大直徑盾構隧道穿越繁華區施工風險評價*

張松濤 胡仲春 王公忠 王永輝 游永鋒

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院 武漢 430070； 2.中鐵十四局集團有限公司 濟南 250014；3.河南工程學院安全工程學院 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，影響隧道施工的風險源較多，這些風險源是導致隧道施工過程出現事故的重要原因。相對于其他隧道，城市隧道周圍環境復雜，施工受到的約束條件較多，施工條件有限，風險源較多。

為了確保隧道施工的順利進行，需要對城市隧道的施工風險源進行權重評價，并提出具體的管控方法。

20世紀70年代， EINSTEIN H H[1]對隧道工程風險分析的特點進行了全面的總結，并提出了隧道工程風險分析需要遵循的理念。孫昕[2]通過構建風險管理法及鐵路風險指標體系，節省較多重復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險進行辨識分析，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]通過對評價指標的改進，運用TOPSIS法對隧道突水風險進行分析，建立了隧道工程突水風險評價體系。宋浩然等[5]對海底隧道存在的風險進行了評估，通過構建風險判斷矩陣進行風險評估，同時結合專家調查的結果提出規避風險的措施。許傳華等[6]將模糊數學評價法用于工程風險評估，對影響圍巖穩定性的各個因素進行分析。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行分析，提出了隧道施工風險的綜合評價模型。麻鳳海等[8]采用風險調查法和風險矩陣法對懸臂式掘進機在地鐵工程中帶來的安全風險進行評價，確定風險等級，提供安全保障。劉保國等[9]結合集德爾菲法、模糊數學法及網絡分析法3種方法在公路隧道施工的風險辨識分析上，提出了各種影響因素間的關系矩陣算法，為山嶺隧道施工提供指導。

1 工程概況

春風隧道工程是深圳市“東進戰略”重點交通項目之一，由濱海大道上步立交東側到新秀立交，全長約為5.08 km，其中70%采用盾構進行施工，盾構開挖直徑為15.8 m，開挖直徑為全國最大。根據地質勘察資料可知，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條件。由于隧道經過城市繁華區，存在立交橋、火車站、高層建筑等風險源，在盾構地段又存在上下巖石硬度不一、破碎帶較多等復雜地質，施工過程風險較大。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 隧道重要節點風險分析

2.1 下穿濱河—寶安立交橋風險分析

濱河—寶安立交橋位于羅湖區寶安南路，上面是城市的主干線濱河大道，全橋一共三聯十跨，總長213.84 m。通過分析隧道與立交橋的相對位置，可知隧道側穿立交橋1#～7#號樁，其中6#樁距離隧道最近。

該段地質勘查報告顯示，該隧道穿越段地質條件變化較大，基巖面上下起伏，波動較為明顯，樁底部均為中強度風化巖層。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、下面堅硬的地質條件，施工風險較大。濱河—寶安立交橋橋樁和盾構隧道相對位置見圖1。

圖1 濱河—寶安立交橋橋樁和盾構隧道相對位置

正常掘進情況下，盾構隧道穿越濱河—寶安立交橋的施工風險主要是環境風險：一是距離盾構隧道水平最近的6#樁將產生豎向位移，樁頂發生水平位移，需要對樁四周實施加固措施；二是盾構機刀盤到達樁附近時，地表將發生不同程度的沉降。

2.2 下穿布吉河及布吉河橋風險分析

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。

根據橋樁和盾構的相對位置可知，隧道直接穿越西側橋樁和東側部分橋樁，橋樁底部距離隧道較近，施工過程面臨較大的風險。布吉河橋橋樁、箱涵和盾構隧道相對位置見圖2。

隧道穿越布吉河及布吉河橋時，面臨的主要風險是環境風險，會引起西側橋臺樁基處隧道拱頂地層沉降，布吉河橋臺樁基礎所在位置河床面地表沉降，施工過程中布吉河橋基礎承臺會發生沉降、隆起、傾斜。

