超大直径盾构隧道施工风险管理分析

吴璇颖

（上海市市政工程建设发展有限公司，上海 200025）

0 前言

目前，穿越江河等软土地层采用的施工方法通常有沉管法与盾构法等[1、2]，而对于流速大、跨越距离长的隧道工程，盾构法以其明显的技术、经济、安全、环保等优势已成为首选的施工工法。随着各国交通的快速发展，建设各种跨海越江工程的超大直径、超长距离、超深埋深和超高水压作用的隧道越来越多，这对盾构隧道施工技术提出了新的挑战，因此，如何在大力提高盾构设备可靠性能的同时，进一步降低隧道工程施工风险，是隧道工程研究与技术人员面临的重大课题。本文对盾构隧道工程主要施工风险因素进行了分析，讨论了风险分析的方法和意义，并结合上海上中路隧道工程对超大直径盾构隧道施工风险管理的程序进行了探讨。

1 盾构隧道工程主要风险因素

1.1 工程水文地质条件

工程水文地质条件是隧道设计和施工的基础资料，大量工程地质勘察和试验表明，地下土体的水文地质条件具有很多不确定性[3]，这些复杂因素的存在给隧道及地下工程建设带来巨大的风险。这些风险因素主要包括：（1）地质条件：地层空间及岩土介质的随机性、流动性、变形，以及各种不良地质情况等（如：有害气体、孔洞、暗浜等）；（2）水文资料：岩土的渗透性、含水量、流向与流速，水位、水压和水的冲刷力、承压水，水的腐蚀性，水的补给来源等；（3）地层中的其它障碍物：建筑或其它构筑物基础，各种管线设施，废弃构筑物，其它孤立物等。

1.2 施工技术、设备和人员条件

施工技术、设备和操作的不确定是工程风险发生的导火索，即风险致险因子。在盾构隧道建设中，施工队伍、机械设备、施工操作技术水平等因素对工程是否发生风险有直接的影响。由于隧道施工技术方案与工艺复杂，并且不同的工法又有不同的适用条件，很容易地导致设备类型与水文、地质和边界条件不匹配，机械设备发生停机、故障或失效等风险。同时，由于施工技术错误或设备操作失误，也势必会导致工程施工风险的发生。而且，隧道工程的建设周期长、施工环境条件恶劣，施工人员很容易产生心理影响发生人为操控失误，这进一步加剧了各种风险事故的发生。

1.3 工程周边环境条件

工程周围环境条件主要包括周围建筑物、已有隧道、地下管线和道路等。隧道工程所建区域周围的地面和地下环境设施一般都比较复杂，尤其是在城市繁华地带建设大型隧道。工程周边环境条件中潜在的复杂性主要有：（1）地面构筑物的使用年限、结构类型（框架结构、砖混结构、砖结构）、基础类型（条形基础、桩基等）和文物价值；（2）构筑物与隧道之间的空间位置关系；（3）邻近已有的隧道工程运营保护状况；（4）周边道路及管线的类别、年限、材料及施工方法；（5）周围生态环境状况和社会群体等。由于隧道的建设过程中，无论采用何种工法或工艺都不可避免地会对周围构筑物和人群造成直接或间接的影响或破坏，因而，工程施工中可能引发周边环境影响风险很大。

综合以上分析，隧道工程中存在大量不确定性因素，由于工程致险因子的活动（包括施工操作和外界环境影响），激发了工程孕险环境潜在的风险因素或破坏了孕险环境的原状极限平衡，从而导致了工程风险的发生，引起各承险体发生不同程度的破坏，并最终直接导致工程发生各类风险损失（经济损失、人员伤亡等）。

2 盾构隧道风险管理的应用和意义

2.1 隧道工程风险管理方法分析

隧道工程建设的风险管理与控制研究的最终目的是为各级工程决策者提供决策依据。为此，就必然要研究和开发科学的风险评估与决策系统，对工程建设中的不确定因素（孕险环境）进行全面的分析，将不可预见的风险因素（致险因子）转化为定量指标，通过计算风险效益来选择风险控制措施降低各种风险（包括工期风险、费用风险、环境风险），达到工程建设的安全、经济、高效的管理目标，帮助业主及有关部门完成最终的决策。

