軟土地區土壓盾構隧道掘進施工風險模糊評估

樊立強

(中煤邯鄲中原建設監理咨詢有限責任公司，河北邯鄲 056031)

1 概述

軟土是指廣泛分布于我國東南沿海及內陸地區的一種淤泥質軟粘土，主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的沉積物及少量腐殖質所組成的土。在濱海、湖沼、谷地、河灘沉積等地區表現為天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的細粒土。軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、各層之間物理力學性質相差較大等特點。在某些地區，顆粒孔隙比甚至可以超過2.0，同時，低透水性和高可壓縮性也是軟土的兩大特征。由于軟土具有的這些特征，使得在軟土分布地區進行土壓盾構掘進施工存在著許多未知和模糊的風險，對工程進度造成了影響，研究不同地區軟土的性質，并建立結合相關地質環境的風險評估模型是在這一地區進行施工時減少風險的必要措施。

盾構掘進施工技術，即全斷面隧道掘進機隧道施工法，是靠旋轉并推進刀盤，通過盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成型的隧道施工方法，在國內外地下隧道施工中被廣泛的使用。這一方面是因為盾構掘進施工技術具有很強的適應性，尤其是能在軟土地區開展地下隧道掘進施工，同時也是因為盾構開挖還是不可避免地會引起一些環境巖土問題，特別是地表沉降問題。所以自問世幾十年以來，其以高效、安全、環保等優點，已被廣泛用在水利交通采礦等領域。目前對盾構掘進施工技術展開的研究多集中在刀具、施工預測及施工技術等方面。在隧道方案選擇，特別是長大隧道施工采用常規或是TBM法施工的選擇上，還是建立在一般的比較上，沒有完整的選擇方法。由于隧道工程往往涉及資金投入大、工期長、相關因素多，所以對具體盾構隧道掘進方案的選擇還需慎重［1］。

在軟土分布廣泛的地區進行地下隧道施工，需要考慮多方面的問題。這其中既包括了設備和技術的問題，還包括對地質環境的認識和對施工可能出現的風險的預測判斷是否準確。一般來說，軟土地區土壓盾構隧道掘進施工對主客觀條件的要求很高，需要建立相關的風險評估模型，對施工的每一個環節進行準確的預測，以盡可能的減少施工風險。通過對當地的地質、水文等客觀條件進行分析，結合盾構隧道施工的特點用數據進行量化表達，建立評價標準，然后確定相關計算權重，在此基礎上對風險概率進行比較確定。對可能出現模糊性和未知性的因素，還要通過風險函數和評估模型進行模擬計算，最后得出對土壓盾構隧道掘進施工有指導性意義的數據。

2 軟土地區土壓盾構隧道掘進施工風險分析

地下隧道交通是時代發展的產物，優勢十分明顯:首先是節省土地，由于一般大都市的市區地皮價值高昂，將鐵路建于地底，可以節省地面空間，令地面地皮可以作其他用途;其次是減少噪聲，鐵路建于地底，可以減少地面的噪聲;再次，地下隧道交通還由于地鐵的行駛路線不與其他運輸系統重疊、交叉，因此行車受到的交通干擾較少，可節省大量通勤時間。此外，在節約能源，應對全球變暖的大背景下，地下隧道交通是最佳大眾交通運輸工具。大規模的地下交通的使用方便了市民的生產生活，推動了社會的進步，但也正是由于地鐵交通的廣泛使用，在不同的地區修建地下隧道工程也就不可避免。在某些地質特殊地區，地下隧道工程建設面臨的不僅是資金、設備和管理方面的問題，更多的還是需要克服客觀地質條件而引起的技術問題。

軟土地區受其客觀地質條件影響，進行土壓實盾構隧道掘進施工存在著管片拼裝風險、隧道注漿風險、機械設備風險和地表沉降風險等。這其中，最主要的是地層變形或是地表沉降，以及盾構結構內部出現的設備問題，如涌土、進水、掘進路線出現偏差等。眾所周知，在外荷載作用下，軟土層土體容易產生沉降變形。這種沉降變形是土壓盾構隧道掘進施工中的一個主要問題，也是危害最嚴重的問題。軟土的沉降可以分為固結沉降和瞬時沉降兩大類，在前一類中，包括了飽和以及接近飽和的土顆粒在外在作用力的壓力下，伴隨著超靜孔隙水壓力的消散，土骨架產生變形所造成的沉降。對于瞬時沉降來說，是指緊隨著加壓之后地基即時發生的沉降，地基土在外荷載作用下其體積還來不及發生變化，主要表現為地基土的畸曲變形。除了軟土沉降之外，盾構機本身的掘進風險也不容忽視，盡管盾構隧道技術已經產生了幾十年，但近些年來發生的事故也不少，其中部分就是由于盾構機自身設備故障或者是不適應當地的地質環境引起的。

