夏潤禾

摘 要：為了綜合評價地鐵盾構隧道下穿河道施工安全風險，文章運用模糊層次分析法對土壓平衡盾構隧道下穿河道施工安全風險進行分析。研究得出，該工程項目風險為中度風險，盾構機本身設備故障、地層穩(wěn)定性差、施工掘進參數控制不當等因素產生的風險比較大。依據盾構機下穿河道的施工風險評價結果，系統(tǒng)研究施工難點及其風險對策，采取有針對性的技術措施，有效降低施工過程中的風險。

關鍵詞：地鐵隧道;土壓平衡盾構;下穿河道;風險評估;模糊層次分析;控制措施

中圖分類號：U455.43

0 引言

地鐵盾構隧道穿越河道工程具有技術復雜、不可預見風險因素多和社會影響大等特點[1]，因此，開展針對穿越河道的盾構隧道施工安全風險評價研究具有重要意義。

目前，國內許多學者針對盾構隧道施工安全風險大的特點，對地鐵盾構隧道施工安全進行評價分析。周紅波[2]等將分解分析法和故障樹法結合使用，對地鐵盾構隧道施工進行風險分析;牛康[3]針對盾構機選型、盾構機進出洞及盾構施工過程中的風險源，提出了規(guī)避風險措施;黃宏偉[4]等采用專家調查法和城市信息（CIM）模型，對施工可能產生的風險事故進行了定量計算與評估;李輝[5]等基于網絡層次分析法/模糊綜合評判法制定了風險應對措施，解決了地鐵隧道近接建（構）筑物施工階段風險評估與管理的技術問題;張姣[6]提出了基于貝葉斯網絡模型的地鐵盾構隧道工程評估方法，分析地鐵盾構隧道事故發(fā)生的概率和造成事故的主要基本事件。然而對于土壓平衡盾構隧道穿越河道的施工安全風險研究成果較少。

本文以某城市地鐵線路盾構隧道下穿河道工程實踐為依托，利用項目工作分解結構法（WBS）、項目風險分解結構法（RBS）和專家調查法總結出可能存在的風險因素，在識別和分析風險因素的基礎上，運用模糊層次分析法對盾構隧道下穿河道關鍵風險因素進行分析評價，并根據評價結果對盾構隧道下穿河道施工風險控制提出應對措施。

1 工程概況

某城市地鐵區(qū)間盾構隧道位于河道管理范圍內的長度為223.8 m，平常河床寬約90m，豐水期（4 — 10月）河床寬度約為100m。隧道拱頂距河床底部最小距離分別為左線9.43m、右線9.03m，穿越段線路縱斷面為V型坡，最大坡度為25.9‰，最小縱坡為4.5‰。項目選用2臺復合式土壓平衡盾構機先后從端頭盾構井始發(fā)掘進區(qū)間左、右線隧道，盾構隧道開挖斷面直徑為6.29m，隧道砌環(huán)管片采用“標準環(huán)+轉彎環(huán)”，錯縫拼裝，管片背后注漿回填。

根據設計文件，河底與隧道上覆土之間地層由上到下依次為可塑狀粉質黏土、中粗砂、強風化砂質泥巖。洞身及頂板以上1倍洞徑范圍普遍穿越砂層，砂層滲透系數較大，富水性較好。砂層底面與隧道洞頂最小凈距約0.2m，河水透過透水性較好的填砂層向下滲流，可能會加劇地層飽水度，造成風化巖層遇水軟化，局部有可能有涌沙侵入洞身。

地下水總體不豐富，主要有第四系地層中的松散巖類孔隙水和基巖裂隙水、構造裂隙水3種類型，具一定的微承壓性。該段巖性屬于上軟下硬地層，有河水通過中等透水砂層進入洞內的可能。

