地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对

2006年06月ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringJun.2006

　　文章编号:167320836(2006)0320475205

地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对

周红波,何锡兴,蒋建军,蔡来炳

1

1

2

1

Ξ

(1.上海建科建设监理咨询有限公司,上海　200032;2.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,成都　610041)

摘　要:结合上海地铁7号线工程,提出以动态风险识别过程为主线,以静态风险识别为手段的风险识别方法,对地铁盾构法隧道工程建设的风险进行了识别。在风险识别的基础上,结合以往软土隧道工程建设的实践经验、数据资料以及隧道工程理论,重点研究了盾构法隧道工程实施过程中一些典型风险的应对措施。另外,对跨越黄浦江段隧道、联络通道等特殊工程的风险进行了详细地分析与研究。

关键词:地铁建设;盾构法隧道;风险识别;风险应对措施中图分类号:U455　　　　　　　　　　　文献标识码:A

RiskIdentificationandHandlinginConstruction

ofMetroShieldTunnelProject

ZHOUHong2bo,HEXi2xing,JIANGJian2jun,CAILai2bing

1

1

2

1

(1.ShanghaiJiankeProjectManagementCo.Ltd.,Shanghai200032,China;

2.SichuanProvinceC.D.HighwayPlanning,Survey,DesignandResearchInstitute,Chengdu610041,China)Abstract:BasedonShanghaimetroM7lineproject,theriskidentificationmethodispresented,takingdynamicriskidentificationprocessasthemainstreamandstaticriskidentificationasatool.Theriskinconstructionofmetroshieldtunnelprojectisidentifiedwiththemethodabovementioned.Onthebaseofriskidentification,theriskhandlingmeasurementsaboutsometypicalriskinconstructionofmetroshieldtunnelisstudiedinaccordancewithpracticalexperiences,collecteddataandliteraturesfromprevioussimilartunnelprojectinsoftsoilandtunneltheory.Inaddition,theriskinthetunnelacrossHuangpuRivertunnelandcommunicationchannelsbetweentheuplineanddownlinetunnelisanalyzedparticularly.

Keywords:metroconstruction;shieldtunnel;riskidentification;riskhandlingmeasurement

1　引言

随着城市的快速发展,为了缓解交通压力,需要修建更多的地铁线路。为了尽量减少软土地铁隧道建设对地面交通的干扰、保护现有建筑和构造物、保证地下管线的正常使用、减少对周围环境的影响和破坏、保证隧道工程的安全和质量,采用盾构法来修建隧道成为一种最佳选择。在采用盾构

法修建隧道时,由于隧道周围地层应力状态的不断变化,使得地层损失必然发生,使得周围建筑、构造物、地下管线会发生位移,进而可能产生破坏,造成生命财产的损失。地层应力变化和地层损失是必然的,但是对隧道结构、地面活动、周围建筑和环境等是否造成影响,发生的损失有多大,都是不确定的,这就出现了盾构法隧道工程建设中的风险问题。由于隧道施工中的安全、质量事故不断出现,

Ξ

收稿日期:2005209220(修改稿)

作者简介:周红波(19722),男,湖北应城人,博士,高级工程师,总工程师,主要从事桩基、隧道风险管理以及项目管理

与风险管理等方面的研究。E2mail:zhouhongbo@online.sh.cn

基金项目:上海建筑科学研究院科研创新基金资助项目。

476地下空间与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　第2卷

各国学者对隧道建设过程中的风险研究也如火如

荼,分别从风险规划、风险识别、风险评估、风险分析、风险决策、风险应对、风险监控等方面进行了广泛的研究。1996年H.H.Einstein利用可靠度方法

[1]

对岩石隧道工程进行了风险分析和决策的研究;1996年Sturk和Olsson等介绍了一种对大型地下工

程,这就是动态风险识别过程。动态风险识别过程综合考虑了上述因素,将盾构法隧道工程建设过程中的风险通过施工过程有机地联系起来,使风险清单条理清晰、结构完整、重点突出、层次分明。以动态风险识别过程为主线,以静态风险识别为手段,是对地铁盾构法隧道进行风险识别的有效方法。

程建设中的风险和决策进行分析的系统,给出了一些实用的分析方法,并将其用于瑞典的斯托克霍姆

[2]

环线隧道中;2000年Vik和Sverdrup等对挪威诺梅瑞克斯伯顿隧道工程中的环境风险管理进行了研究;2002年Tonon和Mammino等利用模糊理论和随机理论研究了隧道工程建设中风险分析和决[4]

