趙 勇

(中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

隨著我國(guó)近年來城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，TBM法被應(yīng)用到城市地鐵隧道建設(shè)中。在城市復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件下，新建地鐵線路難免要途經(jīng)或上跨、下穿既有建(構(gòu))筑物，TBM盾構(gòu)施工極易導(dǎo)致誘發(fā)地層位移，進(jìn)而使得既有線路軌道產(chǎn)生變形，從而影響列車運(yùn)行安全。所以，在施工開展之前極為有必要對(duì)于施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與評(píng)估，從而提出了科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)措施，使得施工安全有了最大的保障[1，2]。

TBM又稱為(全斷面)隧道掘進(jìn)機(jī)，TBM的分類有很多種，其中最常見的一種如圖1所示，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)于TBM的研究發(fā)展，近乎一百年的發(fā)展歷史中，TBM已經(jīng)變成了當(dāng)今隧道掘進(jìn)中最先進(jìn)的一種方法。在研究TBM的使用范圍時(shí)候，發(fā)現(xiàn)如果隧道長(zhǎng)度大于600 m時(shí)，用TBM法比傳統(tǒng)的開挖法經(jīng)濟(jì)的多，而且在工期緊張、工作環(huán)境惡劣或?qū)τ诃h(huán)保要求較高時(shí)，用TBM的技術(shù)進(jìn)行隧道開挖也比較合適[3-6]。此外，對(duì)于埋深較深的長(zhǎng)隧道，且易于開挖支洞，采用TBM較為適宜點(diǎn)[7，8]。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括風(fēng)險(xiǎn)界定、風(fēng)險(xiǎn)辨別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制等步驟。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法有很多種，可分為定性分析方法、定量分析方法和半定量分析方法。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，可以根據(jù)工程建設(shè)的具體內(nèi)容，考慮風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的特點(diǎn)和工程施工內(nèi)容來選取。在城市地鐵TBM隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，目前有很多學(xué)者針對(duì)這一問題展開了研究，如Hamidi，Hyum等基于層次分析法，對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)及盾構(gòu)機(jī)選型進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析探討[9，10]。而縱觀地鐵隧道穿越既有線路研究現(xiàn)狀可以看出，一般多以數(shù)值模擬為主，專門針對(duì)于TBM盾構(gòu)隧道穿越既有線路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論較少[11-13]。

為此，筆者以深圳地鐵6號(hào)線TBM隧道施工穿越既有線路工程為背景，總結(jié)TBM隧道施工中常見的風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)于所依托工程的實(shí)際情況，基于層次分析法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，從而探明關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，為施工后續(xù)安全處置措施提供直接依據(jù)。

2 工程概況

3 TBM穿越既有線路施工風(fēng)險(xiǎn)因素分析

根據(jù)TBM隧道施工的過程中，考慮到既有線路正常運(yùn)營(yíng)情況，從綜合沿線工程的水文地質(zhì)、設(shè)備選型風(fēng)險(xiǎn)、始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等多方面進(jìn)行考慮。

1)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。隧道沿線主要穿越地層為微風(fēng)化花崗巖層，7次穿越斷層破碎帶，隧道基本75°斜穿7處斷裂破碎帶，個(gè)別破碎帶水頭高且破碎帶比較破裂，易產(chǎn)生“涌水、涌砂”現(xiàn)象。TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)模式屬于開放式，針對(duì)突發(fā)涌水涌砂現(xiàn)象TBM掘進(jìn)機(jī)是無法應(yīng)對(duì)的，所以需要提前對(duì)斷層破碎帶涌水涌砂地層進(jìn)行處理。另外，TBM通過斷層破碎帶時(shí)很容易造成刀盤前面和拱部坍塌，嚴(yán)重時(shí)可能造成刀盤被卡的被動(dòng)局面。而且一般工程地質(zhì)勘探資料不準(zhǔn)確，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)情況與實(shí)際地質(zhì)情況差距較大，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)或大或小。

2)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在TBM穿越既有線路時(shí)，TBM掘進(jìn)對(duì)于圍巖擾動(dòng)過大會(huì)影響既有線路的正常運(yùn)營(yíng)，而且附近TBM穿越的幾條既有線路中，高鐵隧道為鉆爆法施工，高鐵隧道周邊圍巖情況較差，高鐵隧道施工過程中已經(jīng)對(duì)周圍圍巖造成破壞，TBM掘進(jìn)過程中二次擾動(dòng)可能造成高鐵隧道發(fā)生沉降、局部破壞。

