厦门地铁3号线过海段隧道盾构法与矿山法海下对接施工风险评估

张继超，周建军，孙飞祥，杨振兴，张 兵，游慧杰

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；3. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

近年来，我国修建了大量穿江、河、湖、海的水下隧道[1]。相对于陆上隧道，水下隧道的修建条件更为复杂，勘测难度大、准确度低，不确定因素更多[2]； 加之我国正在建设和规划包括穿越渤海湾、琼州海峡、台湾海峡等在内的世界级海底隧道工程[3]，这为水下隧道的修建提出了更高的要求。

水下隧道的掘进方式有矿山法、盾构(TBM)法、沉管法等。考虑到刀具磨损，地层软硬复杂多变，水下难以设置竖井，连续单向长距离掘进距离会受到很大限制，由此很多水下隧道工程提出了采取“双向掘进、中部对接”的隧道施工方案。如广深港客运专线狮子洋隧道盾构法-盾构法对接[4]、深圳前湾过海管廊工程盾构法-矿山法对接等工程案例[5]。

水下隧道对接施工风险源分布较多、不确定性强、危害程度大[6-7]。在目前国内外针对施工风险的评估研究现状中[8]，常见的风险评价方法有HSE风险管理[9]以及模糊评价法等，但往往只是对于单一隧道掘进方法、单向掘进方向进行。对于2种方式结合、双向掘进、中部对接的隧道施工方法，尚无较为成熟完备的风险评估案例。本文依托厦门轨道交通3号线海下段工程，对盾构法-矿山法在高水压、复杂地质条件环境下对接施工的风险及应对措施进行研究。

1 工程概况

厦门轨道交通3号线过海段是连接厦门本岛与翔安东部副中心的西南-东北向骨干线路，区段全长为6.5 km，其中，过海段长度约为3.68 km。过海段隧道采用矿山法、复合式泥水盾构法2种开挖方式相向掘进，在海底完成2种施工方式的对接。厦门地铁3号线过海段工程示意如图1所示。

图1 厦门地铁3号线过海段工程示意图

双向隧道对接施工流程如图2所示。

矿山法隧道为大小洞并行的马蹄形(宽8.0 m、高9.4 m)； 泥水盾构区间隧道管片设计采用通用楔形管片环，管片内径为6 m，外径为6.7 m，厚度为350 mm。厦门地铁3号线过海段双向隧道断面示意如图3所示。

矿山法与盾构法隧道对接位置，在里程为CK17+939.5处，左线隧道处于微风化花岗闪长岩层，上覆岩土为中粗砾砂、全风化花岗闪长岩、散体状强风化花岗闪长岩，总覆土厚度为27.5 m，海平面以下46.2 m； 右线隧道处于微风化花岗闪长岩层，上覆岩土为中粗砾砂、残积砂质黏性土、全风化花岗闪长岩、散体状强风化花岗闪长岩、中等风化花岗闪长岩，总覆土厚度为27.2 m，海平面以下46 m。盾构段距离对接面20～30 m长度范围地层起伏较大，风化槽距离对接位置为40～50 m，盾构停机位置距离风化槽为20～30 m，保持与风化槽足够的安全距离前提下，满足盾构处于矿山法隧道开挖影响范围(2D)之外的要求[10]。矿山法与泥水盾构法隧道对接段地层断面示意如图4所示。

图2 双向隧道对接施工流程图

(a) 矿山法隧道断面尺寸(b) 盾构法隧道断面尺寸

图4 矿山法与泥水盾构法隧道对接段地层断面示意图

隧道穿越海域长度达3.68 km，海水深度超过46 m，地下水由海水垂直入渗补给。基岩凸起严重，风化槽分布多，且存在较大范围的中砂层，工程地质及水文地质条件复杂。围岩、破碎带物理力学参数见表1。针对最终选定的盾构法贯通方式存在的风险隐患，结合对接位置的工程地质特点，对施工风险进行综合评价与分析。

表1 围岩、破碎带物理力学参数表

风险分析主要包括5个环节： 风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制[11]。

2 风险界定

根据《国际隧道协会风险管理指南》[12](2004)和《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[13](2011)，隧道风险分级包括事故发生概率P的等级标准、事故发生后果C的等级标准和风险R的等级标准[14]。

风险是概率与后果的函数，即R=f(P,C)。应用R=P×C定级模型[15]建立风险分级评估矩阵，将风险等级划分为极高、高度、中度和低度4个级别，并给出基于风险值的等级判断准则。风险判定准则如表2所示。

表2 风险判定准则

3 风险辨识

采用WBS-RBS法[16]进行风险辨识，包括WBS、RBS，即作业、风险多层次分解树。判断矩阵示意如图5所示。将2者分别从施工阶段与产生原因2个角度分解，形成风险评估指标体系。盾构法贯通施工风险点汇总如表3所示。

