頂管穿越施工對已建高速公路影響的風險分析

代劍英，萬 曦

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，四川成都610021)

隨著中國經濟的飛速發展和城市基礎設施的不斷改善，給排水、煤氣、天然氣、電力、熱力及通訊管道等生命線工程穿越已建高速公路時有發生。生命線工程管道直徑相對較小，頂管施工法是最常采用的一種非開挖技術，它具有施工周期短、不影響交通、對周邊環境影響小等明挖法不可比擬的優越性。

盡管頂管施工對周邊環境影響相對較小，但仍不可避免引起地層擾動和地層損失，特別是軟弱土層和砂土、粉砂層地基，導致地表沉降和隆起［1］。當頂管施工近距離穿越高速公路，尤其是高等級、高要求的交通大動脈時，為保證高速公路自身及行車的安全和舒適性，因此有必要對頂管穿越施工對已建高速公路的影響進行風險分析和評估，避免不必要的經濟損失和社會負面影響。

1 風險分析的一般流程和方法

1.1 風險評估通常分為五個主要步驟［2］

(1)風險界定:即建立標準和劃分評估單元。

(2)風險辨識:分析工程施工期所有的潛在風險因素，并進行歸類整理，然后進行篩選，重點考慮那些對目標參數影響較大的風險因素。

(3)風險估計:對風險因素發生概率和后果進行分析和估計，給出風險的概率分布。

(4)風險評價:對目標參數的風險結果參照一定標準進行評判。

(5)風險控制:主要針對不同的風險大小，結合實際情況給出風險處理的合理對策。

1.2 風險分析方法

常用的風險分析方法有基于信心指數的專家調查法、模糊綜合評判方法、層次分析法、故障書法等等。本文采用基于信心指數的專家調查法，它被證明在缺乏大量施工數據的情況下可作為一種有效的風險分析方法［3］。

專家調查法的應用一般由兩步組成:

(1)辨識出某一特定項目可能遇到的所有風險，列出風險調查表(Checklist)。

(2)利用專家經驗對可能的風險因素的重要性進行評價，綜合成整個項目風險。

在調查中引入“信心指數”，即專家在做出相應判斷時的信心程度，也可以理解為該數據的客觀可靠程度。這意味著將由專家自己進行數據的可靠性或客觀性評價，這就會大大提高數據的可用性，也可以擴大數據采集對象的范圍。通過這種方法，可以挖掘出專家調研數據的深層信息:即使數據采集對象并非該領域的專家，只要他對所做出的判斷能夠有一個正確的評價，那么這個數據就應該視為有效信息。

2 工程應用

2.1 工程概況

某天然氣管道擬穿越高速公路，穿越路段為該地區經濟大動脈，車流量大，車輛類型多，其本身就存在新老路堤拼接和路面不均勻沉降問題。擬采用頂管法施工，穿越長度100 m左右，套管規格DRC 1800×2000GⅢA JC/T640，兩端工作井為5 m×5 m矩形坑，一般路段穿越深度位于地表以下3 m左右，路基段穿越深度為路面以下6 m左右(路基高3 m)，地下水主要賦存于上部黏性土、粉土、砂土中，水量不大，勘察期間地下水埋深0.20～3.15 m，故穿越工程位于地下水位以下。

2.2 風險辨識及估計

按照普通頂管施工的流程，可將其分為頂管進出洞階段和頂進階段。頂管進出洞階段的風險主要包括設備的吊裝和安裝風險、掘進機出發風險、掘進機到達風險、臨時工程和設備的拆除風險。由于客觀地質條件、設備和施工材料性能以及主觀因素的不確定性的影響，掘進機從工作井出發時就面臨眾多風險，如工作面漏水漏漿、掘進機出洞引起塌方、洞口密封圈失效漏水、輔助設施損壞、無法正常出洞、反力座損壞、掘進機抬頭或磕頭事故、掘進機無法正常推進、掘進機上浮等;掘進機到達時也面臨類似風險。

頂管頂進階段的風險主要包括障礙物及不良地質事故、設備操縱失誤、注漿施工風險、防水防腐等風險。其中，障礙物和不良地質風險包括障礙物、承壓水或涌水、暗浜(塘)或地層空洞，有害氣體、全斷面流砂、淺覆土層、地質鉆孔回填不密實等7大風險點。

由于頂管推進是一項極其復雜、巨大的施工工作，所以在其過程中難免會出現操作失誤。操作失誤是由于主觀因素在特殊客觀條件變化時引起的對機械設備的失誤操作，損失小時可以忽略不計，損失大時很可能是災難性的。本文將操作失誤風險分為:開挖和頂進控制失誤、軸線控制不當、泥漿處理失誤三大部分。

注漿施工包括注漿減摩和注漿加固，注漿減摩是頂管中非常重要的一環，尤其是在長距離和曲線頂管中，它是頂管成功與否的一個極其重要的關鍵性環節。注漿系統風險主要包括注漿設備、注漿質量和環境影響三部分風險事故。

