施瑾偉，王學軍

(1.中交二航三公司，江蘇南通212000;2.重慶交通大學河海學院，重慶400074)

隧道工程與其他工程項目相比，具有隱蔽性、復(fù)雜性和不確定性等突出特點，投資風險大，無論是設(shè)計、施工、決策都會遇到很多困難和障礙。尤其是過江隧道，如果不考慮其施工風險及對應(yīng)措施，很容易發(fā)生重大事故，從而對社會造成重大損失和負面影響。

由于我國的隧道工程研究和實踐時間都比較短，對隧道工程的風險分析研究還屬于發(fā)展階段。因此，風險分析在隧道工程中的應(yīng)用研究還比較少。但是，隨著我國軌道交通的發(fā)展，以及發(fā)展西部地區(qū)所遇到的隧道建設(shè)問題，使得這一領(lǐng)域受到了前所未有的關(guān)注和發(fā)展。

1 工程概況

1.1 南京長江隧道簡介

南京長江隧道工程盾構(gòu)隧道設(shè)計為雙向6車道，其中左線盾構(gòu)隧道長3 022 m，右線盾構(gòu)隧道全長3 015 m。隧道采用兩臺直徑為14.93 m泥水盾構(gòu)，由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越江面寬度約2 600 m，高水位多年平均值8.37 m，最大水深約28.8 m。隧道主要穿越段地質(zhì)分布有:上部為填土和第四系全新統(tǒng)沖淤積流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等，中部為第四系全新統(tǒng)中密～密實粉細砂組成，下部為上更新統(tǒng)密實狀礫砂、圓礫等;部分地段有極少強風化粉砂質(zhì)泥巖分布。其中穿越礫砂、圓礫地層施工地段占整個隧道長度的43.8%，該地層具有上軟下硬、軟硬不均、透水性強、施工難度大等特點，而粉細沙層部分地段呈液化狀態(tài)，極易導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，造成塌方，并對同步注漿造成很大困難。

1.3 盾構(gòu)穿越底層情況

盾構(gòu)穿越的礫砂圓礫復(fù)合地層共分4個不同地質(zhì)段落，總長1 325 m(K4+650～K5+975)。

第1段落從K4+650～K5+066，長416 m，該地段包括8層中密粉細砂(青灰色，飽和，中密，局部密實，顆粒級配不良，主要礦物成份為石英、長石、云母等，不均勻，石英平均含量達39.43%，滲透系數(shù)6E-03)和10層礫砂(雜色，飽和，密實，顆粒級配好，主要礦物成份為石英、長石等，石英平均含量達67.09%，偶見白色小螺殼，礫石呈亞圓狀～棱角狀，粒徑3～20 mm，局部見少量卵石，一般20～50 mm，少量大于110 mm，多數(shù)地段分布在掘進斷面中下部，部分地段為全斷面分布，滲透系數(shù)3E-02，屬于強透水地層)。

第2段落從K5+066～K5+524，長458 m，該地段包括8層中密粉細砂、10層礫砂和13層圓礫(灰色，密實，礫石粒徑 1～2 cm。卵石，粒徑一般20～50 mm，少量大于 110 mm，呈次圓狀，含量約10% ～30%，局部達40%，成分由石英及燧石組成，石英平均含量達72.67%，充填物為粉細砂、礫砂等，分布在掘進斷面的下部，滲透系數(shù)5E-02，屬于強透水地層);該段落對刀具的磨損非常嚴重，右線盾構(gòu)機即是在該地層的掘進中刀盤磨損嚴重而受阻達6個月。

第3段落從K5+524 ～ K5+630，長106 m，該地段包括8層粉細砂、10層礫砂、12層粉細砂、15-1層強風化鈣質(zhì)泥巖(已風化成密實砂土狀、碎石狀，分布少量。該地層對掘進的影響也很嚴重，主要表現(xiàn)為:刀具磨損嚴重;刀盤容易結(jié)泥餅;泥水管路容易堵塞;篩分效果差;泥水指標下降速度快等。