2 盾構隧道下穿河道施工風險因素辨識

2.1 風險特點

（1）風險不確定性。地下工程風險造成損失發(fā)生的不確定性，設計階段因設計水平和勘察環(huán)境受限，對未知因素不能完全判定準確，就必然存在風險。

（2）影響廣泛性。地鐵盾構隧道施工投入大，線路貫穿城市繁華地帶，其項目施工進展會受到社會各方面的廣泛關注。如若發(fā)生風險事件或安全事故，會迅速造成廣泛的社會影響。

（3）項目獨特性。各個城市地鐵線路，甚至每一個盾構隧道區(qū)間都有其特定的地質環(huán)境，因此風險具有特殊性，面臨的施工安全風險是不盡相同的。

（4）風險因素多變性。盾構隧道屬于地下工程，盾構法施工存在諸多不可完全預見的突發(fā)風險因素，可能導致不安全事件的產生，引發(fā)風險損失。因此整個施工過程中，有些已發(fā)生的施工風險可以及時得以處理，有些施工風險可以通過有針對性的措施得到控制并減弱，不可否認在某個盾構區(qū)間或左右線都會有新的風險發(fā)生。

（5）經驗借鑒性。盾構隧道雖然是地下工程，但在工程領域內，其施工風險產生的原因、條件、后果、影響等，與傳統(tǒng)隧道工程相比較都有類似施工經驗借鑒。因此在進行施工風險管理時，借鑒類似工程的經驗是可行的。

2.2 風險識別方法

結合本工程盾構隧道項目自身的特點，通過詳細查閱盾構隧道項目相關風險文獻[7-9]和施工單位以往盾構隧道項目風險管理經驗的基礎上，通過項目工作分解結構法（WBS）、項目風險分解結構法（RBS）和專家調查法相結合的方法確定施工風險因素，并對盾構隧道下穿河道施工風險進行篩選和分類，辨識出盾構隧道下穿河道施工影響較大的主要風險因素。

2.3 風險評價指標體系

通過廣泛查閱文獻和安全事故網絡輿情監(jiān)測結果分析[10-11]，以近年來地鐵盾構隧道施工事故為研究對象，通過統(tǒng)計各個失效狀態(tài)下風險因素與相應事故的關聯(lián)度，以及分析相應數據得知導致相應事故的風險因素，然后結合本項目工程設計文件和相關施工組織設計方案，根據項目工作分解結構法（WBS）、項目風險分解結構法（RBS）和專家調查法對相關風險因素進行修正，構建出土壓平衡盾構隧道下穿河道施工安全風險評價指標體系，見表1。

3 基于模糊層次法對盾構下穿河道施工風險評估

3.1 模糊層次分析法評判流程

首先按照風險評價指標體系，以目標層、準則層和指標層建立風險評價因素集，然后構建下層元素對上一層進行兩兩比較的判斷矩陣，再進行一級模糊綜合評判和二級模糊綜合評判，最終得到所有指標對目標的排序和風險評級結果。模糊層次分析法評判流程如圖1所示。

3.2 建立風險因素集 U

根據表1盾構隧道下穿河道施工安全風險評價指標體系構建出施工風險指標體系，即一級指標因素集：U= {U1，U2，U3，U4，U5} ={盾構機械風險U1，施工操作風險U2，水文地質風險U3，施工環(huán)境風險U4，施工組織管理風險U5}。

二級指標因素集U1 = {u11，u12，u13，u14，u15，u16，u17}={油、電、液系統(tǒng)故障和動力故障u11，刀盤、刀頭磨損u12，主軸承磨損， 密封件防水失效u13，泡沫系統(tǒng)的故障、管路堵塞u14，盾尾密封失效u15，千斤頂動力不足u16，土倉壓力失效u17};U2 = {u21，u22，u23，u24}={施工質量控制不合格u21，施工掘進參數控制不當u22，盾構軸線偏差u23，盾構注漿壓力控制不當u24};U3 = {u31，u32，u33} ={掌子面巖性軟硬差距明顯u31，地下水位變化風險u32，河流水量增大，水壓過大u33};U4 = {u41，u42，u43}={穿越河堤沉降風險u41，水底存在地下障礙物u42，現(xiàn)場生產環(huán)境風險u43};U5 = {u51，u52，u53，u54，u55} ={技術人員判斷決策失誤風險u51，施工作業(yè)人員違章操作風險u52，現(xiàn)場人員安全意識不足u53，安全生產管理制度不健全u54，應急處置不及時u55}。

