水下隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險評估研究

馮靖宇

(中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300)

隨著我國水利輸電隧道、跨海交通隧道、城市地鐵隧道、市政隧道等工程的不斷發(fā)展，很多工程均要穿越地下江河，才能更好地滿足現(xiàn)階段實際的交通需求。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國江河隧道修建數(shù)量逐年上漲，在此過程中，也為盾構(gòu)法的應(yīng)用提供了廣闊空間。通過該技術(shù)的應(yīng)用，不僅可提升工作效率，同時也避免了施工對周邊環(huán)境的影響。但受到多種因素的限制，盾構(gòu)法施工過程中，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，便會直接增加工程施工風(fēng)險，基于此，開展風(fēng)險評估工作很有必要。

1 盾構(gòu)法概述

該技術(shù)在隧道建設(shè)過程中應(yīng)用十分廣泛，其比較適合應(yīng)用于含水量高或者軟土層掘進(jìn)隧道工程中。所謂“盾構(gòu)”，即可確保地層穩(wěn)定性的保護(hù)結(jié)構(gòu)，材質(zhì)以鋼、鑄鐵、混凝土為主。盾構(gòu)能夠為掘進(jìn)機(jī)工作提供臨時支撐。同時它也是一種帶有護(hù)罩的專用設(shè)備，具體應(yīng)用的過程中，主要是將初砌塊作為支點不斷的向前推進(jìn)，并使用刀盤來實現(xiàn)土體切割。

另外，盾構(gòu)也可被作為一種工具來應(yīng)用，該設(shè)備從外形上看，類似于一個鋼管機(jī)，一般會大于隧道部分，如此設(shè)計的主要目的是為了抵御地層壓力和外向水壓，具體包括后部盾尾、中部支撐環(huán)以及前部的切口環(huán)。目前，很多盾構(gòu)還會被設(shè)計成橢圓形、圓形、馬蹄形等。

在實際的隧道工程施工過程中，通過盾構(gòu)法的實踐應(yīng)用，不僅可大幅度提升施工效率，同時還能減小施工對周邊環(huán)境造成的影響，洞體質(zhì)量相對穩(wěn)定，尤其是在軟土地基施工中，應(yīng)用效果尤為顯著[1]。

2 水下隧道施工特點分析

2.1 大斷面隧道施工

水下隧道施工的危險系數(shù)極高，在設(shè)計過程中通常以單圓雙線方式為主，并要使用大直徑的盾構(gòu)進(jìn)行施工。例如，我國的武漢長江越江隧道，其在具體施工時便選用了大直徑的盾構(gòu)，盾構(gòu)的實際直徑約為12 m，而上海崇明隧道也選用了直徑為15.5 m的盾構(gòu)進(jìn)行施工。在這些工程中所使用的盾構(gòu)直徑基本均在10 m以上，整體的應(yīng)用效果顯著，也會產(chǎn)生一系列問題，具體分析如下：

第一，刀盤上下面高差較大，在具體開挖的過程中，由于需要穿越多種土層，且各土層的物理力學(xué)參數(shù)各不相同，在此情況下，便會對刀盤切削效果產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致涂層軟硬不均勻，同時也會增加盾構(gòu)開挖面扭矩、泥水壓力等相關(guān)參數(shù)的控制難度，同時還會為盾構(gòu)的實際操作帶來一定麻煩，不利于姿態(tài)的有效控制，最終會影響施工進(jìn)程。

第二，由于開挖面支護(hù)應(yīng)力比增加，進(jìn)而也會對開挖面的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。隨著盾構(gòu)直徑的增加，開挖面支護(hù)用應(yīng)力比也會不斷提升，會直接增加水泥控制工作的難度，在同等技術(shù)條件下，開挖面的穩(wěn)定性也會發(fā)生變化。

第三，隨著盾構(gòu)直徑的不斷增加，土體的損失量也會逐漸提升，進(jìn)而使地表沉降量也隨之增加。

第四，提高隧道上浮概率。在水下開展隧道工程施工的過程中，隧道管片由于處于水下，因此，在浮力的作用和影響下，很有可能導(dǎo)致隧道上浮。如果從管片受力的角度進(jìn)行分析，則管片和浮力自重重力之間的差異也會越來越懸殊，由此同樣會增加隧道上浮的可能性[2]。

2.2 長距離隧道施工

在水下施工的過程中，掘進(jìn)的距離通常較長，正常情況下，掘進(jìn)距離在2 km以上的工程都被稱為“長距離掘進(jìn)工程”。由于水下隧道施工的特殊性，因此，掘進(jìn)距離基本均在2 km以上。

