渤海海峽隧道TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策探討

李 達(dá)，洪開榮，譚忠盛

（1.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009；2.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

渤海海峽隧道TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策探討

李 達(dá)1，洪開榮2，譚忠盛3

（1.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009；2.中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

本文以渤海海峽隧道設(shè)想方案的施工風(fēng)險(xiǎn)為評(píng)估對(duì)象，采用層次分析法（AHP）-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)渤海海峽隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別和評(píng)價(jià)，認(rèn)為渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道。分析了影響風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)為隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)、突水突泥風(fēng)險(xiǎn)和施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)這些風(fēng)險(xiǎn)的特征提出了風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策建議和尚需解決的關(guān)鍵問題，為渤海海峽隧道的決策提供參考，同時(shí)也為跨海隧道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及施工方案的制定提供參考。

渤海海峽隧道；層次分析法；模糊評(píng)價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

1 前言

自20世紀(jì)70年代以來，Einstein曾撰寫多篇有價(jià)值的文獻(xiàn)，指出隧道工程風(fēng)險(xiǎn)研究的特點(diǎn)和應(yīng)遵循的理念[1]。20世紀(jì)90年代起，驚人的隧道塌陷事故引起了公眾和業(yè)主對(duì)地下工程施工中潛在風(fēng)險(xiǎn)的特別關(guān)注。在水底隧道風(fēng)險(xiǎn)研究方面，Nilsen等對(duì)復(fù)雜地層條件地區(qū)海底隧道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了相對(duì)深入的研究[2]。國際隧道協(xié)會(huì)委員Heinz Duddeck則在其論文中對(duì)穿越海峽的隧道和穿越阿爾卑斯山的隧道如何進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了探討[3]。隨著我國近幾年水底隧道的修建，水底隧道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究及應(yīng)用逐漸被用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。2000年，以同濟(jì)大學(xué)為主進(jìn)行的滬崇（上?！缑鲘u）通道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目為我國在越江跨海隧道的風(fēng)險(xiǎn)研究做出了突破性貢獻(xiàn)[4]。2007—2008年，馬小峰和洪選華分別針對(duì)瀏陽河水下隧道和廈門翔安海底隧道施工進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出了風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策[5，6]。

渤海是我國內(nèi)海，海峽兩端最短距離約為106 km，平均水深為25 m，最大水深老鐵山水道為85 m，既是外海進(jìn)入渤海的必經(jīng)海上通道，又是我國南北陸路交通的天塹。渤海海峽通道的建設(shè)對(duì)軍事、政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及開發(fā)開拓海洋工程均有積極意義。魏禮群等總結(jié)了20世紀(jì)90年代以來針對(duì)渤海海峽隧道建設(shè)相關(guān)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果、海洋地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行了深入探討[7]。2006—2007年，王夢(mèng)恕等論述了修建渤海海峽隧道的必要性，研究了海峽通道“南橋北隧”方案，比較了海底隧道的不同方案及施工方法。以我國目前的隧道技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力為依據(jù)，認(rèn)為在近幾十年內(nèi)修建渤海海峽隧道是可行的[8，9]。2012年，王夢(mèng)恕等通過研究提出了該隧道橫縱斷面，并認(rèn)為該隧道宜采用以隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）為主、以鉆爆法為輔的施工方法[10]。當(dāng)前的研究是從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)層面對(duì)渤海海峽隧道進(jìn)行研究的，而從施工角度針對(duì)渤海海峽隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的文獻(xiàn)尚未見報(bào)道。

2011年1月4日，國務(wù)院批復(fù)《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，并將渤海海峽隧道項(xiàng)目納入了國家“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略，可見渤海海峽隧道的建設(shè)需求是十分迫切的。

