深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)交叉學(xué)科風(fēng)險要素識別研究

葉源新

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司，上海市201103）

0 引言

深層調(diào)蓄隧道項目是一項投資大、工期長、專業(yè)多、涉及面廣的復(fù)雜性系統(tǒng)工程，存在諸多不確定因素，以及不可預(yù)見風(fēng)險，使得全線系統(tǒng)建設(shè)與運營在安全性方面面臨諸多考驗。如何開展完善和系統(tǒng)的風(fēng)險識別，準(zhǔn)確預(yù)見可能出現(xiàn)的危險和災(zāi)害，從而采取有效的預(yù)防和控制措施，必要時啟動相應(yīng)的應(yīng)急方案，處理各種工程風(fēng)險所造成的不利后果，使項目以最小的成本實現(xiàn)有效的風(fēng)險管控，已經(jīng)成為深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)建設(shè)中最為緊要的問題。

常規(guī)的風(fēng)險識別過程一般根據(jù)工程建設(shè)周期，按照勘察、設(shè)計、施工等方面開展風(fēng)險要素的分類研究[1]。由于工程建設(shè)各階段存在大量的風(fēng)險因素，其不確定性、復(fù)雜性都增加了風(fēng)險識別分析的難度，常規(guī)的風(fēng)險識別方法難以完整準(zhǔn)確地識別評估工程風(fēng)險。而深層調(diào)蓄隧道項目的風(fēng)險識別及等級劃分難度大，出現(xiàn)工程質(zhì)量問題時將產(chǎn)生難以預(yù)估的后果，給風(fēng)險管理工作帶來了巨大的難度。課題研究者從工程整體質(zhì)量的角度進(jìn)行考慮，探究水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、土力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、測繪學(xué)等多個學(xué)科專業(yè)的水平在整個工程中的作用，對潛在的風(fēng)險要素進(jìn)行主要交叉學(xué)科專業(yè)的要素識別和風(fēng)險點預(yù)判。

1 深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)風(fēng)險識別的流程

為了實現(xiàn)深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)風(fēng)險識別的有效性和綜合性，相應(yīng)的識別過程需要有嚴(yán)謹(jǐn)完善的步驟和過程。本文對風(fēng)險的識別采用基于學(xué)科專業(yè)的風(fēng)險分類方法，將風(fēng)險要素和關(guān)鍵點按照專業(yè)方向歸納整理，識別過程相對清晰完整，識別結(jié)果應(yīng)用較為明確。具體流程如圖1所示。

2 深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)交叉學(xué)科風(fēng)險要素識別

通過引入學(xué)科分類方法，初步構(gòu)建了涉及水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、材料學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、測繪學(xué)等多學(xué)科的風(fēng)險識別方法。現(xiàn)已識別水力學(xué)技術(shù)要點4項、關(guān)鍵要素5項、風(fēng)險點5項，結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)要點4項、關(guān)鍵要素12項、風(fēng)險點17項，土力學(xué)技術(shù)要點6項、關(guān)鍵要素15項、風(fēng)險點17項，材料學(xué)技術(shù)要點2項、關(guān)鍵要素2項、風(fēng)險點4項，水文地質(zhì)學(xué)技術(shù)要點3項、關(guān)鍵要素6項、風(fēng)險點19項，測繪學(xué)技術(shù)要點5項、關(guān)鍵要素8項、風(fēng)險點9項，初步形成了深層調(diào)蓄隧道風(fēng)險點的識別清單。囿于篇幅，本文僅以水力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為例，闡述該方法和取得的初步成果。

2.1 水力學(xué)風(fēng)險要素的識別

在水利工程中，習(xí)慣上常將流速達(dá)到15～20 m/s以上的水流作為高速水流，其存在將伴生很多特殊的水力學(xué)問題[2]。深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)中的豎向跌落井，進(jìn)水落差大，當(dāng)落差超過12 m時，即可能形

圖1 深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)風(fēng)險識別流程圖

成高速水流，容易在豎井內(nèi)出現(xiàn)回流、旋渦、摻氣水流等多種復(fù)雜的水力流動現(xiàn)象，可能引起豎井內(nèi)沖蝕、空化、振動、噪聲等問題。深層隧道內(nèi)水-氣流動特性復(fù)雜，在主隧道排氣能力不足或水力瞬變劇烈時，易產(chǎn)生截留氣團(tuán)，可能形成彌合水錘，引起劇烈的壓力振蕩；壓強的頻繁交變過程，可能剝蝕隧道表面，增大水流阻力，降低過流能力，進(jìn)而影響深隧結(jié)構(gòu)安全和運行穩(wěn)定。與復(fù)雜的水力學(xué)風(fēng)險問題伴生的還有流固耦合問題，如豎井中消能工內(nèi)流態(tài)的劇烈變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動，淺滿交替不穩(wěn)定流產(chǎn)生的壓力振蕩與波動對主隧道結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)上述分析及已有的研究成果可知，水力學(xué)風(fēng)險要素至少包括：消能、瞬變流、滯氣浪涌、震動等，其影響階段包括設(shè)計、施工、調(diào)試、運行等全過程。水力學(xué)風(fēng)險要素的風(fēng)險點及后果預(yù)判見表1所列。