策的多目标优化问题;2003年ChungsikYoo和Jae-hoonKim通过对隧道工程建设过程中地面沉降预测的简化方法进行归纳和总结,开发了一个基[5]

于网络的建筑(设施)损坏评估系统-TURISK;到2004年,国际隧道协会给出了“隧道风险管理指南”,使隧道工程建设的风险管理更规范、更全[6]

面。

本文采用将风险分析与管理的基本知识与地铁盾构法隧道工程相结合的方法,对地铁盾构法隧道工程建设中的风险识别和应对进行了研究。

[3]

3　地铁盾构法隧道工程风险识别

地铁盾构法隧道工程中的风险存在于不同阶段,并且对业主、承包商、设计方、咨询管理方具有不同的意义。本文所研究的风险主要存在于盾构法隧道工程的建设实施阶段,风险的类型主要为施工过程中可能对安全、质量以及第三方财产造成危害的施工风险,不涉及自然风险、设计风险、财务风险、市场风险、合同风险等。下面结合上海地铁七号线工程,以动态风险识别过程为主线,以静态风险识别为手段对地铁盾构法隧道工程建设的风险进行识别。

上海地铁七号线(M7线)从宝山外环路站起,途经普陀区、静安区、徐汇区至浦东的国际博览中心延伸段,全长33.3km,全部为地下线,共设站点28个。M7线与已经建成通车的M1线、M2线和M3线交叉,与处于试车阶段的M4线交叠,此外,还将与在建或拟建的L2线、L3线、L4线、L5线、R1线、R2线、M5线、M6线、M8线交叉。另外,M7线还与两条铁路线正交,并且跨越黄浦江。由于沿线地质条件复杂、周围建筑密集、地下管线错综复杂、跨江段冲刷厉害、与已建隧道交叠频繁等原因,使得上海地铁七号线的建设实施过程必然面临众多风险。

地铁盾构法隧道工程的施工过程主要有:建造竖井盾构拼装盾构出洞盾构推进管片拼装同步注浆及二次注浆盾构推进

……盾构进洞。其间还有施工监测、地基加固、盾构机检测与维护等重要环节。将施工过程的每一个环节连接起来就构成了风险识别的主线,再结合隧道工程建设的盾构选型、地质条件、水文条件、周围建筑和构造物、地下管线、交叠隧道等,就可以进行详细的风险识别。利用分解分析法将地铁盾构法隧道工程施工关键环节分成以下几个部分,然后再分别识别各部分的风险,如图1所示。

根据以往软土隧道工程建设的实践经验、数据

[8,9,10]

资料、以及隧道工程理论,对各个施工环节的风险识别如下:

2　风险识别方法

风险识别是要确定在工程建设过程中存在哪些风险,这些风险可能会对工程项目产生什么影响,是进行风险分析和管理的第一步,可用手头掌握的类似工程风险管理的数据和资料、专家访谈或问卷的形式以及采用成本分析等方法来识别风险。这种风险识别的过程,未考虑盾构法隧道工程建设的过程性和特殊性,只是对以往工程经验和资料进行整理和反馈,称为静态风险识别。所用到的风险

[7]

识别方法有:检查表法、故障树法、流程图法、头脑风暴法、情景分析法、德尔菲法、敏感性分析法、分解分析法等。当类似工程风险管理的数据和资料有时很难获得,并且也难以邀请到足够多的专家来进行风险调查时,适用于风险识别的方法有故障树法和分解分析法。

由于在地铁盾构法隧道工程建设中,沿线的地质条件、地下水状况、周围建筑和构造物、穿越的地下管线、交叠的隧道等具有特殊性,并且盾构选型、施工方法、辅助加固工法、施工管理水平等也具有特殊性,因此风险识别还应具有一定的针对性和特殊性,并且还要结合盾构法隧道的施工程序和过

2006年第3期　　　　　　　　　周红波,等:地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对477

图1　盾构法隧道工程施工关键环节分解图

Fig.1　Decomposedkeypointsinconstructionofshieldtunnel　　(1)盾构进出洞・洞口土体大量流失;・洞口土体发生坍塌;・盾构机座变形;・盾构后靠支撑发生位移及变形;・凿除钢筋混凝土封门时产生涌土;・盾构出洞段轴线偏离设计;・盾构进洞时姿态突变。(2)盾构掘进

