盧 浩，施燁輝，戎曉力

（中國人民解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，南京 210007）

1 前言

隨著城市地鐵隧道、越江跨海交通隧道、水利水電隧道、市政公用隧道的陸續(xù)建設(shè)和發(fā)展，隧道不時需要從江、河底下穿越，以滿足地下交通線路走向的需要[1，2]。21世紀(jì)以來，多個越江越河隧道工程相繼動工，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前我國列入計劃的僅長江流域的地鐵、公路等水下隧道就達(dá)20條以上。隨著盾構(gòu)技術(shù)日益完善，盾構(gòu)在世界隧道建設(shè)特別是水底隧道施工中已經(jīng)占據(jù)了主要的地位，并在歐、美、日等國家隧道得到了廣泛應(yīng)用[3]。面對穿越江河地區(qū)軟土土層的隧道工程，盾構(gòu)法以其機械化程度高、掘進速度快、周圍環(huán)境影響小、施工安全等優(yōu)勢，成為地下隧道建設(shè)的首選施工方法[4]。

然而即使采用機械化程度比較高的盾構(gòu)法施工，水下隧道依然存在很多安全隱患。由于水下隧道存在地下水豐富、水底地質(zhì)條件復(fù)雜以及地質(zhì)勘察的局限性等特點，難以掌握水底土層條件，比如隧道埋深的變化，由于河流、江水的沖擊作用，水底受到不斷的沖刷，就會造成埋深不斷變化，采用泥水盾構(gòu)法施工時就會給泥水壓力的設(shè)定增加難度。另外，由于盾構(gòu)機水下施工時客觀條件的限制，倘若設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重問題，將難以像在地面一樣進行相應(yīng)的處理，使得過江施工與平常施工面對的風(fēng)險和遇到的問題均有所不同。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者針對水下隧道施工安全風(fēng)險大的特點，做了很多風(fēng)險評估的工作[5～10]，對于推動水下隧道施工安全管理起到了很大的作用，然而這些風(fēng)險評估大都局限于定性的風(fēng)險評估，即對于識別出來的風(fēng)險采用專家調(diào)查法等方法進行風(fēng)險可能性及后果等級的判定，這種方法難以體現(xiàn)風(fēng)險的各個因素（或指標(biāo)）在對于風(fēng)險大小改變的作用。本文從水下隧道的特點出發(fā)，研究這些特點對于風(fēng)險大小的影響機理，結(jié)合工程實際，提出一種操作性強的風(fēng)險評估方法，并對水下隧道施工過程的動態(tài)控制提出合理的建議。

2 水下隧道施工的特點

2.1 隧道斷面大

由于水下隧道聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險大，設(shè)計大都選擇單圓雙線，采用大直徑盾構(gòu)（直徑大于10 m）施工，比如武漢長江越江隧道工程盾構(gòu)直徑11.5 m，上海長江口崇明越江隧道直徑15.43 m，南京緯七路過江隧道盾構(gòu)直徑15.4 m，南京地鐵3號線過江段盾構(gòu)直徑11.64 m，這些隧道采用盾構(gòu)機的直徑大于10 m。大直徑盾構(gòu)機施工中會帶來一系列的問題。

1）刀盤上下面的高差大，開挖面可能穿越多種土層，由于不同土層的物理力學(xué)參數(shù)等性質(zhì)各不相同，導(dǎo)致刀盤切削土層軟硬不均，使盾構(gòu)開挖面的泥水壓力、扭矩、千斤頂推力等參數(shù)控制困難大，且對施工中盾構(gòu)的操作和姿態(tài)控制難度更大。

2）開挖面極限支護應(yīng)力比增大，加大開挖面失穩(wěn)的可能性。

圖1為在一定的土體參數(shù)、地下水水位、埋深的情況下，開挖面極限支護應(yīng)力比隨隧道直徑改變而變化的曲線圖。由圖1可見，隨著直徑的增大，開挖面極限應(yīng)力支護比不斷增加，對泥水壓力的控制要求也越高，在相同的技術(shù)水平下，開挖面失穩(wěn)的可能性也會增大。

圖1 極限支護應(yīng)力比隨隧道直徑改變的變化圖Fig.1 Change curve of limit support stress ratio with the tunnel diameter

