張繼超，周建軍，孫飛祥，楊振興，張 兵，游慧杰

(1. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

近年來，我國修建了大量穿江、河、湖、海的水下隧道[1]。相對于陸上隧道，水下隧道的修建條件更為復(fù)雜，勘測難度大、準確度低，不確定因素更多[2]； 加之我國正在建設(shè)和規(guī)劃包括穿越渤海灣、瓊州海峽、臺灣海峽等在內(nèi)的世界級海底隧道工程[3]，這為水下隧道的修建提出了更高的要求。

水下隧道的掘進方式有礦山法、盾構(gòu)(TBM)法、沉管法等?？紤]到刀具磨損，地層軟硬復(fù)雜多變，水下難以設(shè)置豎井，連續(xù)單向長距離掘進距離會受到很大限制，由此很多水下隧道工程提出了采取“雙向掘進、中部對接”的隧道施工方案。如廣深港客運專線獅子洋隧道盾構(gòu)法-盾構(gòu)法對接[4]、深圳前灣過海管廊工程盾構(gòu)法-礦山法對接等工程案例[5]。

水下隧道對接施工風險源分布較多、不確定性強、危害程度大[6-7]。在目前國內(nèi)外針對施工風險的評估研究現(xiàn)狀中[8]，常見的風險評價方法有HSE風險管理[9]以及模糊評價法等，但往往只是對于單一隧道掘進方法、單向掘進方向進行。對于2種方式結(jié)合、雙向掘進、中部對接的隧道施工方法，尚無較為成熟完備的風險評估案例。本文依托廈門軌道交通3號線海下段工程，對盾構(gòu)法-礦山法在高水壓、復(fù)雜地質(zhì)條件環(huán)境下對接施工的風險及應(yīng)對措施進行研究。

1 工程概況

廈門軌道交通3號線過海段是連接廈門本島與翔安東部副中心的西南-東北向骨干線路，區(qū)段全長為6.5 km，其中，過海段長度約為3.68 km。過海段隧道采用礦山法、復(fù)合式泥水盾構(gòu)法2種開挖方式相向掘進，在海底完成2種施工方式的對接。廈門地鐵3號線過海段工程示意如圖1所示。

圖1 廈門地鐵3號線過海段工程示意圖

雙向隧道對接施工流程如圖2所示。

礦山法隧道為大小洞并行的馬蹄形(寬8.0 m、高9.4 m)； 泥水盾構(gòu)區(qū)間隧道管片設(shè)計采用通用楔形管片環(huán)，管片內(nèi)徑為6 m，外徑為6.7 m，厚度為350 mm。廈門地鐵3號線過海段雙向隧道斷面示意如圖3所示。

礦山法與盾構(gòu)法隧道對接位置，在里程為CK17+939.5處，左線隧道處于微風化花崗閃長巖層，上覆巖土為中粗礫砂、全風化花崗閃長巖、散體狀強風化花崗閃長巖，總覆土厚度為27.5 m，海平面以下46.2 m； 右線隧道處于微風化花崗閃長巖層，上覆巖土為中粗礫砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全風化花崗閃長巖、散體狀強風化花崗閃長巖、中等風化花崗閃長巖，總覆土厚度為27.2 m，海平面以下46 m。盾構(gòu)段距離對接面20～30 m長度范圍地層起伏較大，風化槽距離對接位置為40～50 m，盾構(gòu)停機位置距離風化槽為20～30 m，保持與風化槽足夠的安全距離前提下，滿足盾構(gòu)處于礦山法隧道開挖影響范圍(2D)之外的要求[10]。礦山法與泥水盾構(gòu)法隧道對接段地層斷面示意如圖4所示。

圖2 雙向隧道對接施工流程圖

(a) 礦山法隧道斷面尺寸(b) 盾構(gòu)法隧道斷面尺寸

圖4 礦山法與泥水盾構(gòu)法隧道對接段地層斷面示意圖

隧道穿越海域長度達3.68 km，海水深度超過46 m，地下水由海水垂直入滲補給?；鶐r凸起嚴重，風化槽分布多，且存在較大范圍的中砂層，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。圍巖、破碎帶物理力學(xué)參數(shù)見表1。針對最終選定的盾構(gòu)法貫通方式存在的風險隱患，結(jié)合對接位置的工程地質(zhì)特點，對施工風險進行綜合評價與分析。