3.3 構建項目風險評價集V

將風險后果劃分為5個等級，即V =（V1，V2，V3，V4，V5）={非常危險，危險，一般，較安全，安全}。模糊評價矩陣是通過該領域專家打分，各因素指標賦值在0～9之間，并結合隸屬度函數將風險評價指標量化。

3.4 構造判斷矩陣并賦值

風險層次結構分為3層，首層為總目標層，即盾構隧道下穿河道施工安全風險，第2層為可能發(fā)生的風險種類（一級指標），第3層為導致風險發(fā)生的影響因素（二級指標）。因此，通常采用Saaty提出的9標度法賦值，結合專家調查法得出數量標度，對風險影響因素進行兩兩比較，計算出各個判斷矩陣相對于準則層的相對權重，并進行一致性檢驗，判斷其合理性。

3.5 確定風險因素發(fā)生的可能性和損失等級

本文以GB 50652-2011《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》[12]中的評判標準，采用專家調查法多次征詢意見，經過廣泛調研借鑒相關工程施工經驗[13-15]和行業(yè)內專家反復研討意見，最終得到盾構隧道下穿河道施工安全風險后果等級定義及風險處置原則（表2）。結合風險發(fā)生概率P和風險發(fā)生后果C得到相應的風險矩陣，在此基礎上采用R = P×C法對風險水平表征的概率等級和風險后果等級進行組合，并根據不同組合情況把盾構隧道下穿河道施工安全風險水平分為5個等級。施工風險發(fā)生的可能性為很可能、可能、偶然、不可能、幾乎不可能，對應的等級分別為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級，最后結合工程實例對主要風險因素采取針對性的措施進行處理。

3.6 安全風險評價結果

根據上述基于模糊層次法的盾構隧道下穿河道施工風險評估，建立模型層次分析結構和模糊一致判斷矩陣，將總目標風險值代入隸屬函數，得到隸屬向量，根據最大隸屬度原則，得到總目標的風險等級。根據計算結果得出施工風險隸屬 Ⅲ 級風險，屬于中度風險。說明本次評價的盾構隧道下穿河道施工過程具有較高風險，按照所有風險因素相對最高層的權重排序，得出對盾構隧道下穿河道施工影響較大的主要風險因素（油、電、液系統(tǒng)故障和動力故障，刀盤、刀頭磨損，施工掘進參數控制不當，穿越河堤沉降風險，出渣噴涌、河中冒泡冒漿），做好風險的控制和轉移，盡量降低和規(guī)避施工過程中的風險，確保施工順利進行。

4 盾構機下穿河道風險控制及創(chuàng)新

4.1 前期技術準備工作

（1） 施工單位編制《盾構機下穿河道安全專項施工方案》《盾構機下穿河道專項監(jiān)測方案》等專項方案，在組織專家進行評審后，分層級向管理人員和作業(yè)人員進行安全技術交底。

（2）為規(guī)避在河底換刀的風險，施工單位提前擇機停機對盾構機進行刀具檢查。

（3）完成對盾構機關鍵部位的系統(tǒng)性安全評估排查。

（4）針對過江施工風險，對盾構機作業(yè)班組進行實操應急考核、安全教育。

（5）從技術保障方面，進一步對線路縱坡進行優(yōu)化設計調整。

4.2 風險控制

4.2.1 盾構機械風險控制

盾構機在穿越河道之前要再次認真檢查盾構機設備狀況，確保盾構設備不帶病作業(yè)，不能出現(xiàn)盾構設備關鍵系統(tǒng)故障。若出現(xiàn)盾尾密封失效，或推進油缸同部位2組或全部3組出現(xiàn)故障，保壓系統(tǒng)壓力供應不足等情況，必須停機檢修。

