顶管穿越施工对已建高速公路影响的风险分析

代剑英，万 曦

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，四川成都610021)

随着中国经济的飞速发展和城市基础设施的不断改善，给排水、煤气、天然气、电力、热力及通讯管道等生命线工程穿越已建高速公路时有发生。生命线工程管道直径相对较小，顶管施工法是最常采用的一种非开挖技术，它具有施工周期短、不影响交通、对周边环境影响小等明挖法不可比拟的优越性。

尽管顶管施工对周边环境影响相对较小，但仍不可避免引起地层扰动和地层损失，特别是软弱土层和砂土、粉砂层地基，导致地表沉降和隆起［1］。当顶管施工近距离穿越高速公路，尤其是高等级、高要求的交通大动脉时，为保证高速公路自身及行车的安全和舒适性，因此有必要对顶管穿越施工对已建高速公路的影响进行风险分析和评估，避免不必要的经济损失和社会负面影响。

1 风险分析的一般流程和方法

1.1 风险评估通常分为五个主要步骤［2］

(1)风险界定:即建立标准和划分评估单元。

(2)风险辨识:分析工程施工期所有的潜在风险因素，并进行归类整理，然后进行筛选，重点考虑那些对目标参数影响较大的风险因素。

(3)风险估计:对风险因素发生概率和后果进行分析和估计，给出风险的概率分布。

(4)风险评价:对目标参数的风险结果参照一定标准进行评判。

(5)风险控制:主要针对不同的风险大小，结合实际情况给出风险处理的合理对策。

1.2 风险分析方法

常用的风险分析方法有基于信心指数的专家调查法、模糊综合评判方法、层次分析法、故障书法等等。本文采用基于信心指数的专家调查法，它被证明在缺乏大量施工数据的情况下可作为一种有效的风险分析方法［3］。

专家调查法的应用一般由两步组成:

(1)辨识出某一特定项目可能遇到的所有风险，列出风险调查表(Checklist)。

(2)利用专家经验对可能的风险因素的重要性进行评价，综合成整个项目风险。

在调查中引入“信心指数”，即专家在做出相应判断时的信心程度，也可以理解为该数据的客观可靠程度。这意味着将由专家自己进行数据的可靠性或客观性评价，这就会大大提高数据的可用性，也可以扩大数据采集对象的范围。通过这种方法，可以挖掘出专家调研数据的深层信息:即使数据采集对象并非该领域的专家，只要他对所做出的判断能够有一个正确的评价，那么这个数据就应该视为有效信息。

2 工程应用

2.1 工程概况

某天然气管道拟穿越高速公路，穿越路段为该地区经济大动脉，车流量大，车辆类型多，其本身就存在新老路堤拼接和路面不均匀沉降问题。拟采用顶管法施工，穿越长度100 m左右，套管规格DRC 1800×2000GⅢA JC/T640，两端工作井为5 m×5 m矩形坑，一般路段穿越深度位于地表以下3 m左右，路基段穿越深度为路面以下6 m左右(路基高3 m)，地下水主要赋存于上部黏性土、粉土、砂土中，水量不大，勘察期间地下水埋深0.20～3.15 m，故穿越工程位于地下水位以下。

2.2 风险辨识及估计

按照普通顶管施工的流程，可将其分为顶管进出洞阶段和顶进阶段。顶管进出洞阶段的风险主要包括设备的吊装和安装风险、掘进机出发风险、掘进机到达风险、临时工程和设备的拆除风险。由于客观地质条件、设备和施工材料性能以及主观因素的不确定性的影响，掘进机从工作井出发时就面临众多风险，如工作面漏水漏浆、掘进机出洞引起塌方、洞口密封圈失效漏水、辅助设施损坏、无法正常出洞、反力座损坏、掘进机抬头或磕头事故、掘进机无法正常推进、掘进机上浮等;掘进机到达时也面临类似风险。

顶管顶进阶段的风险主要包括障碍物及不良地质事故、设备操纵失误、注浆施工风险、防水防腐等风险。其中，障碍物和不良地质风险包括障碍物、承压水或涌水、暗浜(塘)或地层空洞，有害气体、全断面流砂、浅覆土层、地质钻孔回填不密实等7大风险点。

由于顶管推进是一项极其复杂、巨大的施工工作，所以在其过程中难免会出现操作失误。操作失误是由于主观因素在特殊客观条件变化时引起的对机械设备的失误操作，损失小时可以忽略不计，损失大时很可能是灾难性的。本文将操作失误风险分为:开挖和顶进控制失误、轴线控制不当、泥浆处理失误三大部分。

注浆施工包括注浆减摩和注浆加固，注浆减摩是顶管中非常重要的一环，尤其是在长距离和曲线顶管中，它是顶管成功与否的一个极其重要的关键性环节。注浆系统风险主要包括注浆设备、注浆质量和环境影响三部分风险事故。

