大直徑盾構(gòu)隧道穿越繁華區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

張松濤 胡仲春 王公忠 王永輝 游永鋒

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070； 2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南 250014；3.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院 鄭州 451191； 4.中鐵隧道股份有限公司 鄭州 450000)

0 引言

我國(guó)的隧道施工越來(lái)越多，影響隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)源較多，這些風(fēng)險(xiǎn)源是導(dǎo)致隧道施工過(guò)程出現(xiàn)事故的重要原因。相對(duì)于其他隧道，城市隧道周圍環(huán)境復(fù)雜，施工受到的約束條件較多，施工條件有限，風(fēng)險(xiǎn)源較多。

為了確保隧道施工的順利進(jìn)行，需要對(duì)城市隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行權(quán)重評(píng)價(jià)，并提出具體的管控方法。

20世紀(jì)70年代， EINSTEIN H H[1]對(duì)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)進(jìn)行了全面的總結(jié)，并提出了隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析需要遵循的理念。孫昕[2]通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)管理法及鐵路風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，節(jié)省較多重復(fù)性工作且不會(huì)遺漏重要因素。王公忠等[3]通過(guò)層次分析法對(duì)越海隧道中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)分析，通過(guò)對(duì)比得出對(duì)隧道施工影響較大的危險(xiǎn)因素。候東賽等[4]通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的改進(jìn)，運(yùn)用TOPSIS法對(duì)隧道突水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，建立了隧道工程突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。宋浩然等[5]對(duì)海底隧道存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，同時(shí)結(jié)合專家調(diào)查的結(jié)果提出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施。許傳華等[6]將模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法用于工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)影響圍巖穩(wěn)定性的各個(gè)因素進(jìn)行分析。趙延喜等[7]以隧道TBM施工為背景，對(duì)隧道施工的各種因素進(jìn)行分析，提出了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)模型。麻鳳海等[8]采用風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查法和風(fēng)險(xiǎn)矩陣法對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵工程中帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提供安全保障。劉保國(guó)等[9]結(jié)合集德?tīng)柗品?、模糊?shù)學(xué)法及網(wǎng)絡(luò)分析法3種方法在公路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)分析上，提出了各種影響因素間的關(guān)系矩陣算法，為山嶺隧道施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

春風(fēng)隧道工程是深圳市“東進(jìn)戰(zhàn)略”重點(diǎn)交通項(xiàng)目之一，由濱海大道上步立交東側(cè)到新秀立交，全長(zhǎng)約為5.08 km，其中70%采用盾構(gòu)進(jìn)行施工，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為15.8 m，開(kāi)挖直徑為全國(guó)最大。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，隧道在施工過(guò)程中需要穿越多個(gè)斷裂帶，并且存在上軟下硬的地質(zhì)條件。由于隧道經(jīng)過(guò)城市繁華區(qū)，存在立交橋、火車站、高層建筑等風(fēng)險(xiǎn)源，在盾構(gòu)地段又存在上下巖石硬度不一、破碎帶較多等復(fù)雜地質(zhì)，施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)較大。另外由于基樁的存在，沿途影響最大的為布吉河及布吉河橋和濱河—寶安立交橋。

2 隧道重要節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 下穿濱河—寶安立交橋風(fēng)險(xiǎn)分析

濱河—寶安立交橋位于羅湖區(qū)寶安南路，上面是城市的主干線濱河大道，全橋一共三聯(lián)十跨，總長(zhǎng)213.84 m。通過(guò)分析隧道與立交橋的相對(duì)位置，可知隧道側(cè)穿立交橋1#～7#號(hào)樁，其中6#樁距離隧道最近。

該段地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，該隧道穿越段地質(zhì)條件變化較大，基巖面上下起伏，波動(dòng)較為明顯，樁底部均為中強(qiáng)度風(fēng)化巖層。隧道穿越多個(gè)斷裂帶，隧道上下巖石硬度不一，存在上面松軟、下面堅(jiān)硬的地質(zhì)條件，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。濱河—寶安立交橋橋樁和盾構(gòu)隧道相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

圖1 濱河—寶安立交橋橋樁和盾構(gòu)隧道相對(duì)位置

正常掘進(jìn)情況下，盾構(gòu)隧道穿越濱河—寶安立交橋的施工風(fēng)險(xiǎn)主要是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：一是距離盾構(gòu)隧道水平最近的6#樁將產(chǎn)生豎向位移，樁頂發(fā)生水平位移，需要對(duì)樁四周實(shí)施加固措施；二是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)到達(dá)樁附近時(shí)，地表將發(fā)生不同程度的沉降。

2.2 下穿布吉河及布吉河橋風(fēng)險(xiǎn)分析

布吉河橋是城市主干路，位于濱河大道，全長(zhǎng)為70.55 m。橋梁上部采用等截面預(yù)制簡(jiǎn)直T梁，一共29片梁，均為橫向布置，左幅16片，右幅13片，腹板為普通的鋼筋混凝土。在施工過(guò)程中，隧道需要穿越該河段。

根據(jù)橋樁和盾構(gòu)的相對(duì)位置可知，隧道直接穿越西側(cè)橋樁和東側(cè)部分橋樁，橋樁底部距離隧道較近，施工過(guò)程面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。布吉河橋橋樁、箱涵和盾構(gòu)隧道相對(duì)位置見(jiàn)圖2。

