p為事故出現(xiàn)的概率；c為事故產(chǎn)生的后果。f是算子，表示p與c之間的組合形式，這個組合形式是可變的，由實際情況和現(xiàn)實條件以及決策者的需要來選擇。

指數(shù)法評估模型沒有脫離這個基本模型，結合風險評估的基本模型，構建指數(shù)法評估模型

式中，B為基本指數(shù)；D為設計指數(shù)；C為施工指數(shù)。在這里p代表的不是一個確切的概率，而是概率指數(shù)，也就是說p的取值范圍不是在0與1之間的一個概率值，但是這個值中包含的有概率的意義，就是說，確切的概率值與該值是成正相關關系的，該值越大，風險發(fā)生的概率越大，該值越小，相應的風險概率也越小?；局笖?shù)、設計指數(shù)、施工指數(shù)共同構成了概率指數(shù)，后果指數(shù)代表了風險損失（如圖4所示）。

圖4 改進的指數(shù)模型Fig.4 Improved index model

基本指數(shù)、選型設計指數(shù)與施工指數(shù)共同作用影響風險概率指數(shù)，鑒于選型設計指數(shù)、施工指數(shù)對風險概率的影響，引入設計系數(shù)Dk及施工系數(shù)Sk。設計系數(shù)Dk=設計指數(shù)/設計標準值；施工系數(shù)Sk=施工指數(shù)/施工標準值。其中設計標準值、施工標準值是人為規(guī)定的一個定值。

該模式的計算模型為

設計系數(shù)、施工系數(shù)的值分別在1的左右，若它們大于1，表明設計、施工會增大事故風險概率指數(shù)，加大事故風險發(fā)生的可能性；若小于1，表明它們會降低事故發(fā)生的概率。

5 工程應用

對于識別出來的風險事件，首先要對該風險進行分析，認識其發(fā)生機理，然后再進行風險評估，事故樹的分析方法是認識事故發(fā)生機理的常用方法，常與其他風險評價方法結合使用。這里可以通過事故樹分解分析，得到事故發(fā)生的基本事件，而通過事故樹的基本事件尋找這些基本事件和各指數(shù)之間的相關關系，為該風險事件相關指數(shù)類型及指標的確定提供依據(jù)，在風險事件各相關指數(shù)的指標確定之后，建立打分規(guī)則，進而進行評價。

該方法在南京地鐵某過江隧道施工中進行了應用，該隧道劃分為7個掘進段，圖5為盾構掘進段-1各風險的概率指數(shù)及后果指數(shù)的分布圖；圖6為盾構掘進段-1各風險的風險值的分布圖；圖7為刀盤刀具磨損風險在各掘進段的分布圖。

圖5 掘進段-1風險概率指數(shù)及后果指數(shù)Fig.5 Risk probability index and consequence index in section 1

圖6 掘進段-1風險指數(shù)Fig.6 Risk index in section 1

圖7 風險在各掘進段的分布圖Fig.7 The risk distribution of each tunnel section

因為該風險評估方法將風險事件的風險值直接與4類指數(shù)的指標值相關聯(lián)，一旦指標值改變，風險值也會相應發(fā)生改變，在施工的一些工況（比如江水深度、埋深、設計方案、工期緊張程度等）改變的情況下，風險值能夠發(fā)生相應的變化。

6 結語

文章介紹了水下隧道施工的特點，研究了這些特點對施工風險的作用，并針對水下隧道施工中風險因素多、變化大的特點，分析了當前定性風險評估方法與工程的不適應性，得出以下結論。

1）風險評估既要與施工工況緊密結合，又不能盲目追求絕對的定量評價，文章提出的肯特指數(shù)法模型綜合地質(zhì)、隧道尺寸、設計方案、施工方法、影響后果等因素，與水下隧道建設各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系；且該模型通過對各個指數(shù)打分得出風險值大小，適用于施工中的動態(tài)風險評價。

2）與肯特在石油管道中的指數(shù)法相比，本文的計算模型有了一定的變化，在實際工程中，有時會出現(xiàn)這種情況：事故經(jīng)常發(fā)生在預計不會發(fā)生事故的地方或時間。這就表明一類指數(shù)的變化能在很大程度上改變風險的大小，所以采用基本指數(shù)×設計系數(shù)×施工系數(shù)×后果指數(shù)的計算形式，使得分值變化范圍更大，更符合實際工況。

3）與一般的評價方法相似的是，確定權重是肯特指數(shù)法中確立打分規(guī)則前的一項必要工作，在確立權重的時候，需要借助理論分析、數(shù)值模擬、試驗等方法提供依據(jù)。在風險評估過程中，除了本文介紹的內(nèi)容外，還需要建立指數(shù)法的風險接受準則，風險接受準則的建立是一項非常復雜的工作，需要在工程中邊應用邊完善。

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