水下隧道盾構法施工安全風險評估研究

馮靖宇

(中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300)

隨著我國水利輸電隧道、跨海交通隧道、城市地鐵隧道、市政隧道等工程的不斷發展，很多工程均要穿越地下江河，才能更好地滿足現階段實際的交通需求。自進入21世紀以來，我國江河隧道修建數量逐年上漲，在此過程中，也為盾構法的應用提供了廣闊空間。通過該技術的應用，不僅可提升工作效率，同時也避免了施工對周邊環境的影響。但受到多種因素的限制，盾構法施工過程中，一旦設備出現問題，便會直接增加工程施工風險，基于此，開展風險評估工作很有必要。

1 盾構法概述

該技術在隧道建設過程中應用十分廣泛，其比較適合應用于含水量高或者軟土層掘進隧道工程中。所謂“盾構”，即可確保地層穩定性的保護結構，材質以鋼、鑄鐵、混凝土為主。盾構能夠為掘進機工作提供臨時支撐。同時它也是一種帶有護罩的專用設備，具體應用的過程中，主要是將初砌塊作為支點不斷的向前推進，并使用刀盤來實現土體切割。

另外，盾構也可被作為一種工具來應用，該設備從外形上看，類似于一個鋼管機，一般會大于隧道部分，如此設計的主要目的是為了抵御地層壓力和外向水壓，具體包括后部盾尾、中部支撐環以及前部的切口環。目前，很多盾構還會被設計成橢圓形、圓形、馬蹄形等。

在實際的隧道工程施工過程中，通過盾構法的實踐應用，不僅可大幅度提升施工效率，同時還能減小施工對周邊環境造成的影響，洞體質量相對穩定，尤其是在軟土地基施工中，應用效果尤為顯著[1]。

2 水下隧道施工特點分析

2.1 大斷面隧道施工

水下隧道施工的危險系數極高，在設計過程中通常以單圓雙線方式為主，并要使用大直徑的盾構進行施工。例如，我國的武漢長江越江隧道，其在具體施工時便選用了大直徑的盾構，盾構的實際直徑約為12 m，而上海崇明隧道也選用了直徑為15.5 m的盾構進行施工。在這些工程中所使用的盾構直徑基本均在10 m以上，整體的應用效果顯著，也會產生一系列問題，具體分析如下：

第一，刀盤上下面高差較大，在具體開挖的過程中，由于需要穿越多種土層，且各土層的物理力學參數各不相同，在此情況下，便會對刀盤切削效果產生直接影響，導致涂層軟硬不均勻，同時也會增加盾構開挖面扭矩、泥水壓力等相關參數的控制難度，同時還會為盾構的實際操作帶來一定麻煩，不利于姿態的有效控制，最終會影響施工進程。

第二，由于開挖面支護應力比增加，進而也會對開挖面的穩定性產生直接影響。隨著盾構直徑的增加，開挖面支護用應力比也會不斷提升，會直接增加水泥控制工作的難度，在同等技術條件下，開挖面的穩定性也會發生變化。

第三，隨著盾構直徑的不斷增加，土體的損失量也會逐漸提升，進而使地表沉降量也隨之增加。

第四，提高隧道上浮概率。在水下開展隧道工程施工的過程中，隧道管片由于處于水下，因此，在浮力的作用和影響下，很有可能導致隧道上浮。如果從管片受力的角度進行分析，則管片和浮力自重重力之間的差異也會越來越懸殊，由此同樣會增加隧道上浮的可能性[2]。

2.2 長距離隧道施工

在水下施工的過程中，掘進的距離通常較長，正常情況下，掘進距離在2 km以上的工程都被稱為“長距離掘進工程”。由于水下隧道施工的特殊性，因此，掘進距離基本均在2 km以上。

在具體施工的過程中，施工人員可選用大直徑盾構進行一次性推進，但盾尾和道具密封、主軸承的耐磨和密封等經常會產生巨大的施工風險。結合推算可知，道具的掘進距離與磨損呈正比關系，隨著掘進距離的不斷增加，也會同時加重盾尾密封刷的磨損，當磨損程度達到一定極限，以致于必須要進行更換處理時，在水下的施工作業環境中，便會增加盾構的密封風險，嚴重時還會造成隧道進水的問題。

2.3 穿越大堤隧道施工

在穿越城市江河進行隧道施工的過程中，經常需要穿越大堤，由于很多大堤工程在修建的過程中，均是拋石護坡改造而成，故其本身的抗變形能力也會比較弱，施工控制工作難度較高，一旦大堤遭到破壞，將會產生十分嚴重的后果，在此情況下，也為隧道施工帶來了一系列困難。

3 水下隧道盾構法施工安全風險識別

結合風險發生對象的差異性，一般可將風險劃分為環境風險以及自然風險兩種主要類型。另外，結合水下隧道盾構法施工中，風險發生的不同時間段，還可將風險劃分為盾構到達階段、掘進階段以及始發階段。通過對我國以往的水下隧道工程風險案例進行分析，總結出具體施工過程中可能會存在風險問題，具體表述如下：