图5 判断矩阵示意图

表3 盾构法贯通施工风险点

4 风险估计

采取专家法，根据风险概率和后果的等级标准对基本风险元素概率和后果进行统计调查，选择100位具有丰富现场经验的施工技术人员以及从事盾构隧道相关科学研究的专家学者，进行问卷调查，统计频率结果作为相应风险元素的隶属度。风险概率与后果隶属度如表4所示。

5 风险评价

以贯通施工阶段分解树为例，利用层次分析法(AHP)[8]确定风险重要度、方根法来计算权重集[17]，通过多层次模糊关系矩阵对风险进行半定量分析，评估风险等级。

5.1 判断矩阵

采取层次分析法，首先需要构造判断矩阵，以上一层级元素Uk作为评判准则，对本层级评判准则范围内所属元素Uki进行两两对比，用分值表示两者相对重要程度，填入判断矩阵。风险评价分值如表5所示。

表4 风险概率与后果隶属度

表5 风险评价分值表

以隧道对接整体项目U为准则，第1层分解树的判断矩阵如表6所示。

表6 隧道对接项目准则风险判断矩阵

矩阵表示为

式中p为整体项目划分准则的数量。

以盾构掘进至停止U1为准则，第2层分解树的判断矩阵如表7所示。

表7 盾构掘进至停止准则风险判断矩阵

同理，建立第2层级其他准则下的判断矩阵。某一评判准则Uk下所有元素建立的判断矩阵为

5.2 权重集

5.2.1 计算权重

采取和积法，计算Uk的判断矩阵每行元素乘积n方根，将判断矩阵特征向量归一化，得到权向量Wk，如式(1)所示。

(1)

式中：i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,n。

则Uk的权重集为

Ak=WkT=[Ak1,Ak2,…,Akn]。

以盾构掘进至停止U1为例，其判断矩阵为

则U1的权重集为

A1=[A11,A12,…,A1n]=W1T=

[0.113 9,0.062 0,0.032 5,0.113 9,0.236 5,0.441 2]

同理，建立第1层级其他准则下的权重集，以及上一层级整体项目U的基本元素的权重集为

A=[a1,a2, …,ap]=[0.093 6, 0.279 7, 0.626 7]。

5.2.2 一致性检验

理论上，判断矩阵中，有xkij·xkjh=xkih，但由于实际工程中风险原因相互影响，公式存在误差，此时用一致性比率CR<0.1时，表示其不一致程度在合理范围内。

1)最大特征根

6.067 0。

(2)

2)一致性指标

(3)

3)一致性比率

(4)

式中RI为Satty依据500个随机矩阵建立的随机一致性指标，其值可查表得到[8]。

根据式(4)可知判断矩阵满足一致性要求。

5.3 风险等级评判矩阵

根据风险发生概率与风险后果等级隶属度，采用R=P×C定级模型，计算基本元素Uki(i=1,2,…,n)的风险等级隶属度，将其进行归一化处理，可得

Rkij=[rki1,rki2,…,rkin]。

(5)

综合本层级同一评判准则范围内所有元素建立评判矩阵

Rk=[Rk1,Rk2,…,Rkn]T。

(6)

5.4 模糊综合评价

引入同层权重集Ak与评判矩阵Rk相乘，得到评判准则的综合风险等级隶属度Bk。

已知盾构掘进至停止U1项目的权重集为

A1=[0.106 6, 0.054 2, 0.030 2, 0.143 6, 0.216 9, 0.448 5]。

则其等级隶属度为：

B1=A1×R1=[b11,b12,…,b1n];

(7)

B1=[0.005 3, 0.158 0, 0.578 0, 0.258 7]。

同理可求同层级其他评判准则的综合等级隶属度，组成上一层级评判矩阵如式(8)所示。

(8)

进一步引入上一层级基本元素的权重集A=[a1,a2,…,ap]=[0.093 6,0.279 7,0.626 7]，合成运算得到式(9)，为上一层级综合风险等级隶属度[18]。

B*=A×B=[b1,b2,…,bn]；

(9)

B*=[0.019 7,0.104 6,0.349 3,0.526 4]。

综上，可得各元素的风险等级评价指标。

5.5 风险定级与分析

结合等级接受准则计算风险值，对应风险指针范围确定风险等级。盾构掘进至停止U1、矿山法开挖至对接面U2、盾构重启至贯通U3、以及隧道对接整体项目U的风险值及风险等级汇总如表8所示。

表8 综合评定风险等级汇总表

隧道对接整体项目U，其风险值为84.82，风险等级为高。其中包括以下3个施工阶段。

5.5.1 盾构掘进至停止U1

风险值为79.77，风险等级为高。下层各元素风险等级均为高，风险值为70～89。按风险值从低到高排序为主轴承损伤U12(74)<超前地质预报有误导致刀具磨损U15(75.05)<泥水舱压力波动U13(78.8)<同步注浆不及时U11(79.7)<开舱换刀U16(81.8)<停机卡盾U14(85.2)。主要风险元素如下：