2 工程概況

擬修建的渤海海峽隧道位于山東蓬萊市東港至旅順老鐵山之間，全長約125 km（見圖1）。隧道擬采用雙洞加一輔助洞的三洞方案，主隧道與服務(wù)隧道中線之間的距離為30 m，沿隧道縱向每隔700 m設(shè)置一條橫通道連接主隧道和服務(wù)隧道。隧道按200～250 km/h標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，采用鐵路隧道方案，鐵路隧道可以運(yùn)行穿梭列車，汽車可通過穿梭列車背負(fù)式穿過隧道。根據(jù)我國高速鐵路隧道斷面大小，內(nèi)凈空面積66 m2可以滿足客車200～250 km/h的行車速度要求，初步設(shè)計(jì)主隧道外徑為11.3 m，服務(wù)隧道外徑為7.5 m，橫通道外徑為4.5 m。渤海海峽隧道最大縱坡為1.8%。為了減小建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，采用深埋方案，考慮到第四系沉積有30 m左右，隧道埋深取80 m左右，隧道縱斷面圖見圖2。渤海海峽隧道擬采用TBM為主要施工方法修建，TBM掘進(jìn)區(qū)間劃分見圖3[10]。

圖1 渤海海峽隧道平面示意圖Fig.1 Sketch plane of Bohai Strait tunnel

圖2 渤海海峽隧道縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of Bohai Strait tunnel

圖3 主隧道及服務(wù)隧道TBM施工區(qū)間安排Fig.3 TBM construction interval arrangement of Bohai Strait main and service tunnel

3 渤海海峽隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與權(quán)重分析

掘進(jìn)機(jī)法是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法，施工時(shí)所使用的機(jī)械通常為TBM。它是利用回轉(zhuǎn)刀盤并借助推進(jìn)裝置的作用力使得刀盤上的滾刀切割巖面以達(dá)到開挖隧道的目的。TBM目前已成為世界上長大隧道施工最有效、最先進(jìn)的施工方法之一。

3.1.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

根據(jù)TBM在花崗巖地層施工的特點(diǎn)，渤海海峽隧道具有規(guī)模大、技術(shù)難度大、不可預(yù)見因素多、工期長等特點(diǎn)，組建風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別小組，運(yùn)用層次分析法（AHP）對(duì)渤海海峽主隧道及服務(wù)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)包括TBM設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、TBM掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)和輔助工序風(fēng)險(xiǎn)。其施工風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Construction risk structure of Bohai Strait tunnel

3.1.2 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算

評(píng)估指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定十分重要，它可以直接影響綜合評(píng)估的結(jié)果。具體確定權(quán)重的方法很多，如定性經(jīng)驗(yàn)的德爾菲法，定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理的主成分分析法，以及AHP等。渤海海峽隧道采用常用的AHP來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)重要程度的打分采用1～9的比例標(biāo)度[5，6]。權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重Table 1 Weight coefficient of risk

3.2 風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)與評(píng)價(jià)

利用模糊數(shù)學(xué)法處理非數(shù)字化、模糊難含義的變量有獨(dú)到之處，該方法能提供合理的數(shù)學(xué)規(guī)則去解決模糊變量問題，相應(yīng)得出的結(jié)果又能通過一定的方法轉(zhuǎn)為語言描述。這一特性適合解決海底施工存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)問題。

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)與評(píng)價(jià)計(jì)算模型及計(jì)算方法

根據(jù)渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)模型，首先根據(jù)規(guī)范[11]和國際通用的標(biāo)準(zhǔn)[5，6]，并利用專家打分的方式建立各個(gè)基本風(fēng)險(xiǎn)集的評(píng)價(jià)集Rix（i，x為大于0的整數(shù)），然后根據(jù)前述計(jì)算的權(quán)重系數(shù)計(jì)算下一層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集Ri，即

式（1）中，wix為各風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重系數(shù)組成的1×x的矩陣。同樣的方法可以得出目標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣R，計(jì)算模型見圖5。

圖5 渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of risk estimation for Bohai Strait tunnel

任意層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo)v采用下式計(jì)算

式（2）中，F(xiàn)R為對(duì)應(yīng)各風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)矩陣；V為各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指針組成的集，取值見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]Table 2 Classification criteria of risk level[11]

