廈門地鐵3號線過海段隧道盾構法與礦山法海下對接施工風險評估

張繼超，周建軍，孫飛祥，楊振興，張 兵，游慧杰

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3. 黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

近年來，我國修建了大量穿江、河、湖、海的水下隧道[1]。相對于陸上隧道，水下隧道的修建條件更為復雜，勘測難度大、準確度低，不確定因素更多[2]； 加之我國正在建設和規劃包括穿越渤海灣、瓊州海峽、臺灣海峽等在內的世界級海底隧道工程[3]，這為水下隧道的修建提出了更高的要求。

水下隧道的掘進方式有礦山法、盾構(TBM)法、沉管法等。考慮到刀具磨損，地層軟硬復雜多變，水下難以設置豎井，連續單向長距離掘進距離會受到很大限制，由此很多水下隧道工程提出了采取“雙向掘進、中部對接”的隧道施工方案。如廣深港客運專線獅子洋隧道盾構法-盾構法對接[4]、深圳前灣過海管廊工程盾構法-礦山法對接等工程案例[5]。

水下隧道對接施工風險源分布較多、不確定性強、危害程度大[6-7]。在目前國內外針對施工風險的評估研究現狀中[8]，常見的風險評價方法有HSE風險管理[9]以及模糊評價法等，但往往只是對于單一隧道掘進方法、單向掘進方向進行。對于2種方式結合、雙向掘進、中部對接的隧道施工方法，尚無較為成熟完備的風險評估案例。本文依托廈門軌道交通3號線海下段工程，對盾構法-礦山法在高水壓、復雜地質條件環境下對接施工的風險及應對措施進行研究。

1 工程概況

廈門軌道交通3號線過海段是連接廈門本島與翔安東部副中心的西南-東北向骨干線路，區段全長為6.5 km，其中，過海段長度約為3.68 km。過海段隧道采用礦山法、復合式泥水盾構法2種開挖方式相向掘進，在海底完成2種施工方式的對接。廈門地鐵3號線過海段工程示意如圖1所示。

圖1 廈門地鐵3號線過海段工程示意圖

雙向隧道對接施工流程如圖2所示。

礦山法隧道為大小洞并行的馬蹄形(寬8.0 m、高9.4 m)； 泥水盾構區間隧道管片設計采用通用楔形管片環，管片內徑為6 m，外徑為6.7 m，厚度為350 mm。廈門地鐵3號線過海段雙向隧道斷面示意如圖3所示。

礦山法與盾構法隧道對接位置，在里程為CK17+939.5處，左線隧道處于微風化花崗閃長巖層，上覆巖土為中粗礫砂、全風化花崗閃長巖、散體狀強風化花崗閃長巖，總覆土厚度為27.5 m，海平面以下46.2 m； 右線隧道處于微風化花崗閃長巖層，上覆巖土為中粗礫砂、殘積砂質黏性土、全風化花崗閃長巖、散體狀強風化花崗閃長巖、中等風化花崗閃長巖，總覆土厚度為27.2 m，海平面以下46 m。盾構段距離對接面20～30 m長度范圍地層起伏較大，風化槽距離對接位置為40～50 m，盾構停機位置距離風化槽為20～30 m，保持與風化槽足夠的安全距離前提下，滿足盾構處于礦山法隧道開挖影響范圍(2D)之外的要求[10]。礦山法與泥水盾構法隧道對接段地層斷面示意如圖4所示。

圖2 雙向隧道對接施工流程圖

(a) 礦山法隧道斷面尺寸(b) 盾構法隧道斷面尺寸

圖4 礦山法與泥水盾構法隧道對接段地層斷面示意圖

隧道穿越海域長度達3.68 km，海水深度超過46 m，地下水由海水垂直入滲補給。基巖凸起嚴重，風化槽分布多，且存在較大范圍的中砂層，工程地質及水文地質條件復雜。圍巖、破碎帶物理力學參數見表1。針對最終選定的盾構法貫通方式存在的風險隱患，結合對接位置的工程地質特點，對施工風險進行綜合評價與分析。

表1 圍巖、破碎帶物理力學參數表

風險分析主要包括5個環節： 風險界定、風險辨識、風險估計、風險評價和風險控制[11]。

2 風險界定

根據《國際隧道協會風險管理指南》[12](2004)和《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》[13](2011)，隧道風險分級包括事故發生概率P的等級標準、事故發生后果C的等級標準和風險R的等級標準[14]。

風險是概率與后果的函數，即R=f(P,C)。應用R=P×C定級模型[15]建立風險分級評估矩陣，將風險等級劃分為極高、高度、中度和低度4個級別，并給出基于風險值的等級判斷準則。風險判定準則如表2所示。

表2 風險判定準則

3 風險辨識

采用WBS-RBS法[16]進行風險辨識，包括WBS、RBS，即作業、風險多層次分解樹。判斷矩陣示意如圖5所示。將2者分別從施工階段與產生原因2個角度分解，形成風險評估指標體系。盾構法貫通施工風險點匯總如表3所示。

