土压平衡盾构下穿河道段施工风险评估与控制措施研究

夏润禾

摘 要：为了综合评价地铁盾构隧道下穿河道施工安全风险，文章运用模糊层次分析法对土压平衡盾构隧道下穿河道施工安全风险进行分析。研究得出，该工程项目风险为中度风险，盾构机本身设备故障、地层稳定性差、施工掘进参数控制不当等因素产生的风险比较大。依据盾构机下穿河道的施工风险评价结果，系统研究施工难点及其风险对策，采取有针对性的技术措施，有效降低施工过程中的风险。

关键词：地铁隧道;土压平衡盾构;下穿河道;风险评估;模糊层次分析;控制措施

中图分类号：U455.43

0 引言

地铁盾构隧道穿越河道工程具有技术复杂、不可预见风险因素多和社会影响大等特点[1]，因此，开展针对穿越河道的盾构隧道施工安全风险评价研究具有重要意义。

目前，国内许多学者针对盾构隧道施工安全风险大的特点，对地铁盾构隧道施工安全进行评价分析。周红波[2]等将分解分析法和故障树法结合使用，对地铁盾构隧道施工进行风险分析;牛康[3]针对盾构机选型、盾构机进出洞及盾构施工过程中的风险源，提出了规避风险措施;黄宏伟[4]等采用专家调查法和城市信息（CIM）模型，对施工可能产生的风险事故进行了定量计算与评估;李辉[5]等基于网络层次分析法/模糊综合评判法制定了风险应对措施，解决了地铁隧道近接建（构）筑物施工阶段风险评估与管理的技术问题;张姣[6]提出了基于贝叶斯网络模型的地铁盾构隧道工程评估方法，分析地铁盾构隧道事故发生的概率和造成事故的主要基本事件。然而对于土压平衡盾构隧道穿越河道的施工安全风险研究成果较少。

本文以某城市地铁线路盾构隧道下穿河道工程实践为依托，利用项目工作分解结构法（WBS）、项目风险分解结构法（RBS）和专家调查法总结出可能存在的风险因素，在识别和分析风险因素的基础上，运用模糊层次分析法对盾构隧道下穿河道关键风险因素进行分析评价，并根据评价结果对盾构隧道下穿河道施工风险控制提出应对措施。

1 工程概况

某城市地铁区间盾构隧道位于河道管理范围内的长度为223.8 m，平常河床宽约90m，丰水期（4 — 10月）河床宽度约为100m。隧道拱顶距河床底部最小距离分别为左线9.43m、右线9.03m，穿越段线路纵断面为V型坡，最大坡度为25.9‰，最小纵坡为4.5‰。项目选用2台复合式土压平衡盾构机先后从端头盾构井始发掘进区间左、右线隧道，盾构隧道开挖断面直径为6.29m，隧道砌环管片采用“标准环+转弯环”，错缝拼装，管片背后注浆回填。

根据设计文件，河底与隧道上覆土之间地层由上到下依次为可塑状粉质黏土、中粗砂、强风化砂质泥岩。洞身及顶板以上1倍洞径范围普遍穿越砂层，砂层渗透系数较大，富水性较好。砂层底面与隧道洞顶最小净距约0.2m，河水透过透水性较好的填砂层向下渗流，可能会加剧地层饱水度，造成风化岩层遇水软化，局部有可能有涌沙侵入洞身。

地下水总体不丰富，主要有第四系地层中的松散巖类孔隙水和基岩裂隙水、构造裂隙水3种类型，具一定的微承压性。该段岩性属于上软下硬地层，有河水通过中等透水砂层进入洞内的可能。

2 盾构隧道下穿河道施工风险因素辨识

2.1 风险特点

（1）风险不确定性。地下工程风险造成损失发生的不确定性，设计阶段因设计水平和勘察环境受限，对未知因素不能完全判定准确，就必然存在风险。

（2）影响广泛性。地铁盾构隧道施工投入大，线路贯穿城市繁华地带，其项目施工进展会受到社会各方面的广泛关注。如若发生风险事件或安全事故，会迅速造成广泛的社会影响。

（3）项目独特性。各个城市地铁线路，甚至每一个盾构隧道区间都有其特定的地质环境，因此风险具有特殊性，面临的施工安全风险是不尽相同的。

（4）风险因素多变性。盾构隧道属于地下工程，盾构法施工存在诸多不可完全预见的突发风险因素，可能导致不安全事件的产生，引发风险损失。因此整个施工过程中，有些已发生的施工风险可以及时得以处理，有些施工风险可以通过有针对性的措施得到控制并减弱，不可否认在某个盾构区间或左右线都会有新的风险发生。

