兰州轨道交通盾构隧道下穿黄河施工安全风险控制范文研究

笔者结合作者自身隧道施工技术管理经验以及参与兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工经历。对兰州轨道交通下穿黄河隧道盾构施工安全风险控制的现状进行分析研究。利用风险管理理论建立风险评价模型，运用层次分析法确定风险因素权重，运用模糊综合评价法对兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工安全风险进行评价，并针对评价结果从组织、管理、经济、技术四个方面提出风险控制措施。

1.绪论

1.1 研究背景
随着我国城市化进程的不断发展，城市人口密度不断加大，交通拥堵问题日益严重。作为城市公共交通的重要组成部分，轨道交通因其快速、准时、便捷、环保的特性成为国内众多城市发展公共交通的优先选择。我国在近 10 年城市轨道交通持续高速发展进程中，越来越多的城市迈入网络化运营阶段，客运量、客运强度等指标位居世界前列。根据中国城市轨道交通协会官方统计，截止 2019 年 12 月，中国内地已有 40 座城市开通城市轨道交通，总运营里程达 6730.27 公里。
城市轨道交通工程建设属于相当复杂的系统工程，其项目投资大，建设周期长、涉及专业众多，施工过程中带有很大的不确定性，同时，地下车站和地下区间属隐蔽工程，沿线的建（构）筑物基础、地下管线设施、工程地质与水文地质的不确定性和复杂性使得施工过程中存在着较大的潜在风险。地铁施工过程中一旦发生各类风险事故，不仅会造成人员伤亡和经济损失，同时在互联网以及自媒体高度发达的今天，还有可能会引起严重的社会负面影响。技术原因和人为的非技术原因均可能诱发各类风险事故；在国内地铁建设不断发展的进程中，盾构的种类越来越多，能够适应不同地质状况的需求，盾构法逐渐成为轨道交通区间施工的主要施工方法。但与此同时，由于盾构施工的环境大多为地下工程，工程、水文地质情况复杂多变，加之区间大多经过主城区，区间沿途地下管线密布，隐蔽建（构）筑物众多。如在施工前期和施工过程中对风险源识别和风险过程管控认识不足、措施不力。常常造成盾构施工事故较为频繁的发生，造成严重的人员伤亡和经济损失，例如，2003 年 7 月 1 日上海地铁 4 号线横通道透水事故，安全联络通道工程施工作业面内，因大量的水和流沙涌入，引起约 270 米隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，最大沉降量达到 7 米，导致 3 栋建筑物严重倾斜，事故造成直接经济损失 1.5 亿元左右。2008 年 3 月 31 日深圳龙岗区横岗街道荷坳路口的地铁 3 号线荷坳段工地进行桥墩浇筑混凝土施工时,模板突然发生坍塌,混凝土倾泻而下 5 人被埋,最终造成 3 人死亡，2 人受伤。2008 年 11 月 15 日杭州地铁 1 号线湘湖站基坑发生塌方，风情大道路面沉陷 7 米深，造成周边水管断裂，水很快向坑内涌入，施工人员被埋，行驶该路段上的 11 台车辆同时下沉，经全力抢救，下沉车辆及车上人员以及部分施工人员被救出，仍有 21 名施工人员被埋。塌方东侧 20 多米外，四栋四层小楼开裂，人员紧急疏散，东侧 50 米外小学停课，风情大道交通封闭，各种管线切断。2018 年 2 月 7 日，广东佛山市禅城区季华西路一环桥底东往西方向路面发生路面塌陷，造成 11 人死亡，8人受伤，1 人失联。直接经济损失约 5323.8 万元。
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1.2研究的目的和意义
黄河是中华文明的发祥地，是我国第二长河，自古以来即以“河道多变、水患多发”而著称，每逢大汛，轻则漫口决溢，重则河道改徙。黄河兰州段属黄河的上游河段，河道相对狭窄，水流湍急。黄河穿兰州市四区而过，在兰州修建城市轨道交通势必将与黄河发生密切的关联。根据线网规划，兰州轨道交通 1 号线、2 号线、3 号线、5 号线共 7次下穿黄河，其中，在建的 1 号线一期工程 2 次穿越黄河。1 号线一期工程隧道穿越黄河段位于兰州市七里河断陷盆地内，串联三滩地区，隧址所处为巨厚状砂卵石地层，泥钙质弱胶结，透水性较强，地质条件复杂。本论文研究的区段范围为黄河上游段特殊地质条件下的穿河隧道工程，砂卵石地层具有高水压、强透水、大颗粒、高硬度、非均质的特性。在此地质条件以隧道方式穿越黄河特殊复杂地层并用于轨道交通工程的水下隧道，采用盾构法连续性长距离掘进施工，可能存在砂卵石地层掘进困难、刀盘刀具磨损严重、环流系统堵塞、土仓压力失效、渣土排泄不畅等现象；在地下水丰富的地区，还易出现螺旋输送机出渣口喷涌的情况。在处理刀盘脱困过程中，极易导致地表塌陷事故的发生，如果处理不及时或处理措施不当，还会影响黄河河道及周边环境安全，造成严重的损失，产生不良的社会影响。因此，与普通盾构法施工项目相比，穿越黄河高水压、强透水、大颗粒、高硬度、非均质砂卵石地层隧道盾构法施工具有施工风险高、受环境影响大等特点，在穿黄盾构隧道施工中一旦发生塌陷、透水等事故，救援减灾的困难十分巨大，将带来不可估量的损失。虽然穿黄盾构施工风险高，但是可以通过对风险识别、分析等手段进行管理，进而最大程度地对风险进行规避或积极应对，将损失降到最低，以保证施工及日后运营的安全。
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2.盾构施工安全风险控制研究理论

