深層調蓄隧道系統交叉學科風險要素識別研究

葉源新

（上海城投水務（集團）有限公司，上海市201103）

0 引言

深層調蓄隧道項目是一項投資大、工期長、專業多、涉及面廣的復雜性系統工程，存在諸多不確定因素，以及不可預見風險，使得全線系統建設與運營在安全性方面面臨諸多考驗。如何開展完善和系統的風險識別，準確預見可能出現的危險和災害，從而采取有效的預防和控制措施，必要時啟動相應的應急方案，處理各種工程風險所造成的不利后果，使項目以最小的成本實現有效的風險管控，已經成為深層調蓄隧道系統建設中最為緊要的問題。

常規的風險識別過程一般根據工程建設周期，按照勘察、設計、施工等方面開展風險要素的分類研究[1]。由于工程建設各階段存在大量的風險因素，其不確定性、復雜性都增加了風險識別分析的難度，常規的風險識別方法難以完整準確地識別評估工程風險。而深層調蓄隧道項目的風險識別及等級劃分難度大，出現工程質量問題時將產生難以預估的后果，給風險管理工作帶來了巨大的難度。課題研究者從工程整體質量的角度進行考慮，探究水力學、結構力學、材料學、土力學、水文地質學、測繪學等多個學科專業的水平在整個工程中的作用，對潛在的風險要素進行主要交叉學科專業的要素識別和風險點預判。

1 深層調蓄隧道系統風險識別的流程

為了實現深層調蓄隧道系統風險識別的有效性和綜合性，相應的識別過程需要有嚴謹完善的步驟和過程。本文對風險的識別采用基于學科專業的風險分類方法，將風險要素和關鍵點按照專業方向歸納整理，識別過程相對清晰完整，識別結果應用較為明確。具體流程如圖1所示。

2 深層調蓄隧道系統交叉學科風險要素識別

通過引入學科分類方法，初步構建了涉及水力學、結構力學、土力學、材料學、水文地質學、測繪學等多學科的風險識別方法。現已識別水力學技術要點4項、關鍵要素5項、風險點5項，結構力學技術要點4項、關鍵要素12項、風險點17項，土力學技術要點6項、關鍵要素15項、風險點17項，材料學技術要點2項、關鍵要素2項、風險點4項，水文地質學技術要點3項、關鍵要素6項、風險點19項，測繪學技術要點5項、關鍵要素8項、風險點9項，初步形成了深層調蓄隧道風險點的識別清單。囿于篇幅，本文僅以水力學和結構力學為例，闡述該方法和取得的初步成果。

2.1 水力學風險要素的識別

在水利工程中，習慣上常將流速達到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問題[2]。深層調蓄隧道系統中的豎向跌落井，進水落差大，當落差超過12 m時，即可能形

圖1 深層調蓄隧道系統風險識別流程圖

成高速水流，容易在豎井內出現回流、旋渦、摻氣水流等多種復雜的水力流動現象，可能引起豎井內沖蝕、空化、振動、噪聲等問題。深層隧道內水-氣流動特性復雜，在主隧道排氣能力不足或水力瞬變劇烈時，易產生截留氣團，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，進而影響深隧結構安全和運行穩定。與復雜的水力學風險問題伴生的還有流固耦合問題，如豎井中消能工內流態的劇烈變化產生的結構振動，淺滿交替不穩定流產生的壓力振蕩與波動對主隧道結構的影響。

根據上述分析及已有的研究成果可知，水力學風險要素至少包括：消能、瞬變流、滯氣浪涌、震動等，其影響階段包括設計、施工、調試、運行等全過程。水力學風險要素的風險點及后果預判見表1所列。

2.2 結構力學風險要素的識別

在國外排水調蓄隧道工程中，采用的結構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合管片。大多盾構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蓄盾構法隧道的技術發展方向。在國內，目前尚缺乏可參考的深層隧道盾構法工程案例，只有廣州市深層隧道排水系統東濠涌試驗段處于施工階段[3]。深層調蓄隧道工程由于承受內水壓力，與一般的公路隧道、地鐵隧道等在結構力學的計算理論、建造技術、設計與施工方面都有很大的不同。

表1 水力學風險要素一覽表

根據前述分析及已有的研究成果可知，結構力學風險要素至少包括：基坑、襯砌結構、地下連續墻、水泥土攪拌墻等，其影響階段包括設計、施工[4]、運行等。結構力學風險要素的風險點及后果預判見表2所列。

2.3 水力學與結構力學交叉風險要素分析

為降低水力學的技術風險，工程上可能增設消能工或減振減蝕措施，將影響既有的工程結構條件，可能增加新的結構力學方面的風險，如豎井消能工對井體偏載的影響范圍、豎井真圓度指標的二次計算、水力減振構件對隧道管片強度的影響等。

反之，為降低結構力學的技術風險，特殊的結構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方面的風險，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構可靠度降低、風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行減壓降水是特深豎井建造過程中無法回避的水文、地質和結構相互交叉的技術風險難題；針對降低水力、結構、材料、水文、地質等風險的技術措施，測繪勘察的精確度決定了風險控制的級別，進一步影響工程風險的綜合評估和應對預案的制定。

表2 結構力學風險要素表

3 結論

大型建設工程項目的風險主要來源于項目的復雜性和不確定性，梳理交叉學科專業是對風險要素識別的良好嘗試。課題研究者在深層調蓄隧道系統安全風險管理領域引入了學科分類方法，并結合其他深層隧道案例經驗，利用已有研究成果，初步構建了涉及水力學、結構力學、土力學、材料學、水文地質學、測繪學等多學科的風險識別方法。初步結果表明，該方法可比較系統全面、高效有效地完成風險要素分類和識別分析，易于總結各專業方向的技術難題和關鍵風險點，又便于發現交叉學科中隱藏的風險因素。同時，清晰的學科分類有助于下階段更有針對性的選擇管控手段和相應措施。

采用該方法研究深層調蓄隧道風險識別的關鍵，主要是研究各個學科專業之間的作用關系及各個學科要素對系統風險的影響規律。已知要素之間的作用關系在主要學科分析中已經基本完成，后面還需要進一步就各個要素對系統風險的影響進行深入研究。

4 致謝

感謝上海市水務建設工程安全質量監督中心站、上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司、河海大學、同濟大學等對研究過程及技術資料的支持和幫助。

[1]郭陜云.關于隧道及地下工程建設風險管理的實施意見[J].現代隧道技術,2007，44（6）:1-4．

[2]劉士和.高速水流[M].北京：科學出版社，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險管理研究[J].地下空間與工程學報,2009，5（2）:385-389．