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福州地铁盾构施工风险分析与量化研究

庄全贵
(福州地铁集团有限公司）

1工程概况
福州地铁总共规划7条线路，线网全长184.2km。1号线一期工程北起象峰站，南至福州南站，已经建成通车。2号线已经实现全线贯通，1号线二期工程、4号线一期、5号线、6号线正在土建施工阶段，区间隧道主要采用盾构法施工，穿越的主要地层有全新统第四系(Q)地层长乐组、上更新统东山组、龙海组、燕山晚期花岗岩(γ53)、燕山期侵入岩岩脉(ε)、喜山期侵入岩岩脉(β)地层以及晚侏罗统南园组(J3n)深灰色熔结凝灰岩、凝灰岩、流纹质凝灰熔岩等，穿越水域、承压含水层区域和繁华城区等重大地质风险及环境风险源，施工难度较大，同时也需要在充分考虑安全基础上，避免工程建设中的不必要浪费，因此加强盾构施工安全风险量化管理工作是非常迫切和必要的。
2盾构施工安全风险管理的主要内容
安全风险管理是指在项目实施的各个阶段，通过对风险的界定、辨识、估计及评价，优化组合各种风险管理技术，对工程实施适当的、有效的风险控制并持续改进的全过程。根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB50652－2011)所述，风险管理的流程如图1所示。