・土压平衡盾构正面阻力过大;・土压平衡盾构螺旋机出土不畅;・泥水平衡盾构正面阻力过大;・泥水平衡盾构吸口堵塞;・泥水平衡盾构施工过程中隧道上浮;・泥水平衡盾构施工过程中地面冒浆;・盾构掘进轴线偏差;・盾构过量自转;・盾构后退;・盾尾密封装置泄漏;・盾构切口前方超量沉降或隆起;・盾构推进系统无法动作;・液压系统漏油;・盾构刀盘轴承失效;・盾构推进压力低。(3)管片拼装・运输过程中管片受损;

・圆环管片环面不平整;・管片环片与隧道设计轴线不垂直;・纵缝质量不符合要求;・圆环整环旋转;・连接螺栓拧紧程度没达到标准要求;・管片拼装过程中碎裂;・管片环高差过大;・管片椭圆度过大;

・管片压浆孔渗漏;・管片接缝渗漏。(4)穿越重要建筑・地面沉降量过大;・建筑基础下沉;・建筑倾斜量过大;・建筑结构裂缝过大;・建筑倒塌。(5)穿越重要管线

・地下管线水平位移过大;・地下水管破损;・地下煤气管破裂;・地下通讯电缆被切断;・地下输变电管线沉降量过大。(6)穿越现有隧道・现有隧道下沉超标;・现有隧道上浮;・现有隧道结构变形;・地面下沉超标;・盾构掘进轴线偏离设计。(7)跨越黄浦江・盾尾漏浆;・江底冒浆;・江底土层沉降;・泥水平衡盾构吸口堵塞;・隧道上浮;

・盾构“磕头”。(8)建造联络通道・地面沉降量过大;・土体加固措施不恰当;・盲区地基加固处理欠妥;・大量涌水、冒砂;・开挖过程中临时支护强度不够,变形过大;・地面重要构筑物下沉,倾斜;

478地下空间与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　第2卷

・冷冻加固效果不明显;

・与区间隧道接头处渗漏。

风险往往不是存在,而是相互关联的。采用故障树法可以比较清楚地查明风险的致险因素以及风险之间的相互关系。比如“地面沉降量过大”这一风险可用故障树法进行分析,见图2。

图2中数值代表分支出现的可能性,便于后期的风险评估。以动态风险识别过程为主线,并将分

解分析法和故障树法结合起来使用,既能从地铁盾构法隧道工程整体上考虑各施工环节的风险,又能考虑各风险之间的相互关系,可有效地对地铁盾构法隧道工程进行风险识别。

由于风险识别本身具有过程性,是一项经常性的工作,以上各个施工环节的风险具有一定的代表性,还可以随着地铁盾构法隧道工程的建设实施不断地完善。

图2　故障树法风险识别示例

Fig.2　Exampleofriskidentificationbyfaulttreemethod

4　地铁盾构法隧道工程风险应对

风险应对就是对工程项目中蕴含的风险提出

处置意见和办法。工程项目中常用的风险应对策略和措施有:风险规避、风险缓解、风险转移、风险自留和风险利用,以及这些策略的组合。虽然工程项目中的风险对不同工程参与方具有不同的意义,但从社会总体资源来看,风险必然会带来损失,至于究竟由谁来承担这部分损失不是本文研究的内容。因此,在地铁盾构法隧道工程风险应对的研究中,本文主要采用了风险规避和风险缓解策略。

从前面的分析可知,地铁盾构法隧道工程施工的每个环节都存在着风险。针对不同风险,应该提出相应的风险防范措施,并给出风险发生时的治理办法。

由于篇幅有限,这里只对两种典型风险进行了分析,给出了风险应对措施。4.1　地面沉降量过大

原因分析:盾构选型不当;土体自立性差;地下

水位勘察失误;土层变化较大;土层受扰动较大;平衡压力设定偏低;推进速度慢;出土量过大;施工监测不及时准确;管片拼装时盾构后退;注浆量不够;补压浆不及时;注浆压力不适当;注浆材料不合格;注浆浆液配合比不当;注浆部位不合理。

防范措施:合理选择盾构类型;采用辅助工法保证开挖面的稳定;地质水文变化较大地段加密勘察;精心施工,减小对土层的扰动;加强开挖面土压力的监测,保持开挖面土压力的平衡;加强推进速度控制,尽量不使或少使前方土体受挤压;严格控制出土量,保证盾构切口上方土体能微量隆起;加强对监测点的监控;加强盾构千斤顶的维修保养工作,管片拼装时保证安全溢流阀的压力达到规定值;盾尾脱出后及时压浆;压浆量充足;严格控制压浆压力;采用两次以上的压浆;浆液的选择、采购、储运、配比和拌制必须合理;合理选择注浆部位,保证注浆均匀。

