深层调蓄隧道系统交叉学科风险要素识别研究

叶源新

（上海城投水务（集团）有限公司，上海市201103）

0 引言

深层调蓄隧道项目是一项投资大、工期长、专业多、涉及面广的复杂性系统工程，存在诸多不确定因素，以及不可预见风险，使得全线系统建设与运营在安全性方面面临诸多考验。如何开展完善和系统的风险识别，准确预见可能出现的危险和灾害，从而采取有效的预防和控制措施，必要时启动相应的应急方案，处理各种工程风险所造成的不利后果，使项目以最小的成本实现有效的风险管控，已经成为深层调蓄隧道系统建设中最为紧要的问题。

常规的风险识别过程一般根据工程建设周期，按照勘察、设计、施工等方面开展风险要素的分类研究[1]。由于工程建设各阶段存在大量的风险因素，其不确定性、复杂性都增加了风险识别分析的难度，常规的风险识别方法难以完整准确地识别评估工程风险。而深层调蓄隧道项目的风险识别及等级划分难度大，出现工程质量问题时将产生难以预估的后果，给风险管理工作带来了巨大的难度。课题研究者从工程整体质量的角度进行考虑，探究水力学、结构力学、材料学、土力学、水文地质学、测绘学等多个学科专业的水平在整个工程中的作用，对潜在的风险要素进行主要交叉学科专业的要素识别和风险点预判。

1 深层调蓄隧道系统风险识别的流程

为了实现深层调蓄隧道系统风险识别的有效性和综合性，相应的识别过程需要有严谨完善的步骤和过程。本文对风险的识别采用基于学科专业的风险分类方法，将风险要素和关键点按照专业方向归纳整理，识别过程相对清晰完整，识别结果应用较为明确。具体流程如图1所示。

2 深层调蓄隧道系统交叉学科风险要素识别

通过引入学科分类方法，初步构建了涉及水力学、结构力学、土力学、材料学、水文地质学、测绘学等多学科的风险识别方法。现已识别水力学技术要点4项、关键要素5项、风险点5项，结构力学技术要点4项、关键要素12项、风险点17项，土力学技术要点6项、关键要素15项、风险点17项，材料学技术要点2项、关键要素2项、风险点4项，水文地质学技术要点3项、关键要素6项、风险点19项，测绘学技术要点5项、关键要素8项、风险点9项，初步形成了深层调蓄隧道风险点的识别清单。囿于篇幅，本文仅以水力学和结构力学为例，阐述该方法和取得的初步成果。

2.1 水力学风险要素的识别

在水利工程中，习惯上常将流速达到15～20 m/s以上的水流作为高速水流，其存在将伴生很多特殊的水力学问题[2]。深层调蓄隧道系统中的竖向跌落井，进水落差大，当落差超过12 m时，即可能形

图1 深层调蓄隧道系统风险识别流程图

成高速水流，容易在竖井内出现回流、旋涡、掺气水流等多种复杂的水力流动现象，可能引起竖井内冲蚀、空化、振动、噪声等问题。深层隧道内水-气流动特性复杂，在主隧道排气能力不足或水力瞬变剧烈时，易产生截留气团，可能形成弥合水锤，引起剧烈的压力振荡；压强的频繁交变过程，可能剥蚀隧道表面，增大水流阻力，降低过流能力，进而影响深隧结构安全和运行稳定。与复杂的水力学风险问题伴生的还有流固耦合问题，如竖井中消能工内流态的剧烈变化产生的结构振动，浅满交替不稳定流产生的压力振荡与波动对主隧道结构的影响。

根据上述分析及已有的研究成果可知，水力学风险要素至少包括：消能、瞬变流、滞气浪涌、震动等，其影响阶段包括设计、施工、调试、运行等全过程。水力学风险要素的风险点及后果预判见表1所列。

2.2 结构力学风险要素的识别

在国外排水调蓄隧道工程中，采用的结构形式有单层衬砌与双层衬砌，采用的管片形式有混凝土管片与复合管片。大多盾构法隧道采用的是螺栓连接的接头形式，无手孔快速插入接头成为排水调蓄盾构法隧道的技术发展方向。在国内，目前尚缺乏可参考的深层隧道盾构法工程案例，只有广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段处于施工阶段[3]。深层调蓄隧道工程由于承受内水压力，与一般的公路隧道、地铁隧道等在结构力学的计算理论、建造技术、设计与施工方面都有很大的不同。

表1 水力学风险要素一览表

根据前述分析及已有的研究成果可知，结构力学风险要素至少包括：基坑、衬砌结构、地下连续墙、水泥土搅拌墙等，其影响阶段包括设计、施工[4]、运行等。结构力学风险要素的风险点及后果预判见表2所列。

2.3 水力学与结构力学交叉风险要素分析

为降低水力学的技术风险，工程上可能增设消能工或减振减蚀措施，将影响既有的工程结构条件，可能增加新的结构力学方面的风险，如竖井消能工对井体偏载的影响范围、竖井真圆度指标的二次计算、水力减振构件对隧道管片强度的影响等。

反之，为降低结构力学的技术风险，特殊的结构处理方式也将影响过流的水力条件，从而增加了新的水力学方面的风险，如特深地墙槽段分幅后连接处的过流断面变化引起的流速、压力的波动，以及冲蚀等问题。

另外，衬砌混凝土老化是深层隧道衬砌结构可靠度降低、风险增大的重要原因之一，影响材料本身性能的未知因素较多，在隧道建成后仍可能有潜在的破坏因素；如何针对第三承压水层进行减压降水是特深竖井建造过程中无法回避的水文、地质和结构相互交叉的技术风险难题；针对降低水力、结构、材料、水文、地质等风险的技术措施，测绘勘察的精确度决定了风险控制的级别，进一步影响工程风险的综合评估和应对预案的制定。

表2 结构力学风险要素表

3 结论

大型建设工程项目的风险主要来源于项目的复杂性和不确定性，梳理交叉学科专业是对风险要素识别的良好尝试。课题研究者在深层调蓄隧道系统安全风险管理领域引入了学科分类方法，并结合其他深层隧道案例经验，利用已有研究成果，初步构建了涉及水力学、结构力学、土力学、材料学、水文地质学、测绘学等多学科的风险识别方法。初步结果表明，该方法可比较系统全面、高效有效地完成风险要素分类和识别分析，易于总结各专业方向的技术难题和关键风险点，又便于发现交叉学科中隐藏的风险因素。同时，清晰的学科分类有助于下阶段更有针对性的选择管控手段和相应措施。

采用该方法研究深层调蓄隧道风险识别的关键，主要是研究各个学科专业之间的作用关系及各个学科要素对系统风险的影响规律。已知要素之间的作用关系在主要学科分析中已经基本完成，后面还需要进一步就各个要素对系统风险的影响进行深入研究。

4 致谢

感谢上海市水务建设工程安全质量监督中心站、上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司、河海大学、同济大学等对研究过程及技术资料的支持和帮助。

[1]郭陕云.关于隧道及地下工程建设风险管理的实施意见[J].现代隧道技术,2007，44（6）:1-4．

[2]刘士和.高速水流[M].北京：科学出版社，2005．

[3]王广华,李文涛,陈贻龙，等.广州市东濠涌深层排水隧道工程前期研究[J].中国给水排水,2016,32（22）:7-13．

[4]王晶,王鹏飞,谭跃虎.地铁隧道工程施工过程中风险管理研究[J].地下空间与工程学报,2009，5（2）:385-389．