球狀風化體地段地鐵盾構隧道施工風險分析與應對措施

謝 壯,陽軍生,梁新權

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

球狀風化體地段地鐵盾構隧道施工風險分析與應對措施

謝 壯1,陽軍生1,梁新權2

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

以深圳地鐵5號線民五盾構區間為工程實例,采用層次分析法與模糊評判法對風化花崗巖地段盾構施工存在的風險進行了分析與評估,最后根據評估結果和以往的施工經驗,提出了相應的風險應對措施。

球狀風化體;土壓平衡盾構;風險分析;風險措施

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

本文通過總結國內在風化花崗巖地段的盾構施工經驗,結合風險管理方面的知識,分析了球狀風化體地段盾構施工存在的風險,以及應對這些風險的措施。

1 工程概況

深圳地鐵民五區間采用土壓平衡盾構法施工,為單圓盾構,盾構機外徑6.28m,隧道采用6塊管片錯縫拼裝而成,管片環寬1.5m,外徑6.0m,厚度0.3m,隧道內徑5.4m;隧道頂部覆土厚度11.5～33.0m。

該區間隧道主要穿越的土層為第四系全新統人工堆積層、第四系全新統沖積層、第四系上更新統坡積層、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 風化花崗巖不良地質段風險分析

2.1 風險辨識

總結以往施工單位在地鐵盾構施工過程中遇到球狀風化體(孤石球)的施工經驗,識別出在球狀風化體段施工的主要風險有:

(1)球狀風化體隨刀盤一起滾動,阻礙刀盤掘進;

(2)球狀風化體的存在引起盾構姿態和掘進方向難以控制;

(3)刀盤磨損致使刀盤強度和剛度降低而無法掘進;

(4)刀盤受力不均致使主軸承受損或密封破壞;

(5)刀具磨損嚴重,作業人員進艙更換刀具存在生命危險。

2.2 風險分析

本文采用層次分析法對球狀風化體地段的盾構施工進行分析,從安全、質量、工期3個方面綜合計算各風險事件的權重。根據層次分析法原理,首先建立遞階層次結構,構造判讀矩陣,再按照特征根法計算出各層次風險因素的權重,并進行一致性檢驗。計算結果如圖1。

圖1 施工風險的層次風險因素權重計算

2.3 風險評估

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

表1 風險水平隸屬函數

根據民五盾構區間的實際情況,通過專家調查法,確定各風險事件發生的可能性值P和影響后果C的值,見表2。

表2 風險事件的概率及影響后果

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

將計算所得的風險事件權重向量ω和風險事件的評判矩陣R進行模糊運算,便可得到民五盾構隧道掘進中主要風險點相對于安全、質量、工期的評價結果,它們分別是:

將B1、B2、B3組成總體評判矩陣RB(RB=(B1B2B3)),再將權重向量ωα與評判矩陣RB進行模糊運算,便可得到各風險事件相對于盾構掘進主要風險的評價結果B:

3 風險應對措施

風險評估的目的是制定相應的風險應對措施,減小風險發生的概率和降低風險帶來的損失。本文根據以往類似工程施工經驗和民五盾構隧道所采取的應對措施,總結了球狀風化巖地段盾構施工可采用以下措施來降低風險損失:

(1)在掘進過程中,注意觀察盾構掘進的異常情況以及掘進參數的異常變化,判讀是否碰上球狀風化巖體,一旦發現推力加大時,盾構進尺緩慢或停止不前,應立即停機;

(2)針對球狀花崗巖分布的離散性,在實際勘察過程中,當發現有球狀風化球存在時,需要請有資質的專業勘察單位對整個區間進行補充勘察,根據勘察結果,摸清球狀風化體的地下分布規律,包括球狀風化體的埋深、形態及規模大小;

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

(4)作業人員需要進艙更換刀具時,若作業面不穩定,需對作業面進行預加固并及時足量同步注漿;

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

(6)根據球狀風化體的位置、大小及強度,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,將球狀風化體破碎到小于30mm后再掘進。

4 結 論

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

(2)在盾構施工過程中,如遇到球狀風化體,所采取的風險應對措施一般都是將球狀風化體破碎,直至盾構機能夠順利通過。破碎的方法應視實際工程的情況,事先制定好球狀風化體段的處理方案,防止風險事故的發生。

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

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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。