1)停机卡盾。边滚刀磨损，使超挖量不足，盾构停机后，开挖卸荷效应使围岩发生径向变形，挤压盾壳，导致重启时，盾壳与围岩的摩擦力过大，造成卡盾。

2)开舱换刀。盾构在海下坚硬岩层长距离掘进，刀具迅速磨损，需实时开舱更换刀具，有停机卡盾以及舱内安全事故发生的风险。

3)同步注浆不及时。管片与地层间隙注浆不及时，地层会产生较大沉降，不能及时封堵盾尾密封刷渗流间隙； 留存泥渣块，密封质量下降，留下涌水隐患。

5.5.2 矿山法开挖至对接面U2

风险值为72.53，属于较轻的高等级。其中风险值超过80的元素有拱顶坍塌U24(82.7)、岩体裂隙发育导致爆破超挖U26(80.05)，爆破超挖导致岩体不稳定，拱架刚度不足、喷射混凝土不密实； 或者爆破振动加剧岩体裂隙扩展变形，均有可能导致拱顶发生坍塌。

5.5.3 盾构重启至贯通U3

风险值为90.06，属于极高等级。其中风险值超过90的元素有风化槽突泥涌水U34(95)，紧随其后是风化槽节理发育泥浆泄露U35(93.05)、风化槽高水压下盾尾密封失效U32(91.4)，均是极高的风险等级。风化槽的存在是本项目中最大的风险源，盾构开挖面到达风化槽时，其岩体破碎，强度低，渗透系数大，在海水压力下形成高压渗流通道，开挖面支护和盾尾密封均面临很大风险，极易发生涌水涌砂事故。

6 风险控制

以3个施工阶段中各自的最大风险源为例，制定了相应的预防与应急处理措施，进行风险管控。

6.1 停机卡盾U14(风险值85.2)

1)预防措施。定期检测边滚刀磨损程度，法向磨损量较大进行更换刀具； 盾壳外注入克泥效浆液，提供支撑力，减小围岩变形、减小摩擦。

2)应急处理措施。增加辅助油缸，增大脱困推力； 更换铰接油缸为刚性拉杆，对盾尾提供足够拉力； 必要时爆破凿除盾壳周围岩石，松动盾构。

6.2 拱顶坍塌U24(风险值82.7)

1)预防措施。主筋直径8 mm增加到12 mm，钢拱架间距60 cm减少至50 cm，混凝土等级从C25提高到C30，喷锚支护的厚度增加5 cm，以增大支护结构刚度。盾构贯通过程中及时加强背后回填注浆，加密监测点和监测频率。

2)应急处理措施。发生坍塌，立即停止开挖并封堵开挖面； 组织抢险人员采取砂袋或木支撑、格栅钢架等手段封闭掌子面； 从已支护部位钻孔，对坍塌处泵送混凝土和注浆，将坍塌处填充密实。

6.3 风化槽突泥涌水U34(风险值95)

1)预防措施。加强地质预报，探明风化槽范围与岩体破碎与富水情况； 对风化槽采取全断面注浆预加固，封堵岩隙渗流通道，检查孔取芯结果显示，出水量为0.08 L/(min·m)，渗透率减小到6.5×10-14m2，岩芯可见大量水泥劈裂面以及水泥与断层角砾胶结面，岩芯浆液结石体充填明显，破碎带被浆液有效充填而胶结。同时增加泥水舱泥浆比重黏度，稳定开挖面，增大盾尾同步注浆压力和注浆量。

2)应急处理措施。发生涌水涌砂，先探明渗水通道与来源，注浆封堵； 及时向开挖面周围岩体施作固结灌浆，增大岩体强度，补充地层损失，减小围岩变形。

通过对各主要风险源采取严格的监测和预防措施，盾构成功通过风化槽破碎带，到达预定对接区域，同时矿山法隧道维持了拱顶的安全，顺利接收盾构贯通。

7 结论与体会

1)通过作业、风险相结合的多层次分解树风险辨识方法(WBS-RBS)，在隧道对接施工结构复杂、施工工序多、地质条件复杂条件下，可以较全面、系统地辨识出施工过程的风险因素。

2)利用层次分析法(AHP)建立风险评价指标体系，把隧道对接施工复杂问题分解为各组成因素，形成一个有序的递阶层次结构，能够较客观、准确、有效地反应各风险因素对隧道对接施工的影响。

3)针对隧道工程形成一套简明、实用的风险评估体系，应用在海下隧道对接工程案例上，有效地评估出盾构掘进至停止U1、矿山法开挖至对接面U2、盾构重启至贯通U33个施工阶段的综合风险，采取相应预防和应急措施，保障了施工的安全，可为其他类似工程案例提供参考。

4)经风险源评估并采取预防措施，规避了风险的发生，对接顺利贯通，体现了预防措施的正确性与必要性，但同时也缺乏对风险概率和应急措施的验证，使评估风险仍更多地存在于理论值中，尚未形成准确具体的指导准则。建议今后的工作可以基于工程相关大数据平台，统计分析已发生风险的工程案例，进一步加强对风险因素的认知，提出行之有效的应急措施。