3.2 風險因素辨識

3.2.1 風險因素的含義

風險因素又稱致險因子、風險源，是指導致工程風險發生的直接因素，如各種施工方案、施工技術、施工設備、施工操作及人員活動等。風險因素具有兩個特性，一是直接性，即對風險發生有直接影響的因素，如地層強度特性是隧道施工地層變形風險研究的因素之一，而地層顆粒則不是；二是相關性，風險因素必須與確定的風險相關，風險發生與之有因果關系。

風險因素的確定是風險評估的前提。風險因素與風險在概念上有著嚴格區別，但在實際操作中往往容易混淆，主要原因是風險之間存在內在關聯性，即某一種風險是另一種風險的因素。因此，確定風險因素清單成為風險分析的關鍵。

3.2.2 風險因素的分類

城市隧道施工風險因素錯綜復雜，可以從產生原因、目標來源、因素敏感性、產生行為等角度進行區分。

從風險因素產生原因劃分，可分為自然因素、社會因素、政治因素、經濟因素和技術因素。

從風險因素來源劃分，可分為內源性影響因素和外生性影響因素。內源性影響因素包括地層力學性質、水文條件等；外生性影響因素包括施工方案、施工技術、施工質量等。

從風險因素敏感性劃分，可分為非常敏感因素、次要敏感因素及可忽略因素，因此需要對風險因素按敏感程度排序。

從產生風險的行為劃分，風險可分為系統風險與非系統風險。系統風險是指非個人行為引起的風險，它對整個團體乃至整個社會產生影響，而且是個人無法預防的風險。非系統風險是指個人行為引起的風險，它只與特定的個人或部門相關，而不影響整個團體和社會，一般較易為人們所控制和防范。

不同類型的風險因素有不同的評估方法，采取不同的處置措施，對風險預警指標也有不同的要求。

3.2.3 城市隧道施工風險因素分析流程

城市隧道施工是一個復雜的開放系統，風險研究一直沿用分析方法和模擬方法。由于風險因素的多樣性、動態性和外界干擾的復雜性，風險因素分析需要按如圖3-4所示流程進行。

城市隧道施工風險因素千變萬化，流程復雜多樣，但施工風險主要通過變性監測來反映。

3.2.4 地層變形風險的主要因素分析

根據現代巖土力學理論[94-98]，隧道施工引起地層變形的原因并不是單一的，而是幾方面因素共同影響的結果。隧道開挖破壞了地層原巖應力場的平衡，引起圍巖應力場的調整，進而導致地層變形，如圖3-5所示。

隧道開挖引起的地層變形包括地層的固結變形、巖土體的蠕變效應和地層損失等[99-101]，其隨時間變化特征如圖3-6所示。

城市隧道施工具有上部建筑結構密集、地下水影響復雜的特點，分析該類隧道施工地層變形，應從“地層—隧道—上部結構”“土體—結構—水”統一體的角度綜合分析。

理論分析和大量工程實踐證明，地層變形的主要風險影響因素有：地質條件（巖土力學變形強度條件、水文地質條件）、隧道埋深、地基狀況等賦存條件、施工方法、施工組織管理、地層損失等。需要指出的是，引起地表移動和變形的多個因素，其影響并不是孤立的，它們之間可能相互關聯[102-106]。實際工作中要具體分析城市隧道施工對周圍環境的影響，除考慮單因素影響外，還應分析多因素的綜合影響。分析城市隧道地下工程施工引起的地表移動和變形的影響因素，對如何采取有效措施減少施工對周圍環境的影響具有重要的意義。

1．地質條件

地質條件包括工程地質和水文地質兩方面。其中工程地質主要包括巖土完整性和巖土強度。

（1）巖土完整性。巖體是否完整，巖體中各種節理、片理、斷層等結構面發育的程度，是考慮上覆巖體穩定的主要著眼點。在分析過程中應著重了解結構面的組數、密度和規模、結構面的強度、結構面的產狀、組合形態及與洞壁的關系。

（2）巖土強度。巖土的強度取決于巖石的物質成分、組織結構、膠結程度和風化程度。巖土強度對地層變形的影響直接表現為巖土變形強度，從巖土力學上表現以下幾個力學指標：抗壓強度（單軸抗壓強度、三軸抗壓強度）、巖體的內摩擦角、內粘聚力、變形模量、泊松比等。