隧道穿越布吉河及布吉河橋時(shí)，面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)引起西側(cè)橋臺(tái)樁基處隧道拱頂?shù)貙映两?，布吉河橋臺(tái)樁基礎(chǔ)所在位置河床面地表沉降，施工過(guò)程中布吉河橋基礎(chǔ)承臺(tái)會(huì)發(fā)生沉降、隆起、傾斜。

圖2 布吉河橋橋樁、箱涵和盾構(gòu)隧道相對(duì)位置

2.3 盾構(gòu)隧道穿越繁華區(qū)施工主要風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)深圳市春風(fēng)隧道的實(shí)際情況、評(píng)價(jià)需達(dá)到的目標(biāo)、現(xiàn)有資料并結(jié)合對(duì)隧道重要節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)盾構(gòu)隧道穿越繁華區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)從設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)、掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行考慮。

(1)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)：盾構(gòu)選型風(fēng)險(xiǎn)、刀盤(pán)刀頭磨損、盾構(gòu)機(jī)械故障、盾尾密封系統(tǒng)失效。

(2)進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)：洞口土體坍塌流失、施工軸線偏差過(guò)大、盾構(gòu)后靠支撐發(fā)生位移及變形。

(3)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)：開(kāi)挖面失穩(wěn)、盾構(gòu)軸線偏離、淺覆土冒頂透水、隧道上浮。

(4)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：地表絕對(duì)沉降或差異沉降超出限值、建(構(gòu))筑物出現(xiàn)裂縫或破壞、地下管線變形開(kāi)裂。

3 隧道盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)

3.1 隧道盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)匹茨堡大學(xué)教授SAATY提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。該方法是將復(fù)雜的系統(tǒng)拆分成多個(gè)遞階層次，基于各個(gè)層次進(jìn)行定性定量分析與評(píng)價(jià)[10]。

春風(fēng)隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)從設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)、掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行考慮，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3。

圖3 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣因素共有5個(gè)，A層對(duì)B層1個(gè)記為A1，B層對(duì)C層4個(gè)記為B1，B2，B3，B4。有很多種標(biāo)度方法可以標(biāo)度判斷矩陣中各元素的數(shù)值，通常我們采用1～9標(biāo)度法確定，判斷矩陣如下

3.3 層次總排序

依據(jù)層次分析原理進(jìn)行指標(biāo)層相對(duì)目標(biāo)層組合權(quán)重的計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)層各因素權(quán)重

續(xù)表1

由表1可知，組合權(quán)重最大值為0.211，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)源為盾構(gòu)軸線偏移，施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控；其次為0.139，0.132，分別對(duì)應(yīng)建(筑)物出現(xiàn)裂隙或破壞、盾構(gòu)選型和開(kāi)挖面失穩(wěn)等因素；組合權(quán)重最小值為0.015，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)源為盾構(gòu)后靠支撐發(fā)生位移及變形。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)控制

(1)針對(duì)施工中存在的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，選擇泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，適當(dāng)配置滾刀和刮刀；適當(dāng)配置常壓可更換刀具，采用耐磨刀具；盾尾配置兩道密封鋼絲刷，定期檢查維修盾構(gòu)機(jī)械。

(2)針對(duì)施工中存在的進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)出洞口支護(hù)措施，避免洞口土體發(fā)生坍塌；加強(qiáng)對(duì)于施工軸線的實(shí)時(shí)測(cè)量，使得軸線不發(fā)生偏移；及時(shí)固定盾構(gòu)后靠支撐。

(3)針對(duì)施工影響較大的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格控制每一個(gè)循環(huán)的掘削量，做到泥水倉(cāng)壓力和注漿的同步管理，在施工過(guò)程中，充分利用各種地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防；采用先進(jìn)的高精度盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)。

(4)針對(duì)施工中存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地表沉降風(fēng)險(xiǎn)大的部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在盾構(gòu)機(jī)下穿寶安立交橋前15 m處，全面檢修盾構(gòu)機(jī)；由于布吉河下方地層為較軟弱的風(fēng)化層，在這種地層條件下長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)更換刀具的風(fēng)險(xiǎn)性較大，因此盾構(gòu)掘進(jìn)至穿樁前距離橋樁大約50 m處時(shí)，停機(jī)進(jìn)行全面檢修，對(duì)盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備檢查和保養(yǎng)；下穿布吉河及布吉河橋段的施工控制應(yīng)該遵循“保泥壓、防堵塞、嚴(yán)同步、緊密封、不停機(jī)”基本原則。

4 結(jié)論

(1)從隧道施工安全管理的角度出發(fā)，建立了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重評(píng)價(jià)體系，通過(guò)權(quán)重的大小判斷風(fēng)險(xiǎn)的大小，從而確定影響盾構(gòu)隧道施工安全的主要因素，為隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一定的理論依據(jù)。

(2)層次分析法可以比較客觀、綜合地考慮影響隧道施工的各種因素，并進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，使用該方法可以快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)，可以為防范措施的制定提供參考，避免事故的發(fā)生。

(3)針對(duì)施工過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)提出對(duì)策措施，解決施工中存在的重難點(diǎn)，便于形成隧道施工成套技術(shù)，為后期隧道建設(shè)積累施工經(jīng)驗(yàn)。