在具體施工的過程中，施工人員可選用大直徑盾構(gòu)進(jìn)行一次性推進(jìn)，但盾尾和道具密封、主軸承的耐磨和密封等經(jīng)常會產(chǎn)生巨大的施工風(fēng)險。結(jié)合推算可知，道具的掘進(jìn)距離與磨損呈正比關(guān)系，隨著掘進(jìn)距離的不斷增加，也會同時加重盾尾密封刷的磨損，當(dāng)磨損程度達(dá)到一定極限，以致于必須要進(jìn)行更換處理時，在水下的施工作業(yè)環(huán)境中，便會增加盾構(gòu)的密封風(fēng)險，嚴(yán)重時還會造成隧道進(jìn)水的問題。

2.3 穿越大堤隧道施工

在穿越城市江河進(jìn)行隧道施工的過程中，經(jīng)常需要穿越大堤，由于很多大堤工程在修建的過程中，均是拋石護(hù)坡改造而成，故其本身的抗變形能力也會比較弱，施工控制工作難度較高，一旦大堤遭到破壞，將會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果，在此情況下，也為隧道施工帶來了一系列困難。

3 水下隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險識別

結(jié)合風(fēng)險發(fā)生對象的差異性，一般可將風(fēng)險劃分為環(huán)境風(fēng)險以及自然風(fēng)險兩種主要類型。另外，結(jié)合水下隧道盾構(gòu)法施工中，風(fēng)險發(fā)生的不同時間段，還可將風(fēng)險劃分為盾構(gòu)到達(dá)階段、掘進(jìn)階段以及始發(fā)階段。通過對我國以往的水下隧道工程風(fēng)險案例進(jìn)行分析，總結(jié)出具體施工過程中可能會存在風(fēng)險問題，具體表述如下：

盾構(gòu)掘進(jìn)階段風(fēng)險：工作面不穩(wěn)定，工具嚴(yán)重磨損；千斤頂推進(jìn)故障；盾尾密封性差，接頭漏水；管片拼接錯誤或者被損壞；大軸承發(fā)生斷裂問題，使其失去本身性能。

盾構(gòu)始發(fā)階段風(fēng)險：后靠損壞或變形，洞口水土流失；洞口土體坍塌，泥水關(guān)系失衡；基座損壞或變形等等。

盾構(gòu)達(dá)到階段風(fēng)險：盾構(gòu)進(jìn)洞之后與軸線產(chǎn)生較大偏移；洞口產(chǎn)生水土流失問題；由于洞口被破壞，直接導(dǎo)致土體坍塌[3]。

4 水下隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險評估

4.1 安全風(fēng)險評估辦法概述

在對水下隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險進(jìn)行評估的過程中，最為常見的方式包括半定量風(fēng)險評估法、定量安全風(fēng)險法以及定性安全風(fēng)險法等。其中，定性安全風(fēng)險分析法在我國的隧道工程風(fēng)險評估工作中較為常見。很多研究人員在翻閱了大量文獻(xiàn)之后，根據(jù)風(fēng)險等級原則，最后給出風(fēng)險發(fā)生的后果等級以及發(fā)生的概率性。還有很多學(xué)者通過事故樹方式進(jìn)行評估，即先對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以此獲取事件發(fā)生幾率，再結(jié)合該評估法的相關(guān)計算方式，得出事件的準(zhǔn)確發(fā)生概率。但不管是定量分析還是定性分析法，均可在工程實踐過程中發(fā)揮重大作用，從而為風(fēng)險管理工作的開展提供有力條件。但從這些分析方式在工程中的實際效果來看，其在工程與風(fēng)險評估的結(jié)合以及可操性方面仍存在一定缺陷。

4.2 定量和定性風(fēng)險評估法的局限性

4.2.1 定性風(fēng)險評估法

對于定性分析法而言，其存在的缺陷問題包括以下幾點：一是該方法在實踐的過程中，通常需涉及到專家調(diào)查法，同時還要邀請很多專家對風(fēng)險的后果等級和可能性等級進(jìn)行評分，結(jié)合該評分結(jié)果再進(jìn)行下一步工作。實踐證明，即便是邀請實踐經(jīng)驗十分豐富的專家，但調(diào)查結(jié)果的精準(zhǔn)性依然無法得到百分之百的保證，可行性較低。另外，該風(fēng)險評估方式很難對風(fēng)險的動態(tài)變化進(jìn)行及時有效應(yīng)對，尤其在具體的施工過程中，外界環(huán)境隨時處于變化的狀態(tài)當(dāng)中，如水底地形的變化、水位的變化等，在此情況下，風(fēng)險也會隨之而改變，若這種動態(tài)變化在可控的范圍內(nèi)，則通過該方式還能夠及時進(jìn)行補(bǔ)救和調(diào)整，若動態(tài)變化超出可控性范圍，則定性分析法便會派不上用場，失去其實際效果。

