周行人,王飛龍

(1.湖南省路橋建設(shè)集團(tuán)公司,湖南長沙410000;2.長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司,湖南長沙 410075)

過江盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險評估＊

周行人1,王飛龍2

(1.湖南省路橋建設(shè)集團(tuán)公司,湖南長沙410000;2.長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司,湖南長沙 410075)

水下盾構(gòu)隧道由于地質(zhì)條件的復(fù)雜以及不可預(yù)見性,其施工安全和風(fēng)險評估已成為地下工程研究領(lǐng)域的前沿課題之一。本文以某過江盾構(gòu)隧道為例,進(jìn)行了施工風(fēng)險因素辨識、施工風(fēng)險評價、風(fēng)險事故發(fā)生概率及后果分析,探討了明挖基底場地液化或軟土震陷風(fēng)險、基坑失穩(wěn)風(fēng)險、盾構(gòu)機(jī)械故障風(fēng)險、施工操作風(fēng)險和施工環(huán)境風(fēng)險,并選用R=P×C定級法來綜合考慮風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險后果,得到了過江盾構(gòu)隧道施工安全的各種風(fēng)險評價指標(biāo),為類似的盾構(gòu)隧道工程的施工安全管理與風(fēng)險評價提供了參考和經(jīng)驗。

過江隧道;盾構(gòu);安全;風(fēng)險;評估

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大型盾構(gòu)隧道施工已進(jìn)入空前發(fā)展階段。盾構(gòu)隧道作為地下水下特殊的暗挖掘進(jìn)工程專業(yè)施工,加之地質(zhì)條件極其復(fù)雜性和不可完全預(yù)見性,施工安全和風(fēng)險極高,危險性也極大,其風(fēng)險產(chǎn)生的后果異常嚴(yán)重。因此,必須引起建設(shè)管理者的高度重視和防范。

本文以某過江盾構(gòu)隧道為例,評估了其施工安全風(fēng)險。該工程范圍全長10800m,其中引道敞開段長563m,明挖暗埋段(含緩沖結(jié)構(gòu))長914m,盾構(gòu)段9277m,工作井段長46m。盾構(gòu)隧道段結(jié)構(gòu)內(nèi)徑9.8m,外徑10.8m,采用“7+1”分塊方式的通用楔形環(huán)鋼筋混凝土單層管片襯砌。全隧道共設(shè)置左右線之間的聯(lián)絡(luò)橫通道25處,其中盾構(gòu)段21處(含人行橫通道19處、通信基站橫通道2處)。盾構(gòu)段采用四臺泥水平衡式盾構(gòu)施工,總工期41個月。

一、隧道施工風(fēng)險因素辨識

風(fēng)險識別又稱風(fēng)險辨識,其主要任務(wù)是找出風(fēng)險之所在及引起風(fēng)險的主要因素,并對后果作出定性的分析?？梢婏L(fēng)險識別是風(fēng)險分析中最基本、最重要的階段。該隧道的施工風(fēng)險包括工作井及明挖隧道施工風(fēng)險、盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險。

(一)工作井及明挖隧道施工

工作井及明挖隧道施工風(fēng)險主要來自支護(hù)工程,內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工,基坑變形、位移計算和技術(shù)措施等三個方面。

1.明挖基底砂土液化或軟土震陷風(fēng)險

進(jìn)口段基坑側(cè)壁土層為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂及粉質(zhì)粘土,土質(zhì)較軟,路基下部砂層地下水豐富,具承壓性質(zhì);出口段明挖段基坑側(cè)壁地層主要有為人工填土層、海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土層、沖積粉質(zhì)粘土層和砂層,基坑底板之下大部分地段為沖積砂層,局部為沖積粉質(zhì)粘土層,下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中砂層地下水豐富,側(cè)壁及地基土層軟弱。由于明挖段基底為砂土、淤泥或淤泥質(zhì)土,在7度地震情況下可發(fā)生砂土液化或發(fā)生軟土震陷。