4.2.2 盾構機施工操作風險控制

在綜合分析過江前盾構施工狀態(tài)及過江盾構施工經驗和教訓的基礎上，總結出合理的施工參數，做到同類問題不重復出現(xiàn);制定專項監(jiān)測方案，加強信息化監(jiān)控量測;嚴格按盾構機操作使用手冊進行規(guī)范化管理，合理控制盾構機姿態(tài)的糾偏量，防止擾動過大而頂破河底土體。

4.2.3 盾構機通過大堤和河底風險控制

盾構機穿越兩岸大堤和河道過程中，很有可能會引起周邊地表沉降，因此必須在施工掘進過程中實施動態(tài)信息化管理。盾構機穿越兩岸大堤和河道過程中，現(xiàn)場技術管理人員要及時、準確地提供出渣地質描述和沉降變形監(jiān)測數據，及時對施工參數進行調整。

4.2.4 出渣噴涌、河中冒泡冒漿等施工風險控制

盾構機過河段，每環(huán)出土量要嚴格控制，推進速度控制為20～40mm/min，刀盤轉速控制在≤1.8r/min，同時扭矩不高于3800kN · m，確保在土壓平衡狀態(tài)下進行盾構掘進，在管片脫出盾尾5～8環(huán)位置跟蹤實施二次注漿。

4.3 風險控制實況

本文依托工程案例施工實踐，結合現(xiàn)場施工監(jiān)控數據，驗證了模糊層次分析法在盾構施工風險評價中的適用性和合理性，繼而根據評價結果提出盾構下穿河道施工風險控制劃分為5個區(qū)域階段： ①50 m南大堤安全區(qū)域階段，即盾構機到達南大堤之前的50 m，屬大堤的影響范圍，該階段主要是確保掘進參數正常，為盾構機過河道做準備工作，進行過河應急演練，提高過河的安全警惕性;②南大堤區(qū)域階段，即大堤坡腳到河面的距離，約為30 m;③東平水道河面區(qū)域階段，即河道正常流量狀況下水面寬度，約為90 m;④北大堤區(qū)域階段，即大堤坡腳到河面的距離，約為30 m;⑤50 m北大堤安全區(qū)域階段，即盾構機通過北大堤之后的50 m，屬大堤的影響范圍，該階段主要是確保掘進參數正常，減少盾構機通過后對河道和大堤的再次影響，防止后期風險發(fā)生。

盾構下穿河道右線施工時間為2017年3月18日—4月6日，共計19天，掘進指標為5.3環(huán)/天;左線施工時間為2017年4月6日—5月9日，共計25天，掘進指標為4環(huán)/天。在施工過程中，依據風險評價結果得出的主要風險因素，針對實際工況遭遇到的施工風險，施工單位及時采取了有效的風險處置措施，實現(xiàn)了土壓平衡盾構機下穿河道強風化砂質泥巖和強透水中粗砂層的技術管理與實踐的重要創(chuàng)新和突破，順利保障了施工安全。

4.3.1 突遇拱頂砂層時的應對措施

（1）從徑向注漿孔處查看砂層的位置，進而判斷前方砂層侵入隧道的長度，充分了解地層情況。

（2）采用全土壓掘進，減少土倉內匯水空間。

（3）向土倉內加入高分子聚合物，改良土倉內渣土性狀，達到增稠、止水效果。

4.3.2 出渣噴涌時的應對措施

（1）在脫出盾尾管片10～15環(huán)位置進行管片壁后二次注漿，封堵盾尾后方來水。

（2）停機過程對土倉打入膨潤土漿液，使前方掌子面形成保護泥膜，同時改良渣土性狀。

（3）推進過程通過加泥箱向土倉內注入膨潤土，改良渣土性狀。

4.3.3 河中冒泡冒漿時的應對措施

（1）過河道段采用全土壓平衡模式掘進（土倉存土2/3），推進過程中，土壓波動范圍控制在±20 kPa以內，減少土壓對地層的擾動，并防止氣壓擊穿土層，造成江底冒氣或冒漿。