3）增大地表沉降的可能性。地表沉降預(yù)測常用peck公式

式（1）中，Vi為土體損失，不考慮超挖的情況下，土體損失主要考慮是盾構(gòu)機與管片之間的孔隙，由下面公式可得

式（2）中，D為盾構(gòu)機直徑，a為盾構(gòu)機直徑與管片外徑之差。由公式可以看出，隨著盾構(gòu)直徑的增加，土體損失量就會不斷增大，導(dǎo)致地表沉降量增大。

4）加大隧道上浮的可能性。水下隧道施工中，由于隧道管片處于地下水、漿液的包圍中，浮力作用可能導(dǎo)致隧道上浮，從管片的受力分析來看，浮力與管片自重重力之差越大，上浮的可能性就越大。對于單位長度的管片來說，浮力表示為，管片重力表示為（D為盾構(gòu)直徑，d為管片的厚度）。取ρ=1000 kg/m3，ρ管片=2450 kg/m3，d=0.3 m，可以得到浮力與重力之差與盾構(gòu)直徑之間的關(guān)系圖。由圖2可知，盾構(gòu)直徑越大，管片所受到的浮力越大，浮力與重力之間的差值也越大，繼而隧道上浮的可能性也會增大。

圖2 浮力與重力之差值與盾構(gòu)直徑之間的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between the diameter of shield and difference of buoyancy and gravity

5）增大刀具磨損。盾構(gòu)機直徑會影響刀具的磨損，刀具磨損經(jīng)驗公式

式（3）中，L為掘進距離；k為摩擦系數(shù)；n為刀盤轉(zhuǎn)速；D為刀具挖掘外徑；v為掘進速度。

從公式（3）可以看出，刀具磨損量與盾構(gòu)機直徑成正比，隨著盾構(gòu)機直徑的增大，地層對刀具的性能要求就越高。

2.2 長距離施工

除了大直徑的特點，水下隧道掘進距離一般都比較長，工程上一般將一次性掘進距離大于2 km稱為長距離掘進。而水下隧道由于其環(huán)境特點，掘進距離大都大于2 km，比如南京地鐵3、10號線過江段掘進距離都超過3km，南京緯七路過江隧道全長2932 m，上海長江隧道工程東線隧道長度為7471.65 m，江中段長度為6872.37 m；西線隧道長度為7469.36 m，其中江中段長度為6854.91 m。采用大直徑盾構(gòu)一次性超長距離推進，施工中盾構(gòu)的主軸承的耐磨與密封、刀具和盾尾密封刷等將面臨巨大的風(fēng)險。根據(jù)上述公式可知，刀具磨損與掘進距離成正比，隨著盾構(gòu)掘進距離的增大，盾尾密封刷的磨損也將不斷增大，在盾尾密封刷發(fā)生磨損或損壞以至于必須更換時，在水下隧道高水壓的作用環(huán)境下，盾構(gòu)的防水密封風(fēng)險較大，極有可能發(fā)生隧道內(nèi)大量進水的情況。

2.3 高水壓施工

水下隧道施工避免不了承受高水壓作用，南京地鐵3號線、10號線施工開挖面中需承受最高水壓達(dá)6 bar。高水壓施工就會帶來一系列的問題，比如開挖面的穩(wěn)定性，開挖面極限支護應(yīng)力比與江水深度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，隨著江水深度的不斷增加，開挖面極限支護應(yīng)力比不斷增大，對開挖面的泥水壓力控制要求也越高。

此外，高水壓還會對盾尾密封，管片接頭密封，主軸承密封提出更高的要求。

2.4 穿越大堤

水底隧道特別是城市過江隧道，不免要穿越大堤，由于過江大堤堤防工程大都由拋石護坡加固改造而成，其抗變形的能力比較差，對于施工控制要求比較高（文獻(xiàn)研究表明，大堤沉降控制在20 mm），并且大堤的重要性等級比較高，一旦受到破壞，后果將十分嚴(yán)重。

3 風(fēng)險辨識

根據(jù)風(fēng)險發(fā)生的對象不同，可以將風(fēng)險事件分為兩大類：自身風(fēng)險事件和環(huán)境風(fēng)險事件。同時，根據(jù)泥水盾構(gòu)隧道施工不同風(fēng)險事件發(fā)生的階段，又可以將風(fēng)險事件劃分為：盾構(gòu)始發(fā)階段、盾構(gòu)掘進階段和盾構(gòu)到達(dá)階段?？偨Y(jié)國內(nèi)外以往長大泥水盾構(gòu)隧道工程經(jīng)驗和事故案例，得出大型泥水盾構(gòu)隧道施工過程中可能存在的自身風(fēng)險事件如表1所示。