第4段落從K5+630 ～ K5+975，長345 m，該地段包括8層粉細砂、10層礫砂、12層粉細砂、13層圓礫。

2 盾構(gòu)法施工在過江隧道中風險分析

本工程采用的泥水盾構(gòu)直徑達到14.96 m，為目前世界上特大的盾構(gòu)隧道之一;場區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件差，水頭壓力高;江中河床在沖刷線處存在著淺埋的情況;江北盾構(gòu)區(qū)間江岸岸堤處有鐵道線路這樣的變形敏感地物等這樣的復(fù)雜條件。這些都是本工程所必須面對的較易發(fā)生事故的風險源。因此很有必要在此基礎(chǔ)上進行風險分析。

2.1 盾構(gòu)進出工作井施工風險

盾構(gòu)進出工作井階段的風險主要包括:盾構(gòu)機械的吊裝和拼裝、盾構(gòu)出發(fā)、盾構(gòu)到達和臨時工程和設(shè)備等4部分風險事故。盾構(gòu)進出工作井風險事故及可能原因分析如下。

2.1.1 盾構(gòu)機械的吊裝和拼裝事故

由于采用大直徑盾構(gòu)，機械只能分塊吊裝后在工作井內(nèi)拼裝，且拼裝需要相當一段時間。由于拼裝時間較長，在此階段可能遭遇暴雨或特大暴雨等災(zāi)害性天氣，同時未做好工作井的排水工作造成事故的發(fā)生。南京地鐵施工時曾發(fā)生過類似案例。

發(fā)生此類事故的原因還可能是現(xiàn)場管理混亂，未按圖紙要求安裝，設(shè)備吊裝過程中指揮不當，施工人員安全意識淡薄等。

2.1.2 盾構(gòu)出發(fā)事故

在鑿開工作面時，可能由于凍結(jié)失效引起工作面漏漿，泥水進洞;由于采用大直徑盾構(gòu)，工作面鑿開后土壓力非常大。盾構(gòu)機械可能由于土壓力過大而無法正常推進，甚至可能由于逆向推力過大導(dǎo)致盾構(gòu)后退，引起事故的發(fā)生;在盾構(gòu)機械進去到一定程度以后，由于采用大直徑盾構(gòu)，開挖土體量非常大，開挖土體量大于上覆土體量時盾構(gòu)隧道可能上浮。

分析發(fā)生此類事故的原因可能是臨時擋土墻拆除不當，地層加固不當、止水帷幕失效，導(dǎo)口墊圈密封失效，反力裝置施工質(zhì)量差，盾構(gòu)姿態(tài)控制不當和軸線控制不當。

2.1.3 盾構(gòu)到達事故

發(fā)生此類事故的主要原因是臨時擋土墻拆除不當，地層加固不當、止水帷幕失效，盾構(gòu)到達時推力和掘進速度不當，盾構(gòu)姿態(tài)控制不當和軸線控制不當?shù)取?/p>

2.1.4 臨時工程和設(shè)備的拆除事故

發(fā)生此事故的原因大多是現(xiàn)場管理混亂，施工工序不當，施工人員安全意識淡薄等。

2.2 盾構(gòu)穿越江中段風險

江底隧道覆土厚度淺，北線隧道局部覆土厚度只有0.6D，盾構(gòu)穿越江中段風險主要包括:主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物;淺覆土，高水壓，粉砂層產(chǎn)生開挖面冒頂事故;盾尾注漿冒漿密封失效引起涌水涌砂事故;隧道整體上浮;高水壓管片接縫的滲漏水事故。盾構(gòu)穿越江中段風險事故及可能原因分析如下。

2.2.1 盾構(gòu)機前方遇有主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物事故

由于地質(zhì)以及歷史等等原因，盾構(gòu)機穿越江中段時，前方有可能遇有主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物。地下障礙物的存在會給盾構(gòu)機的正常推進帶來不利影響:首先導(dǎo)致可能引起刀盤磨損，從而不能正常開挖，影響工期。而更換刀盤不僅耗費不必要的資金，而且由于地下隧道特殊的條件，使刀盤更換難度增加，耗費不少時間;其次，障礙物可能致使扭矩突然增大，導(dǎo)致主軸承斷裂，機器癱瘓。地下障礙物主要有沉船、透鏡體、木樁、拋石、防洪堤、管線等。發(fā)生此類事故的原因可能是地質(zhì)勘探不完全反映穿越地層以及歷史上的資料收集不完整等。

