球狀風(fēng)化體地段地鐵盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析與應(yīng)對措施

謝 壯,陽軍生,梁新權(quán)

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院隧道與地下工程系, 湖南長沙 410075;2.湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南長沙 410007)

球狀風(fēng)化體地段地鐵盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析與應(yīng)對措施

謝 壯1,陽軍生1,梁新權(quán)2

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院隧道與地下工程系, 湖南長沙 410075;2.湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南長沙 410007)

以深圳地鐵5號線民五盾構(gòu)區(qū)間為工程實(shí)例,采用層次分析法與模糊評判法對風(fēng)化花崗巖地段盾構(gòu)施工存在的風(fēng)險進(jìn)行了分析與評估,最后根據(jù)評估結(jié)果和以往的施工經(jīng)驗(yàn),提出了相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施。

球狀風(fēng)化體;土壓平衡盾構(gòu);風(fēng)險分析;風(fēng)險措施

目前,城市地鐵工程大量采用盾構(gòu)工法,而盾構(gòu)工法更適用于在均一的軟土地層中施工,當(dāng)面臨上軟下硬、風(fēng)化花崗巖、斷層破碎帶等復(fù)雜地層情況時,盾構(gòu)施工存在較大的風(fēng)險,如何減小此類施工風(fēng)險及其損失,越來越引起盾構(gòu)工作者們的重視。

本文通過總結(jié)國內(nèi)在風(fēng)化花崗巖地段的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),結(jié)合風(fēng)險管理方面的知識,分析了球狀風(fēng)化體地段盾構(gòu)施工存在的風(fēng)險,以及應(yīng)對這些風(fēng)險的措施。

1 工程概況

深圳地鐵民五區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工,為單圓盾構(gòu),盾構(gòu)機(jī)外徑6.28m,隧道采用6塊管片錯縫拼裝而成,管片環(huán)寬1.5m,外徑6.0m,厚度0.3m,隧道內(nèi)徑5.4m;隧道頂部覆土厚度11.5～33.0m。

該區(qū)間隧道主要穿越的土層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系上更新統(tǒng)坡積層、燕山期花崗巖,地下水主要有松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。

2 風(fēng)化花崗巖不良地質(zhì)段風(fēng)險分析

2.1 風(fēng)險辨識

總結(jié)以往施工單位在地鐵盾構(gòu)施工過程中遇到球狀風(fēng)化體(孤石球)的施工經(jīng)驗(yàn),識別出在球狀風(fēng)化體段施工的主要風(fēng)險有:

(1)球狀風(fēng)化體隨刀盤一起滾動,阻礙刀盤掘進(jìn);

(2)球狀風(fēng)化體的存在引起盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)方向難以控制;

(3)刀盤磨損致使刀盤強(qiáng)度和剛度降低而無法掘進(jìn);

(4)刀盤受力不均致使主軸承受損或密封破壞;

(5)刀具磨損嚴(yán)重,作業(yè)人員進(jìn)艙更換刀具存在生命危險。

2.2 風(fēng)險分析

本文采用層次分析法對球狀風(fēng)化體地段的盾構(gòu)施工進(jìn)行分析,從安全、質(zhì)量、工期3個方面綜合計算各風(fēng)險事件的權(quán)重。根據(jù)層次分析法原理,首先建立遞階層次結(jié)構(gòu),構(gòu)造判讀矩陣,再按照特征根法計算出各層次風(fēng)險因素的權(quán)重,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計算結(jié)果如圖1。

圖1 施工風(fēng)險的層次風(fēng)險因素權(quán)重計算

2.3 風(fēng)險評估

在利用層次分析法(AHP)確定風(fēng)險因素的權(quán)重后,需要得到各因素相對于總目標(biāo)層的一個評判結(jié)果。將球狀風(fēng)化體段盾構(gòu)施工風(fēng)險水平分為5個等級,分別為“極低風(fēng)險、低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險、極高風(fēng)險”,本文采用工程上應(yīng)用較為廣泛的梯形隸屬函數(shù),見表1。

表1 風(fēng)險水平隸屬函數(shù)

根據(jù)民五盾構(gòu)區(qū)間的實(shí)際情況,通過專家調(diào)查法,確定各風(fēng)險事件發(fā)生的可能性值P和影響后果C的值,見表2。

表2 風(fēng)險事件的概率及影響后果

將二者乘積代入風(fēng)險水平的隸屬函數(shù),便可得到風(fēng)險事件對各風(fēng)險水平的隸屬度,并形成評價矩陣R:

將計算所得的風(fēng)險事件權(quán)重向量ω和風(fēng)險事件的評判矩陣R進(jìn)行模糊運(yùn)算,便可得到民五盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中主要風(fēng)險點(diǎn)相對于安全、質(zhì)量、工期的評價結(jié)果,它們分別是:

將B1、B2、B3組成總體評判矩陣RB(RB=(B1B2B3)),再將權(quán)重向量ωα與評判矩陣RB進(jìn)行模糊運(yùn)算,便可得到各風(fēng)險事件相對于盾構(gòu)掘進(jìn)主要風(fēng)險的評價結(jié)果B:

3 風(fēng)險應(yīng)對措施

風(fēng)險評估的目的是制定相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施,減小風(fēng)險發(fā)生的概率和降低風(fēng)險帶來的損失。本文根據(jù)以往類似工程施工經(jīng)驗(yàn)和民五盾構(gòu)隧道所采取的應(yīng)對措施,總結(jié)了球狀風(fēng)化巖地段盾構(gòu)施工可采用以下措施來降低風(fēng)險損失:

(1)在掘進(jìn)過程中,注意觀察盾構(gòu)掘進(jìn)的異常情況以及掘進(jìn)參數(shù)的異常變化,判讀是否碰上球狀風(fēng)化巖體,一旦發(fā)現(xiàn)推力加大時,盾構(gòu)進(jìn)尺緩慢或停止不前,應(yīng)立即停機(jī);

(2)針對球狀花崗巖分布的離散性,在實(shí)際勘察過程中,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有球狀風(fēng)化球存在時,需要請有資質(zhì)的專業(yè)勘察單位對整個區(qū)間進(jìn)行補(bǔ)充勘察,根據(jù)勘察結(jié)果,摸清球狀風(fēng)化體的地下分布規(guī)律,包括球狀風(fēng)化體的埋深、形態(tài)及規(guī)模大小;

(3)若球狀風(fēng)化體隨刀盤一起滾動,可以利用地質(zhì)超前鉆機(jī)對周圍軟地層予以鉆孔注漿,將球狀風(fēng)化體固定后再進(jìn)行掘進(jìn);

(4)作業(yè)人員需要進(jìn)艙更換刀具時,若作業(yè)面不穩(wěn)定,需對作業(yè)面進(jìn)行預(yù)加固并及時足量同步注漿;

(5)掘進(jìn)過程中隨時監(jiān)測刀具和刀盤的受力狀態(tài),確保其不超載,并觀測刀盤是否受力不均,以防刀盤產(chǎn)生變形;

(6)根據(jù)球狀風(fēng)化體的位置、大小及強(qiáng)度,可采取不同的處理措施,包括挖孔破碎法,沖孔破碎法,直接切削法和帶壓開艙法,將球狀風(fēng)化體破碎到小于30mm后再掘進(jìn)。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)最大隸屬度原則,球狀風(fēng)化體段盾構(gòu)施工總體水平為高風(fēng)險。其中,風(fēng)化球隨刀盤一起滾動而阻礙刀盤掘進(jìn),風(fēng)化球引起盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)方向偏移以及作業(yè)人員帶壓進(jìn)艙為高風(fēng)險;刀盤受力不均導(dǎo)致主軸承受損或密封破壞為中等風(fēng)險;刀盤強(qiáng)度和剛度降低而無法掘進(jìn)為低風(fēng)險。

(2)在盾構(gòu)施工過程中,如遇到球狀風(fēng)化體,所采取的風(fēng)險應(yīng)對措施一般都是將球狀風(fēng)化體破碎,直至盾構(gòu)機(jī)能夠順利通過。破碎的方法應(yīng)視實(shí)際工程的情況,事先制定好球狀風(fēng)化體段的處理方案,防止風(fēng)險事故的發(fā)生。

(3)用模糊數(shù)學(xué)評價方法可以解決評價過程中的非精確性問題,對主觀的概念進(jìn)行量化,減小了主觀判斷帶來的差異,使結(jié)果更為精確,計算過程和結(jié)果更符合實(shí)際情況。

[1]Tonon F,Mamm ino, A, Bernardin, i A. Multiob jective optimization under uncertainty in tunneling application to the design of tunnel support/ reinforcement with case histories[ J ]. Tunne lling and Underground Space Technology, 2002, 17: 33～54.

[2]郭慶華,李 彥.廣州地區(qū)疑難地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)措施淺談[J].煤炭工程,2008,(1):41～42

[3]管會生,徐濟(jì)平.復(fù)雜地質(zhì)條件對盾構(gòu)施工的影響與相應(yīng)技術(shù)措施[J].施工技術(shù),2004,33(10):23～24.

[4]王 巖,黃宏偉.地鐵區(qū)間隧道安全評估的層次-模糊綜合評判法[J].地下空間,2004,24(3):301～305.

[5]古 力.盾構(gòu)機(jī)破碎孤石條件及預(yù)處理方法[J].隧道建設(shè),2006,26(S2):12～13.

[6]韓文忠.復(fù)雜地質(zhì)條件下土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2004,17(S):12～14.

2009-12-09)

謝 壯(1985-),男,湖南長沙人,研究生,主要從事隧道與地下工程研究工作。