2.工作井施工坍方風(fēng)險

該隧道進(jìn)口工作井地段地質(zhì)為細(xì)中砂、粗砂、礫砂,工作井下部砂層地下水豐富(具強(qiáng)透水性,位于強(qiáng)富水區(qū)),施工時需降水處理;出口工作井基坑側(cè)壁上部土層為淤泥層、粉質(zhì)粘土層、粉細(xì)砂層,工作井底部為砂層及淤泥質(zhì)土層,其中砂層地下水豐富,側(cè)壁土層強(qiáng)度較低,自穩(wěn)能力差(具強(qiáng)透水性,位于強(qiáng)富水區(qū))。

(二)盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險

施工風(fēng)險中盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險主要來自盾構(gòu)機(jī)械、人工操作、施工環(huán)境等幾個方面。

1.盾構(gòu)機(jī)械風(fēng)險

盾構(gòu)機(jī)械的適應(yīng)性和使用性能將對工程建設(shè)造成重大影響,不僅影響施工效率、工程成本,還關(guān)系到隧道能否成功貫通。

(1)大刀盤、刀頭磨損

長距離施工導(dǎo)致大刀盤、刀頭磨損較大、無法正常推進(jìn);由于地層介質(zhì)的變化,使得刀頭每間隔一定距離由于高度磨損變平需要更換。

(2)泥漿泵及管路磨損、堵塞

排出泥漿中砂石成分對泥漿泵及排送管路的磨損,致使刀盤切削的土體無法正常排出。

(3)主軸承磨損,密封件防水失效

由于長距離推進(jìn)導(dǎo)致主軸承磨損,密封件防水失效,密封倉內(nèi)泥漿向盾構(gòu)機(jī)內(nèi)滲漏,不能保證工作面土壓力。

(4)盾尾密封失效

盾尾密封系統(tǒng)不可靠或長時間磨損,導(dǎo)致周邊水土流失,盾構(gòu)機(jī)內(nèi)涌水或沉陷。

(5)鉸結(jié)(轉(zhuǎn)向)密封

鉸結(jié)(轉(zhuǎn)向)密封裝置失效,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)內(nèi)漏水、漏砂。

(6)液壓推進(jìn)系統(tǒng)漏油

液壓推進(jìn)系統(tǒng)漏油,無法提供正常的推力或?qū)е露軜?gòu)后退。

(7)注漿管路堵塞

注漿管路由于漿液硬化等原因堵塞,使注漿無法正常進(jìn)行。

2.施工操作風(fēng)險

(1)工作井的結(jié)構(gòu)和支護(hù)不當(dāng),將產(chǎn)生過大的變形甚至基坑失穩(wěn),土體坍塌,盾構(gòu)機(jī)被掩埋。

(2)盾構(gòu)始發(fā)時姿態(tài)控制不良,導(dǎo)致管片拼裝質(zhì)量不過關(guān)。

(3)高水壓下長距離施工及換刀及開倉,掘進(jìn)中途設(shè)備檢修和更換刀具風(fēng)險極大。

(4)土倉壓力選擇不當(dāng),致使前方地表產(chǎn)生較大的隆起或沉陷。

(5)盾構(gòu)施工過程中,軸線控制不當(dāng)導(dǎo)致隧道軸線標(biāo)高偏離設(shè)計線路過多或左右偏差過大,影響隧道的使用。隧道距離很長時,如果在推進(jìn)過程中軸線控制不好,在進(jìn)洞時,很可能會偏離目標(biāo)井較大。

(6)盾構(gòu)在進(jìn)洞或?qū)訒r由于軸線偏差較大,又不具有足夠的糾偏距離,使得盾構(gòu)機(jī)偏離目標(biāo)井或?qū)渝e位。

(7)更換盾尾密封裝置時防止涌水措施不當(dāng)導(dǎo)致盾構(gòu)內(nèi)水淹或沉陷。

(8)千斤頂?shù)呐渲貌缓侠硎构芷菀桩a(chǎn)生裂縫。

3.施工環(huán)境風(fēng)險因素

(1)工作面前方遭遇流砂或發(fā)生管涌,盾構(gòu)機(jī)將發(fā)生磕頭或突沉。

(2)工作面前方出現(xiàn)地層空洞(氣囊、透鏡體等),根據(jù)空洞方位不同將產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)沉陷、軸線偏移以及隧道冒頂?shù)葒?yán)重事故。