2.1风险界定与辨识
风险界定与辨识是风险管理的第一步，即在施工准备期收集各类工程规划、勘察、设计、周边环境调查等资料，运用风险辨识方法根据不同施工阶段划分为若干个风险单元，然后对各类风险单元中可能存在的风险因素进行系统全面的辨识，形成风险源清单。
风险辨识的方法有很多，主要包括:(1)文献审查法;(2)专家调查法;(3)经验数据法;(4)分解分析法;(5)图解法;(6)WBS－ＲBS法。本文主要采用WBS－ＲBS法进行风险界定与辨识。WBS－ＲBS法是一种系统的风险分类方法，其主要思路是采用系统的观点，即横向考虑工程项目的整个施工过程，纵观考虑工程项目施工所涉及的各种风险源。
2.2风险估计与评价
风险估计与评价是建立在风险辨识的基础上，首先根据风险辨识清单，详细分析各类风险因素发生的可能性和损失等级，然后运用风险评价的各种方法，确定各类风险因素及风险单元的等级，最终形成风险评估报告。风险评价是风险控制的基础。
风险评价的方法有很多，主要包括:(1)综合评价法;(2)模糊评价法;(3)PERT(ProgramEvaluationandReviewTechnique);(4)层次分析(AnalyticHierarchyProcess)。本文主要采用的是层次分析法，层次分析法是一种定性与定量相结合的决策分析方法。
2.3风险控制
风险控制主要是在风险界定、辨识、评价的基础上，项目管理者选择行之有效的应对策略，并寻求既符合实际又有明显效果的具体措施，力争将风险所造成的负面效应降到最低限度或使风险进行转移。
3福州地铁盾构施工主要风险分析与控制
盾构施工主要涉及的地层有:2－4－1、2－4－2淤泥质土;2－4－6含泥中细砂;2－5、3－3中粗砂;局穿越3－8卵石层及微风化岩地层。其中2－5、3－3中粗砂和3－8卵石层为承压含水层，由于地质条件复杂多变给盾构施工带来了一定的风险，主要风险如下:
3.1盾构选型风险
盾构选型主要是根据工程地质、水文地质、地貌、建(构)筑物等特点来量身定制。由于2号线和6号线盾构施工下穿的地层差异较大，目前根据各标段地层特点，盾构机主要采用泥水平衡盾构与土压平衡盾构。由于在不同的地层中掘进对盾构机刀盘的形式、刀盘驱动方式、刀盘扭矩、刀盘开口率要求都不一样，因此，要避免盾构选型给后期盾构施工带来的风险。
3.2盾构始发与接收风险
盾构始发与接收主要涉及的地层有:2－4－1、2－4－2淤泥质土、2－5－2粗中砂，其中2－5－2为承压含水层，盾构始发和接收容易出现洞门涌水、涌砂，如处理不及时，容易引起周边土体失稳。因此要严格控制三轴搅拌桩与高压旋喷桩的施工质量，尽量减小“夹心饼干”的宽度，落实盾构始发与接收的关键节点验收，掌握好洞门破除的先后顺序。
3. 3盾构掘进风险
(1)淤泥层掘进风险
盾构局部穿越2－4－1、2－4－2淤泥及淤泥质土层，由于淤泥质土强度低、压缩性高、承载能力较差，盾构掘进过程中保持土压平衡及姿态控制都比较困难，地层在外力作用下易扰动，从而引起地表沉降等问题。同时软土具有蠕变特性，在后期运营过程中会产生较大的沉降。因此在盾构施工过程中需采用增加预埋注浆孔进行洞内注浆的加固措施，严格控制盾构施工的各项参数，特别是土仓压力、盾构姿态及同步注浆量，及时进行渣土改良以避免掘进时的泥饼问题。
(2)上软下硬复合地层掘进风险
部分区间盾构穿越上软下硬的复合地层，推进较为困难，容易引起刀具异常损坏，而且由于油缸推力不均衡以及刀具破损等因素，很容易造成盾构路线跑偏、出现超挖和欠挖等情况，引起管片错台、破损，地面塌陷等问题。因此一方面在盾构施工过程中要密切监测管片拱顶变形、净空收敛、地表隆沉，根据监测数据及时调整盾构参数;另一方面由于地层上软下硬很容易因为上部推力过小导致盾构抬头，施工过程中适当加大上部油缸推力，同时采用低转速、大扭矩慢速推进，严格控制出土量适度欠挖，避免超挖。
(3)孤石段掘进风险
区间局部穿越3－8卵石地层，使得盾构机出土系统和刀盘磨损严重，有时需要进行开仓换刀，同时3－8卵石层为承压含水层，掌子面不稳定，须在降水条件下换刀，容易引起地面坍塌等情况，给开仓换刀带来一定的风险。因此在盾构掘进过程中准确调整盾构施工参数，减小对刀盘的磨损，严格控制出土量，及时、定期检查刀盘状态。
(4)小曲线半径施工风险
由于曲线段施工容易引起地层损失，加上纠偏导致对地层的扰动，容易引起地表沉降，管片错台、破损等问题。因此在曲线段推进时应及时进行同步注浆，严格控制盾构姿态，做到勤测勤纠，且每次的纠偏量应尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。
3.4沿线下穿重大环境风险源
地铁沿线盾构区间下穿建筑物、管线、江河较多，例如2号线穿越乌龙江、闽江两条大江，洪湾河、晋安河等十几条内河，沿线部分建筑物建设年代较长、基础形式简单、抵抗变形的能力较弱;4号线一期工程沿线穿越闽江两次、光明港等多处河流及内河，下穿塔头桥、三环桥梁、螺洲大桥、规划桥等多处桥梁，市区建(构)筑物众多，林浦站至城门站区段需要下穿大量多层房屋建筑;5号线地处闽江流域，地表水体发育，主要下穿闽江、洪阵河、帝封江和多条市区内小河和成片池塘等。由于盾构施工不可避免地要对土体产生扰动，引发不同程度的土层变形，对周边的环境带来一定的影响。因此，在盾构下穿施工前需做好关键节点验收工作，防范化解重大风险。下穿过程中严格掌控盾构掘进参数，尽量缓慢、匀速推进，同时加强地面巡视、监测等工作。
4福州地铁盾构施工风险量化研究实例
4.1工程概况
福州地铁某区间为全地下盾构区间，区间隧道总长2629.806m，区间隧道覆土最大厚度14.7m，最小厚度为9.7m，盾构通过地层有淤泥2－4－1层、淤泥质土2－4－2层、淤泥夹砂2－4－4层、粗中砂2－5－2层和卵石3－8层，局部为粉质粘土2－6－1层和粉土2－6－3层，采用土压平衡盾构掘进。本文在进行盾构施工风险量化研究时首先采用WBS－ＲBS法进行风险辨识，然后运用层次分析法得到风险工程的风险指数，最后确定风险等级。
4.2盾构法施工风险等级具体量化
(1)风险界定与辨识
根据该区间工程概况，采用WBS－ＲBS法将该区间盾构施工风险划分为盾构施工准备期、盾构始发、盾构掘进、盾构接收和不良地质5个子风险工程和9个风险单元及对应的21个风险事件，如表1所示。
(2)风险发生的概率与损失
风险等级评定准则反映了风险评估的目标，通过定量计算得出风险指数Ｒ，安全风险事件打分标准规定如下:
①风险事故发生概率等级P:1、2、3、4、5，对应分值:5、4、
3、2、1。
②风险事故损失等级C:A、B、C、D、E，对应打分值:5、4、
3、2、1。风险指数计算公式:Ｒ=P×C，现对风险事故发生概率等级和损失等级进行专家打分，结果如表1所示。