（5）经验借鉴性。盾构隧道虽然是地下工程，但在工程领域内，其施工风险产生的原因、条件、后果、影响等，与传统隧道工程相比较都有类似施工经验借鉴。因此在进行施工风险管理时，借鉴类似工程的经验是可行的。

2.2 风险识别方法

结合本工程盾构隧道项目自身的特点，通过详细查阅盾构隧道项目相关风险文献[7-9]和施工单位以往盾构隧道项目风险管理经验的基础上，通过项目工作分解结构法（WBS）、项目风险分解结构法（RBS）和专家调查法相结合的方法确定施工风险因素，并对盾构隧道下穿河道施工风险进行筛选和分类，辨识出盾构隧道下穿河道施工影响较大的主要风险因素。

2.3 风险评价指标体系

通过广泛查阅文献和安全事故网络舆情监测结果分析[10-11]，以近年来地铁盾构隧道施工事故为研究对象，通过统计各个失效状态下风险因素与相应事故的关联度，以及分析相应数据得知导致相应事故的风险因素，然后结合本项目工程设计文件和相关施工组织设计方案，根据项目工作分解结构法（WBS）、项目风险分解结构法（RBS）和专家调查法对相关风险因素进行修正，构建出土压平衡盾构隧道下穿河道施工安全风险评价指标体系，见表1。

3 基于模糊层次法对盾构下穿河道施工风险评估

3.1 模糊层次分析法评判流程

首先按照风险评价指标体系，以目标层、准则层和指标层建立风险评价因素集，然后构建下层元素对上一层进行两两比较的判断矩阵，再进行一级模糊综合评判和二级模糊综合评判，最终得到所有指标对目标的排序和风险评级结果。模糊层次分析法评判流程如图1所示。

3.2 建立风险因素集 U

根据表1盾构隧道下穿河道施工安全风险评价指标体系构建出施工风险指标体系，即一级指标因素集：U= {U1，U2，U3，U4，U5} ={盾构机械风险U1，施工操作风险U2，水文地质风险U3，施工环境风险U4，施工组织管理风险U5}。

二级指标因素集U1 = {u11，u12，u13，u14，u15，u16，u17}={油、电、液系统故障和动力故障u11，刀盘、刀头磨损u12，主轴承磨损， 密封件防水失效u13，泡沫系统的故障、管路堵塞u14，盾尾密封失效u15，千斤顶动力不足u16，土仓压力失效u17};U2 = {u21，u22，u23，u24}={施工质量控制不合格u21，施工掘进参数控制不当u22，盾构轴线偏差u23，盾构注浆压力控制不当u24};U3 = {u31，u32，u33} ={掌子面巖性软硬差距明显u31，地下水位变化风险u32，河流水量增大，水压过大u33};U4 = {u41，u42，u43}={穿越河堤沉降风险u41，水底存在地下障碍物u42，现场生产环境风险u43};U5 = {u51，u52，u53，u54，u55} ={技术人员判断决策失误风险u51，施工作业人员违章操作风险u52，现场人员安全意识不足u53，安全生产管理制度不健全u54，应急处置不及时u55}。

3.3 构建项目风险评价集V

将风险后果划分为5个等级，即V =（V1，V2，V3，V4，V5）={非常危险，危险，一般，较安全，安全}。模糊评价矩阵是通过该领域专家打分，各因素指标赋值在0～9之间，并结合隶属度函数将风险评价指标量化。

3.4 构造判断矩阵并赋值

风险层次结构分为3层，首层为总目标层，即盾构隧道下穿河道施工安全风险，第2层为可能发生的风险种类（一级指标），第3层为导致风险发生的影响因素（二级指标）。因此，通常采用Saaty提出的9标度法赋值，结合专家调查法得出数量标度，对风险影响因素进行两两比较，计算出各个判断矩阵相对于准则层的相对权重，并进行一致性检验，判断其合理性。

3.5 确定风险因素发生的可能性和损失等级

本文以GB 50652-2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[12]中的评判标准，采用专家调查法多次征询意见，经过广泛调研借鉴相关工程施工经验[13-15]和行业内专家反复研讨意见，最终得到盾构隧道下穿河道施工安全风险后果等级定义及风险处置原则（表2）。结合风险发生概率P和风险发生后果C得到相应的风险矩阵，在此基础上采用R = P×C法对风险水平表征的概率等级和风险后果等级进行组合，并根据不同组合情况把盾构隧道下穿河道施工安全风险水平分为5个等级。施工风险发生的可能性为很可能、可能、偶然、不可能、几乎不可能，对应的等级分别为Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级，最后结合工程实例对主要风险因素采取针对性的措施进行处理。