（2）優(yōu)化掘進參數，使泡沫氣體和土倉內土體充分混合，使用膨潤土堵塞巖體裂隙，填充砂層空隙，防止氣體冒出河底。

（3）掘進期間出現(xiàn)壓力驟降30 kPa以上，并出現(xiàn)漏氣或出現(xiàn)江底冒泡時向土倉內加注膨潤土。

（4）同步注漿采用注漿壓力（200 kPa）和注漿量（6～8 m3）雙重控制，避免由于壓力過高或漿量過大使?jié){液頂破覆土造成江底冒漿。

4.3.4 大堤出現(xiàn)沉降預警時的處置措施

在左線盾構機下穿河道南大堤時，大堤外側護坡發(fā)生較大沉降，累計總沉降量約8 cm，超過預警控制值，此時風險應對處置措施如下。

（1）加大同步注漿量，由前期的6～7 m3/環(huán)增加至7～8 m3/環(huán)。

（2）在沉降量較大部位，采取洞內二次補注漿。

（3）在地表沉降量較大部位，采取地面注漿加固，防止后期二次沉降。

（4）通過渣土改良、施做止水環(huán)等措施，減少噴涌，加快掘進速度。

（5）加大監(jiān)測頻率，及時將監(jiān)測數據反饋給現(xiàn)場施工決策管理者，以指導施工。

4.3.5 盾構機設備系統(tǒng)故障處置措施

由于下穿河道地質條件復雜，巖面起伏變化較大，且上下軟硬不均，地層含水量豐富等地質原因，造成掘進參數異常、掘進困難，引發(fā)盾構機系統(tǒng)液壓油管、膨潤土注入系統(tǒng)等故障問題頻發(fā)。右線盾尾刷磨損嚴重，使盾尾漏水漏漿，加劇了推進油缸、管片拼裝機電磁閥塊的損壞頻率，液壓油管、膨潤土注入系統(tǒng)等問題頻發(fā)，影響施工的連續(xù)性。此時風險應對處置措施如下。

（1）在掘進過程中，根據地層變化情況，及時優(yōu)化掘進參數。

（2）在機械設備維保方面，維修人員24 h應急值守，發(fā)現(xiàn)問題第一時間進行處理，同時對電磁閥等遇水易損部件進行防水包裝處理，減少損壞頻率。

4.4 風險控制創(chuàng)新

在盾構機下穿河道的施工中，風險控制有以下創(chuàng)新點。

（1）解決了富水軟弱地層中進行開倉作業(yè)的技術難題。項目通過在刀盤前方施工4道素地下連續(xù)墻加固區(qū)，采用WSS注漿技術對墻間進行止水，刀盤緩慢掘進至加固區(qū)內，地下連續(xù)墻防塌、止水等風險控制措施，成功完成開倉檢查刀盤刀具。

（2）在渣土改良的基礎上，對施工參數進行了有效控制。采取降低土壓和氣壓輔助模式，將刀盤扭矩控制在3800kN · m以內進行推進，推進速度控制為20～40mm /min，刀盤轉速控制在≤1.8r /min，每掘進5環(huán)做止水環(huán)，以避免后方來水，減少螺旋機噴涌機率;加入高分子聚合物，改良土倉內渣土性狀，防止刀盤結泥餅等措施，降低了施工過程中的風險，保證了施工的順利實施。

5 結論及建議

（1）通過對該項目的工程概況和水文地質條件的具體分析，應用模糊層級分析法對土壓平衡盾構施工的下穿河道工程實例進行定量評價分析，得出該工程項目中盾構機本身設備故障、地層穩(wěn)定性差、施工掘進參數控制不當、穿越兩岸河堤等施工因素產生的風險比較大，需要對這些因素進行重點監(jiān)控。

