球状风化体地段地铁盾构隧道施工风险分析与应对措施

谢 壮,阳军生,梁新权

(1.中南大学土木建筑学院隧道与地下工程系, 湖南长沙 410075;2.湖南省交通科学研究院, 湖南长沙 410007)

球状风化体地段地铁盾构隧道施工风险分析与应对措施

谢 壮1,阳军生1,梁新权2

(1.中南大学土木建筑学院隧道与地下工程系, 湖南长沙 410075;2.湖南省交通科学研究院, 湖南长沙 410007)

以深圳地铁5号线民五盾构区间为工程实例,采用层次分析法与模糊评判法对风化花岗岩地段盾构施工存在的风险进行了分析与评估,最后根据评估结果和以往的施工经验,提出了相应的风险应对措施。

球状风化体;土压平衡盾构;风险分析;风险措施

目前,城市地铁工程大量采用盾构工法,而盾构工法更适用于在均一的软土地层中施工,当面临上软下硬、风化花岗岩、断层破碎带等复杂地层情况时,盾构施工存在较大的风险,如何减小此类施工风险及其损失,越来越引起盾构工作者们的重视。

本文通过总结国内在风化花岗岩地段的盾构施工经验,结合风险管理方面的知识,分析了球状风化体地段盾构施工存在的风险,以及应对这些风险的措施。

1 工程概况

深圳地铁民五区间采用土压平衡盾构法施工,为单圆盾构,盾构机外径6.28m,隧道采用6块管片错缝拼装而成,管片环宽1.5m,外径6.0m,厚度0.3m,隧道内径5.4m;隧道顶部覆土厚度11.5～33.0m。

该区间隧道主要穿越的土层为第四系全新统人工堆积层、第四系全新统冲积层、第四系上更新统坡积层、燕山期花岗岩,地下水主要有松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

2 风化花岗岩不良地质段风险分析

2.1 风险辨识

总结以往施工单位在地铁盾构施工过程中遇到球状风化体(孤石球)的施工经验,识别出在球状风化体段施工的主要风险有:

(1)球状风化体随刀盘一起滚动,阻碍刀盘掘进;

(2)球状风化体的存在引起盾构姿态和掘进方向难以控制;

(3)刀盘磨损致使刀盘强度和刚度降低而无法掘进;

(4)刀盘受力不均致使主轴承受损或密封破坏;

(5)刀具磨损严重,作业人员进舱更换刀具存在生命危险。

2.2 风险分析

本文采用层次分析法对球状风化体地段的盾构施工进行分析,从安全、质量、工期3个方面综合计算各风险事件的权重。根据层次分析法原理,首先建立递阶层次结构,构造判读矩阵,再按照特征根法计算出各层次风险因素的权重,并进行一致性检验。计算结果如图1。

图1 施工风险的层次风险因素权重计算

2.3 风险评估

在利用层次分析法(AHP)确定风险因素的权重后,需要得到各因素相对于总目标层的一个评判结果。将球状风化体段盾构施工风险水平分为5个等级,分别为“极低风险、低风险、中等风险、高风险、极高风险”,本文采用工程上应用较为广泛的梯形隶属函数,见表1。

表1 风险水平隶属函数

根据民五盾构区间的实际情况,通过专家调查法,确定各风险事件发生的可能性值P和影响后果C的值,见表2。

表2 风险事件的概率及影响后果

将二者乘积代入风险水平的隶属函数,便可得到风险事件对各风险水平的隶属度,并形成评价矩阵R:

将计算所得的风险事件权重向量ω和风险事件的评判矩阵R进行模糊运算,便可得到民五盾构隧道掘进中主要风险点相对于安全、质量、工期的评价结果,它们分别是:

将B1、B2、B3组成总体评判矩阵RB(RB=(B1B2B3)),再将权重向量ωα与评判矩阵RB进行模糊运算,便可得到各风险事件相对于盾构掘进主要风险的评价结果B:

3 风险应对措施

风险评估的目的是制定相应的风险应对措施,减小风险发生的概率和降低风险带来的损失。本文根据以往类似工程施工经验和民五盾构隧道所采取的应对措施,总结了球状风化岩地段盾构施工可采用以下措施来降低风险损失:

(1)在掘进过程中,注意观察盾构掘进的异常情况以及掘进参数的异常变化,判读是否碰上球状风化岩体,一旦发现推力加大时,盾构进尺缓慢或停止不前,应立即停机;

(2)针对球状花岗岩分布的离散性,在实际勘察过程中,当发现有球状风化球存在时,需要请有资质的专业勘察单位对整个区间进行补充勘察,根据勘察结果,摸清球状风化体的地下分布规律,包括球状风化体的埋深、形态及规模大小;

(3)若球状风化体随刀盘一起滚动,可以利用地质超前钻机对周围软地层予以钻孔注浆,将球状风化体固定后再进行掘进;

(4)作业人员需要进舱更换刀具时,若作业面不稳定,需对作业面进行预加固并及时足量同步注浆;

(5)掘进过程中随时监测刀具和刀盘的受力状态,确保其不超载,并观测刀盘是否受力不均,以防刀盘产生变形;

(6)根据球状风化体的位置、大小及强度,可采取不同的处理措施,包括挖孔破碎法,冲孔破碎法,直接切削法和带压开舱法,将球状风化体破碎到小于30mm后再掘进。

4 结 论

(1)根据最大隶属度原则,球状风化体段盾构施工总体水平为高风险。其中,风化球随刀盘一起滚动而阻碍刀盘掘进,风化球引起盾构姿态和掘进方向偏移以及作业人员带压进舱为高风险;刀盘受力不均导致主轴承受损或密封破坏为中等风险;刀盘强度和刚度降低而无法掘进为低风险。

(2)在盾构施工过程中,如遇到球状风化体,所采取的风险应对措施一般都是将球状风化体破碎,直至盾构机能够顺利通过。破碎的方法应视实际工程的情况,事先制定好球状风化体段的处理方案,防止风险事故的发生。

(3)用模糊数学评价方法可以解决评价过程中的非精确性问题,对主观的概念进行量化,减小了主观判断带来的差异,使结果更为精确,计算过程和结果更符合实际情况。

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2009-12-09)

谢 壮(1985-),男,湖南长沙人,研究生,主要从事隧道与地下工程研究工作。