2.1 盾构法地铁隧道施工介绍及特点
2.1.1 盾构法概述
盾构机是一种截面形状与待施工隧道横截面相同，但外径较隧道略大，内部设置有挖土、土渣外运设备，同时设备整体由外壳保护的主要用于隧道施工的机械。盾构法是运用盾构机施工的一整套隧道施工方法。盾构法的设想 19 世纪初产生于英国，1818 年英国人布鲁诺（Mare Isambrand Brunei）最早提出了用盾构法建设隧道的方法，1825 年第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高 6.8m，宽 11.4m 的矩形盾构修建了一条地铁隧道，盾构法自产生至今已有 200 年的历史。盾构法施工对环境影响较小、施工速度快、工程质量高、施工人员和机械设备安全性高，故受到人们的极大重视并得以迅速发展。人们不仅开发了软土盾构工法，而且还开发了适于卵石地层等多种其他地层的盾构工法。此外，还在提高工程质量、缩短工期及降低成本等方面作了精心的研究和开发，并取得了较大的成功。目前，在轨道交通区间隧道施工方法中，盾构法已逐渐成为最为主要的方法之一。
2.1.2 盾构机种类及其使用范围
盾构机是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构机类型的主要区别是盾构机正面对土体支护开挖方法的不同。为此盾构机的种类按其结构特点和开挖方法来分，目前国内外常用的有两种:分别是土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。
土压平衡式盾构机本身具备改善土体的性能，一般不需辅助技术措施，因此能适应多种环境和地层的要求。可在砂砾、砂、粉砂、黏土等压密程度低，软、硬相间的地层，以及砾层、砂层等封闭式盾构无法适应的地层中使用。

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2.2 地铁盾构隧道施工风险的特点
地铁施工中常用的施工方法有明挖法、盖挖法、暗挖法、盾构法等，不同的施工方法适用范围和适用条件都有差异，与其他传统施工方法相比，盾构法具有机械化程度高、施工精度控制高、施工过程复杂、协调组织要求高等特点。其施工安全风险控制具有以下特点：
1.对管理人员和操作人员要求高
盾构法施工因其专业化和机械化程度高的特点，要求风险管理人员和操作人员必须经非常专业的培训，熟悉盾构机械特点、施工工艺，具备及时发现和处理施工过程中遇到的风险问题的能力。同时需要管理和操作人员具备较好的责任心、专注度等综合素质，管理人员和操作人员需要时刻关注盾构掘进参数和盾构机状态，发现问题及时按既定程序处理。
2.施工工艺流程复杂、风险控制因素多
从盾构法施工阶段看，盾构法分为盾构井施工、盾构端头加固、盾构机组装、盾构始发、掘进、到达等不同的施工阶段，不同的施工阶段有不同的安全风险控制因素。从具体的施工工艺看，有盾构掘进参数控制、盾构停机换刀、渣土运输、泥浆制备运输、管片拼装等。施工过程中安全风险控制因素众多、风险事件发生的几率高、风险控制难度较大。
3.施工过程动态性强、风险控制要求高
盾构法施工过程中，施工速度较快，在正常工效下，每天掘进 10-15 米左右，施工中对刀盘前方地质情况的动态掌握以及盾构机掘进参数的实时控制都有很高的要求，一旦掘进施工出现失误而不能在第一时间发现的话，会给后续盾构纠偏和管片拼接等工作造成困难，影响隧道施工质量，严重时可能造成刀盘卡死、管片拼接不严密等风险。
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3 兰州轨道交通下穿黄河盾构施工安全风险评价体系................. 14
3.1 评价指标选取的原则................................. 14
3.2 评价体系建立的步骤..................... 15
4.兰州轨道交通下穿黄河盾构施工安全风险分析与评价实例研究................................... 25
4.1 兰州轨道交通 1 号线一期工程奥体中心站-省科技馆站区间工程概况............... 25
4.1.1 工程概况....................... 25
4.1.2 区间与既有构筑物位置关系........................... 26
5.结论与展望.................... 54
5.1 结论............................... 54
5.2 展望...................... 55