2.2.2 淺覆土，高水壓，粉砂層產(chǎn)生開挖面冒頂事故

一般來說，越江盾構(gòu)隧道在江中段時，覆土較淺，水壓較大，碰到不良地質(zhì)條件如支護壓力設(shè)置不當，極易發(fā)生開挖面的失穩(wěn)事故。

2.2.3 隧道整體上浮

越江盾構(gòu)隧道在江中段時，覆土較淺，水壓較大，根據(jù)上海以往越江隧道的建筑經(jīng)驗來看，隧道整體上浮的可能性較大，因此要防止上浮量過大。

2.2.4 盾尾注漿冒漿密封失效引起涌水涌砂事故

盾構(gòu)穿越江中段時，如盾尾注漿壓力不足，注漿量過少時，易發(fā)生上覆土坍塌，引起涌水涌砂事故;反之，如果注漿壓力過大，也可能發(fā)生冒漿密封失效引起涌水涌砂事故。

2.2.5 高水壓管片接縫的滲漏水事故

盾構(gòu)穿越江中段時，若管片接縫的防水施工質(zhì)量不良，易發(fā)生滲漏水事故。

2.3 超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風險

超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風險主要包括:泥水壓力過小引起的開挖面坍塌失穩(wěn)和泥水壓力過大引起開挖面隆起失穩(wěn)。其風險事故及可能原因分析如下:

1)支護壓力過小導(dǎo)致開挖面前方土體大量進入泥水艙，引起地基發(fā)生過大沉降，甚至地表坍塌。

2)支護壓力過大，則容易產(chǎn)生地表隆起，如果處于江底，開挖面土體失穩(wěn)有可能產(chǎn)生溝通隧道與江水的水力通道，造成江水回灌和淹沒隧道。

2.4 管片密封事故風險

管片密封事故風險主要是管片密封失效，其事故及可能原因分析為:管片密封失效致使管片接頭處漏水漏漿，在承壓水作用下，將導(dǎo)致隧道內(nèi)突然涌水，及引起過大的地表沉陷。

2.5 施工中地層移動風險

施工中地層移動風險事故及可能原因分析如下。

2.5.1 盾構(gòu)到達前的變位

在盾構(gòu)的掘進過程中，由于開挖面涌水、管片拼裝不良等種種原因引起地下水位降低，從而引起開挖斷面之前相當距離的觀測點的沉降。

2.5.2 盾構(gòu)到達時的地層變位

這種地層變位是在開挖面靠近觀測點并達到觀測點下方這個過程中所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象，是因為土體的應(yīng)力釋放或盾構(gòu)開挖面的反向土壓力、盾構(gòu)機周圍的摩擦力等作用產(chǎn)生的地層變位。

2.5.3 盾構(gòu)通過時的地層變位

這種地層變位是因為由于盾構(gòu)機的通過破壞了原來的土體的狀態(tài)，造成了土體的擾動所致。

2.5.4 盾尾通過后瞬間的地層變位

由于盾尾間隙的存在，上方及周圍土體應(yīng)力釋放，引發(fā)了土體的塑形變形，從而產(chǎn)生了較大的地層變位。

2.5.5 地層后期固結(jié)變位

在軟土地區(qū)，相當長的一段時間內(nèi)，盾構(gòu)機過后擾動的土體將繼續(xù)發(fā)生固結(jié)沉降及蠕變沉降，產(chǎn)生了后期變位。

2.6 盾尾凍結(jié)法施工風險

盾尾凍結(jié)法施工風險事故及可能原因分析如下:

2.6.1 造成盾構(gòu)機變位

凍結(jié)過程中盾構(gòu)機受凍土力的作用，可能會發(fā)生盾構(gòu)機的變形從而造成隧道橫向斷面變形，從而影響隧道的橢圓度。

2.6.2 造成管片環(huán)開裂

凍結(jié)過程中盾構(gòu)機受凍土力的作用，由于隧道橫向斷面變形，隧道管片受壓過大可能發(fā)生開裂情況。

2.6.3 凍結(jié)儀器故障造成凍結(jié)效果降低

可能發(fā)生突然斷電、冷凍液斷貨或備料不足、冷凍液質(zhì)量問題及溫度表失靈等。

2.6.4 解凍階段施工風險

一方面，解凍會引起地基變形，造成地面沉降和地下管線受損。另一方面，隧道會在凍漲之后發(fā)生回縮變形從而導(dǎo)致滲漏水。

3 風險應(yīng)對措施

3.1 盾構(gòu)進出工作井施工風險應(yīng)對措施

1)嚴格按地下工程防水施工驗收規(guī)范標準要求施工。

2)加強工作井的降水、排水措施。

3)在洞口及進洞一定范圍內(nèi)進行凍結(jié)加固，保證凍結(jié)質(zhì)量。

4)施工時，以車站結(jié)構(gòu)中的兩端頭井作為盾構(gòu)的出發(fā)井及接收井，推進前需設(shè)置可靠的臨時支座來承受盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏Γ軜?gòu)進出工作井時應(yīng)采用地基加固等可靠的輔助措施;

5)盾構(gòu)機要有可靠的軸線定位系統(tǒng)，如:激光導(dǎo)向，陀螺儀定位系統(tǒng)?？煽康牡孛嫒蔷W(wǎng)及井下引進導(dǎo)線系統(tǒng)，每隔一定距離設(shè)吊架(欄)對軸線跟進測量。每環(huán)襯砌測量與設(shè)計軸線的偏差。發(fā)現(xiàn)偏差及時緩慢糾偏。測量儀器有全站儀和水準儀，特點是精度高，需要經(jīng)常校驗。

3.2 盾構(gòu)穿越江中段風險應(yīng)對措施

1)加強地質(zhì)勘探，盡量反映地層的復(fù)雜性。

2)加強泥水倉壓力的監(jiān)測，確保開挖面穩(wěn)定。

3)確保管片拼裝質(zhì)量，保證防水良好。

4)保證同步注漿質(zhì)量，確定合理的注漿壓力與注漿量。

3.3 超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風險應(yīng)對措施

1)加強泥水質(zhì)量管理。

2)加強泥水倉壓力的監(jiān)測，確保開挖面穩(wěn)定。

3)對不同地質(zhì)條件，及時調(diào)整泥水壓力。

4)加強盾構(gòu)機停機狀態(tài)下的泥水管理。

3.4 管片密封事故風險應(yīng)對措施

1)管片拼裝人員必須經(jīng)過資質(zhì)培訓，持證上崗。

2)隧道襯砌拼裝成環(huán)應(yīng)按施工組織設(shè)計要求自下而上逐塊安裝，對底塊的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)有明確指令或圖表。

3)管片拼裝過程中，重點防止止水橡膠脫膠發(fā)生移位，應(yīng)采取有效措施加以防范，正確就位，必須執(zhí)行止水條不在位不拼裝要求。

4)對管片內(nèi)弧面上有剝落和開裂的砼，要求施工單位派專人及時加以修補。管片中注漿孔上“管堵”，不允許漏裝，在注漿施工完成后，也必須裝上，以避免“噴射”泥水。

3.5 盾尾凍結(jié)法施工風險應(yīng)對措施

1)根據(jù)不同的地質(zhì)條件設(shè)置合適的泥水支護壓力，確保開挖面的穩(wěn)定。

2)注漿及二次注漿可有效改善圍巖的物理力學性質(zhì);同時，土顆粒間的孔隙水壓密排出，空隙被漿液充分填充，土體抗剪強度及壓縮模量得到較大的提高。保證注漿及二次注漿質(zhì)量不僅可以控制累積沉降量，而且抑止地表沉降速率，使得地層變形很快趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

過江隧道在施工過程中本身就有著較高的施工風險，所以很有必要對此類隧道進行風險分析，通過風險分析，從本質(zhì)上了解風險產(chǎn)生的原因及可能造成的后果，從而進行風險的控制。

筆者根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件、施工工藝以及隧道穿越底層的情況，總結(jié)歸納相應(yīng)的風險，在風險分析中，根據(jù)風險可能發(fā)生的事故，分析其發(fā)生的原因，最后進行風險對應(yīng)措施分析。通過對南京過江隧道的風險及對應(yīng)措施分析，對以后類似工程的風險分析及控制有著重要的借鑒意義。

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