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用上一節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算方法對(duì)渤海海峽隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 3 Risk level

4 渤海海峽隧道存在的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

4.1 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)分析

渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)主要是根據(jù)施工技術(shù)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素來進(jìn)行的。從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程來看，更高層次的風(fēng)險(xiǎn)是由基本風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與其權(quán)重指標(biāo)通過一層一層傳遞計(jì)算得出的。風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重反映了相對(duì)低一層風(fēng)險(xiǎn)的重要程度，盡管是通過主觀判斷確定的，但也客觀反映了該因素的實(shí)際重要性，一般是無法改變的。因此，為了降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，需從基本風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和損失兩方面著手。根據(jù)表4中的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，基本風(fēng)險(xiǎn)中的主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)，突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)，施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)為不期望風(fēng)險(xiǎn)，需采用風(fēng)險(xiǎn)處理措施。其他基本風(fēng)險(xiǎn)都為可接受風(fēng)險(xiǎn)，但需加強(qiáng)管理和監(jiān)測。

表4 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則[11]Table 4 Risk acceptance criteria[11]

在不期望風(fēng)險(xiǎn)中，主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)，突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)和施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)是影響渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

主軸承作為TBM的關(guān)鍵部件尚需從國外引進(jìn)。當(dāng)前從國內(nèi)的TBM使用情況來看，主軸承的平均使用壽命在15 000 h左右，按照每天工作16 h、維護(hù)時(shí)間為8 h、掘進(jìn)速率為1.5 cm/min計(jì)算，每個(gè)主軸承在使用壽命內(nèi)能夠掘進(jìn)13.5 km。而渤海海峽隧道設(shè)想施工方案的單臺(tái)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)長度均在25 km左右，因此主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)較高。為了應(yīng)對(duì)此種風(fēng)險(xiǎn)主要采用以下對(duì)策。

1）根據(jù)工程特點(diǎn)定制TBM主軸承的性能和功能，主要部件、原材料性能優(yōu)良、無損傷，大軸承在擠壓力和扭轉(zhuǎn)力矩作用下不變形。

2）組織專業(yè)小組對(duì)TBM進(jìn)行驗(yàn)收。

3）在主軸承達(dá)到壽命需要更換時(shí)，在洞內(nèi)修建更換操作間。

4）風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移或風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，由多方共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。

5）除了上述對(duì)策，還需要在施工前針對(duì)主軸承綜合性能進(jìn)行研發(fā)，使其壽命延長。尤其是主軸承應(yīng)達(dá)到在洞內(nèi)可簡便更換或使用壽命達(dá)到30 000 h。

通過上述措施，可以使主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)降為二級(jí)，即可接受。

4.3 突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

根據(jù)前述的工程概況，渤海海峽隧道將在花崗巖中掘進(jìn)，而花崗巖地層中可能存在花崗巖風(fēng)化槽，此外，隧道還需穿越斷層破碎帶，因此突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)較高。應(yīng)對(duì)渤海海峽隧道可能發(fā)生的突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)采取以下措施：a.加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；b.嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)不冒進(jìn)；c.對(duì)遇到的風(fēng)化槽、斷層破碎帶采用鉆爆法迂回到前方處理；d.制定好注漿堵水和人員救護(hù)預(yù)案；e.研制新型速凝、耐久注漿材料和高效的鉆機(jī)。

通過上述措施，可以使突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)降為二級(jí)，即可接受。

4.4 施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

由于豎井設(shè)置困難，渤海海峽隧道每個(gè)區(qū)段的通風(fēng)距離長，就目前的通風(fēng)技術(shù)來說，只能采用巷道式通風(fēng)。但是由于工作面多，通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)仍然很高。主要有以下應(yīng)對(duì)措施：a.風(fēng)門要密閉嚴(yán)密，防止污風(fēng)循環(huán)；b.制定常見有害物質(zhì)的人工及自動(dòng)監(jiān)測方案；c.風(fēng)機(jī)、風(fēng)管要匹配；d.配備備用電源，保障需要時(shí)的連續(xù)通風(fēng)。