(3)推進(jìn)過程中出現(xiàn)超淺覆土將導(dǎo)致通透、冒頂、江水回灌,泥水冒溢嚴(yán)重事故。

(4)承壓水引起突然涌水回灌,盾構(gòu)正面大面積塌方,致使盾構(gòu)機(jī)被淹。

(5)掌子面巖性明顯差異、上下軟硬差距明顯,盾構(gòu)在江底掘進(jìn)通過時,拱頂松軟的砂層易坍方冒頂、與江水連通而造成嚴(yán)重后果。

4.施工風(fēng)險總表

隧道內(nèi)的施工風(fēng)險很多,本文主要基于以下三個原則對這些風(fēng)險進(jìn)行了篩選和歸并。

(1)風(fēng)險較易發(fā)現(xiàn),通過措施可以有效控制的,不作為風(fēng)險事故進(jìn)行分析。

(2)事故發(fā)生概率較小,并且無災(zāi)難性后果的風(fēng)險因素,不作為研究重點。

(3)區(qū)分風(fēng)險因素中的原因和后果,將風(fēng)險后果相近的進(jìn)行歸并,將原因相近的分為一類。

根據(jù)以上原則,本文選擇為研究對象的風(fēng)險事故見表1。

表1 施工風(fēng)險總表

二、隧道施工風(fēng)險評價

(一)評價方法

評價方法選用R=P×C定級法。R=P×C定級法是綜合考慮風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險后果,給風(fēng)險定級的一種方法,其中,R表示風(fēng)險;P表示風(fēng)險因素發(fā)生的概率;C表示風(fēng)險因素發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果。P×C不是簡單意義的相乘,而是表示風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險因素產(chǎn)生后果的級別的組合。R=P×C定級法是一種定性與定量相結(jié)合的方法,采用此法對建設(shè)工程項目風(fēng)險因素實施定級步驟如下:

(1)找出工程項目存在的各種主要風(fēng)險因素。

(2)根據(jù)實際情況,并借鑒以往類似建設(shè)工程項目風(fēng)險管理的經(jīng)驗,分析各個風(fēng)險因素的發(fā)生概率,得出發(fā)生概率P。

(3)根據(jù)發(fā)生后可能產(chǎn)生的后果,對人、環(huán)境和工程項目本身造成影響的程度,采用定量計算的方法給這些風(fēng)險因素劃分后果等級;一般劃分為5個等級(災(zāi)難性、重大、嚴(yán)重、中等、輕微),通過定量計算確定各個風(fēng)險因素的后果等級C。

(4)最后綜合風(fēng)險因素的影響程度等級C和其發(fā)生的概率P,將兩者組合起來,參照R=P×C定級方法的風(fēng)險評估矩陣,確定各個風(fēng)險因素的等級并制定不同的方案,用比較合理的措施實施風(fēng)險管理和風(fēng)險控制。

(二)風(fēng)險概率及后果分級

應(yīng)該根據(jù)已建立的適合工程范圍的分級系統(tǒng)對每種風(fēng)險評價其發(fā)生概率和后果的嚴(yán)重程度。同時也要在此基礎(chǔ)上建立風(fēng)險分級系統(tǒng),給出風(fēng)險的級別,繼而根據(jù)風(fēng)險水平指出應(yīng)采取的措施。

風(fēng)險概率和后果應(yīng)該根據(jù)風(fēng)險目標(biāo)和工程確定的可接受風(fēng)險指標(biāo)構(gòu)建。

根據(jù)國際隧協(xié)(ITA)制定的《隧道風(fēng)險管理指南》,根據(jù)該隧道的工程實際情況,將風(fēng)險概率和風(fēng)險后果的分級標(biāo)準(zhǔn)列于表2和表3。

表2 風(fēng)險概率分級表

風(fēng)險后果可按照成本增加、工程延誤或人員傷亡等指標(biāo)評定衡量。成本增加的等級劃分是在“隧道施工風(fēng)險管理指南”給定參考值的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實際投資額(約30億元)確定。

表3 風(fēng)險后果分級表

采用風(fēng)險矩陣對風(fēng)險發(fā)生概率和后果進(jìn)行組合相乘,得到風(fēng)險等級見表4。

表4 風(fēng)險等級矩陣

三、風(fēng)險事故發(fā)生概率及后果分析

(一)明挖基底場地液化或軟土震陷風(fēng)險分析

根據(jù)地質(zhì)報告,珠江西岸場地液化等級綜合評定為中等,故其風(fēng)險概率和后果均取為3級。另外,在Ⅶ度地震影響下,容易產(chǎn)生軟土震陷現(xiàn)象。由于施工期內(nèi)發(fā)生地震的可能性極小,故僅考慮明挖場地液化風(fēng)險。