（2）土壓平衡盾構下穿河道工程風險控制實踐表明，基于模糊層次分析法所構建的風險評估模型符合土壓平衡盾構下穿河道施工風險評估的特點和要求，可為施工項目評判和制定出科學有效的風險防范方案提供依據，達到防范重大安全風險事故的目的。

（3）土壓平衡盾構下穿河道施工過程中有著較高的施工風險，加之水下盾構隧道多選用泥水平衡盾構機掘進，所以很有必要對復合式土壓平衡盾構機施工此類隧道進行風險分析。期望本文提出的盾構隧道下穿河道的風險應對措施能為以后類似工程的風險分析及控制提供借鑒意義。

參考文獻

[1]周迎，丁烈云等. 越江隧道工程泥水盾構適應性分析研究[J]. 鐵道工程學報， 2010（11）.

[2]周紅波，何錫興，蔣建軍，等.地鐵盾構法隧道工程建設風險識別與應對[J]. 地下空間與工程學報， 2006（3）.

[3]?？? 地鐵盾構施工風險評估與風險規(guī)避研究[J]. 中國安全生產科學技術，2011（5）.

[4]黃宏偉，彭銘，胡群芳. 上海長江隧道工程風險評估研究[J].地下空間與工程學報，2009，5（1）.

[5]李輝，鄭余朝，李俊松. ANP_FE技術在地鐵隧道近接施工風險評估中的應用[J].鐵道標準設計，2012（12）.

[6]張姣. 基于貝葉斯網絡的地鐵盾構隧道工程風險評估方法[J].城市軌道交通研究，2014（3）.

[7]蔡業(yè)華，黃天一. 基于模糊層次法的地鐵盾構隧道工程坍塌風險分析[J].施工技術，2011（6）.

[8]盧浩，施燁輝，戎曉力. 水下隧道盾構法施工安全風險評估探討[J]. 中國工程科學，2013（10）.

[9]梁宏浩. 地鐵隧道施工安全風險評估及其應用研究[D]. 四川成都：西南交通大學， 2017.

[10] 鮑學英，王起才，宮文昌. 基于模糊層次分析法的地鐵工程施工安全評價[J]. 中國安全生產科學技術，2013（1）.

[11] 于德海，張濤，姜諳男. 復雜條件下地鐵盾構施工過程的影響因素分析[J]. 鐵道工程學報，2015（5）.

[12]? GB 50652-2011 城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范[S]. 2011.

[13] 胡長明，張文萃，陸征宇，等. 基于突變理論的盾構下穿危舊房屋及河流段風險評價與控制方法研究[J]. 安全與環(huán)境學報，2017（8）.

[14] 白瑞生. 復合式土壓平衡盾構機系統(tǒng)分析及常見故障排除[J]. 工程建設，2017（4）.

[15] 何文鋒. 土壓平衡盾構機在水下穿越砂層與巖層分界面的施工技術[J]. 廣州建筑，2016（6）.

[16] 何理. 城市軌道交通工程建設期間危險有害因素分析[J]. 中國安全科學學報， 2010， 20（4）.

[17] 吳賢國，王鋒. R = P×C法評價水下盾構隧道施工風險[J]. 華中科技大學學報， 2005， 22（4）.

[18] 周振國.盾構施工的風險源分析及規(guī)避措施[J]. 隧道建設， 2003， 23（4）.

[19] 徐濤，王凱，蔣玉龍. 地鐵過江區(qū)間組合法施工隧道關鍵施工技術[J]. 南陽理工學院學報，2015（11）.

[20] 莫若楫，黃南輝. 地鐵工程施工事故與風險管理[J]. 都市快軌交通，2007（6）.

收稿日期 2019-07-04

責任編輯 朱開明