表1 圍巖、破碎帶物理力學(xué)參數(shù)表

風險分析主要包括5個環(huán)節(jié)： 風險界定、風險辨識、風險估計、風險評價和風險控制[11]。

2 風險界定

根據(jù)《國際隧道協(xié)會風險管理指南》[12](2004)和《城市軌道交通地下工程建設(shè)風險管理規(guī)范》[13](2011)，隧道風險分級包括事故發(fā)生概率P的等級標準、事故發(fā)生后果C的等級標準和風險R的等級標準[14]。

風險是概率與后果的函數(shù)，即R=f(P,C)。應(yīng)用R=P×C定級模型[15]建立風險分級評估矩陣，將風險等級劃分為極高、高度、中度和低度4個級別，并給出基于風險值的等級判斷準則。風險判定準則如表2所示。

表2 風險判定準則

3 風險辨識

采用WBS-RBS法[16]進行風險辨識，包括WBS、RBS，即作業(yè)、風險多層次分解樹。判斷矩陣示意如圖5所示。將2者分別從施工階段與產(chǎn)生原因2個角度分解，形成風險評估指標體系。盾構(gòu)法貫通施工風險點匯總?cè)绫?所示。

圖5 判斷矩陣示意圖

表3 盾構(gòu)法貫通施工風險點

4 風險估計

采取專家法，根據(jù)風險概率和后果的等級標準對基本風險元素概率和后果進行統(tǒng)計調(diào)查，選擇100位具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗的施工技術(shù)人員以及從事盾構(gòu)隧道相關(guān)科學(xué)研究的專家學(xué)者，進行問卷調(diào)查，統(tǒng)計頻率結(jié)果作為相應(yīng)風險元素的隸屬度。風險概率與后果隸屬度如表4所示。

5 風險評價

以貫通施工階段分解樹為例，利用層次分析法(AHP)[8]確定風險重要度、方根法來計算權(quán)重集[17]，通過多層次模糊關(guān)系矩陣對風險進行半定量分析，評估風險等級。

5.1 判斷矩陣

采取層次分析法，首先需要構(gòu)造判斷矩陣，以上一層級元素Uk作為評判準則，對本層級評判準則范圍內(nèi)所屬元素Uki進行兩兩對比，用分值表示兩者相對重要程度，填入判斷矩陣。風險評價分值如表5所示。

表4 風險概率與后果隸屬度

表5 風險評價分值表

以隧道對接整體項目U為準則，第1層分解樹的判斷矩陣如表6所示。

表6 隧道對接項目準則風險判斷矩陣

矩陣表示為

式中p為整體項目劃分準則的數(shù)量。

以盾構(gòu)掘進至停止U1為準則，第2層分解樹的判斷矩陣如表7所示。

表7 盾構(gòu)掘進至停止準則風險判斷矩陣

同理，建立第2層級其他準則下的判斷矩陣。某一評判準則Uk下所有元素建立的判斷矩陣為

5.2 權(quán)重集

5.2.1 計算權(quán)重

采取和積法，計算Uk的判斷矩陣每行元素乘積n方根，將判斷矩陣特征向量歸一化，得到權(quán)向量Wk，如式(1)所示。

(1)

式中：i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,n。

則Uk的權(quán)重集為

Ak=WkT=[Ak1,Ak2,…,Akn]。

以盾構(gòu)掘進至停止U1為例，其判斷矩陣為

則U1的權(quán)重集為

A1=[A11,A12,…,A1n]=W1T=

[0.113 9,0.062 0,0.032 5,0.113 9,0.236 5,0.441 2]

同理，建立第1層級其他準則下的權(quán)重集，以及上一層級整體項目U的基本元素的權(quán)重集為

A=[a1,a2, …,ap]=[0.093 6, 0.279 7, 0.626 7]。

5.2.2 一致性檢驗

理論上，判斷矩陣中，有xkij·xkjh=xkih，但由于實際工程中風險原因相互影響，公式存在誤差，此時用一致性比率CR<0.1時，表示其不一致程度在合理范圍內(nèi)。

1)最大特征根

6.067 0。

(2)

2)一致性指標

(3)

3)一致性比率

(4)