(二)基坑失穩(wěn)分析

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-99)中規(guī)定,基坑側(cè)壁的安全等級分為三級(表5),不同等級采用相應(yīng)的重要性系數(shù)γ。

表5 基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)

該隧道盾構(gòu)工作井及明挖隧道長約120m、寬約49m、深約25m,此處地層非常軟弱、透水性很強(qiáng),地下水位高而且存在承壓水,屬于規(guī)模較大、水文地質(zhì)條件非常惡劣的深基坑工程,其安全等級為一級。

(1)基坑失穩(wěn)概率

基坑失穩(wěn)的廣義模糊失穩(wěn)概率為:

根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)代入式中,得到坑底隆起失穩(wěn)的模糊概率約為2.493%。根據(jù)風(fēng)險概率分級指標(biāo),應(yīng)為3級。

(2)基坑失穩(wěn)后果

基坑失穩(wěn)將危及人的生命,根據(jù)一般基坑內(nèi)工作的人數(shù),將其風(fēng)險后果定為5級。

(三)盾構(gòu)機(jī)械故障風(fēng)險分析

根據(jù)專家經(jīng)驗及調(diào)查資料,盾構(gòu)機(jī)械故障各風(fēng)險發(fā)生的概率和后果見表6。表中風(fēng)險后果以直接費用損失為依據(jù),用單項風(fēng)險事故損失占工程投資的百分比表示。

表6 盾構(gòu)機(jī)械故障風(fēng)險發(fā)生的概率和后果

(四)施工操作風(fēng)險分析

該工程中,施工操作風(fēng)險分析見表7。

表7 施工操作風(fēng)險分析表

(五)施工環(huán)境風(fēng)險分析

根據(jù)地質(zhì)資料,掌子面巖性軟硬差距主要在D IK42+250～D IK42+550段,地質(zhì)狀況從粗砂巖變?yōu)榉奂?xì)砂、中粗砂,該段總長度約為整個盾構(gòu)施工段的3.75%,如果以掘進(jìn)1km更換刀具計,則由于該段地質(zhì)軟硬差異引起的刀具更換,帶來的施工延誤約為9天。所以可近似認(rèn)為掌子面巖性軟硬差距風(fēng)險因素發(fā)生的概率為3.75%,風(fēng)險后果為延誤工期約9天。

表8 施工環(huán)境風(fēng)險分析表

四、施工風(fēng)險評價總表與結(jié)論

根據(jù)以上分析和探討,該隧道工程施工的風(fēng)險評價總表見表9。

從各項風(fēng)險的等級可看出,盾構(gòu)內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險可忽略;管片裂損、盾構(gòu)機(jī)位置不當(dāng)兩項風(fēng)險可接受,但在工程中應(yīng)加強(qiáng)管理;其他各項風(fēng)險都應(yīng)該采取措施降低風(fēng)險水平。

表9 施工風(fēng)險評價總表

[1]盛繼亮.建設(shè)項目風(fēng)險與保險研究[D].武漢:武漢大學(xué),2003.

[2]邊亦海,黃宏偉,高軍.可靠度理論在確定隧道襯砌合理參數(shù)中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2005,1(1):129-132.

[3]同濟(jì)大學(xué).崇明越江通道工程風(fēng)險分析研究總報告[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2002.

[4]李林,李樹壓,王道平.基于風(fēng)險分析的項目工期的估算方法研究[J].系統(tǒng)工程,2001,(9):77-81.

[5]胡宣達(dá),沈厚才.風(fēng)險管理學(xué)基礎(chǔ)——數(shù)理方法[M].南京:東南大學(xué)出版社,2001.

[6]洪錫熙.風(fēng)險管理[M].廣州:暨南大學(xué)出版社,1999.

[7]許樹柏.層次分析法原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,1998.

[8]徐鐘濟(jì).蒙特卡羅方法[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1985.

[9]張乃堯,閻平凡.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[10]蔣宗禮.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,2003.

2010-04-20

周行人(1964-),男,湖南臨湘人,工程師。