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城市地铁隧道全寿命周期工程风险分析
发布日期:2017-11-24 19:19
城市地铁隧道全寿命周期工程风险分析
 
摘  要:针对目前国内城市地铁隧道建设热潮,为了确保地铁隧道在规划、设计、建设、运营等全寿命周期的工程安全,对城市地铁隧道全寿命周期工程风险特点进行了分析,以期为制定风险处理方案奠定理论基础。
关键词:地铁隧道,工程风险,风险管理,全寿命周期,盾构法,矿山法
 
      城市地铁隧道工程建设项目是一项投资大、工期长、专业多、涉及面广的复杂性系统工程。目前,在项目的规划、设计、建设和运营期间,存在诸多不确定因素以及不可预见风险,使得地铁建设与地铁运营在安全性方面面临诸多风险。如何对这些项目进行完善和系统的风险管理,准确预见可能出现的危险和灾害,从而采取有效的预防和控制措施,必要时启动相应的应急方案,处理各种工程风险所造成的不利后果,使项目以最小的成本获得最大的回报1,已经成为城市地铁建设中最为紧要的问题。
 
1 城市地铁隧道工程风险分析
      工程风险一般由系统发生事故时的损失程度与系统发生事故的概率两方面控制,其中系统的损失主要体现在经济费用损失、工程进度损失、工程质量损失、公司公众形象损失、工程环境损失等多方面。城市地铁隧道工程风险存在一系列特点: 1) 需要一定的专业知识与专业经验才能高效地识别、评估、解决工程中可能出现的各种风险; 2) 城市地铁隧道工程周期长、工程线路长、工程穿越地层环境多变等因素使得工程风险发生频率远高于一般土木工程; 3) 城市地铁隧道工程量大、工程涉及面广、工程线路长、社会资源投资大等因素使得工程一旦发生工程风险,将会产生多方面的不利影响。由于城市地铁隧道工程风险具有以上特点,使得工程从业人员对于工程的风险管理不敢掉以轻心,必须严肃认真地对待。城市地铁工程风险可能出现在工程的各个生命环节,因此对于城市地铁工程的风险管理应该本着全寿命周期概念,对工程的各个生命环节进行高效的风险管理控制。根据以往的地铁隧道工程经验,发现其在工程建设期间以及地铁运营期间最易出现风险事故,因此本文主要从这两个阶段对工程风险进行分析。
 
2 城市地铁隧道工程建设阶段风险特点
      目前,在城市地铁隧道工程建设方面主要存在理论研究以及工程经验严重不足等问题。理论研究不足主要体现在: 土体的本构关系不成熟、地层与结构相互作用的力学模型研究不成熟; 工程经验不足主要体现在: 地下工程结构的地区性特点使得不同地区的地层特性和力学模型相差巨大,不同地区之间的工程经验很难相互参考验证、缺乏对早期地下工程数据收集。理论研究以及工程经验不足导致目前地铁隧道开发、建设仍然是一项充满不确定性的高风险事业。根据慕尼黑保险公司的统计资料显示,1994 年以来世界主要地铁隧道在施工过程中塌方事故造成的经济损失达上亿美元2。城市地铁隧道无论是在软土地区盾构法施工还是岩石地区采矿山法施工,在隧道进出洞以及相邻隧道横通道施工期间都可能出现较大的工程风险。2003 年7 月,上海地铁 M4 线越江隧道的联络通道施工失败,造成直接经济损失1.5 亿元3
2. 1 城市地铁隧道进出洞施工工程风险特点
      城市地铁隧道建设是一项涉及面广、线路长的大型系统性工程,工程风险不仅局限于城市地铁隧道自身,   还可能涉及到对周围环境造成的影响。盾构法施工中,由于城市地铁隧道工作井在软土地区普遍采用较厚的地下连续墙施作,而盾构机刀盘不足以切削坚硬的钢筋混凝土墙体。因此,盾构机进出洞时,一般对工作井后的土体采用水泥土搅拌桩、旋喷桩等进行加固、止水处理后,由人工或者机械凿出盾构机大小的圆形孔洞,然后利用盾构机切削加固土体进行进出洞操作。由于工作井后的土体加固、止水效果难以有效控制,使盾构机在进出洞时存在较高风险,极易发生盾构机械故障、工作井漏泥漏水,轻则造成地面沉降,重则造成工作井坍塌、周围环境大规模沉降,出现重大工程风险损失。矿山法施工中,城市地铁隧道口部由于各种原因岩石一般会发生风化,造成岩石强度降低,使隧道口部施工存在重大风险,此阶段施工如果不采取一定的工程保护措施极易出现洞口坍塌、洞墙大变形等工程事故,造成重大风险损失。
2. 2 城市地铁隧道横通道施工工程风险特点
      除隧道进出洞施工外,地铁隧道施工最大风险可能存在于区间隧道横通道施工过程中。横通道施工破坏了隧道与土体原有的力学作用体系,使得隧道结构处于一个相对不利的偏压受力状态,极易造成隧道结构破坏。盾构法施工中,横通道施工一般是在区间隧道主体施工结束后,在横通道处采用冻结法、管棚法等施工。由于盾构隧道多位于软土地区,地下水位较高,致使管棚法施工成本较高且安全性能不足,加之管棚法施工受到隧道空间限制,目前管棚法施工逐渐被冻结法取代。上海长江隧道双管之间 8 条连接通道的施工中,采用了人工冻结法作为临时的土体加固措施,施工过程中采用以盐水冻结的人工地层冻结法作为临时土体加固4。然而,冻结法施工中依然存在不少风险因子: 土体的冻结时间、冻结温度、冻结管网布设方式、土体解冻等一系列因素,使得横通道施工比区间隧道的施工变得更具有风险性。矿山法施工中,横通道一般仍然采用矿山法进行施工,其施工过程主要破坏了原有隧道结构的力学封闭性,因此容易出现一系列工程风险问题,对隧道结构以及周边环境产生显著影响,需要引起足够的重视。
2. 3 城市地铁隧道区间隧道施工工程风险特点
      城市地铁隧道纵向穿越的岩土层地质条件以及周边环境存在诸多不确定性,因此,区间隧道施工时依然可能存在较大风险因子,需要引起重视。
      盾构法施工中,区间隧道穿越地层变异等原因使盾构机在区间隧道推进过程中存在一定风险: 如盾构机频繁穿越变异土层需要及时进行施工参数调整,否则极易造成盾构刀盘磨损破坏、盾构掉头、盾构转弯等一系列问题; 城市地铁隧道线路较长,隧道周边环境复杂多变,如区间隧道需要穿越已建运营隧道( 上海轨道交通 7 号线需要斜穿越 1 号线下面5) 、区间隧道需要穿越重要保护性建筑等,这些区段隧道推进都极易造成原有工程环境破坏,如果不制定与实施相应保护措施,极易造成区间隧道周围环境破坏,出现重大工程事故; 同时,当区间隧道上覆土层较薄时,也需要制定与实施相应保护措施,合理地控制盾尾注浆压力,否则极易造成上覆土层以及地面环境等破坏( 隆起或者沉降) 。
      矿山法施工中,由于施工地质条件不同,矿山法施工存在一系列不同于软土盾构法施工的工程风险因子。矿山法城市地铁隧道往往需要穿越不同岩层、岩层断层破碎裂隙带、岩层风化带等,其都存在较高的施工风险,这些高危区段施工时,需要制定与实施相应保护措施,以降低施工风险,确保工程安全; 同时,矿山法施工普遍存在施工环境恶劣、空气质量差等问题,极易对从业人员造成一定身体伤害,这些风险因子需要引起工程人员的注意,制定一定工程保护性措施,以确保施工人员生命安全。
 
