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 地铁盾构进出工作井的施工风险

隧道网                新闻来源: 现代隧道技术

     摘　要　进出工作井是盾构法施工中的一个事故多发环节。以上海轨道交通9 号线1 期桂林路站至宜山路站区间隧道工程为依托,采用层次分析法建立风险指标体系,基于多层次模糊综合评判模型进行风险评估,得到盾构进出工作井的主要环节的风险因素、 风险等级及风险的模糊分布,结论对指导实际施工、 保护周围环境、 规范施工管理、 减少社会及经济损失均有参考意义。
     关键词　地铁, 盾构, 进出工作井, 施工风险, 层次分析,模糊评价
     中图分类号　U 455. 1
    Risk Analysis of Metro Shield Departure and Reception
    Yan Changzheng , Zhang Qinghe , Liao Shaoming , GongZhiqun
     Abstract 　Departure and reception of shield is an accident2prone
    link in tunnel construction. Taking the tunnel of Shanghai
     Metro Line 9 between Guilin Road Station and Yishan Road
    Station as an example , this paper establishes an index system of
   risk assessment by using the analytic hierarchy progress method
    (AHP) . Based on fuzzy synthetic evaluation method , the risk
    factors , risk levels and risk fuzzy distribution of chief sector
    during departure and reception of shield are collected. The find2
    i ngs are important to guide in2site construction , ensure environ2
    ments , regulate construction management and reduce social eco2     nomic losses.
    Key words 　metro , shield , departure and reception , construc2
    tion risk , analytic hierarchy progress method , fuzzy synthetic e2
    valuation method
    First2author’s address 　Key Laboratory of Geotechnical Engi2
    neering , Tongji University , 92 ,Shanghai ,China
     1 　工程概况
      上海市轨道交通9 号线(R4 线) 一期工程的桂林路站———宜山路站区间隧道工程,采用外径6. 34m 的土压平衡盾构掘进。盾构分别由桂林路站东端头井和宜山路站西端头井进、 出。洞口前方主要土层为灰色淤泥质黏土④1 层、 灰色黏土⑤1 - 1层、 灰色粉质黏土层⑤1 - 2层。这些土层含水量高,孔隙比大,呈流塑—软塑状态,是盾构推进的有利土层;但其工程地质较差,具有明显的触变、 流变特性,在动载作用下,土体结构易破坏,使强度降低。工作井有效深度约18 m ,结构形式为双层叠合墙结构,800 mm 厚的地下连续墙与600 mm 厚的内衬墙共同作为主体结构。洞口封门为地下连续墙。其前方采用深层搅拌桩加固。
     2 　风险分析的基本理论
     风险就是实际结果与预期目标的差异程度[1 - 2 ] 。常见风险表示式为:
PR = f ( Pc , C) (1)式中: PR 为项目风险(可能存在的差异程度) ; Pc 为差异可能出现的程度; C 为差异值即风险损失。
     风险分析主要包括3 个环节,即风险辨识[3 - 4 ] 、 风险估计、 风险评价。它是风险管理的重要组成部分,也是进一步提出风险防范对策、 实施项目风险控制的基础。风险分析的方法较多。本文采用层次分析法(AHP) [5 ]建立风险指标体系,并选用多层次模糊综合评判模型进行半定性、 半定量的风险分析。
    3 　风险辨识
     从以往盾构工程的经验教训可知,盾构进出工作井的风险主要有:
    1) 基坑围护结构不当,工作井的结构和支护不当,将产生过大的变形甚至使基坑失稳、 土体坍塌;
    2) 前方土体加固不当、 失效,洞门打开后产生正面涌水、 涌砂,地表沉陷,甚至工作井坍塌;
    3) 施工轴线偏差过大,导致纠偏及管片拼装困难,隧道漏水,盾构无法到达目标井;
   4) 后靠不稳定,使后靠及支撑无法承受盾构推进的后坐力,因而导致支撑系统破坏、 基坑失稳;
   5) 凿除钢筋混凝土洞门时产生涌土,导致支撑系统破坏、 基坑失稳。
    针对以上风险点建立风险因素集U 。U ={ u1 , u2 , ⋯, u5} ,式中ui = ( i = 1 ,2 , ⋯,5) 指代盾构  进出工作井的5 个主要风险因素。利用层次分析法(AHP) 建立评价指标体系,如表1 。
     表1 　盾构进出工作井施工风险评价指标体系

    盾构进出工作井施工U
    4 　建立权重集
    4. 1 　构造两两比较判断矩阵
      采用1～9 的比例标度,来确定两个元素ui 和uj ( i , j = 1 ,2 , ⋯,5) 相对重要性。1～9 的比例标度
的意义见表2 , 建立两两比较判断矩阵A , A =( aij) 5 ×5 。
     表2 　风险评价分值表
      分值aij 定义　2 ,4 ,6 ,8 ui 与uj 两因素比较结果处于以上结果的中间倒数uj 与ui 两因素比较结果是ui 与uj 两因素重要性比较结果的倒数
     4. 2 　专家权重
    采用加权平均法对专家经验法得到的数据进行处理,确定风险概率的隶属度。专家权重及专家人
数详见表3 。