式中RI為Satty依據(jù)500個隨機矩陣建立的隨機一致性指標，其值可查表得到[8]。

根據(jù)式(4)可知判斷矩陣滿足一致性要求。

5.3 風險等級評判矩陣

根據(jù)風險發(fā)生概率與風險后果等級隸屬度，采用R=P×C定級模型，計算基本元素Uki(i=1,2,…,n)的風險等級隸屬度，將其進行歸一化處理，可得

Rkij=[rki1,rki2,…,rkin]。

(5)

綜合本層級同一評判準則范圍內(nèi)所有元素建立評判矩陣

Rk=[Rk1,Rk2,…,Rkn]T。

(6)

5.4 模糊綜合評價

引入同層權(quán)重集Ak與評判矩陣Rk相乘，得到評判準則的綜合風險等級隸屬度Bk。

已知盾構(gòu)掘進至停止U1項目的權(quán)重集為

A1=[0.106 6, 0.054 2, 0.030 2, 0.143 6, 0.216 9, 0.448 5]。

則其等級隸屬度為：

B1=A1×R1=[b11,b12,…,b1n];

(7)

B1=[0.005 3, 0.158 0, 0.578 0, 0.258 7]。

同理可求同層級其他評判準則的綜合等級隸屬度，組成上一層級評判矩陣如式(8)所示。

(8)

進一步引入上一層級基本元素的權(quán)重集A=[a1,a2,…,ap]=[0.093 6,0.279 7,0.626 7]，合成運算得到式(9)，為上一層級綜合風險等級隸屬度[18]。

B*=A×B=[b1,b2,…,bn]；

(9)

B*=[0.019 7,0.104 6,0.349 3,0.526 4]。

綜上，可得各元素的風險等級評價指標。

5.5 風險定級與分析

結(jié)合等級接受準則計算風險值，對應(yīng)風險指針范圍確定風險等級。盾構(gòu)掘進至停止U1、礦山法開挖至對接面U2、盾構(gòu)重啟至貫通U3、以及隧道對接整體項目U的風險值及風險等級匯總?cè)绫?所示。

表8 綜合評定風險等級匯總表

隧道對接整體項目U，其風險值為84.82，風險等級為高。其中包括以下3個施工階段。

5.5.1 盾構(gòu)掘進至停止U1

風險值為79.77，風險等級為高。下層各元素風險等級均為高，風險值為70～89。按風險值從低到高排序為主軸承損傷U12(74)<超前地質(zhì)預(yù)報有誤導(dǎo)致刀具磨損U15(75.05)<泥水艙壓力波動U13(78.8)<同步注漿不及時U11(79.7)<開艙換刀U16(81.8)<停機卡盾U14(85.2)。主要風險元素如下：

1)停機卡盾。邊滾刀磨損，使超挖量不足，盾構(gòu)停機后，開挖卸荷效應(yīng)使圍巖發(fā)生徑向變形，擠壓盾殼，導(dǎo)致重啟時，盾殼與圍巖的摩擦力過大，造成卡盾。

2)開艙換刀。盾構(gòu)在海下堅硬巖層長距離掘進，刀具迅速磨損，需實時開艙更換刀具，有停機卡盾以及艙內(nèi)安全事故發(fā)生的風險。

3)同步注漿不及時。管片與地層間隙注漿不及時，地層會產(chǎn)生較大沉降，不能及時封堵盾尾密封刷滲流間隙； 留存泥渣塊，密封質(zhì)量下降，留下涌水隱患。

5.5.2 礦山法開挖至對接面U2

風險值為72.53，屬于較輕的高等級。其中風險值超過80的元素有拱頂坍塌U24(82.7)、巖體裂隙發(fā)育導(dǎo)致爆破超挖U26(80.05)，爆破超挖導(dǎo)致巖體不穩(wěn)定，拱架剛度不足、噴射混凝土不密實； 或者爆破振動加劇巖體裂隙擴展變形，均有可能導(dǎo)致拱頂發(fā)生坍塌。

5.5.3 盾構(gòu)重啟至貫通U3

風險值為90.06，屬于極高等級。其中風險值超過90的元素有風化槽突泥涌水U34(95)，緊隨其后是風化槽節(jié)理發(fā)育泥漿泄露U35(93.05)、風化槽高水壓下盾尾密封失效U32(91.4)，均是極高的風險等級。風化槽的存在是本項目中最大的風險源，盾構(gòu)開挖面到達風化槽時，其巖體破碎，強度低，滲透系數(shù)大，在海水壓力下形成高壓滲流通道，開挖面支護和盾尾密封均面臨很大風險，極易發(fā)生涌水涌砂事故。