2006年第3期　　　　　　　　　周红波,等:地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对479

治理办法:进行土体探测,对结果进行综合分析,查明原因;加强地面沉降监测和信息反馈;提高同步注浆率,改善注浆效果;进行壁后补压浆或地面跟踪补压浆;调整盾构推进参数,使其更科学更准确。

4.2　隧道越江时江底冒浆

风险之间的相互关系,可使地铁盾构法隧道工程建

设的风险识别更全面、更科学、并且更具有可操作性。在风险识别的基础上,结合以往软土隧道工程建设的实践经验、数据资料以及隧道工程理论,重点研究了盾构法隧道工程实施过程中的几种典型风险的应对措施,并给出了风险应对的思路和程序。另外,对跨越黄浦江段隧道、联络通道等特殊工程的风险也进行了详细地分析与研究。

参考文献:

[1]　Einstein,H.H..Riskandriskanalysisinrockengineering

[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,1996,11(2):141～155

[2]　Sturk,R.,Olsson,L.andJohansson,J..Riskanddeci2

sionanalysisforlargeundergroundprojects,asappliedtotheStockholmringroadtuning[J].TunnellingandUnderg2roundSpaceTechnology,1996,11(2):157～1[3]　Vik,E.A.,Sverdrup,L.,Kelley,A.etc.Experiences

fromenvironmentalriskmanagementofchemicalgroutingagentsusedduringconstructionoftheRomeriksportentunnel[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2000,15(4):369～378

[4]　Tonon,F.,Mammino,A.,Bernardini,A..Multiobjec2

tiveoptimizationunderuncertaintyintunneling:applicationtothedesignoftunnelsupportΠreinforcementwithcasehis2tories[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2002,17:33～

[5]　Yoo,C.,Kim,J.H..Aweb-basedtunneling-induced

buildingΠutilitydamagesassessmentsystem:TURISK[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2003,18:497～511

[6]　Eskesen,S.D.,Tengborg,P.,Kampann,J.,etc.

Guidelinesfortunnellingriskmanagement:InternationalTunnellingAssociation,WorkingGroupNo.2[J].Tun2nellingandUndergroundSpaceTechnology,2004,19:217～237

[7]　郭仲伟.风险分析与决策[M].北京:机械工业出版

原因分析:江底覆土厚度过浅;泥水平衡盾构

切口水压波动量大;开挖面泥水压力设定值过高;同步注浆压力过大;泥水指标不符合规定要求;盾构推进参数设置不合理,对江底土层扰动较大;盾构纠偏时超挖严重。

防范措施:在冒浆区采用江面抛土,加大覆土厚度;控制切口水压波动范围;严格控制开挖面泥水压力,在推进过程中要求手动控制开挖面泥水压力;严格控制同步注浆压力,并在注浆管路中安装安全阀,以免注浆压力过高;适当提高泥水各项质量指标;合理设置盾构推进速度,保证开挖面的稳定;盾构推进时,检查掘削干砂量,控制超挖现象。

治理办法:当发现江底冒浆时,如果是轻微的冒浆,在不降低开挖面水压下向前推进,同时,适当加快推进速度,提高拼装效率,使盾构尽早穿过冒浆区;当江底冒浆严重不能推进时,适当降低开挖面切口水压;提高泥水密度和粘度;掘进一段距离后,进行充分的壁后压浆。

通过上面的研究可知,对于每一种风险,首先要对产生风险的原因进行全面、准确地分析,然后针对每一个致险因素给出相应的防范措施,最后根据以往类似工程的实践经验、数据资料和隧道工程理论,给出风险发生时的治理办法。按照这样的思路和程序就能够清晰、合理地给出每一种风险的应对措施。

5　结语

本文将风险分析与管理的基本知识与地铁盾构法隧道工程相结合,对地铁盾构法隧道工程建设中的风险识别方法进行了研究,提出了动态风险识别过程和静态风险分析过程的概念,结合上海地铁七号线工程,采用以动态风险识别过程为主线、以静态风险识别为手段的风险识别方法,对地铁盾构法隧道工程建设的风险进行了识别。研究表明,采用本文提出的风险识别方法既能从地铁盾构法隧道工程整体上考虑各施工环节的风险,又能考虑各

社,1986

[8]　周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中

国建筑工业出版社,2004

[9]　刘建航,张易谦,潘志良.隧道工程[M].上海:上海

科学技术出版社,1999

[10]　石礼安.地铁一号线工程[M].上海:上海科学技术

出版社,1998