采用措施以后，可以使施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)降為二級(jí)，即可接受。

5 結(jié)語

本文基于渤海海峽隧道設(shè)想方案，對(duì)渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評(píng)估，得到如下結(jié)論：a.渤海海峽隧道整體施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，屬高風(fēng)險(xiǎn)隧道；b.渤海海峽隧道的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)為TBM主軸承制造風(fēng)險(xiǎn)，突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)和施工通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)；c.文中結(jié)合渤海海峽隧道的工程特點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了初步討論。

建議在目前研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展如下幾個(gè)方面的工作：a.渤海海峽隧道沿線地質(zhì)情況尚需進(jìn)一步的收集和調(diào)查，以使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估邊界條件更加明確；b.繼續(xù)對(duì)國外類似隧道的施工情況進(jìn)行詳細(xì)收集，汲取其成功經(jīng)驗(yàn)并總結(jié)教訓(xùn)；c.在地質(zhì)資料更加明確的條件下，采用現(xiàn)有或研究新的海底隧道施工工藝、工程材料和工程設(shè)備等，以此來豐富渤海海峽隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策。

[1]Einstein H H.Risk and risk analysis in rock engineering[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）：141-155.

[2]Nilsen B，Palmstrom A，Stille H.Quality control of a subsea tunnel project in complex ground conditions[J].Challenges for the 21st Century，1992：137-145.

[3]Heinz Duddeck.Challenges to tunnelling engineers[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（1）：5-10.

[4]同濟(jì)大學(xué).崇明越江通道工程風(fēng)險(xiǎn)分析研究總報(bào)告[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2002.

[5]馬小峰.水底隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系及施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[6]洪選華.膠州灣海底隧道典型施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[7]魏禮群，柳新華.渤海海峽跨海通道若干重大問題研究[M].2版.北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2009.

[8]宋克志，王夢(mèng)恕.修建渤海海峽跨海隧道可行性初探[J].魯東大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，22（3）：253-260.

[9]宋克志，鄧建俊，王夢(mèng)恕.煙大渤海海峽隧道的可行性研究初探[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，4（1）：121-129.

[10]王夢(mèng)恕，譚忠盛.渤海海峽跨海通道戰(zhàn)略規(guī)劃研究[R].大連：“渤海海峽跨海通道戰(zhàn)略規(guī)劃研究”座談會(huì)，2012.

[11]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

Construction risk estimation of TBM and discussion on key risk countermeasures of Bohai Strait tunnel

Li Da1，Hong Kairong2，Tan Zhongsheng3
（1.Technology Center of China Railway Tunnel Group Co.Ltd.，Luoyang，Henan 471009，China；2.China Railway Tunnel Group Co.Ltd.，Luoyang，Henan 471009，China；3.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The identification and estimation of construction risks of Bohai Strait tunnel are made by means of analytic hierarchy process（AHP）fuzzy comprehensive evaluation method，with the construction risks estimation of existing devised program of Bohai Strait tunnel as an example.The results show that the construction risk grade of Bohai Strait tunnel is gradeⅢ.The key construction risks of Bohai Strait tunnel，including manufacturing of main bearing of tunnel boring machine（TBM），mud/water bursting and ventilation，are analyzed，and the countermeasures and problems to be solved are presented.The paper can provide reference for the construction program determination of Bohai Strait tunnel and for the planning，design and construction program of sea-crossing tunnels in the future.

Bohai Strait tunnel；analytic hierarchy process；fuzzy evaluation；risk estimation；risk countermeasure

U455.1

A

1009-1742（2013）12-0095-06

2013-10-08

中鐵隧道集團(tuán)有限公司重大課題（隧研合2012-15）

李 達(dá)（1983—），男，河南洛陽市人，博士，工程師，主要從事地下工程研究工作；E-mail：49620364@qq.com