3.6 安全风险评价结果

根据上述基于模糊层次法的盾构隧道下穿河道施工风险评估，建立模型层次分析结构和模糊一致判断矩阵，将总目标风险值代入隶属函数，得到隶属向量，根据最大隶属度原则，得到总目标的风险等级。根据计算结果得出施工风险隶属 Ⅲ 级风险，属于中度风险。说明本次评价的盾构隧道下穿河道施工过程具有较高风险，按照所有风险因素相对最高层的权重排序，得出对盾构隧道下穿河道施工影响较大的主要风险因素（油、电、液系统故障和动力故障，刀盘、刀头磨损，施工掘进参数控制不当，穿越河堤沉降风险，出渣喷涌、河中冒泡冒浆），做好风险的控制和转移，尽量降低和规避施工过程中的风险，确保施工顺利进行。

4 盾构机下穿河道风险控制及创新

4.1 前期技术准备工作

（1） 施工单位编制《盾构机下穿河道安全专项施工方案》《盾构机下穿河道专项监测方案》等专项方案，在组织专家进行评审后，分层级向管理人员和作业人员进行安全技术交底。

（2）为规避在河底换刀的风险，施工单位提前择机停机对盾构机进行刀具检查。

（3）完成对盾构机关键部位的系统性安全评估排查。

（4）针对过江施工风险，对盾构机作业班组进行实操应急考核、安全教育。

（5）从技术保障方面，进一步对线路纵坡进行优化设计调整。

4.2 风险控制

4.2.1 盾构机械风险控制

盾构机在穿越河道之前要再次认真检查盾构机设备状况，确保盾构设备不带病作业，不能出现盾构设备关键系统故障。若出现盾尾密封失效，或推进油缸同部位2组或全部3组出现故障，保压系统压力供应不足等情况，必须停机检修。

4.2.2 盾构机施工操作风险控制

在综合分析过江前盾构施工状态及过江盾构施工经验和教训的基础上，总结出合理的施工参数，做到同类问题不重复出现;制定专项监测方案，加强信息化监控量测;严格按盾构机操作使用手册进行规范化管理，合理控制盾构机姿态的纠偏量，防止扰动过大而顶破河底土体。

4.2.3 盾构机通过大堤和河底风险控制

盾构机穿越两岸大堤和河道过程中，很有可能会引起周边地表沉降，因此必须在施工掘进过程中实施动态信息化管理。盾构机穿越两岸大堤和河道过程中，现场技术管理人员要及时、准确地提供出渣地质描述和沉降变形监测数据，及时对施工参数进行调整。

4.2.4 出渣喷涌、河中冒泡冒浆等施工风险控制

盾构机过河段，每环出土量要严格控制，推进速度控制为20～40mm/min，刀盘转速控制在≤1.8r/min，同时扭矩不高于3800kN · m，确保在土压平衡状态下进行盾构掘进，在管片脱出盾尾5～8环位置跟踪实施二次注浆。

4.3 风险控制实况

本文依托工程案例施工实践，结合现场施工监控数据，验证了模糊层次分析法在盾构施工风险评价中的适用性和合理性，继而根据评价结果提出盾构下穿河道施工风险控制划分为5个区域阶段： ①50 m南大堤安全区域阶段，即盾构机到达南大堤之前的50 m，属大堤的影响范围，该阶段主要是确保掘进参数正常，为盾构机过河道做准备工作，进行过河应急演练，提高过河的安全警惕性;②南大堤区域阶段，即大堤坡脚到河面的距离，约为30 m;③东平水道河面区域阶段，即河道正常流量状况下水面宽度，约为90 m;④北大堤区域阶段，即大堤坡脚到河面的距离，约为30 m;⑤50 m北大堤安全区域阶段，即盾构机通过北大堤之后的50 m，属大堤的影响范围，该阶段主要是确保掘进参数正常，减少盾构机通过后对河道和大堤的再次影响，防止后期风险发生。

盾构下穿河道右线施工时间为2017年3月18日—4月6日，共計19天，掘进指标为5.3环/天;左线施工时间为2017年4月6日—5月9日，共计25天，掘进指标为4环/天。在施工过程中，依据风险评价结果得出的主要风险因素，针对实际工况遭遇到的施工风险，施工单位及时采取了有效的风险处置措施，实现了土压平衡盾构机下穿河道强风化砂质泥岩和强透水中粗砂层的技术管理与实践的重要创新和突破，顺利保障了施工安全。