圖5 判斷矩陣示意圖

表3 盾構法貫通施工風險點

4 風險估計

采取專家法，根據風險概率和后果的等級標準對基本風險元素概率和后果進行統計調查，選擇100位具有豐富現場經驗的施工技術人員以及從事盾構隧道相關科學研究的專家學者，進行問卷調查，統計頻率結果作為相應風險元素的隸屬度。風險概率與后果隸屬度如表4所示。

5 風險評價

以貫通施工階段分解樹為例，利用層次分析法(AHP)[8]確定風險重要度、方根法來計算權重集[17]，通過多層次模糊關系矩陣對風險進行半定量分析，評估風險等級。

5.1 判斷矩陣

采取層次分析法，首先需要構造判斷矩陣，以上一層級元素Uk作為評判準則，對本層級評判準則范圍內所屬元素Uki進行兩兩對比，用分值表示兩者相對重要程度，填入判斷矩陣。風險評價分值如表5所示。

表4 風險概率與后果隸屬度

表5 風險評價分值表

以隧道對接整體項目U為準則，第1層分解樹的判斷矩陣如表6所示。

表6 隧道對接項目準則風險判斷矩陣

矩陣表示為

式中p為整體項目劃分準則的數量。

以盾構掘進至停止U1為準則，第2層分解樹的判斷矩陣如表7所示。

表7 盾構掘進至停止準則風險判斷矩陣

同理，建立第2層級其他準則下的判斷矩陣。某一評判準則Uk下所有元素建立的判斷矩陣為

5.2 權重集

5.2.1 計算權重

采取和積法，計算Uk的判斷矩陣每行元素乘積n方根，將判斷矩陣特征向量歸一化，得到權向量Wk，如式(1)所示。

(1)

式中：i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,n。

則Uk的權重集為

Ak=WkT=[Ak1,Ak2,…,Akn]。

以盾構掘進至停止U1為例，其判斷矩陣為

則U1的權重集為

A1=[A11,A12,…,A1n]=W1T=

[0.113 9,0.062 0,0.032 5,0.113 9,0.236 5,0.441 2]

同理，建立第1層級其他準則下的權重集，以及上一層級整體項目U的基本元素的權重集為

A=[a1,a2, …,ap]=[0.093 6, 0.279 7, 0.626 7]。

5.2.2 一致性檢驗

理論上，判斷矩陣中，有xkij·xkjh=xkih，但由于實際工程中風險原因相互影響，公式存在誤差，此時用一致性比率CR<0.1時，表示其不一致程度在合理范圍內。

1)最大特征根

6.067 0。

(2)

2)一致性指標

(3)

3)一致性比率

(4)

式中RI為Satty依據500個隨機矩陣建立的隨機一致性指標，其值可查表得到[8]。

根據式(4)可知判斷矩陣滿足一致性要求。

5.3 風險等級評判矩陣

根據風險發生概率與風險后果等級隸屬度，采用R=P×C定級模型，計算基本元素Uki(i=1,2,…,n)的風險等級隸屬度，將其進行歸一化處理，可得

Rkij=[rki1,rki2,…,rkin]。

(5)

綜合本層級同一評判準則范圍內所有元素建立評判矩陣

Rk=[Rk1,Rk2,…,Rkn]T。

(6)

5.4 模糊綜合評價

引入同層權重集Ak與評判矩陣Rk相乘，得到評判準則的綜合風險等級隸屬度Bk。

已知盾構掘進至停止U1項目的權重集為

A1=[0.106 6, 0.054 2, 0.030 2, 0.143 6, 0.216 9, 0.448 5]。

則其等級隸屬度為：

B1=A1×R1=[b11,b12,…,b1n];

(7)

B1=[0.005 3, 0.158 0, 0.578 0, 0.258 7]。

同理可求同層級其他評判準則的綜合等級隸屬度，組成上一層級評判矩陣如式(8)所示。

(8)

進一步引入上一層級基本元素的權重集A=[a1,a2,…,ap]=[0.093 6,0.279 7,0.626 7]，合成運算得到式(9)，為上一層級綜合風險等級隸屬度[18]。

B*=A×B=[b1,b2,…,bn]；

(9)

B*=[0.019 7,0.104 6,0.349 3,0.526 4]。

綜上，可得各元素的風險等級評價指標。

5.5 風險定級與分析

結合等級接受準則計算風險值，對應風險指針范圍確定風險等級。盾構掘進至停止U1、礦山法開挖至對接面U2、盾構重啟至貫通U3、以及隧道對接整體項目U的風險值及風險等級匯總如表8所示。

表8 綜合評定風險等級匯總表

隧道對接整體項目U，其風險值為84.82，風險等級為高。其中包括以下3個施工階段。

5.5.1 盾構掘進至停止U1

風險值為79.77，風險等級為高。下層各元素風險等級均為高，風險值為70～89。按風險值從低到高排序為主軸承損傷U12(74)<超前地質預報有誤導致刀具磨損U15(75.05)<泥水艙壓力波動U13(78.8)<同步注漿不及時U11(79.7)<開艙換刀U16(81.8)<停機卡盾U14(85.2)。主要風險元素如下：

