水下隧道盾构法施工安全风险评估研究

冯靖宇

(中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300)

随着我国水利输电隧道、跨海交通隧道、城市地铁隧道、市政隧道等工程的不断发展，很多工程均要穿越地下江河，才能更好地满足现阶段实际的交通需求。自进入21世纪以来，我国江河隧道修建数量逐年上涨，在此过程中，也为盾构法的应用提供了广阔空间。通过该技术的应用，不仅可提升工作效率，同时也避免了施工对周边环境的影响。但受到多种因素的限制，盾构法施工过程中，一旦设备出现问题，便会直接增加工程施工风险，基于此，开展风险评估工作很有必要。

1 盾构法概述

该技术在隧道建设过程中应用十分广泛，其比较适合应用于含水量高或者软土层掘进隧道工程中。所谓“盾构”，即可确保地层稳定性的保护结构，材质以钢、铸铁、混凝土为主。盾构能够为掘进机工作提供临时支撑。同时它也是一种带有护罩的专用设备，具体应用的过程中，主要是将初砌块作为支点不断的向前推进，并使用刀盘来实现土体切割。

另外，盾构也可被作为一种工具来应用，该设备从外形上看，类似于一个钢管机，一般会大于隧道部分，如此设计的主要目的是为了抵御地层压力和外向水压，具体包括后部盾尾、中部支撑环以及前部的切口环。目前，很多盾构还会被设计成椭圆形、圆形、马蹄形等。

在实际的隧道工程施工过程中，通过盾构法的实践应用，不仅可大幅度提升施工效率，同时还能减小施工对周边环境造成的影响，洞体质量相对稳定，尤其是在软土地基施工中，应用效果尤为显著[1]。

2 水下隧道施工特点分析

2.1 大断面隧道施工

水下隧道施工的危险系数极高，在设计过程中通常以单圆双线方式为主，并要使用大直径的盾构进行施工。例如，我国的武汉长江越江隧道，其在具体施工时便选用了大直径的盾构，盾构的实际直径约为12 m，而上海崇明隧道也选用了直径为15.5 m的盾构进行施工。在这些工程中所使用的盾构直径基本均在10 m以上，整体的应用效果显著，也会产生一系列问题，具体分析如下：

第一，刀盘上下面高差较大，在具体开挖的过程中，由于需要穿越多种土层，且各土层的物理力学参数各不相同，在此情况下，便会对刀盘切削效果产生直接影响，导致涂层软硬不均匀，同时也会增加盾构开挖面扭矩、泥水压力等相关参数的控制难度，同时还会为盾构的实际操作带来一定麻烦，不利于姿态的有效控制，最终会影响施工进程。

第二，由于开挖面支护应力比增加，进而也会对开挖面的稳定性产生直接影响。随着盾构直径的增加，开挖面支护用应力比也会不断提升，会直接增加水泥控制工作的难度，在同等技术条件下，开挖面的稳定性也会发生变化。

第三，随着盾构直径的不断增加，土体的损失量也会逐渐提升，进而使地表沉降量也随之增加。

第四，提高隧道上浮概率。在水下开展隧道工程施工的过程中，隧道管片由于处于水下，因此，在浮力的作用和影响下，很有可能导致隧道上浮。如果从管片受力的角度进行分析，则管片和浮力自重重力之间的差异也会越来越悬殊，由此同样会增加隧道上浮的可能性[2]。

2.2 长距离隧道施工

在水下施工的过程中，掘进的距离通常较长，正常情况下，掘进距离在2 km以上的工程都被称为“长距离掘进工程”。由于水下隧道施工的特殊性，因此，掘进距离基本均在2 km以上。

在具体施工的过程中，施工人员可选用大直径盾构进行一次性推进，但盾尾和道具密封、主轴承的耐磨和密封等经常会产生巨大的施工风险。结合推算可知，道具的掘进距离与磨损呈正比关系，随着掘进距离的不断增加，也会同时加重盾尾密封刷的磨损，当磨损程度达到一定极限，以致于必须要进行更换处理时，在水下的施工作业环境中，便会增加盾构的密封风险，严重时还会造成隧道进水的问题。

2.3 穿越大堤隧道施工

在穿越城市江河进行隧道施工的过程中，经常需要穿越大堤，由于很多大堤工程在修建的过程中，均是抛石护坡改造而成，故其本身的抗变形能力也会比较弱，施工控制工作难度较高，一旦大堤遭到破坏，将会产生十分严重的后果，在此情况下，也为隧道施工带来了一系列困难。

3 水下隧道盾构法施工安全风险识别

结合风险发生对象的差异性，一般可将风险划分为环境风险以及自然风险两种主要类型。另外，结合水下隧道盾构法施工中，风险发生的不同时间段，还可将风险划分为盾构到达阶段、掘进阶段以及始发阶段。通过对我国以往的水下隧道工程风险案例进行分析，总结出具体施工过程中可能会存在风险问题，具体表述如下：