4.3.1 突遇拱顶砂层时的应对措施

（1）从径向注浆孔处查看砂层的位置，进而判断前方砂层侵入隧道的长度，充分了解地层情况。

（2）采用全土压掘进，减少土仓内汇水空间。

（3）向土仓内加入高分子聚合物，改良土仓内渣土性状，达到增稠、止水效果。

4.3.2 出渣喷涌时的应对措施

（1）在脱出盾尾管片10～15环位置进行管片壁后二次注浆，封堵盾尾后方来水。

（2）停机过程对土仓打入膨润土浆液，使前方掌子面形成保护泥膜，同时改良渣土性状。

（3）推进过程通过加泥箱向土仓内注入膨润土，改良渣土性状。

4.3.3 河中冒泡冒浆时的应对措施

（1）过河道段采用全土压平衡模式掘进（土仓存土2/3），推进过程中，土压波动范围控制在±20 kPa以内，减少土压对地层的扰动，并防止气压击穿土层，造成江底冒气或冒浆。

（2）优化掘进参数，使泡沫气体和土仓内土体充分混合，使用膨润土堵塞岩体裂隙，填充砂层空隙，防止气体冒出河底。

（3）掘进期间出现压力骤降30 kPa以上，并出现漏气或出现江底冒泡时向土仓内加注膨润土。

（4）同步注浆采用注浆压力（200 kPa）和注浆量（6～8 m3）双重控制，避免由于压力过高或浆量过大使浆液顶破覆土造成江底冒浆。

4.3.4 大堤出现沉降预警时的处置措施

在左线盾构机下穿河道南大堤时，大堤外侧护坡发生较大沉降，累计总沉降量约8 cm，超过预警控制值，此时风险应对处置措施如下。

（1）加大同步注浆量，由前期的6～7 m3/环增加至7～8 m3/环。

（2）在沉降量较大部位，采取洞内二次补注浆。

（3）在地表沉降量较大部位，采取地面注浆加固，防止后期二次沉降。

（4）通过渣土改良、施做止水环等措施，减少喷涌，加快掘进速度。

（5）加大监测频率，及时将监测数据反馈给现场施工决策管理者，以指导施工。

4.3.5 盾构机设备系统故障处置措施

由于下穿河道地质条件复杂，岩面起伏变化较大，且上下软硬不均，地层含水量丰富等地质原因，造成掘进参数异常、掘进困难，引发盾构机系统液压油管、膨润土注入系统等故障问题频发。右线盾尾刷磨损严重，使盾尾漏水漏浆，加剧了推进油缸、管片拼装机电磁阀块的损坏频率，液压油管、膨润土注入系统等问题频发，影响施工的连续性。此时风险应对处置措施如下。

（1）在掘进过程中，根据地层变化情况，及时优化掘进参数。

（2）在机械设备维保方面，维修人员24 h应急值守，发现问题第一时间进行处理，同时对电磁阀等遇水易损部件进行防水包装处理，减少损坏频率。

4.4 风险控制创新

在盾构机下穿河道的施工中，风险控制有以下创新点。

（1）解决了富水软弱地层中进行开仓作业的技术难题。项目通过在刀盘前方施工4道素地下连续墙加固区，采用WSS注浆技术对墙间进行止水，刀盘缓慢掘进至加固区内，地下连续墙防塌、止水等风险控制措施，成功完成开仓检查刀盘刀具。

（2）在渣土改良的基础上，对施工参数进行了有效控制。采取降低土压和气压辅助模式，将刀盘扭矩控制在3800kN · m以内进行推进，推进速度控制为20～40mm /min，刀盘转速控制在≤1.8r /min，每掘进5环做止水环，以避免后方来水，减少螺旋机喷涌机率;加入高分子聚合物，改良土仓内渣土性状，防止刀盘结泥饼等措施，降低了施工过程中的风险，保证了施工的顺利实施。

5 结论及建议

（1）通过对该项目的工程概况和水文地质条件的具体分析，应用模糊层级分析法对土压平衡盾构施工的下穿河道工程实例进行定量评价分析，得出该工程项目中盾构机本身设备故障、地层稳定性差、施工掘进参数控制不当、穿越两岸河堤等施工因素产生的风险比较大，需要对这些因素进行重点监控。

（2）土压平衡盾构下穿河道工程风险控制实践表明，基于模糊层次分析法所构建的风险评估模型符合土压平衡盾构下穿河道施工风险评估的特点和要求，可为施工项目评判和制定出科学有效的风险防范方案提供依据，达到防范重大安全风险事故的目的。

（3）土压平衡盾构下穿河道施工过程中有着较高的施工风险，加之水下盾构隧道多选用泥水平衡盾构机掘进，所以很有必要对复合式土压平衡盾构机施工此类隧道进行风险分析。期望本文提出的盾构隧道下穿河道的风险应对措施能为以后类似工程的风险分析及控制提供借鉴意义。

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收稿日期 2019-07-04

责任编辑 朱开明