盾構掘進階段風險：工作面不穩定，工具嚴重磨損；千斤頂推進故障；盾尾密封性差，接頭漏水；管片拼接錯誤或者被損壞；大軸承發生斷裂問題，使其失去本身性能。

盾構始發階段風險：后靠損壞或變形，洞口水土流失；洞口土體坍塌，泥水關系失衡；基座損壞或變形等等。

盾構達到階段風險：盾構進洞之后與軸線產生較大偏移；洞口產生水土流失問題；由于洞口被破壞，直接導致土體坍塌[3]。

4 水下隧道盾構法施工安全風險評估

4.1 安全風險評估辦法概述

在對水下隧道盾構法施工安全風險進行評估的過程中，最為常見的方式包括半定量風險評估法、定量安全風險法以及定性安全風險法等。其中，定性安全風險分析法在我國的隧道工程風險評估工作中較為常見。很多研究人員在翻閱了大量文獻之后，根據風險等級原則，最后給出風險發生的后果等級以及發生的概率性。還有很多學者通過事故樹方式進行評估，即先對相關數據進行收集，以此獲取事件發生幾率，再結合該評估法的相關計算方式，得出事件的準確發生概率。但不管是定量分析還是定性分析法，均可在工程實踐過程中發揮重大作用，從而為風險管理工作的開展提供有力條件。但從這些分析方式在工程中的實際效果來看，其在工程與風險評估的結合以及可操性方面仍存在一定缺陷。

4.2 定量和定性風險評估法的局限性

4.2.1 定性風險評估法

對于定性分析法而言，其存在的缺陷問題包括以下幾點：一是該方法在實踐的過程中，通常需涉及到專家調查法，同時還要邀請很多專家對風險的后果等級和可能性等級進行評分，結合該評分結果再進行下一步工作。實踐證明，即便是邀請實踐經驗十分豐富的專家，但調查結果的精準性依然無法得到百分之百的保證，可行性較低。另外，該風險評估方式很難對風險的動態變化進行及時有效應對，尤其在具體的施工過程中，外界環境隨時處于變化的狀態當中，如水底地形的變化、水位的變化等，在此情況下，風險也會隨之而改變，若這種動態變化在可控的范圍內，則通過該方式還能夠及時進行補救和調整，若動態變化超出可控性范圍，則定性分析法便會派不上用場，失去其實際效果。

4.2.2 定量風險評估法

該風險評估法在實踐應用的過程中，由于地下隧道工程的風險因素較多，且其潛在破壞機制、發生機理、影響范圍等十分復雜，因此，若通過定量分析法進行研究，則還很難對人為概率假設分布的精準性進行判斷，與此同時，還會遇到各種各樣的小問題。若要獲得事件發生的精準性概率，是一項十分艱難，甚至是不可能完成的工作，因此也對定量風險評估法實際應用效果及其可操作性造成嚴重影響[4]。

4.3 改進建議及肯特指數風險評估法

4.3.1 改進建議

基于上述分析，給出以下幾點建議：首先，在對隧道施工風險進行評估的過程中，一定要建立風險事故產生可能性與影響風險事故指標之間的量化關系，如此才可確保風險評估工作的可行性和全面性。對于風險的動態變化，一般可通過對指標進行調整的方式，來實現對風險事故的有效控制。其次，由于風險事故發生的精準性概率很難獲取，加之風險評估的過程中，還會經常受到很多因素的影響，因此，必須要采取一些恰當的措施加以避免，以此防止主觀因素對風險評估工作產生的消極影響，具體的措施如數值實驗、文獻成果、現場試驗等。最后，在構建風險評估模型的工程中，一般可結合工程現場條件來進行，同時還應保證該模型能夠積極應對施工方式、計劃方案、地層條件等變化。

4.3.2 肯特指數風險評估法

該方法提出管道事故無法精準預測的理論，風險評估工作無需結合相關概念理論進行計算，而是采取指數代替精準概率的方式來進行，其不過分依賴于精準概率，具有很強的說服力。隧道事故發生的原因一般包括：地質水文條件、施工條件、設計因素、隧道相關參數等。不管是任何一個因素發生變化，均有可能導致風險問題發生。基于此，可將指數劃分為后果指數、設計指數、基本指數以及施工指數。在實踐過程中，一旦其中一個指數發生變化，則風險值也會產生相應的改變，在施工工況(設計方案、埋深、工期進展程度)發生變化時，風險也會被改變，如此便可實現安全風險的精準預測。

5 結 語

綜上所述，該文主要對盾構法、水下隧道施工特點進行了簡要分析，之后對盾構法施工風險及相關的風險評估問題進行了重點研究。由于水下作業環境復雜，變化較多，因此也增加了越江隧道工程的施工難度和風險概率，基于此，開展風險評估工作很有必要。該文提出的肯特指數風險評估法，實踐應用效果十分顯著，實現了施工各環節的緊密相連，通過指數打分能夠獲取精準的風險發生概率，為水下隧道工程的安全穩定建設提供了良好保障。

[1] 練才園.地鐵隧道盾構法施工安全風險過程分析研究綜述[J].城市建設理論研究:電子版,2015(12)：18-19.

[2] 徐 濤.多因素耦合作用下的水下隧道盾構施工安全風險控制研究[J].重慶交通大學,2016(8)：89-90.

[3] 楊文武,吳浩然,杜 峰,等.長三角地區大型水下盾構法隧道風險管理的工程實踐[J].滬港科技合作研討會.2014(7)：78-79.

[4] 羅賽楠.基于層次分析法的盾構法隧道施工風險辨識和評估方法研究與應用[J].上海大學,2015(8)：:31-32.