3)TBM設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。TBM在隧道施工過程中，TBM機(jī)械選擇不當(dāng)及機(jī)械性能問題都會(huì)造成施工風(fēng)險(xiǎn)事故。在長(zhǎng)距離施工過程中可能導(dǎo)致大刀盤、刀頭磨損較大引起推進(jìn)過慢或方向偏移，致使掘進(jìn)無法正常推進(jìn)；且可能撐靴不平衡，引起TBM掘進(jìn)方向偏移。注漿系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，延誤注漿時(shí)機(jī)以及施工進(jìn)度，而且當(dāng)二次注漿不及時(shí)，會(huì)致使地表沉降過大。

4)TBM始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在TBM準(zhǔn)備進(jìn)洞時(shí)，因始發(fā)段是采用礦山法施工，由于開挖時(shí)，沒有及時(shí)支撐和支護(hù)，會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力和變形過大，或者TBM的軸線偏離，多會(huì)導(dǎo)致TBM無法順利始發(fā)。

5)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。在工程地質(zhì)情況復(fù)雜的情況下，TBM長(zhǎng)距離掘進(jìn)的情況下，可能造成TBM出現(xiàn)卡機(jī)；在TBM設(shè)備的振動(dòng)通過撐靴引起圍巖松動(dòng)，掘進(jìn)后形成臨空面引起圍巖應(yīng)力的二次分布，造成開挖工作面失穩(wěn)。

6)施工管理風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、時(shí)間跨度大，管理人員與業(yè)主、監(jiān)理、地方政府和協(xié)作隊(duì)伍之間的關(guān)系協(xié)調(diào)處理過程中，可能造成施工安全、質(zhì)量、工期和成本等方面的綜合管理不當(dāng)，均會(huì)影響工程進(jìn)度。

4 基于層次分析法的TBM穿越既有線路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 區(qū)間隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要包括風(fēng)險(xiǎn)界定、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制等步驟[14-18]。

目前，風(fēng)險(xiǎn)分析有很多種方法，可分為定性分析方法、定量分析方法和半定量分析方法。其中：

1)定性分析方法主要包括：專家調(diào)查法(包括智暴法Brainstorming，德爾菲法Delphi等)、“如果…怎么辦”法(if…then)、失效模式及后果分析法(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)等；

2)定量分析方法包括：模糊綜合評(píng)判法、層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)、蒙特卡羅模擬法(Monte-Carlo)、控制區(qū)間記憶模型(Controlled Interval and Memory Model，CIM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(Neutral Network)、等風(fēng)險(xiǎn)圖法等；

3)半定量分析方法主要包括：事故樹法(或稱故障樹法，F(xiàn)ault Tree Analysis，F(xiàn)TA)、事件樹法(Event Tree Analysis，ETA)、影響圖方法、原因—結(jié)果分析法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣法，以及各類綜合改進(jìn)方法，如：專家信心指數(shù)法、模糊層次綜合評(píng)估方法、模糊事故樹分析法、模糊影響圖法等綜合評(píng)估方法。

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，可根據(jù)工程建設(shè)的具體內(nèi)容，考慮風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的特點(diǎn)和工程施工內(nèi)容來選取。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估常用的方法主要有：綜合評(píng)價(jià)法、敏感性分析、故障樹法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法、蒙特卡洛方法、等風(fēng)險(xiǎn)圖法、PERT法、R=P×C定級(jí)法、信心指數(shù)法。

目前，雖然相關(guān)評(píng)估方法較多，但由于城市地下隧道所處的地質(zhì)環(huán)境條件的多樣性、變異性和復(fù)雜性，使得各種評(píng)價(jià)因素都存在大量的不確定性，不精確性。R=P×C定級(jí)法是一種定性與定量相結(jié)合的方法，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。根據(jù)該標(biāo)段TBM隧道實(shí)際情況、評(píng)價(jià)目標(biāo)、已有的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)資料等，本次評(píng)估綜合采用了層次分析法為主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

4.2 TBM穿越既有線路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

關(guān)于本次項(xiàng)目的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)原則，基于參考國(guó)際隧道和地下空間協(xié)會(huì)制定的分級(jí)方法，和綜合考慮了關(guān)于本次項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)情況，以及各方面要求后綜合評(píng)定了一個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和原則，綜合把各個(gè)方面考慮到位后，可將該項(xiàng)目的損失情況大體分為以下的幾種類型。