表1 自身風(fēng)險事件辨識表Table 1 The identification of risk events

4 風(fēng)險評估的方法

4.1 風(fēng)險評估方法介紹

風(fēng)險評估方法主要有定性風(fēng)險評估、定量風(fēng)險評估以及半定量的風(fēng)險評估方法3種，目前水下隧道施工安全風(fēng)險評估大都采用定性的分析方法[7～9]，多數(shù)文獻(xiàn)僅僅依據(jù)風(fēng)險等級劃分原則，直接評價出風(fēng)險發(fā)生的可能性等級以及后果等級。黃宏偉等[10，11]采用事故樹等定量的風(fēng)險評估方法進行評估，首先收集相關(guān)數(shù)據(jù)，得出事故樹基本事件的發(fā)生概率，再根據(jù)事故樹的計算方法得出頂事件的發(fā)生概率。無論是定性分析方法還是定量分析方法都在工程中得到了一定的應(yīng)用，為推動風(fēng)險管理的發(fā)展起到了一定的推動作用。但是從這些風(fēng)險評估方法在工程中應(yīng)用效果來看，在風(fēng)險評估與工程的結(jié)合、方法的可操作性等方面存在一些問題。

對于定性的風(fēng)險評估方法來說，存在以下幾個方面的不足：一是定性的分析方法往往采用專家調(diào)查法，邀請一些專家對風(fēng)險進行可能性等級以及后果等級的打分，然后對打分結(jié)果進行綜合而獲取，根據(jù)筆者的經(jīng)歷，即使邀請一批對該工程非常了解的專家進行打分，調(diào)查出來的結(jié)果也往往是很不收斂的，這樣綜合出來的結(jié)果可信性必然不強；其次，定性的風(fēng)險評估難以應(yīng)對風(fēng)險的動態(tài)變化，因為在施工的過程，有些風(fēng)險因素會隨著外界環(huán)境的變化而變化，比如過江隧道中江水水位的變化，江底地形的變化等，此時風(fēng)險事件的概率或后果也會隨之改變，如果變化在一定范圍內(nèi)，一般的定性分析方法對于這種改變難以及時調(diào)整。

對于現(xiàn)階段采用的定量風(fēng)險評估方法，2011年發(fā)布的《城市軌道交通地下工程建設(shè)安全風(fēng)險管理規(guī)范》[12]對風(fēng)險發(fā)生的概率等級進行劃分，劃分的依據(jù)是風(fēng)險發(fā)生真實概率的大小。然而在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：由于隧道與地下工程項目的風(fēng)險因素、影響范圍、發(fā)生機理及潛在的破壞機制及其破壞力錯綜復(fù)雜，用概率方法研究隧道與地下工程風(fēng)險問題時，很難判斷一個人為的概率分布假設(shè)是否合適，而且經(jīng)常會遇到小樣本問題，要想獲得事故發(fā)生的真實概率，是一項非常困難、幾乎是不可能完成的工作。這就使得定量風(fēng)險評估方法變得難以操作。

鑒于以上的分析，可以得出以下幾個結(jié)論。

1）風(fēng)險評估方法中必須要建立影響風(fēng)險事件的風(fēng)險指標(biāo)與風(fēng)險事件發(fā)生可能性之間的量化關(guān)系，這樣風(fēng)險評估才具有可操作性，并且對于風(fēng)險因素的變化，可以通過調(diào)整指標(biāo)的大小來實現(xiàn)對于風(fēng)險事件的影響。

2）鑒于風(fēng)險事件真實發(fā)生概率獲取的難度，風(fēng)險評估中避免不了有定性因素的存在，但是在風(fēng)險評估的過程中，有必要采取一些可行的措施去降低主觀因素帶來的不利影響，比如現(xiàn)有的研究成果、數(shù)值試驗、現(xiàn)場試驗分析驗證等。

3）風(fēng)險評估模型一定要結(jié)合現(xiàn)場的施工特點進行，能夠適應(yīng)地層條件、設(shè)計方案、施工方法、施工技術(shù)水平等條件的變化。也就是說有其中一項變化，風(fēng)險也應(yīng)該隨之而變化。