頂管防水施工的主要內容為管片接縫防水、注漿孔防水、滲漏處理等，因滲漏產生的風險事故主要有管片的不均勻沉降、管片開裂脫節以及水土流失產生的地表變形。

根據風險辨識過程中得出的可能存在的風險事故以及上述實際工程經驗，并結合本工程實際情況，進出洞階段最可能出現工作面滲漏水和塌方等事故;推進階段最可能出現地下障礙物(高速公路地下基礎、擋土墻、塊石、樹根等)、全斷面流砂甚至塌方等事故，對風險事故進行更詳細的分析如下。

2.2.1 工作面漏水漏漿

頂管推進過程中，無論是從工作井出洞還是從接受井進洞，管子和洞口之間都必須留有一定的間隙，此間隙如果不堵住，地下水和泥沙就會從該間隙流到工作井中，造成事故。由于不良地質或者洞口止水失效都有可能造成工作面漏水漏漿。

2.2.2 地下障礙物

地下障礙物的存在會給掘進機的正常推進帶來不利影響:導致可能引起刀盤磨損，從而不能正常開挖，影響工期;頂管不能快速通過穿越路段，引起路基的不均勻沉降甚至開裂。

2.2.3 全斷面流砂

頂管穿越土層為粉土，下臥粉砂層，加上地下水作用，存在流砂風險可能性很大，流砂對工程施工風險主要為:流砂在基坑工程施工中能造成大量的土體流動，致使地表塌陷給施工帶來很大困難或甚至造成特大工程事故(高速公路路基和路面破壞、塌方)。

2.3 風險評價

2.3.1 風險評價準則

為了對工程的風險事故有一個大體的、定性的把握，以便指導風險決策的開展，需對不同的風險事故進行風險等級劃分。一般來說，風險的兩個重要因素是概率和損失，按照相關研究和規定［2］、［4］，下面給出概率和損失風險等級評定標準，并在最后給出針對風險事故的等級劃分標準，如表1～表4所示。

表1 風險發生概率等級標準

表2 風險事故損失等級標準

表3 風險評估矩陣

表4 風險接受準則

2.3.2 風險評價

根據以上對頂管施工進出洞以及推進過程中可能存在的各種風險事故進行綜合匯總分析，并采用風險接受準則對其等級進行評定，風險評價表如表5所示。

表5 頂管施工對高速公路影響風險評價匯總表

2.4 風險控制措施

通過風險評價結果，對于風險等級較高的頂管進出洞事故、地下障礙物和全斷面流砂(甚至塌方)事故應采取一定的風險控制措施。

2.4.1 頂管進出洞的風險控制措施

針對頂管進出洞階段最可能出現的工作面滲漏水和塌方等事故，有以下風險控制措施:

(1)嚴格按地下工程防水施工驗收規范標準要求施工，加強工作井、接受井的降水、排水措施;

(2)建議對洞口及其附近一定范圍內進行凍結或注漿加固，保證進出洞不出現滲漏水或涌水涌泥等事故，加固范圍一般為洞口前5 m范圍，洞口四周距管道外側2～3 m范圍內。

2.4.2 地下障礙物和全斷面流砂的風險控制措施

(1)采用先進的勘測儀器和試驗設備，減少勘測誤差和錯誤，對探明的地下障礙物進行清除，并做好施工過程中出現各種可能的地下障礙物(高速公路地下基礎、擋土墻、塊石、樹根等)施工應急預案;

(2)在頂管推進過程中，建議通過加強泥水管理、及時調整泥水指標、精確計算切口水壓、嚴格控制切口水壓波動等措施來防止粉土層中無法形成“泥膜”造成工作面失穩甚至塌方等嚴重后果;制定流砂事故應急措施和預案。

(3)建議對穿越施工進行地下水位、地表沉降和高速公路路基、路面的沉降進行實施監測，及時掌握施工對周邊環境的影響范圍和程度。

此外，針對注漿施工、防水防腐施工等風險較小因素也要加強注漿管理，控制掘進速度，控制好掘進機與管片的相對姿態，防止地下水涌入。

3 結論

本文對某頂管施工中可能對高速公路產生影響的風險因素進行了辨識、估計和評價，并提出了相應的控制措施，可得到如下結論。

(1)由于工作面有存在滲漏水、地下障礙物、全斷面流砂等風險事故的可能性，建議在施工過程中采取相應的措施，并制定應急預案。

(2)通過對頂管施工過程中的風險分析，為工程決策中的施工方案的確定和工程建設管理提供了依據。

［1］王斌，陳帥，陶柏峰，等.頂管穿越路堤實測地基變形和擾動程度分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(1):2805－2812

［2］同濟大學.地鐵及地下工程建設風險管理指南［M］.上海:同濟大學出版社，2007

［3］閆玉茹，黃宏偉，胡群芳，等.大連灣海底隧道鉆爆法施工風險評估研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(2):3616－3624

［4］中國交通運輸部.公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南(試行)［S］.2010