大直径盾构隧道穿越繁华区施工风险评价*

张松涛 胡仲春 王公忠 王永辉 游永锋

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉 430070； 2.中铁十四局集团有限公司 济南 250014；3.河南工程学院安全工程学院 郑州 451191； 4.中铁隧道股份有限公司 郑州 450000)

0 引言

我国的隧道施工越来越多，影响隧道施工的风险源较多，这些风险源是导致隧道施工过程出现事故的重要原因。相对于其他隧道，城市隧道周围环境复杂，施工受到的约束条件较多，施工条件有限，风险源较多。

为了确保隧道施工的顺利进行，需要对城市隧道的施工风险源进行权重评价，并提出具体的管控方法。

20世纪70年代， EINSTEIN H H[1]对隧道工程风险分析的特点进行了全面的总结，并提出了隧道工程风险分析需要遵循的理念。孙昕[2]通过构建风险管理法及铁路风险指标体系，节省较多重复性工作且不会遗漏重要因素。王公忠等[3]通过层次分析法对越海隧道中存在的风险进行辨识分析，通过对比得出对隧道施工影响较大的危险因素。候东赛等[4]通过对评价指标的改进，运用TOPSIS法对隧道突水风险进行分析，建立了隧道工程突水风险评价体系。宋浩然等[5]对海底隧道存在的风险进行了评估，通过构建风险判断矩阵进行风险评估，同时结合专家调查的结果提出规避风险的措施。许传华等[6]将模糊数学评价法用于工程风险评估，对影响围岩稳定性的各个因素进行分析。赵延喜等[7]以隧道TBM施工为背景，对隧道施工的各种因素进行分析，提出了隧道施工风险的综合评价模型。麻凤海等[8]采用风险调查法和风险矩阵法对悬臂式掘进机在地铁工程中带来的安全风险进行评价，确定风险等级，提供安全保障。刘保国等[9]结合集德尔菲法、模糊数学法及网络分析法3种方法在公路隧道施工的风险辨识分析上，提出了各种影响因素间的关系矩阵算法，为山岭隧道施工提供指导。

1 工程概况

春风隧道工程是深圳市“东进战略”重点交通项目之一，由滨海大道上步立交东侧到新秀立交，全长约为5.08 km，其中70%采用盾构进行施工，盾构开挖直径为15.8 m，开挖直径为全国最大。根据地质勘察资料可知，隧道在施工过程中需要穿越多个断裂带，并且存在上软下硬的地质条件。由于隧道经过城市繁华区，存在立交桥、火车站、高层建筑等风险源，在盾构地段又存在上下岩石硬度不一、破碎带较多等复杂地质，施工过程风险较大。另外由于基桩的存在，沿途影响最大的为布吉河及布吉河桥和滨河—宝安立交桥。

2 隧道重要节点风险分析

2.1 下穿滨河—宝安立交桥风险分析

滨河—宝安立交桥位于罗湖区宝安南路，上面是城市的主干线滨河大道，全桥一共三联十跨，总长213.84 m。通过分析隧道与立交桥的相对位置，可知隧道侧穿立交桥1#～7#号桩，其中6#桩距离隧道最近。

该段地质勘查报告显示，该隧道穿越段地质条件变化较大，基岩面上下起伏，波动较为明显，桩底部均为中强度风化岩层。隧道穿越多个断裂带，隧道上下岩石硬度不一，存在上面松软、下面坚硬的地质条件，施工风险较大。滨河—宝安立交桥桥桩和盾构隧道相对位置见图1。

图1 滨河—宝安立交桥桥桩和盾构隧道相对位置

正常掘进情况下，盾构隧道穿越滨河—宝安立交桥的施工风险主要是环境风险：一是距离盾构隧道水平最近的6#桩将产生竖向位移，桩顶发生水平位移，需要对桩四周实施加固措施；二是盾构机刀盘到达桩附近时，地表将发生不同程度的沉降。

2.2 下穿布吉河及布吉河桥风险分析

布吉河桥是城市主干路，位于滨河大道，全长为70.55 m。桥梁上部采用等截面预制简直T梁，一共29片梁，均为横向布置，左幅16片，右幅13片，腹板为普通的钢筋混凝土。在施工过程中，隧道需要穿越该河段。