4.2 肯特指數(shù)法風(fēng)險評估

根據(jù)上面提出的要求，借鑒肯特在管道運行風(fēng)險評估中應(yīng)用指數(shù)評估法，并對該方法進行改進，建立一套滿足上述3條要求的隧道施工風(fēng)險評估模型。

肯特[13]在管道運行風(fēng)險評估中認(rèn)為管道事故是無法精確預(yù)測的，風(fēng)險評估不需要按照概率理論進行精確計算，他采用指數(shù)代替真實概率值的方法，在風(fēng)險打分方法上越過了定量評估中的實際概率打分，且指數(shù)中包含了概率的因素，又不拘泥于確切的概率，具有比較好的說服力。

1）指數(shù)分類。根據(jù)地鐵施工中事故發(fā)生機理，對于一個災(zāi)害事件來說，究其發(fā)生的原因，可以歸類于3類因素：隧道自身條件（包括工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、隧道自身參數(shù)如轉(zhuǎn)彎半徑、直徑、坡度等）、設(shè)計因素、施工因素。并且這3類因素之間是一個鏈性關(guān)系，其中任何一個發(fā)生變化，都會導(dǎo)致風(fēng)險的變化。比如盾構(gòu)進出洞時可能出現(xiàn)水土大量流失事故，風(fēng)險發(fā)生的基本原因是盾構(gòu)進出洞地層自穩(wěn)性差、地下水位高，不然不會出現(xiàn)水土流失的現(xiàn)象，在這個地層因素的基礎(chǔ)上，如果地層加固設(shè)計不當(dāng)、施工中管理操作失誤的話，風(fēng)險才會發(fā)生。

根據(jù)上述分析，將指數(shù)分為4大類：基本指數(shù)、設(shè)計指數(shù)、施工指數(shù)、后果指數(shù)。

基本指數(shù)是指工程自身所具有的特性，具有難以改變性，這種特性超越操作人員所能控制的范圍。一般來說，這種指數(shù)是在地鐵線路選形完成后就可以獲取的，類似這樣常規(guī)不能改變的指數(shù)有：工程水文條件、工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、隧道自身參數(shù)（包括隧道長度、隧道坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等）。

設(shè)計指數(shù)，這里所說的設(shè)計是指在基本指數(shù)的基礎(chǔ)上為了預(yù)防基本指數(shù)帶來的風(fēng)險或者為施工提供便利而進行的設(shè)計，它是進行施工的前提，為施工提供指導(dǎo)。

施工指數(shù)側(cè)重于施工期間的管理和操作，主要包括施工方法的選用、施工技術(shù)水平、工期影響、外界環(huán)境以及施工預(yù)控措施5個方面。

后果指數(shù)具體為5個方面：環(huán)境影響、經(jīng)濟影響、社會影響、人員傷亡影響。

2）基本計算模型。一般風(fēng)險評估的基本模型

式中，R為風(fēng)險值；p為事故出現(xiàn)的概率；c為事故產(chǎn)生的后果。f是算子，表示p與c之間的組合形式，這個組合形式是可變的，由實際情況和現(xiàn)實條件以及決策者的需要來選擇。

指數(shù)法評估模型沒有脫離這個基本模型，結(jié)合風(fēng)險評估的基本模型，構(gòu)建指數(shù)法評估模型

式中，B為基本指數(shù)；D為設(shè)計指數(shù)；C為施工指數(shù)。在這里p代表的不是一個確切的概率，而是概率指數(shù)，也就是說p的取值范圍不是在0與1之間的一個概率值，但是這個值中包含的有概率的意義，就是說，確切的概率值與該值是成正相關(guān)關(guān)系的，該值越大，風(fēng)險發(fā)生的概率越大，該值越小，相應(yīng)的風(fēng)險概率也越小?；局笖?shù)、設(shè)計指數(shù)、施工指數(shù)共同構(gòu)成了概率指數(shù)，后果指數(shù)代表了風(fēng)險損失（如圖4所示）。

圖4 改進的指數(shù)模型Fig.4 Improved index model

基本指數(shù)、選型設(shè)計指數(shù)與施工指數(shù)共同作用影響風(fēng)險概率指數(shù)，鑒于選型設(shè)計指數(shù)、施工指數(shù)對風(fēng)險概率的影響，引入設(shè)計系數(shù)Dk及施工系數(shù)Sk。設(shè)計系數(shù)Dk=設(shè)計指數(shù)/設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值；施工系數(shù)Sk=施工指數(shù)/施工標(biāo)準(zhǔn)值。其中設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值、施工標(biāo)準(zhǔn)值是人為規(guī)定的一個定值。