(3)各风险单元风险指数计算
根据表2所示的风险权重评价分值表，对不同的风险因素进行比较评分，得到风险单元“盾构选型”的判断矩阵，见表3。

根据风险判断矩阵计算各层次间的特征向量(相对权重):W1T=［0.40，0.20，0.20，0.20］风险指数向量(即:P、C值乘积向量):F1T=［6，9，6，8］则此风险单元的风险指数为:Ｒ1=W1T×F1=7.00
运用相同的方法，同样可以得到构造“洞门破除”风险单元风险指数为9.20;构造“地表影响”风险单元的风险指数为8.00;构造“隧道注浆”风险单元的风险指数为7.75;构造“不良地质”风险单元的风险指数为8.72;构造“周边构筑物”风险单元的风险指数为8.00。
(4)风险等级的确定
该区间风险工程评估成果见表4。

该车站施工总风险指数Ｒ=8.71，针对评估结果，总体风险等级为Ⅲ级，即属于风险水平较低的等级，风险事故后果中等，即风险处于可接受的边缘，需做好风险控制措施。
5结论
(1)地质风险是盾构施工自身风险评估的重要指标，也是盾构施工环境风险评估的重要指标，因此，应进一步结合地层物理力学参数，对地质风险进行量化分析。
(2)结合区间工程地质、水文地质、地貌、地质构造等特点，开展盾构选型工作，根据地层特点，进行动态组段管理，确定盾构施工过程中的每环掘进参数。
(3)风险管理需要大量有效且准确的信息，因此要做好福州地铁盾构施工的安全风险管理工作，应采用信息化手段实现安全风险动态管理，实时掌握盾构施工参数，及时对监测数据进行比对分析。
(4)加强盾构施工风险的量化评估。结合工程特点，可采用量化评估的方法实现对盾构施工风险的量化评估和动态管理，如WBS－ＲBS法将盾构施工风险划分为风险工程、子风险工程、风险单元和风险事件，然后运用层次分析法对风险事件进行量化评估，再根据评估结果进行风险动态管理，从而为盾构施工智慧管控提供一定的条件支持。

根据理论数据和实际数据对比发现，有限元数值分析结果:桩顶位移为28.1mm，深层水平最大位移出现在深度约桩顶下9～10m位置，最大位移值为33.99mm;理正设计计算结果:桩顶位移为13.62mm，深层水平最大位移出现在深度约桩顶下10m位置，最大位移值30.11mm;实测数据，桩顶位移为21.22mm，深层水平最大位移出现在深度约桩顶下10m位置，最大位移值为37.96mm。经实测和计算结果比较，深层土体水平位移是基本吻合的，深层水平位移曲线均为“大肚子”形状，最大值位置大致相同，在基坑开挖坑底以上。出现该情况的原因是:支护为柔性结构，桩顶有锚索约束，且桩顶钢筋锚入冠梁，围护桩与冠梁的连接属于固接。在基坑纵向方向，土层较选取计算的钻孔土层安全，有冠梁的约束，桩顶位移能得到较强的约束，因此桩顶位移较小。基坑开挖深度范围锚索通过腰梁与围护桩连接，围护桩与腰梁的连接属于铰支，桩身会因土压力作用鼓出。计算结果曲线圆滑平顺，而实测数据会出现弯曲拐点。出现该情况的主要原因是:围护桩和锚索实际施工的标高、定位、角度、垂直度等存在误差;锚索预应力施加时的大小、加载过程的时间和步骤的误差;锁定时机具设备引起的预应力损失;时间效应土体蠕变引起的预应力损失。
6结论
通过排桩+多道预应力锚索支护方案在较深基坑工程中顺利实施的案例，并结合计算结果和实测分析可得出以下结论:
(1)有限元模型和理正设计模型得出的深层水平位移基本拟合实测监测数据，均呈现“大肚子”形状。
(2)理正设计模型的深层水平位移计算结果较实测值偏小，在较深基坑工程设计时应注意考虑施工误差和施工过程中时间效应引起的变形。
(3)调整锚索的竖向位置可有效控制支护结构的水平位移，第一道锚索和第二道锚索在满足支护结构受弯和变形的条件下，可设置较大的竖向间距。
(4)锚索预应力的施加应保证同一剖面同一道锚索在张拉锁定后均具有大致相等的预应力，且应采取当土体蠕变或夹片松动引起的预应力损失时，及时发现并进行补偿张拉锁定的应急措施。
(5)通过验证后的有限元模型可进行较常规设计软件无法计算的复杂剖面的模拟分析，为工程设计提供依据。

文章来源：中国知网

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