在一般意义上，风险通常有两种含义，一种是可能的损失或危险，另一种是没有获得预期的收益。在工程上，上述的两种风险客观上也是存在的，人们更注重工程项目的顺利实现并达到一定的质量要求。因此，工程风险分析通常更注重可能的工程灾害以及由此带来的损失，也就是纯风险，工程上普遍接受的风险定义就是将风险表示成风险事件的发生概率与发生后果的函数：

式中：P——事件发生的概率；

C——事件发生的后果。

一般风险分析的步骤可分为：风险辩识、风险估计、风险评价与风险决策。在盾构隧道工程风险分析中，同样也有这四个步骤。但是，由于盾构隧道工程建设是一项庞大的系统工程，风险因素的涉及面广，因此，在工程风险分析上，通常要分阶段按目标进行分析。一般可将隧道工程风险分析分成总体风险分析、施工期风险分析和运营期风险分析，本文主要对盾构隧道施工期风险进行分析。

2.2 隧道工程风险管理的意义

随着隧道工程向大直径、长距离、深埋深和高水压作用施工发展，隧道工程风险分析问题研究已引起了工程界的广泛重视。针对不同的参与对象，在隧道工程建设中进行风险管理与控制研究具有以下作用：

（1）从决策者的角度来说，其研究价值可以体现为决策者的决策信心增强，对工程进展情况的宏观控制与掌握及对资金流向的有效管理等方面，进一步提高决策者的科学决策能力，保障工程顺利进行。

（2）从施工企业的角度，其价值体现在企业通过研究和处置风险，总结经验教训，跟踪风险状态，实行动态风险管理等措施来加强自身对施工风险的控制力度，进一步快速改进和完善本企业自身的风险防范能力和公理水平，适应我国建筑市场国际化、法制化和规范化的工程建设需求，提高企业的工程信誉和国际竞争力。

（3）从工程建设的角度来说，其价值体现在可以逐步地实现“工程精算”，即所有的风险子项均由其费用损失来表示，从而有效地管理和控制施工建设方案与决策，确保工程建设的施工工期和建筑质量。

（4）从工程建设的周围环境来说，其价值体现在可以有效地减少和避免各种环境影响，降低周围环境的损失，使隧道工程的建设与自然和社会环境的发展相协调，保证国家的可持续发展。

3 上中路隧道盾构施工风险管理分析

上海市上中路隧道工程起点为上中路-龙川路交叉口东侧，与中环线南段上中路衔接；终点为浦东规划华夏西路-公园大道交叉口西侧，与中环线南段华夏西路衔接；工程全长2.8 km，隧道外径14.5 m，内径13.3 m。隧道施工采用盾构法施工，盾构的外径为14.87 m，为超大直径泥水平衡盾构设备，施工难度大。为了有效地控制和管理在施工过程中可能遇到的各种突发事故而造成的人员伤亡或财产损失等问题，上中路隧道建设方成立了风险分析小组，对整个工程进行全方位的风险管理，即“全寿命动态风险管理”，探索超大直径泥水平衡盾构施工风险管理的方法。

3.1 上中路隧道盾构施工风险因素

结合国内外大型水底隧道的施工经验，分析上中路隧道工程中超大直径泥水盾构施工中可能发生的风险事故，其中潜在的主要风险因素有：

（1）水文地质条件：在江中可能会遇到沼气、障碍物等，包括穿越地层的变异，都可能会对盾构工作面的稳定性造成影响；

（2）盾构设备因素：该台盾构是二手盾构，设备故障可能是推进过程中最可能碰到的问题；

（3）泥水材料、配比和泥水压力设定；

（4）隧道管片衬砌结构质量、运输和拼装；

（5）辅助施工工法：进出洞区的土体加固采用冰冻法，如果效果不佳，会发生渗漏水问题，甚至影响基坑的稳定；

（6）人为决策失误或施工操作不当；

（7）其它因素或外界环境的影响。

上述因素中，可能导致工程施工发生风险的最关键的客观因素是水文地质条件问题。由于该项因素的潜在风险巨大，大量工程施工发生的重大风险都与工程的地质、水文条件有关。而且，一旦施工中出现不良地质条件，如遇到流沙、突涌水或有害气体等，同时，主观上又出现施工方案决策失误或人为操作不当，这必将导致工程事故的发生。

