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

我國的隧道施工越來越多，影響隧道施工的風(fēng)險源較多，這些風(fēng)險源是導(dǎo)致隧道施工過程出現(xiàn)事故的重要原因。相對于其他隧道，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)險源較多。

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

20世紀(jì)70年代， EINSTEIN H H[1]對隧道工程風(fēng)險分析的特點進(jìn)行了全面的總結(jié)，并提出了隧道工程風(fēng)險分析需要遵循的理念。孫昕[2]通過構(gòu)建風(fēng)險管理法及鐵路風(fēng)險指標(biāo)體系，節(jié)省較多重復(fù)性工作且不會遺漏重要因素。王公忠等[3]通過層次分析法對越海隧道中存在的風(fēng)險進(jìn)行辨識分析，通過對比得出對隧道施工影響較大的危險因素。候東賽等[4]通過對評價指標(biāo)的改進(jìn)，運(yùn)用TOPSIS法對隧道突水風(fēng)險進(jìn)行分析，建立了隧道工程突水風(fēng)險評價體系。宋浩然等[5]對海底隧道存在的風(fēng)險進(jìn)行了評估，通過構(gòu)建風(fēng)險判斷矩陣進(jìn)行風(fēng)險評估，同時結(jié)合專家調(diào)查的結(jié)果提出規(guī)避風(fēng)險的措施。許傳華等[6]將模糊數(shù)學(xué)評價法用于工程風(fēng)險評估，對影響圍巖穩(wěn)定性的各個因素進(jìn)行分析。趙延喜等[7]以隧道TBM施工為背景，對隧道施工的各種因素進(jìn)行分析，提出了隧道施工風(fēng)險的綜合評價模型。麻鳳海等[8]采用風(fēng)險調(diào)查法和風(fēng)險矩陣法對懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵工程中帶來的安全風(fēng)險進(jìn)行評價，確定風(fēng)險等級，提供安全保障。劉保國等[9]結(jié)合集德爾菲法、模糊數(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)險辨識分析上，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”重點交通項目之一，由濱海大道上步立交東側(cè)到新秀立交，全長約為5.08 km，其中70%采用盾構(gòu)進(jìn)行施工，盾構(gòu)開挖直徑為15.8 m，開挖直徑為全國最大。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，隧道在施工過程中需要穿越多個斷裂帶，并且存在上軟下硬的地質(zhì)條件。由于隧道經(jīng)過城市繁華區(qū)，存在立交橋、火車站、高層建筑等風(fēng)險源，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)，施工過程風(fēng)險較大。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)點風(fēng)險分析

2.1 下穿濱河—寶安立交橋風(fēng)險分析

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213.84 m。通過分析隧道與立交橋的相對位置，可知隧道側(cè)穿立交橋1#～7#號樁，其中6#樁距離隧道最近。

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

圖1 濱河—寶安立交橋橋樁和盾構(gòu)隧道相對位置

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)險主要是環(huán)境風(fēng)險：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，需要對樁四周實施加固措施；二是盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)樁附近時，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)險分析

布吉河橋是城市主干路，位于濱河大道，全長為70.55 m。橋梁上部采用等截面預(yù)制簡直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。在施工過程中，隧道需要穿越該河段。

根據(jù)橋樁和盾構(gòu)的相對位置可知，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，施工過程面臨較大的風(fēng)險。布吉河橋橋樁、箱涵和盾構(gòu)隧道相對位置見圖2。

隧道穿越布吉河及布吉河橋時，面臨的主要風(fēng)險是環(huán)境風(fēng)險，會引起西側(cè)橋臺樁基處隧道拱頂?shù)貙映两担技訕蚺_樁基礎(chǔ)所在位置河床面地表沉降，施工過程中布吉河橋基礎(chǔ)承臺會發(fā)生沉降、隆起、傾斜。

圖2 布吉河橋橋樁、箱涵和盾構(gòu)隧道相對位置

2.3 盾構(gòu)隧道穿越繁華區(qū)施工主要風(fēng)險

根據(jù)深圳市春風(fēng)隧道的實際情況、評價需達(dá)到的目標(biāo)、現(xiàn)有資料并結(jié)合對隧道重要節(jié)點風(fēng)險分析，對盾構(gòu)隧道穿越繁華區(qū)施工風(fēng)險從設(shè)備風(fēng)險、進(jìn)出洞風(fēng)險、掘進(jìn)風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險等方面進(jìn)行考慮。

(1)設(shè)備風(fēng)險：盾構(gòu)選型風(fēng)險、刀盤刀頭磨損、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：洞口土體坍塌流失、施工軸線偏差過大、盾構(gòu)后靠支撐發(fā)生位移及變形。

(3)掘進(jìn)風(fēng)險：開挖面失穩(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：地表絕對沉降或差異沉降超出限值、建(構(gòu))筑物出現(xiàn)裂縫或破壞、地下管線變形開裂。

3 隧道盾構(gòu)風(fēng)險分析評價

3.1 隧道盾構(gòu)風(fēng)險評價體系

層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代由美國匹茨堡大學(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)拆分成多個遞階層次，基于各個層次進(jìn)行定性定量分析與評價[10]。

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

圖3 隧道施工風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗

判斷矩陣因素共有5個，A層對B層1個記為A1，B層對C層4個記為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)層相對目標(biāo)層組合權(quán)重的計算，得到的計算結(jié)果見表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，對應(yīng)風(fēng)險源為盾構(gòu)軸線偏移，施工過程中應(yīng)重點進(jìn)行監(jiān)控；其次為0.139，0.132，分別對應(yīng)建(筑)物出現(xiàn)裂隙或破壞、盾構(gòu)選型和開挖面失穩(wěn)等因素；組合權(quán)重最小值為0.015，對應(yīng)風(fēng)險源為盾構(gòu)后靠支撐發(fā)生位移及變形。

3.4 風(fēng)險控制

(1)針對施工中存在的設(shè)備風(fēng)險，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)針對施工中存在的進(jìn)出洞風(fēng)險，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)對于施工軸線的實時測量，使得軸線不發(fā)生偏移；及時固定盾構(gòu)后靠支撐。

(3)針對施工影響較大的掘進(jìn)風(fēng)險，嚴(yán)格控制每一個循環(huán)的掘削量，做到泥水倉壓力和注漿的同步管理，在施工過程中，充分利用各種地質(zhì)預(yù)報系統(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)針對施工中存在的環(huán)境風(fēng)險，對地表沉降風(fēng)險大的部位設(shè)置監(jiān)測點。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時間停機(jī)更換刀具的風(fēng)險性較大，因此盾構(gòu)掘進(jìn)至穿樁前距離橋樁大約50 m處時，停機(jī)進(jìn)行全面檢修，對盾構(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)險源的權(quán)重評價體系，通過權(quán)重的大小判斷風(fēng)險的大小，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)險評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)行定量評價，使用該方法可以快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)施工風(fēng)險，可以為防范措施的制定提供參考，避免事故的發(fā)生。

(3)針對施工過程中存在的風(fēng)險提出對策措施，解決施工中存在的重難點，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。