圖2 布吉河橋橋樁、箱涵和盾構隧道相對位置

2.3 盾構隧道穿越繁華區施工主要風險

根據深圳市春風隧道的實際情況、評價需達到的目標、現有資料并結合對隧道重要節點風險分析，對盾構隧道穿越繁華區施工風險從設備風險、進出洞風險、掘進風險、環境風險等方面進行考慮。

(1)設備風險：盾構選型風險、刀盤刀頭磨損、盾構機械故障、盾尾密封系統失效。

(2)進出洞風險：洞口土體坍塌流失、施工軸線偏差過大、盾構后靠支撐發生位移及變形。

(3)掘進風險：開挖面失穩、盾構軸線偏離、淺覆土冒頂透水、隧道上浮。

(4)環境風險：地表絕對沉降或差異沉降超出限值、建(構)筑物出現裂縫或破壞、地下管線變形開裂。

3 隧道盾構風險分析評價

3.1 隧道盾構風險評價體系

層次分析法(AHP)是20世紀70年代由美國匹茨堡大學教授SAATY提出的一種層次權重決策分析方法。該方法是將復雜的系統拆分成多個遞階層次，基于各個層次進行定性定量分析與評價[10]。

春風隧道盾構施工風險從設備風險、進出洞風險、掘進風險和環境風險等方面進行考慮，隧道施工風險層次結構模型見圖3。

圖3 隧道施工風險層次結構模型

3.2 構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。有很多種標度方法可以標度判斷矩陣中各元素的數值，通常我們采用1～9標度法確定，判斷矩陣如下

3.3 層次總排序

依據層次分析原理進行指標層相對目標層組合權重的計算，得到的計算結果見表1。

表1 指標層各因素權重

續表1

由表1可知，組合權重最大值為0.211，對應風險源為盾構軸線偏移，施工過程中應重點進行監控；其次為0.139，0.132，分別對應建(筑)物出現裂隙或破壞、盾構選型和開挖面失穩等因素；組合權重最小值為0.015，對應風險源為盾構后靠支撐發生位移及變形。

3.4 風險控制

(1)針對施工中存在的設備風險，選擇泥水平衡盾構機，適當配置滾刀和刮刀；適當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，定期檢查維修盾構機械。

(2)針對施工中存在的進出洞風險，應加強進出洞口支護措施，避免洞口土體發生坍塌；加強對于施工軸線的實時測量，使得軸線不發生偏移；及時固定盾構后靠支撐。

(3)針對施工影響較大的掘進風險，嚴格控制每一個循環的掘削量，做到泥水倉壓力和注漿的同步管理，在施工過程中，充分利用各種地質預報系統，做到早發現、早預防；采用先進的高精度盾構機導向系統。

(4)針對施工中存在的環境風險，對地表沉降風險大的部位設置監測點。在盾構機下穿寶安立交橋前15 m處，全面檢修盾構機；由于布吉河下方地層為較軟弱的風化層，在這種地層條件下長時間停機更換刀具的風險性較大，因此盾構掘進至穿樁前距離橋樁大約50 m處時，停機進行全面檢修，對盾構機械設備檢查和保養；下穿布吉河及布吉河橋段的施工控制應該遵循“保泥壓、防堵塞、嚴同步、緊密封、不停機”基本原則。

4 結論

(1)從隧道施工安全管理的角度出發，建立了隧道施工風險源的權重評價體系，通過權重的大小判斷風險的大小，從而確定影響盾構隧道施工安全的主要因素，為隧道施工風險評估提供一定的理論依據。

(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，并進行定量評價，使用該方法可以快速準確的發現施工風險，可以為防范措施的制定提供參考，避免事故的發生。

(3)針對施工過程中存在的風險提出對策措施，解決施工中存在的重難點，便于形成隧道施工成套技術，為后期隧道建設積累施工經驗。