根据桥桩和盾构的相对位置可知，隧道直接穿越西侧桥桩和东侧部分桥桩，桥桩底部距离隧道较近，施工过程面临较大的风险。布吉河桥桥桩、箱涵和盾构隧道相对位置见图2。

隧道穿越布吉河及布吉河桥时，面临的主要风险是环境风险，会引起西侧桥台桩基处隧道拱顶地层沉降，布吉河桥台桩基础所在位置河床面地表沉降，施工过程中布吉河桥基础承台会发生沉降、隆起、倾斜。

图2 布吉河桥桥桩、箱涵和盾构隧道相对位置

2.3 盾构隧道穿越繁华区施工主要风险

根据深圳市春风隧道的实际情况、评价需达到的目标、现有资料并结合对隧道重要节点风险分析，对盾构隧道穿越繁华区施工风险从设备风险、进出洞风险、掘进风险、环境风险等方面进行考虑。

(1)设备风险：盾构选型风险、刀盘刀头磨损、盾构机械故障、盾尾密封系统失效。

(2)进出洞风险：洞口土体坍塌流失、施工轴线偏差过大、盾构后靠支撑发生位移及变形。

(3)掘进风险：开挖面失稳、盾构轴线偏离、浅覆土冒顶透水、隧道上浮。

(4)环境风险：地表绝对沉降或差异沉降超出限值、建(构)筑物出现裂缝或破坏、地下管线变形开裂。

3 隧道盾构风险分析评价

3.1 隧道盾构风险评价体系

层次分析法(AHP)是20世纪70年代由美国匹茨堡大学教授SAATY提出的一种层次权重决策分析方法。该方法是将复杂的系统拆分成多个递阶层次，基于各个层次进行定性定量分析与评价[10]。

春风隧道盾构施工风险从设备风险、进出洞风险、掘进风险和环境风险等方面进行考虑，隧道施工风险层次结构模型见图3。

图3 隧道施工风险层次结构模型

3.2 构建判断矩阵及一致性检验

判断矩阵因素共有5个，A层对B层1个记为A1，B层对C层4个记为B1，B2，B3，B4。有很多种标度方法可以标度判断矩阵中各元素的数值，通常我们采用1～9标度法确定，判断矩阵如下

3.3 层次总排序

依据层次分析原理进行指标层相对目标层组合权重的计算，得到的计算结果见表1。

表1 指标层各因素权重

续表1

由表1可知，组合权重最大值为0.211，对应风险源为盾构轴线偏移，施工过程中应重点进行监控；其次为0.139，0.132，分别对应建(筑)物出现裂隙或破坏、盾构选型和开挖面失稳等因素；组合权重最小值为0.015，对应风险源为盾构后靠支撑发生位移及变形。

3.4 风险控制

(1)针对施工中存在的设备风险，选择泥水平衡盾构机，适当配置滚刀和刮刀；适当配置常压可更换刀具，采用耐磨刀具；盾尾配置两道密封钢丝刷，定期检查维修盾构机械。

(2)针对施工中存在的进出洞风险，应加强进出洞口支护措施，避免洞口土体发生坍塌；加强对于施工轴线的实时测量，使得轴线不发生偏移；及时固定盾构后靠支撑。

(3)针对施工影响较大的掘进风险，严格控制每一个循环的掘削量，做到泥水仓压力和注浆的同步管理，在施工过程中，充分利用各种地质预报系统，做到早发现、早预防；采用先进的高精度盾构机导向系统。

(4)针对施工中存在的环境风险，对地表沉降风险大的部位设置监测点。在盾构机下穿宝安立交桥前15 m处，全面检修盾构机；由于布吉河下方地层为较软弱的风化层，在这种地层条件下长时间停机更换刀具的风险性较大，因此盾构掘进至穿桩前距离桥桩大约50 m处时，停机进行全面检修，对盾构机械设备检查和保养；下穿布吉河及布吉河桥段的施工控制应该遵循“保泥压、防堵塞、严同步、紧密封、不停机”基本原则。

4 结论

(1)从隧道施工安全管理的角度出发，建立了隧道施工风险源的权重评价体系，通过权重的大小判断风险的大小，从而确定影响盾构隧道施工安全的主要因素，为隧道施工风险评估提供一定的理论依据。

(2)层次分析法可以比较客观、综合地考虑影响隧道施工的各种因素，并进行定量评价，使用该方法可以快速准确的发现施工风险，可以为防范措施的制定提供参考，避免事故的发生。

(3)针对施工过程中存在的风险提出对策措施，解决施工中存在的重难点，便于形成隧道施工成套技术，为后期隧道建设积累施工经验。