先考慮關(guān)于TBM施工的過程中，可能會(huì)遇到各種各樣的磨損、誤工等等方面的經(jīng)濟(jì)損失，可以將這種損失進(jìn)行一種量化，如表1所示。

表1 TBM損失量化標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于這個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)中，如果發(fā)生災(zāi)難性的損失等級(jí)，這個(gè)項(xiàng)目必須立即予以排除撤銷；若發(fā)生嚴(yán)重的損失等級(jí)，這時(shí)候可能會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)致使項(xiàng)目偏離預(yù)定的目標(biāo)以及可能造成一系列相關(guān)的問題，必須立即采取一些應(yīng)對(duì)措施；若發(fā)生了一般的損失等級(jí)，可能暫時(shí)性的不會(huì)對(duì)項(xiàng)目造成危害，但是也必須考慮采取一定的措施去避免這種風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生；若發(fā)生了可忽略的損失等級(jí)時(shí)，由于這類風(fēng)險(xiǎn)造成的損失較低，一般并不需要立即去采取一定的措施，但是需要不斷的去監(jiān)控這些風(fēng)險(xiǎn)，以免造成更大的損失。

在項(xiàng)目中每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)雖然在施工前就有考慮，但是，這些風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率卻不一定是相同的，所以，將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性等級(jí)，主要根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率和概率劃分為五個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 TBM施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在綜合考慮了概率等級(jí)和可能性等等因素后，可以將這些因素統(tǒng)一疊加起來，所以關(guān)于深圳地鐵6號(hào)線的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，綜合考慮了TBM施工的過程中，可能的等級(jí)和發(fā)生的可能性的大小等等，將本次項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為四個(gè)等級(jí)。

表3 TBM施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.3 各風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)評(píng)定

從上節(jié)可以看出，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，可能遇到很多不同類型的風(fēng)險(xiǎn)源，這些風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生的損失大小和可能性都不盡相同，基于深圳地鐵6號(hào)線TBM施工穿越既有線路可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)源，將這些風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析說明，綜合考慮各個(gè)方面的影響因素后利用層次分析法，將風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行等級(jí)排序，從而使得決策者能更好的根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)制定相應(yīng)的科學(xué)決策。可以從TBM隧道整條線路情況看出，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)都與地質(zhì)預(yù)報(bào)有直接關(guān)系，也就是說需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)，從而為施工提供一個(gè)科學(xué)有效的地質(zhì)勘察報(bào)告。在TBM掘進(jìn)過程中，不可避免會(huì)遇到TBM掘進(jìn)機(jī)一些自身風(fēng)險(xiǎn)，可以通過選取合適的TBM機(jī)型，定期檢查和維修TBM機(jī)械等常規(guī)操作避免這些風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。在整個(gè)施工過程中，施工管理風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)在一定程度上影響施工進(jìn)度和施工安全性問題，通過選擇和建立高質(zhì)量管理和施工團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)人員管理和培訓(xùn)，根據(jù)施工進(jìn)度合理安排機(jī)械和材料分配情況等措施來避免這類風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。綜合考慮到所遇風(fēng)險(xiǎn)對(duì)施工過程的影響程度，可以看出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)于整個(gè)施工過程有至關(guān)重要的作用，無論從前期進(jìn)行TBM選型，或者到后期發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，制定科學(xué)有效的整治措施等，綜合上節(jié)總結(jié)出的TBM穿越既有線所遇到的風(fēng)險(xiǎn)源，可以將風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)定等級(jí)及相關(guān)解決措施匯總于表4。

表4 TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了TBM穿越既有線路中可能遇到的一些風(fēng)險(xiǎn)源，針對(duì)于深圳地鐵6號(hào)線穿越既有線路實(shí)際情況，結(jié)合層次分析法對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：深圳地鐵6號(hào)線TBM穿越既有線路時(shí)，存在很大的施工風(fēng)險(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)源在于穿越破碎帶時(shí)，圍巖自穩(wěn)能力差，施工注漿不及時(shí)以及始發(fā)段TBM軸線偏離等均會(huì)造成不同程度的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此采取安全有效的應(yīng)對(duì)措施，方能保證整條線路的施工安全，為后續(xù)同類型地鐵隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制定直接的依據(jù)。