        表3 　专家权重表
     级别一类二类三类四类
    专家分级说明1. 隧道工程领域元老;2. 高级职称以上技术人员
    1. 中级职称施工技术人员;
    2. 高级职称科研、 设计人员
     1. 初级职称工程技术人员;
    2. 中级职称科研、 设计人员初级职称设计、 科研人员权重(γ) 1. 0 0. 9 0. 8 0. 7人数4 6 5 3
    4. 3 　确定各风险指标相对权重
     根据专家打分结果构造比较判断矩阵,如表4 。
    表4 　比较判断矩阵

　　各风险指标相对权重λmaxω确定,其中λmax 为A 矩阵的最大特征值。盾构
进出工作井各风险因素相对权重如表5 所示。经一
致性检验,一致性指标CI = (λmax - n) / ( n - 1) =0. 099 ,其中n 为A 的阶数, n = 5 ,查表得平均随机一致性指标RI = 1. 12 ,一致性比例CR = CI / RI =0. 088 < 0. 1 ,满足一致性检验。
      表5 　风险因素相对权重

     5 　确定风险评价标准
     当前国内主要延用国际标准,风险概率采用5级制,如表6 ;风险后果、 风险水平均采用4 级制,如表 7 、    表8 。
        表 6 　风险概率分级
       级别事件频率可能性发生概率A 罕有地几乎不可能发生< 0. 1 %B 难得地不怎么可能发生0. 1 %～1 %C 偶而地不太可能发生1 %～10 %D 可能地有可能发生10 %～50 %E 频繁地很可能发生> 50 %·35 ·　第10 期研究报告　
       表7 　风险后果分级
       后果描述级别定义损失比/ %后果可忽略1引起次要结构、 次要系统或环境的轻微破坏,较少伤人、 轻微的职业病害< 0. 5后果较轻2 次要结构、 次要系统或环境破坏,轻度伤人、 轻度职业病害0. 5～10后果严重3 主要结构、 主要系统或环境破坏,重度伤人、 职业病10～50灾难性后果4 结构毁坏、 系统失效、 严重的环境毁坏,人员死亡> 50
     表8 　风险水平分级
     等级风险后果与概率的级别组合分值等级指针风险决策准则一级1A ,1B ,1C 40 0～60 可接受且不必采取特别措施二级1D , 1E , 2A ,2B ,3A ,4A75 60～80 可接受, 但需加强控制管理三级2C , 2D , 3B ,3C ,4B90 80～95不希望发生; 须采取措施降低或转移风险四级2E , 3D , 3E ,4C ,4D ,4E100 95～100 不可接受; 必须排除或转移风险
    6 　模糊评价
     6. 1 　基本风险因素模糊评价
    由专家打分结果,结合专家权重,算得基本风险因素的风险评价指标,如表9 所示,形成基本因素评价矩阵R 。
表9 　基本风险因素评价指标
风险因素风险水平等级一二三四风险值风险水平等级
6. 2 　模糊综合评价
模糊综合评价集B = { b1 , b2 , b3 , b4} 可由B =
ω·R 确定,如表10 。
表10 　盾构进出工作井施工风险评价指标
风险因素集风险水平等级一二三四风险值综合评定风险水平等级
U 0. 464 0. 327 0. 209 0 72. 761 二
     7 　风险对策
      总观风险分析的全过程,建议施工中采取如下风险对策:
    1) 针对基坑围护结构不当,应加强对设计图纸审核校验,精心施工,注意监测,并必须对体系的各构件进行强度、 刚度、 稳定性校验。
    2) 针对土体加固不当,应制定合理的土体加固方案,并检测土体加固效果,在进出工作井施工过程中还能够辅以井点降水以降低正面水压。
    3) 针对轴线偏差过大,应在盾构进出工作井前加强测量,及时纠正,调整好姿态。
    4) 针对后靠不稳,应对后靠体系进行仔细的校验,提高施工质量,加强构造保护。
    5) 对于凿除洞门时的涌水、 涌砂,则需根据实际情况制定合理的封门拆除工艺,保证加固土体的强度及质量,提高密封圈的安装准确性,并避免盾构进出工作井时刀具损伤密封圈。
     8 　结论
    1) 进出工作井是盾构施工的一个重要环节,有必要对其风险进行辨识、 分析并据此采取相应对策以保障施工安全,避免人员伤亡和造成经济损失。
     2) 基坑围护结构不当、 土体加固不当、 轴线偏差过大、 后靠不稳、 凿除封门时出现涌土是盾构进出工作井施工的五个主要风险因素。
      3) 综合评定整个进出工作井施工为二级风险,
     应当加强监控与管理,以确保工程施工安全。其中基坑围护结构不当和土体加固不稳是三级风险,此为建设方及承包商不愿看到的风险,必须采取必要的施工技术措施来降低风险。轴线偏差过大、 后靠不稳、 凿除封门时出现涌土虽为一级风险,但其风险值已接近一级风险的上限(60) ,仍需引起重视。
参考文献
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(收稿日期: - 07 - 16)·36 ·城市轨道交通研究 年　

严长征1 ,2 　张庆贺1 ,2 　廖少明1 ,2 　宫志群3
(1. 同济大学岩土工程重点实验室, 92 ,上海; 2. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系, 92 ,上海;3. 中铁十八局集团有限公司,300222 ,天津∥第一作者,博士研究生)