通過對軟土地區的地質條件進行細致的勘探，同時結合盾構機的功效以及土壓盾構隧道施工的特點建立相應的風險評估模式，毫無疑問能對隧道掘進施工帶來莫大的幫助。

3 軟土地區土壓盾構隧道掘進施工風險評估模型的應用研究

軟土地區土壓盾構隧道掘進風險評估模型的建立是以相關的地質數據和風險指標函數為依據的，風險評估指標的選定和收集可以確定相關評價集合，結合當地實際地質情況對指標權數進行篩選，由風險函數得出風險事件概率系數，通過對風險結果評價確定最終的掘進方案。

1)基于模糊風險評估的施工評估模型的建立。

首先是確定綜合風險指標評價集合。軟土地區土壓盾構隧道掘進風險評估指標的確立是一個復雜的過程，需要考慮方方面面的問題。如軟土的構造問題，不同的地區軟土的特點各不相同，結合當地的軟土地質特征才能得出準確的地質條件，成為評估指標。又如盾構機本身出現事故的概率問題，盾構機在施工過程中有可能出現漏水、掘進路線偏差等，這些因素也需要考慮。此外，遇到特殊的地質構造，造成盾構正面阻力過大，或者是軟土特征性明顯，地表沉降可能性加大等都需要在評估指標中予以考慮。一般來說，需要結合當地的地質條件和設備狀況，選擇最合理的評估指標，建立評估集合。

其次是對風險事件的權重進行分析。軟土地區土壓盾構隧道掘進風險評估指標集合確立后，還需要對不同風險事件進行層次劃分，一般的，我們可以采用層次分析法，即通過對風險事件進行比較，以一定的標準對風險事件的度進行衡量，按重要性對其進行排列。不同的地區有著不同的風險指標，風險事件也各不相同，我們需要確認的是，哪些風險事件是比較重要的，能對工程產生重要影響的，而哪些是不重要的，或者說產生的影響可以忽略不計的［2］。

再次是對風險事件的概率進行測算。在確立了軟土地區土壓盾構隧道掘進風險評估指標和風險事件的排序后，接下來的工作就是要對風險事件的概率也即隸屬度進行測算。對風險事件隸屬度的測算需要借鑒相關的風險函數，根據不同的風險函數得出每個風險事件的概率，為最后的風險評估奠定基礎。這里需要注意的是，風險事件有輕重之分，對風險事件隸屬度的確定也需要結合風險權重考慮，對于那些影響重大的風險事件，即使其概率相對較小，但也不能忽視，要做好充分的準備，防止出現無法挽回的損失。

最后是對風險事件的影響后果進行評估。在前面的環節中我們已經提到了風險事件可能產生的后果與風險評估權數的關系，在建立軟土地區土壓盾構隧道掘進風險評估模型時還包括了對風險事件影響后果的評估。這里所說的影響后果，是指風險事件對整體工程進度或者是施工所產生的影響，這種影響因不同的風險事件而不同。有些事件的影響是具有決定性的，比如軟土沉降，其直接后果就是塌方，對隧道施工的影響不可謂不重。我們在這里要根據風險事件的概率和權數的不同風險事件的影響后果進行分級，一般的可以分為:“極低風險”“低風險”“中等風險”“高風險”“極高風險”5個等級。

2)模糊綜合評判。

在軟土地區土壓盾構隧道掘進風險模糊評估體系建立以后，還需要對模型的結果進行評判。通過模型的數據，我們已經了解了這一地區的大致地質條件和相關風險事件分布，而模糊綜合評判的工作就是對土壓盾構隧道掘進的整個過程進行模擬計算，得出科學、合理的數據之后，提供給施工人員。這里面需要注意的是，模糊因子可能是不完全的，也就是對風險事件的認知是有限的，所以得出的結論也是有限的，但風險模糊評估模型給出的掘進施工總體風險水平依然是可信的。

［1］ 王占生，王夢恕.盾構施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施［J］.中國安全科學學報，2002，12(2)：135-137.

［2］ 方述誠，汪定偉.模糊數學與模糊優化［M］.北京：科學出版社，1997.