上中路隧道工程風險管理的實踐與項目合作

工程概述上中路隧道工程起點為上中路~龍川路交叉口東側,與中環線南段上中路銜接;終點為浦東規劃華夏西路~公園大道交叉口西側,與中環線南段華夏西路銜接。工程全長2.8km,隧道主體分上下層車道,上層車道以南線計長1250m,下層車道以北線計長1253.816m。隧道外徑14.5m,內徑13.3m。浦西工作井外包尺寸22m46m,埋深約30m;浦東工作井外包尺寸22m46m,埋深約27m。隧道施工項目合作采用盾構法施工,盾構的外徑為14.87m,是目前世界上直徑最大的盾構設備,具有較大的施工難度。而且上中路隧道的施工經驗將對今后大直徑軟土盾構隧道,如軍工路隧道、長江隧道,提供直接的依據和參考。因此,能否安全、順利地完成整個建設任務,意義非常重大。

對盾構工法,技術發展集中在1)大斷面在高水頭下開挖工作面的穩定性;2)高水頭壓力下盾構機裝備止水的可靠性;3)一次性長距離鉆挖,刀具的可維護性和可更換性。近幾十年來建成的多座大型海峽通道盾構隧道工程,極大地豐富和發展了水下隧道工程的技術。結合多項標志性的隧道工程,闡述水下盾構隧道工程項目技術的發展水平和面臨的挑戰。盾構隧道工法近代水底隧道始建于英國。1807年英國在倫敦動工修建連接泰晤士河兩岸的人行隧道,開挖時因無法克服泥水涌入隧道而被迫停工。現代機械式盾構機按壓力艙的壓力形式,分為空氣壓力型盾構、泥水壓力型盾構和土壓平衡盾構土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的適用范圍主要取決于地層的水文地質條件,所示為土砂礫顆粒分布特性與盾構適用范圍的關系。一般而言,土壓平衡盾構適合挖掘細顆粒粉黏土為主的地層,切削下來的土體流塑性好、透水性低,充滿在壓力艙土體壓力可以平衡工作面的壓力并維持其穩定性;而對粗顆粒成分為主的砂礫地層,切削下來的土體具有高透水性和低流塑性的特性,適宜應用泥水平衡盾構技術。

為了有效控制和管理在施工過程中可能遇到的各種突發事故而造成的人員傷亡或財產損失等問題,上中路隧道工程成立了風險分析小組,對整個工程進行全方位的風險管理。2施工期主要風險上中路隧道在施工過程中可能遇到的風險主要發生于基坑工程施工過程中、盾構進出洞階段、盾構推進階段以及盾構改制、拼裝、管片生產等環節。下面依次進行簡單分析。2.1基坑工程施工風險由于盾構直徑大,盾構工作井的深度很深,浦東浦西工作井相對深度分別為26.5m和30m,施工難度較大,施工中可能發生基坑坍塌、坑內滑坡、槽壁滲漏水、重物打擊、負高空墜落等事故。

再加上基坑臨近黃浦江,1-2層的承壓水儲量極為豐富,如果控制不當或發生臨時停電,則極易產生涌水、基坑隆起等事故。浦西工作井距離居民區比較近,地下管線情況比較復雜,牽涉到的第三者損失的風險較大。浦東工作井附近為垃圾堆填區,土質較差,對于圍護結構施工及盾構推進均會造成一定影響。盾構進出洞風險盾構進出洞階段歷來是風險較大的工程階段,而且上中路隧道的盾構直徑達到了14.87m,在進出洞階段的不確定性和技術問題很多,潛在的風險非常大。可能發生以下的事故:(1)由于盾構直徑大,同時覆土較淺,盾構出洞時可能會因為浮力發生“抬頭”問題(2)盾構機頭重量大,如果地基加固效果不好,容易發生盾構“磕頭”(3)進出洞區的土體加固采用冰凍法,如果效果不佳,會發生滲漏水問題,甚至影響基坑的穩定。(4)大直徑盾構出洞需要的推力很大,盾構機后靠支座有可能無法承受而破壞。

隨著活動范圍的擴大和經濟發展的驅動,人類不斷地征服江河和海峽等天然水道屏障,開辟跨越水道實現聯系陸地區域的通道,包括輪渡通航和橋梁、隧道固定交通通道。水下隧道穿越江河或海峽的水下地層,是跨越江河、海灣、海峽的安全可靠固定通道。具有諸多優點:1)不侵占航道的凈空和不影響海灣、港口的航運;2)穩定暢通無阻的通行能力,保證全天候越江河、海峽通行;3)具有很強的抵御自然災害和戰爭破壞的能力;4)受到四周巖土介質的約束,具有較大的超載能力和較好的結構耐久性。

盾構推進風險盾構在江中推進時,可能會遇到如下風險:(1)該臺盾構是二手盾構,設備故障可能是推進過程中最可能碰到的問題。(2)能否很好的對盾構機的操作系統進行消化和再開發也是一個很大的風險。(3)在江中可能會遇到沼氣、障礙物等,包括穿越地層的變異,都可能會對盾構工作面的穩定性造成影響。(4)盾構在江中推進時由于覆土過淺可能發生盾構冒頂、上浮等事故。(5)由于停電造成的盾構機江中停頓(6)大直徑盾構的軸線控制風險(7)盾構的推力依靠千斤頂提供,如果千斤頂出現偏心,有可能會造成后續管片破損。(8)其他如管片品種、運輸車輛的事故等等。

自從18世紀40年代首次采用盾構工法人工開挖建成穿越倫敦泰晤士河的第一條水下人行隧道以來,世界各國已經修建了數百座的水下交通隧道,成為交通工程基礎設施網絡的重要組成部分。根據水文地質條件,水底隧道的主要施工方法包括圍堤明挖法、鉆爆法、氣壓沉箱法、盾構法和沉管法等。現代化的機械盾構工法和沉管隧道工法,是現代水下隧道建設的主要工程方法,其發展趨勢主要集中在如下3個方面:1)大斷面,適應不斷增長的交通流量;2)高水頭,穿越更深的江河和海峽地層;3)長距離,實現更寬闊河口和海峽的隧道通道。以上3方面的工程發展要求,給盾構工法和沉管隧道工法帶來了多方面的技術挑戰。

其他風險盾構的配套工程的施工規模相當大,也存在一定的風險。如管片的岸上試拼裝、泥水平衡系統以及管片運輸過程中可能遇到的風險。隧道及地下工程的風險產生機理在討論風險產生機理之前,首先對幾個名詞進行一下說明。