6 風險控制

以3個施工階段中各自的最大風險源為例，制定了相應(yīng)的預(yù)防與應(yīng)急處理措施，進行風險管控。

6.1 停機卡盾U14(風險值85.2)

1)預(yù)防措施。定期檢測邊滾刀磨損程度，法向磨損量較大進行更換刀具； 盾殼外注入克泥效漿液，提供支撐力，減小圍巖變形、減小摩擦。

2)應(yīng)急處理措施。增加輔助油缸，增大脫困推力； 更換鉸接油缸為剛性拉桿，對盾尾提供足夠拉力； 必要時爆破鑿除盾殼周圍巖石，松動盾構(gòu)。

6.2 拱頂坍塌U24(風險值82.7)

1)預(yù)防措施。主筋直徑8 mm增加到12 mm，鋼拱架間距60 cm減少至50 cm，混凝土等級從C25提高到C30，噴錨支護的厚度增加5 cm，以增大支護結(jié)構(gòu)剛度。盾構(gòu)貫通過程中及時加強背后回填注漿，加密監(jiān)測點和監(jiān)測頻率。

2)應(yīng)急處理措施。發(fā)生坍塌，立即停止開挖并封堵開挖面； 組織搶險人員采取砂袋或木支撐、格柵鋼架等手段封閉掌子面； 從已支護部位鉆孔，對坍塌處泵送混凝土和注漿，將坍塌處填充密實。

6.3 風化槽突泥涌水U34(風險值95)

1)預(yù)防措施。加強地質(zhì)預(yù)報，探明風化槽范圍與巖體破碎與富水情況； 對風化槽采取全斷面注漿預(yù)加固，封堵巖隙滲流通道，檢查孔取芯結(jié)果顯示，出水量為0.08 L/(min·m)，滲透率減小到6.5×10-14m2，巖芯可見大量水泥劈裂面以及水泥與斷層角礫膠結(jié)面，巖芯漿液結(jié)石體充填明顯，破碎帶被漿液有效充填而膠結(jié)。同時增加泥水艙泥漿比重黏度，穩(wěn)定開挖面，增大盾尾同步注漿壓力和注漿量。

2)應(yīng)急處理措施。發(fā)生涌水涌砂，先探明滲水通道與來源，注漿封堵； 及時向開挖面周圍巖體施作固結(jié)灌漿，增大巖體強度，補充地層損失，減小圍巖變形。

通過對各主要風險源采取嚴格的監(jiān)測和預(yù)防措施，盾構(gòu)成功通過風化槽破碎帶，到達預(yù)定對接區(qū)域，同時礦山法隧道維持了拱頂?shù)陌踩樌邮斩軜?gòu)貫通。

7 結(jié)論與體會

1)通過作業(yè)、風險相結(jié)合的多層次分解樹風險辨識方法(WBS-RBS)，在隧道對接施工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序多、地質(zhì)條件復(fù)雜條件下，可以較全面、系統(tǒng)地辨識出施工過程的風險因素。

2)利用層次分析法(AHP)建立風險評價指標體系，把隧道對接施工復(fù)雜問題分解為各組成因素，形成一個有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，能夠較客觀、準確、有效地反應(yīng)各風險因素對隧道對接施工的影響。

3)針對隧道工程形成一套簡明、實用的風險評估體系，應(yīng)用在海下隧道對接工程案例上，有效地評估出盾構(gòu)掘進至停止U1、礦山法開挖至對接面U2、盾構(gòu)重啟至貫通U33個施工階段的綜合風險，采取相應(yīng)預(yù)防和應(yīng)急措施，保障了施工的安全，可為其他類似工程案例提供參考。

4)經(jīng)風險源評估并采取預(yù)防措施，規(guī)避了風險的發(fā)生，對接順利貫通，體現(xiàn)了預(yù)防措施的正確性與必要性，但同時也缺乏對風險概率和應(yīng)急措施的驗證，使評估風險仍更多地存在于理論值中，尚未形成準確具體的指導(dǎo)準則。建議今后的工作可以基于工程相關(guān)大數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)計分析已發(fā)生風險的工程案例，進一步加強對風險因素的認知，提出行之有效的應(yīng)急措施。