3.2 盾构施工风险管理程序应用

3.2.1 风险分析的启动程序

针对各种盾构施工风险因素，在每一个单位工程开工前一个半月启动该项工程的风险分析及管理程序。根据相互关联或时间关系，多项工程可同时进行分析。单位工程风险分析程序如图1所示。

3.2.2 事故的初步分析

图1 单位工程风险分析流程图

施工方负责对该分项工程中的产生经济损失的风险事故及其发生工况、产生原因进行详细识别，然后分送设计院、监理、建设方修改补充。程序如图2所示。

图2 分项工程经济损失事故的分析流程图

监理方负责对该分项工程中的产生人员伤亡的风险事故及其发生工况、产生原因进行详细识别，然后分送设计院、施工方、建设方修改补充。程序如图3所示。

3.2.3 事故调研和处置方案讨论

图3 分项工程人员伤亡事故的分析流程图

施工方及监理方根据确定的风险事故制定调研表格，然后分别组织进行调研，调研数量15～20份，调研对象为设计院、施工方、监理方、建设方。施工方及监理方将调研表及调研数据送交建设方，由建设方组织的风险分析小组进行数据处理和分析。程序见图4所示。

在风险分析小组分析基础上，召开会议讨论确定需要进行采取措施和需要提出处置预案的风险事故，并进行初步讨论。施工方及监理方在会议讨论的基础上，分别对需要进行风险控制的风险事故提出几项可行的预防措施，并初步分析，计算资金投入，由建设方组合进行调研，调研数量不少于10份，调研结果由建设方风险分析小组负责分析。程序见图5所示。

3.2.4 处置方案的确定

对风险控制措施、风险预案进行讨论修改，根据分析结果进行协商，确定相应的工程措施，形成“一说明三处理”表格（即风险说明、预防处理、征兆处理、事后处理）。程序见图6所示。

3.2.5 处置过程的监管和完善

施工过程中由监理监督实施，并如实记录所发生的施工问题或事故。 在施工过程中，加强施工监测的管理力度，一旦内发现问题，由监理单位上报风险分析小组进行技术分析，以确定进一步的施工方案。程序见图7所示。

图4 风险事故调研流程图

图5 处置方案讨论流程图

图6 处置方案确定流程图

图7 处置过程监督流程图

结果表明：以上上中路盾构隧道施工风险管理程序在工程实施过程中得到了较好的应用，对盾构施工过程中出现的事故风险起到了预控作用，并及时进行了处置。

4 结语

（1）分析了隧道工程中可能导致事故发生的主要因素，认为隧道工程中存在大量不确定性因素。

（2）盾构隧道风险管理分析的步骤分为：风险辩识、风险估计、风险评价与风险决策；并且通常要分阶段按目标进行分析。

（3）结合上中路隧道工程，对超大直径盾构隧道施工中潜在的主要风险因素及风险管理程序应用进行了介绍；认为水文地质条件问题是超大直径盾构隧道工程施工发生风险的最关键的客观因素。

（4）建议尽快建立一个行业普遍认可和适用的超大直径盾构隧道风险分析与评估体系。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]张凤祥，朱合华.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]Christoph Hass and Herbert H.Eistein(2002),Updating the decision aids for tunneling[J],Journal of Construction Engineering and Management,Vol.128(1):40-48,2002.

[4]H.Ohstu,Y.Ohnishi.A study on estimation of construction cost variation of underground construction projects caused by geo-technical risk factors[J],Proceedings of The ISRM International Symposium 3rd ARMS,2004 Mill press,Rotterdam,ISBN905966020X:267-272.