顶管防水施工的主要内容为管片接缝防水、注浆孔防水、渗漏处理等，因渗漏产生的风险事故主要有管片的不均匀沉降、管片开裂脱节以及水土流失产生的地表变形。

根据风险辨识过程中得出的可能存在的风险事故以及上述实际工程经验，并结合本工程实际情况，进出洞阶段最可能出现工作面渗漏水和塌方等事故;推进阶段最可能出现地下障碍物(高速公路地下基础、挡土墙、块石、树根等)、全断面流砂甚至塌方等事故，对风险事故进行更详细的分析如下。

2.2.1 工作面漏水漏浆

顶管推进过程中，无论是从工作井出洞还是从接受井进洞，管子和洞口之间都必须留有一定的间隙，此间隙如果不堵住，地下水和泥沙就会从该间隙流到工作井中，造成事故。由于不良地质或者洞口止水失效都有可能造成工作面漏水漏浆。

2.2.2 地下障碍物

地下障碍物的存在会给掘进机的正常推进带来不利影响:导致可能引起刀盘磨损，从而不能正常开挖，影响工期;顶管不能快速通过穿越路段，引起路基的不均匀沉降甚至开裂。

2.2.3 全断面流砂

顶管穿越土层为粉土，下卧粉砂层，加上地下水作用，存在流砂风险可能性很大，流砂对工程施工风险主要为:流砂在基坑工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷给施工带来很大困难或甚至造成特大工程事故(高速公路路基和路面破坏、塌方)。

2.3 风险评价

2.3.1 风险评价准则

为了对工程的风险事故有一个大体的、定性的把握，以便指导风险决策的开展，需对不同的风险事故进行风险等级划分。一般来说，风险的两个重要因素是概率和损失，按照相关研究和规定［2］、［4］，下面给出概率和损失风险等级评定标准，并在最后给出针对风险事故的等级划分标准，如表1～表4所示。

表1 风险发生概率等级标准

表2 风险事故损失等级标准

表3 风险评估矩阵

表4 风险接受准则

2.3.2 风险评价

根据以上对顶管施工进出洞以及推进过程中可能存在的各种风险事故进行综合汇总分析，并采用风险接受准则对其等级进行评定，风险评价表如表5所示。

表5 顶管施工对高速公路影响风险评价汇总表

2.4 风险控制措施

通过风险评价结果，对于风险等级较高的顶管进出洞事故、地下障碍物和全断面流砂(甚至塌方)事故应采取一定的风险控制措施。

2.4.1 顶管进出洞的风险控制措施

针对顶管进出洞阶段最可能出现的工作面渗漏水和塌方等事故，有以下风险控制措施:

(1)严格按地下工程防水施工验收规范标准要求施工，加强工作井、接受井的降水、排水措施;

(2)建议对洞口及其附近一定范围内进行冻结或注浆加固，保证进出洞不出现渗漏水或涌水涌泥等事故，加固范围一般为洞口前5 m范围，洞口四周距管道外侧2～3 m范围内。

2.4.2 地下障碍物和全断面流砂的风险控制措施

(1)采用先进的勘测仪器和试验设备，减少勘测误差和错误，对探明的地下障碍物进行清除，并做好施工过程中出现各种可能的地下障碍物(高速公路地下基础、挡土墙、块石、树根等)施工应急预案;

(2)在顶管推进过程中，建议通过加强泥水管理、及时调整泥水指标、精确计算切口水压、严格控制切口水压波动等措施来防止粉土层中无法形成“泥膜”造成工作面失稳甚至塌方等严重后果;制定流砂事故应急措施和预案。

(3)建议对穿越施工进行地下水位、地表沉降和高速公路路基、路面的沉降进行实施监测，及时掌握施工对周边环境的影响范围和程度。

此外，针对注浆施工、防水防腐施工等风险较小因素也要加强注浆管理，控制掘进速度，控制好掘进机与管片的相对姿态，防止地下水涌入。

3 结论

本文对某顶管施工中可能对高速公路产生影响的风险因素进行了辨识、估计和评价，并提出了相应的控制措施，可得到如下结论。

(1)由于工作面有存在渗漏水、地下障碍物、全断面流砂等风险事故的可能性，建议在施工过程中采取相应的措施，并制定应急预案。

(2)通过对顶管施工过程中的风险分析，为工程决策中的施工方案的确定和工程建设管理提供了依据。

［1］王斌，陈帅，陶柏峰，等.顶管穿越路堤实测地基变形和扰动程度分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(1):2805－2812

［2］同济大学.地铁及地下工程建设风险管理指南［M］.上海:同济大学出版社，2007

［3］闫玉茹，黄宏伟，胡群芳，等.大连湾海底隧道钻爆法施工风险评估研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(2):3616－3624

［4］中国交通运输部.公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南(试行)［S］.2010