該模式的計算模型為

設(shè)計系數(shù)、施工系數(shù)的值分別在1的左右，若它們大于1，表明設(shè)計、施工會增大事故風(fēng)險概率指數(shù)，加大事故風(fēng)險發(fā)生的可能性；若小于1，表明它們會降低事故發(fā)生的概率。

5 工程應(yīng)用

對于識別出來的風(fēng)險事件，首先要對該風(fēng)險進行分析，認(rèn)識其發(fā)生機理，然后再進行風(fēng)險評估，事故樹的分析方法是認(rèn)識事故發(fā)生機理的常用方法，常與其他風(fēng)險評價方法結(jié)合使用。這里可以通過事故樹分解分析，得到事故發(fā)生的基本事件，而通過事故樹的基本事件尋找這些基本事件和各指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，為該風(fēng)險事件相關(guān)指數(shù)類型及指標(biāo)的確定提供依據(jù)，在風(fēng)險事件各相關(guān)指數(shù)的指標(biāo)確定之后，建立打分規(guī)則，進而進行評價。

該方法在南京地鐵某過江隧道施工中進行了應(yīng)用，該隧道劃分為7個掘進段，圖5為盾構(gòu)掘進段-1各風(fēng)險的概率指數(shù)及后果指數(shù)的分布圖；圖6為盾構(gòu)掘進段-1各風(fēng)險的風(fēng)險值的分布圖；圖7為刀盤刀具磨損風(fēng)險在各掘進段的分布圖。

圖5 掘進段-1風(fēng)險概率指數(shù)及后果指數(shù)Fig.5 Risk probability index and consequence index in section 1

圖6 掘進段-1風(fēng)險指數(shù)Fig.6 Risk index in section 1

圖7 風(fēng)險在各掘進段的分布圖Fig.7 The risk distribution of each tunnel section

因為該風(fēng)險評估方法將風(fēng)險事件的風(fēng)險值直接與4類指數(shù)的指標(biāo)值相關(guān)聯(lián)，一旦指標(biāo)值改變，風(fēng)險值也會相應(yīng)發(fā)生改變，在施工的一些工況（比如江水深度、埋深、設(shè)計方案、工期緊張程度等）改變的情況下，風(fēng)險值能夠發(fā)生相應(yīng)的變化。

6 結(jié)語

文章介紹了水下隧道施工的特點，研究了這些特點對施工風(fēng)險的作用，并針對水下隧道施工中風(fēng)險因素多、變化大的特點，分析了當(dāng)前定性風(fēng)險評估方法與工程的不適應(yīng)性，得出以下結(jié)論。

1）風(fēng)險評估既要與施工工況緊密結(jié)合，又不能盲目追求絕對的定量評價，文章提出的肯特指數(shù)法模型綜合地質(zhì)、隧道尺寸、設(shè)計方案、施工方法、影響后果等因素，與水下隧道建設(shè)各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系；且該模型通過對各個指數(shù)打分得出風(fēng)險值大小，適用于施工中的動態(tài)風(fēng)險評價。

2）與肯特在石油管道中的指數(shù)法相比，本文的計算模型有了一定的變化，在實際工程中，有時會出現(xiàn)這種情況：事故經(jīng)常發(fā)生在預(yù)計不會發(fā)生事故的地方或時間。這就表明一類指數(shù)的變化能在很大程度上改變風(fēng)險的大小，所以采用基本指數(shù)×設(shè)計系數(shù)×施工系數(shù)×后果指數(shù)的計算形式，使得分值變化范圍更大，更符合實際工況。

3）與一般的評價方法相似的是，確定權(quán)重是肯特指數(shù)法中確立打分規(guī)則前的一項必要工作，在確立權(quán)重的時候，需要借助理論分析、數(shù)值模擬、試驗等方法提供依據(jù)。在風(fēng)險評估過程中，除了本文介紹的內(nèi)容外，還需要建立指數(shù)法的風(fēng)險接受準(zhǔn)則，風(fēng)險接受準(zhǔn)則的建立是一項非常復(fù)雜的工作，需要在工程中邊應(yīng)用邊完善。

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