4.兰州轨道交通下穿黄河盾构施工安全风险分析与评价实例研究

4.1 兰州轨道交通 1 号线一期工程奥体中心站-省科技馆站区间工程概况
4.1.1 工程概况
本工区施工范围为奥体中心站～省科技馆站区间。其中盾构机自奥体中心站北端头井始发，中间风井南端头井接收，到达后在中间风井南端头井吊出。
区间设计里程(分界里程)为：ZDK9+908.550～ZDK10+893.341（长链 2.541m），YDK9+908.550 ～ YDK10+890.800 ， 左 线 长 984.791m ， 右 线 长 982.250m 。 在YDK10+335.00/ZDK10+333.00 处设置联络通道一座。盾构机始发后沿深安路下穿黄河，下穿黄河段长度约为 317m。为了保证深安大桥安全，线路采用双线同侧绕避深安大桥，由大桥上游下穿河底通过。
区间隧道最大纵坡坡度 27‰。线路埋深为 12.8～35m，最小平面曲线半径 500m。区间衬砌环均为双面楔形通用环，楔形量为 37.2mm，双面楔；衬砌环由 1 块封顶块（F）、2 块邻接块（L1、L2）、3 块标准块（B1、B2、B3）组成。管片纵向接头为 16 处，按22.5°等角度布置。管片外径 6200mm，内径 5500mm，厚度 350mm，环宽 1.2m；管片纵向连接螺栓数量 16 根 M30 螺栓，环向连接螺杆数量 12 根 M30 螺栓。

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5.结论与展望

5.1 结论
本文针对兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工安全风险控制问题，在参阅大量国内外有关盾构施工、隧道下穿江河、施工风险控制等方面的文献的基础上，结合作者自身隧道施工技术管理经验以及参与兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工经历。对兰州轨道交通下穿黄河隧道盾构施工安全风险控制的现状进行分析研究。利用风险管理理论建立风险评价模型，运用层次分析法确定风险因素权重，运用模糊综合评价法对兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工安全风险进行评价，并针对评价结果从组织、管理、经济、技术四个方面提出风险控制措施。取得的主要研究结论如下：
1.运用质量管理中全面寻找存在问题症结的思路，从人、机、料、法、环、测六个方面结合盾构施工从端头井加固到盾构出洞、接收全工艺流程进行兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工风险源识别。通过风险源识别建立了由 6 个一级指标、50 个二级指标构成的风险评价体系。
2.运用专家调查法和层次分析法结合的方法，对 6 个一级指标、50 个二级指标的相对重要性进行问卷调查，逐一比较各风险因素的相对重要性，通过构建矩阵计算出各风险因素所占权重的量化值，第一层风险因素的权重分别为：W1=0.3570，W2=0.1214，W3=0.0727，W4=0.2061，W5=0.1214，W6=0.1214。所占比重最大的为人员及管理因素。第二层风险因素中权重最大的风险因素分别为：管理及操作人员培训不到位，所占比重为 0.3570；盾尾密封系统故障，所占比重为 0.2598；主轴承断裂，所占比重为 0.3002；泥水仓压力控制不当，所占比重为 0.2025；初始姿态测定错误，所占比重为 0.3098；掘进过程中遇超大直径漂石，所占比重为 0.3440。
3.运用模糊综合评价法，分别建立了兰州轨道交通下穿黄河盾构隧道施工安全风险评价因素集和评语集，设计调查问卷，从风险发生概率和风险损失程度两个维度对风险指标构建模糊判断矩阵，并利用层次分析法计算得到各风险因素的权重，对整个项目安全风险进行综合评价。以兰州轨道交通 1 号线一期工程奥体中心站至省科技馆站下穿黄河盾构隧道为工程实例，通过已建立模型进行计算，最终得到本项目风险综合评价结果为模糊向量[0.0399,0.2060,0.3740,0.2668,0.0974]，采用最大隶属度原则，该模糊向量中最大值为 0.3740，对应评语集中的评语为“中等程度风险”，故综合评价该工程风险等级为“中等程度风险”，属于可以接受的范围。
参考文献（略）