3 城市地铁隧道运营风险特点
3. 1 城市地铁隧道周边环境变化
      城市地铁隧道设计使用周期长( 一般为 100 年) ,由于社会认识水平制约,城市地铁隧道在规划、设计中很难将若干年后城市隧道周边环境完全变化考虑进去。在隧道的后期运营中,周边环境发生了巨大变化,同时地铁运营对周边环境也产生了一定影响等,这些环境变化都极大地改善了原隧道结构的受力模型,使隧道结构可能存在比设计时更为不利的荷载工况作用。这些不利因素作用极易造成城市地铁隧道的过量变形( 沉降、隆起、收敛变形等) 以及破坏。由于地铁隧道的运营要求以及工程的隐蔽性特点,这些变化很难再及时发现并进行修复,从而可能导致一系列的工程风险事故。
3. 2 城市地铁隧道衬砌结构材料性能变化
      城市地铁隧道设计使用周期长,钢筋混凝土管片( 衬砌) 一般可以保证长期使用要求,但是地铁隧道防排水材料的质量却并不能保证长期使用要求,因此地铁隧道在运营期间将会出现: 结构不能较好的防水防泥,出现各种各样的运营质量问题。隧道结构不能有效地防水将造成隧道上方地层地下水位下降,诱发一系列环境保护问题; 隧道结构不能有效地防泥,造成隧道结构周围土层流失,改变隧道结构的力学模型,导致一系列的隧道病害。
      城市地铁隧道结构承受列车作用的反复动荷载作用,容易造成隧道结构以及接头损伤积累以及疲劳破坏等问题。而目前针对该方面的理论研究较少,致使很难及时准确地预测、识别、处理城市地铁隧道运营期间可能出现的各种风险。
3. 3 城市地铁隧道运营期间消防安全
      城市地铁隧道运营期间,由于地铁隧道工程大部分埋设在地下,与地面出入口仅局限于地铁车站,使地铁隧道在运营期间存在重大消防隐患。由于地铁在地下空间运行、环境相对封闭、人员聚集密集,通风和疏散受到极大限制等,一旦发生意外事故,地下空间的人员以及财产很难及时转移,从而容易造成巨大伤亡损失3
 
4 结语
      针对目前大规模修建的城市地铁隧道存在众多风险因子以及安全隐患,有必要对城市地铁隧道的规划、设计、建设和运营过程建立全寿命周期的风险管理体系以及数据监测采集系统,针对项目不同阶段不同工程需求进行工程参数信息化收集、管理、分析、处理,确定项目在各阶段存在的风险因素以及安全隐患,并制定相应的风险处理方案,及时识别、处理城市地铁隧道在全寿命周期中可能存在的各种风险,降低工程风险,并通过对这些工程资料的收集整理为以后的科学研究以及工程设计提供依据,确保城市地铁隧道建设的百年大计。
 
参考文献:
[1] 张礼杰,张家春. 风险管理在地铁隧道工程中的应用[J]. 建筑施工,2006,28( 3) :31-32.
[2] 路美丽,刘维宁,罗富荣,等. 隧道与地下工程风险管理研究进展[J]. 工程地质学报,2006( 5) :462-469.
[3] 陈桂香,黄宏伟,尤建新. 对地铁项目全寿命周期风险管理的研究[J]. 地下空间与工程学报,2006,2( 2) :47-51.
[4] 凌宇峰,王吉云. 人工地层冻结技术在上海长江隧道工程的应用[J]. 地下空间与工程学报,2010,2( 6) :184-188.
[5] 周学领,王益群. 软土地层盾构超近距离穿越运营地铁隧道的风险与施工控制[J]. 上海建设科技,2008( 1) :45-48.

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