盾构掘进阶段风险：工作面不稳定，工具严重磨损；千斤顶推进故障；盾尾密封性差，接头漏水；管片拼接错误或者被损坏；大轴承发生断裂问题，使其失去本身性能。

盾构始发阶段风险：后靠损坏或变形，洞口水土流失；洞口土体坍塌，泥水关系失衡；基座损坏或变形等等。

盾构达到阶段风险：盾构进洞之后与轴线产生较大偏移；洞口产生水土流失问题；由于洞口被破坏，直接导致土体坍塌[3]。

4 水下隧道盾构法施工安全风险评估

4.1 安全风险评估办法概述

在对水下隧道盾构法施工安全风险进行评估的过程中，最为常见的方式包括半定量风险评估法、定量安全风险法以及定性安全风险法等。其中，定性安全风险分析法在我国的隧道工程风险评估工作中较为常见。很多研究人员在翻阅了大量文献之后，根据风险等级原则，最后给出风险发生的后果等级以及发生的概率性。还有很多学者通过事故树方式进行评估，即先对相关数据进行收集，以此获取事件发生几率，再结合该评估法的相关计算方式，得出事件的准确发生概率。但不管是定量分析还是定性分析法，均可在工程实践过程中发挥重大作用，从而为风险管理工作的开展提供有力条件。但从这些分析方式在工程中的实际效果来看，其在工程与风险评估的结合以及可操性方面仍存在一定缺陷。

4.2 定量和定性风险评估法的局限性

4.2.1 定性风险评估法

对于定性分析法而言，其存在的缺陷问题包括以下几点：一是该方法在实践的过程中，通常需涉及到专家调查法，同时还要邀请很多专家对风险的后果等级和可能性等级进行评分，结合该评分结果再进行下一步工作。实践证明，即便是邀请实践经验十分丰富的专家，但调查结果的精准性依然无法得到百分之百的保证，可行性较低。另外，该风险评估方式很难对风险的动态变化进行及时有效应对，尤其在具体的施工过程中，外界环境随时处于变化的状态当中，如水底地形的变化、水位的变化等，在此情况下，风险也会随之而改变，若这种动态变化在可控的范围内，则通过该方式还能够及时进行补救和调整，若动态变化超出可控性范围，则定性分析法便会派不上用场，失去其实际效果。

4.2.2 定量风险评估法

该风险评估法在实践应用的过程中，由于地下隧道工程的风险因素较多，且其潜在破坏机制、发生机理、影响范围等十分复杂，因此，若通过定量分析法进行研究，则还很难对人为概率假设分布的精准性进行判断，与此同时，还会遇到各种各样的小问题。若要获得事件发生的精准性概率，是一项十分艰难，甚至是不可能完成的工作，因此也对定量风险评估法实际应用效果及其可操作性造成严重影响[4]。

4.3 改进建议及肯特指数风险评估法

4.3.1 改进建议

基于上述分析，给出以下几点建议：首先，在对隧道施工风险进行评估的过程中，一定要建立风险事故产生可能性与影响风险事故指标之间的量化关系，如此才可确保风险评估工作的可行性和全面性。对于风险的动态变化，一般可通过对指标进行调整的方式，来实现对风险事故的有效控制。其次，由于风险事故发生的精准性概率很难获取，加之风险评估的过程中，还会经常受到很多因素的影响，因此，必须要采取一些恰当的措施加以避免，以此防止主观因素对风险评估工作产生的消极影响，具体的措施如数值实验、文献成果、现场试验等。最后，在构建风险评估模型的工程中，一般可结合工程现场条件来进行，同时还应保证该模型能够积极应对施工方式、计划方案、地层条件等变化。

4.3.2 肯特指数风险评估法

该方法提出管道事故无法精准预测的理论，风险评估工作无需结合相关概念理论进行计算，而是采取指数代替精准概率的方式来进行，其不过分依赖于精准概率，具有很强的说服力。隧道事故发生的原因一般包括：地质水文条件、施工条件、设计因素、隧道相关参数等。不管是任何一个因素发生变化，均有可能导致风险问题发生。基于此，可将指数划分为后果指数、设计指数、基本指数以及施工指数。在实践过程中，一旦其中一个指数发生变化，则风险值也会产生相应的改变，在施工工况(设计方案、埋深、工期进展程度)发生变化时，风险也会被改变，如此便可实现安全风险的精准预测。

5 结 语

综上所述，该文主要对盾构法、水下隧道施工特点进行了简要分析，之后对盾构法施工风险及相关的风险评估问题进行了重点研究。由于水下作业环境复杂，变化较多，因此也增加了越江隧道工程的施工难度和风险概率，基于此，开展风险评估工作很有必要。该文提出的肯特指数风险评估法，实践应用效果十分显著，实现了施工各环节的紧密相连，通过指数打分能够获取精准的风险发生概率，为水下隧道工程的安全稳定建设提供了良好保障。

[1] 练才园.地铁隧道盾构法施工安全风险过程分析研究综述[J].城市建设理论研究:电子版,2015(12)：18-19.

[2] 徐 涛.多因素耦合作用下的水下隧道盾构施工安全风险控制研究[J].重庆交通大学,2016(8)：89-90.

[3] 杨文武,吴浩然,杜 峰,等.长三角地区大型水下盾构法隧道风险管理的工程实践[J].沪港科技合作研讨会.2014(7)：78-79.

[4] 罗赛楠.基于层次分析法的盾构法隧道施工风险辨识和评估方法研究与应用[J].上海大学,2015(8)：:31-32.