1)停機卡盾。邊滾刀磨損，使超挖量不足，盾構停機后，開挖卸荷效應使圍巖發生徑向變形，擠壓盾殼，導致重啟時，盾殼與圍巖的摩擦力過大，造成卡盾。

2)開艙換刀。盾構在海下堅硬巖層長距離掘進，刀具迅速磨損，需實時開艙更換刀具，有停機卡盾以及艙內安全事故發生的風險。

3)同步注漿不及時。管片與地層間隙注漿不及時，地層會產生較大沉降，不能及時封堵盾尾密封刷滲流間隙； 留存泥渣塊，密封質量下降，留下涌水隱患。

5.5.2 礦山法開挖至對接面U2

風險值為72.53，屬于較輕的高等級。其中風險值超過80的元素有拱頂坍塌U24(82.7)、巖體裂隙發育導致爆破超挖U26(80.05)，爆破超挖導致巖體不穩定，拱架剛度不足、噴射混凝土不密實； 或者爆破振動加劇巖體裂隙擴展變形，均有可能導致拱頂發生坍塌。

5.5.3 盾構重啟至貫通U3

風險值為90.06，屬于極高等級。其中風險值超過90的元素有風化槽突泥涌水U34(95)，緊隨其后是風化槽節理發育泥漿泄露U35(93.05)、風化槽高水壓下盾尾密封失效U32(91.4)，均是極高的風險等級。風化槽的存在是本項目中最大的風險源，盾構開挖面到達風化槽時，其巖體破碎，強度低，滲透系數大，在海水壓力下形成高壓滲流通道，開挖面支護和盾尾密封均面臨很大風險，極易發生涌水涌砂事故。

6 風險控制

以3個施工階段中各自的最大風險源為例，制定了相應的預防與應急處理措施，進行風險管控。

6.1 停機卡盾U14(風險值85.2)

1)預防措施。定期檢測邊滾刀磨損程度，法向磨損量較大進行更換刀具； 盾殼外注入克泥效漿液，提供支撐力，減小圍巖變形、減小摩擦。

2)應急處理措施。增加輔助油缸，增大脫困推力； 更換鉸接油缸為剛性拉桿，對盾尾提供足夠拉力； 必要時爆破鑿除盾殼周圍巖石，松動盾構。

6.2 拱頂坍塌U24(風險值82.7)

1)預防措施。主筋直徑8 mm增加到12 mm，鋼拱架間距60 cm減少至50 cm，混凝土等級從C25提高到C30，噴錨支護的厚度增加5 cm，以增大支護結構剛度。盾構貫通過程中及時加強背后回填注漿，加密監測點和監測頻率。

2)應急處理措施。發生坍塌，立即停止開挖并封堵開挖面； 組織搶險人員采取砂袋或木支撐、格柵鋼架等手段封閉掌子面； 從已支護部位鉆孔，對坍塌處泵送混凝土和注漿，將坍塌處填充密實。

6.3 風化槽突泥涌水U34(風險值95)

1)預防措施。加強地質預報，探明風化槽范圍與巖體破碎與富水情況； 對風化槽采取全斷面注漿預加固，封堵巖隙滲流通道，檢查孔取芯結果顯示，出水量為0.08 L/(min·m)，滲透率減小到6.5×10-14m2，巖芯可見大量水泥劈裂面以及水泥與斷層角礫膠結面，巖芯漿液結石體充填明顯，破碎帶被漿液有效充填而膠結。同時增加泥水艙泥漿比重黏度，穩定開挖面，增大盾尾同步注漿壓力和注漿量。

2)應急處理措施。發生涌水涌砂，先探明滲水通道與來源，注漿封堵； 及時向開挖面周圍巖體施作固結灌漿，增大巖體強度，補充地層損失，減小圍巖變形。

通過對各主要風險源采取嚴格的監測和預防措施，盾構成功通過風化槽破碎帶，到達預定對接區域，同時礦山法隧道維持了拱頂的安全，順利接收盾構貫通。

7 結論與體會

1)通過作業、風險相結合的多層次分解樹風險辨識方法(WBS-RBS)，在隧道對接施工結構復雜、施工工序多、地質條件復雜條件下，可以較全面、系統地辨識出施工過程的風險因素。

2)利用層次分析法(AHP)建立風險評價指標體系，把隧道對接施工復雜問題分解為各組成因素，形成一個有序的遞階層次結構，能夠較客觀、準確、有效地反應各風險因素對隧道對接施工的影響。

3)針對隧道工程形成一套簡明、實用的風險評估體系，應用在海下隧道對接工程案例上，有效地評估出盾構掘進至停止U1、礦山法開挖至對接面U2、盾構重啟至貫通U33個施工階段的綜合風險，采取相應預防和應急措施，保障了施工的安全，可為其他類似工程案例提供參考。

4)經風險源評估并采取預防措施，規避了風險的發生，對接順利貫通，體現了預防措施的正確性與必要性，但同時也缺乏對風險概率和應急措施的驗證，使評估風險仍更多地存在于理論值中，尚未形成準確具體的指導準則。建議今后的工作可以基于工程相關大數據平臺，統計分析已發生風險的工程案例，進一步加強對風險因素的認知，提出行之有效的應急措施。