4.2.2 定量風(fēng)險評估法

該風(fēng)險評估法在實踐應(yīng)用的過程中，由于地下隧道工程的風(fēng)險因素較多，且其潛在破壞機(jī)制、發(fā)生機(jī)理、影響范圍等十分復(fù)雜，因此，若通過定量分析法進(jìn)行研究，則還很難對人為概率假設(shè)分布的精準(zhǔn)性進(jìn)行判斷，與此同時，還會遇到各種各樣的小問題。若要獲得事件發(fā)生的精準(zhǔn)性概率，是一項十分艱難，甚至是不可能完成的工作，因此也對定量風(fēng)險評估法實際應(yīng)用效果及其可操作性造成嚴(yán)重影響[4]。

4.3 改進(jìn)建議及肯特指數(shù)風(fēng)險評估法

4.3.1 改進(jìn)建議

基于上述分析，給出以下幾點建議：首先，在對隧道施工風(fēng)險進(jìn)行評估的過程中，一定要建立風(fēng)險事故產(chǎn)生可能性與影響風(fēng)險事故指標(biāo)之間的量化關(guān)系，如此才可確保風(fēng)險評估工作的可行性和全面性。對于風(fēng)險的動態(tài)變化，一般可通過對指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整的方式，來實現(xiàn)對風(fēng)險事故的有效控制。其次，由于風(fēng)險事故發(fā)生的精準(zhǔn)性概率很難獲取，加之風(fēng)險評估的過程中，還會經(jīng)常受到很多因素的影響，因此，必須要采取一些恰當(dāng)?shù)拇胧┘右员苊猓源朔乐怪饔^因素對風(fēng)險評估工作產(chǎn)生的消極影響，具體的措施如數(shù)值實驗、文獻(xiàn)成果、現(xiàn)場試驗等。最后，在構(gòu)建風(fēng)險評估模型的工程中，一般可結(jié)合工程現(xiàn)場條件來進(jìn)行，同時還應(yīng)保證該模型能夠積極應(yīng)對施工方式、計劃方案、地層條件等變化。

4.3.2 肯特指數(shù)風(fēng)險評估法

該方法提出管道事故無法精準(zhǔn)預(yù)測的理論，風(fēng)險評估工作無需結(jié)合相關(guān)概念理論進(jìn)行計算，而是采取指數(shù)代替精準(zhǔn)概率的方式來進(jìn)行，其不過分依賴于精準(zhǔn)概率，具有很強(qiáng)的說服力。隧道事故發(fā)生的原因一般包括：地質(zhì)水文條件、施工條件、設(shè)計因素、隧道相關(guān)參數(shù)等。不管是任何一個因素發(fā)生變化，均有可能導(dǎo)致風(fēng)險問題發(fā)生?；诖耍蓪⒅笖?shù)劃分為后果指數(shù)、設(shè)計指數(shù)、基本指數(shù)以及施工指數(shù)。在實踐過程中，一旦其中一個指數(shù)發(fā)生變化，則風(fēng)險值也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變，在施工工況(設(shè)計方案、埋深、工期進(jìn)展程度)發(fā)生變化時，風(fēng)險也會被改變，如此便可實現(xiàn)安全風(fēng)險的精準(zhǔn)預(yù)測。

5 結(jié) 語

綜上所述，該文主要對盾構(gòu)法、水下隧道施工特點進(jìn)行了簡要分析，之后對盾構(gòu)法施工風(fēng)險及相關(guān)的風(fēng)險評估問題進(jìn)行了重點研究。由于水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，變化較多，因此也增加了越江隧道工程的施工難度和風(fēng)險概率，基于此，開展風(fēng)險評估工作很有必要。該文提出的肯特指數(shù)風(fēng)險評估法，實踐應(yīng)用效果十分顯著，實現(xiàn)了施工各環(huán)節(jié)的緊密相連，通過指數(shù)打分能夠獲取精準(zhǔn)的風(fēng)險發(fā)生概率，為水下隧道工程的安全穩(wěn)定建設(shè)提供了良好保障。

[1] 練才園.地鐵隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險過程分析研究綜述[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2015(12)：18-19.

[2] 徐 濤.多因素耦合作用下的水下隧道盾構(gòu)施工安全風(fēng)險控制研究[J].重慶交通大學(xué),2016(8)：89-90.

[3] 楊文武,吳浩然,杜 峰,等.長三角地區(qū)大型水下盾構(gòu)法隧道風(fēng)險管理的工程實踐[J].滬港科技合作研討會.2014(7)：78-79.

[4] 羅賽楠.基于層次分析法的盾構(gòu)法隧道施工風(fēng)險辨識和評估方法研究與應(yīng)用[J].上海大學(xué),2015(8)：:31-32.