2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)風(fēng)險要素的識別

在國外排水調(diào)蓄隧道工程中，采用的結(jié)構(gòu)形式有單層襯砌與雙層襯砌，采用的管片形式有混凝土管片與復(fù)合管片。大多盾構(gòu)法隧道采用的是螺栓連接的接頭形式，無手孔快速插入接頭成為排水調(diào)蓄盾構(gòu)法隧道的技術(shù)發(fā)展方向。在國內(nèi)，目前尚缺乏可參考的深層隧道盾構(gòu)法工程案例，只有廣州市深層隧道排水系統(tǒng)東濠涌試驗段處于施工階段[3]。深層調(diào)蓄隧道工程由于承受內(nèi)水壓力，與一般的公路隧道、地鐵隧道等在結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算理論、建造技術(shù)、設(shè)計與施工方面都有很大的不同。

表1 水力學(xué)風(fēng)險要素一覽表

根據(jù)前述分析及已有的研究成果可知，結(jié)構(gòu)力學(xué)風(fēng)險要素至少包括：基坑、襯砌結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻、水泥土攪拌墻等，其影響階段包括設(shè)計、施工[4]、運行等。結(jié)構(gòu)力學(xué)風(fēng)險要素的風(fēng)險點及后果預(yù)判見表2所列。

2.3 水力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)交叉風(fēng)險要素分析

為降低水力學(xué)的技術(shù)風(fēng)險，工程上可能增設(shè)消能工或減振減蝕措施，將影響既有的工程結(jié)構(gòu)條件，可能增加新的結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的風(fēng)險，如豎井消能工對井體偏載的影響范圍、豎井真圓度指標(biāo)的二次計算、水力減振構(gòu)件對隧道管片強度的影響等。

反之，為降低結(jié)構(gòu)力學(xué)的技術(shù)風(fēng)險，特殊的結(jié)構(gòu)處理方式也將影響過流的水力條件，從而增加了新的水力學(xué)方面的風(fēng)險，如特深地墻槽段分幅后連接處的過流斷面變化引起的流速、壓力的波動，以及沖蝕等問題。

另外，襯砌混凝土老化是深層隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠度降低、風(fēng)險增大的重要原因之一，影響材料本身性能的未知因素較多，在隧道建成后仍可能有潛在的破壞因素；如何針對第三承壓水層進(jìn)行減壓降水是特深豎井建造過程中無法回避的水文、地質(zhì)和結(jié)構(gòu)相互交叉的技術(shù)風(fēng)險難題；針對降低水力、結(jié)構(gòu)、材料、水文、地質(zhì)等風(fēng)險的技術(shù)措施，測繪勘察的精確度決定了風(fēng)險控制的級別，進(jìn)一步影響工程風(fēng)險的綜合評估和應(yīng)對預(yù)案的制定。

表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)風(fēng)險要素表

3 結(jié)論

大型建設(shè)工程項目的風(fēng)險主要來源于項目的復(fù)雜性和不確定性，梳理交叉學(xué)科專業(yè)是對風(fēng)險要素識別的良好嘗試。課題研究者在深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)安全風(fēng)險管理領(lǐng)域引入了學(xué)科分類方法，并結(jié)合其他深層隧道案例經(jīng)驗，利用已有研究成果，初步構(gòu)建了涉及水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、材料學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、測繪學(xué)等多學(xué)科的風(fēng)險識別方法。初步結(jié)果表明，該方法可比較系統(tǒng)全面、高效有效地完成風(fēng)險要素分類和識別分析，易于總結(jié)各專業(yè)方向的技術(shù)難題和關(guān)鍵風(fēng)險點，又便于發(fā)現(xiàn)交叉學(xué)科中隱藏的風(fēng)險因素。同時，清晰的學(xué)科分類有助于下階段更有針對性的選擇管控手段和相應(yīng)措施。

采用該方法研究深層調(diào)蓄隧道風(fēng)險識別的關(guān)鍵，主要是研究各個學(xué)科專業(yè)之間的作用關(guān)系及各個學(xué)科要素對系統(tǒng)風(fēng)險的影響規(guī)律。已知要素之間的作用關(guān)系在主要學(xué)科分析中已經(jīng)基本完成，后面還需要進(jìn)一步就各個要素對系統(tǒng)風(fēng)險的影響進(jìn)行深入研究。

4 致謝

感謝上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站、上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司、河海大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等對研究過程及技術(shù)資料的支持和幫助。

[1]郭陜云.關(guān)于隧道及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理的實施意見[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007，44（6）:1-4．

[2]劉士和.高速水流[M].北京：科學(xué)出版社，2005．

[3]王廣華,李文濤,陳貽龍，等.廣州市東濠涌深層排水隧道工程前期研究[J].中國給水排水,2016,32（22）:7-13．

[4]王晶,王鵬飛,譚躍虎.地鐵隧道工程施工過程中風(fēng)險管理研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2009，5（2）:385-389．