（3）地下水。地下水的長期作用將降低巖土及軟弱夾層的強度，加速巖石風化，對軟弱結構面起軟化和潤滑作用，導致巖塊坍塌。如遇膨脹巖，還會引起巖體膨脹，應加大圍巖壓力，增加支護結構壓力。

隧道所處的地層條件對地層變形的影響很大，在地層條件較好時，如可塑、硬塑粘土地層、中等密實以上的砂土地層、軟巖地層等，開挖面的斷面收斂、地表沉降的大小和分布也較容易控制；而在破碎地層地區，由于巖土層的強度低、地下水位高、開挖面自承能力差，一般需要采用特殊的輔助施工措施，才能保證開挖后隧道斷面的收斂值得到控制，使開挖引起的地層變形限制在允許的范圍內。因而，地層條件不僅影響地表沉降值，而且直接影響隧道施工方法的選擇。

2．施工方案

施工開挖、圍巖擾動破壞、失穩變形、地下水流失等均會導致隧道所處的地表產生變形。由于施工方法不當，不注意時空效應會造成環境損傷（也稱地層損失）過大而發展成災害。特別是對于城市隧道施工，這種災害所帶來的后果非常大。

不同施工方法對地表沉降的影響程度及范圍等差別很大。目前，隧道施工方法主要包括盾構法、礦山法、明挖法、淺埋暗挖法。淺埋暗挖法包括全斷面法、臺階法、雙側壁導坑法、CRD法和CD法等。通常臺階法控制地表沉降優于全斷面法，中隔墻法、雙側壁導坑法（又稱眼鏡法）和CRD法控制地表沉降優于臺階法，雙側壁導坑法和CRD法控制地表沉降優于中隔墻法，如圖3-7～圖3-10所示。

四種開挖施工方法的施工步序不同，施工的復雜程度不同，施工的效果也不同。按施工所引發變形的大小來看，眼鏡法優于CRD法，而CRD法優于臺階法。但CRD法和眼鏡法的施工較復雜，且推進時需要大量拆除臨時支護，施工周期較長，成本較高，臺階法則相對簡單易行、成本較低。表3-1對四種開挖施工方法的主要特點進行了較為具體的比較分析。

根據表3-1中的分析，從控制變形效果來看，眼鏡法＞CRD法＞CD法＞臺階法；從施工進度上來看，臺階法＞CD法＞CRD法＞眼鏡法；從臨時工程量上來看，眼鏡法＞CRD法＞CD法＞臺階法；從投資概算上來看，眼鏡法＞CRD法＞CD法＞臺階法。

但針對某個特定的隧道工程項目，方案的選擇不是隨意的，而是受工程地質條件、施工設備、隧道特征等多種因素的制約。例如，破碎巖層城市淺埋隧道，不能選擇臺階法，因為對于這類隧道，臺階法不能有效控制施工變形，難以保證隧道施工安全，而CD法、CRD法、眼鏡法成為可以選擇的方案。

3．施工工藝

采用淺埋暗挖法施工隧道時，施工工藝不規范及現場操作不規范也將導致地層變形的出現，如作業循環時間長，導致掌子面土體暴露時間過長；初期支護與圍巖間存在著空隙，拱背背后回填注漿不及時；未及時支護或支護不力；立拱時格柵鋼架間螺栓連接不緊密，接點板間不密貼；超前管棚支護體系外插角度過大或過小造成局部的坍塌或管棚侵入隧道凈空；臺階長度不合理、上下臺階施工的相互干擾，上臺階拱腳懸空時間過長；拆除臨時支撐時機過早；初期支護噴射混凝土厚度不夠；未處理好施工縫和沉降縫等。這些不規范的施工工藝是影響地層變形的因素之一，也將導致地層變形。

4．隧道埋深

隧道設計時的斷面尺寸各異，不同斷面尺寸的地下工程建設對地表所產生的影響也不同。實測資料表明，在其他條件相同的情況下，開挖跨度對于地表沉降的影響非常顯著，如深圳某過街通道，A通道開挖跨度9.55m，地表沉降平均為10.13mm, B通道開挖跨度7.35m，平均沉降只有4mm左右。這種差異的主要原因有：一是開挖寬度大，施工作業時間長，對土體擾動嚴重；二是開挖跨度大，結構穩定性差，破碎巖、土層對開挖寬度所導致的荷載變化更敏感。

在城市中進行隧道工程建設的一個重要的技術問題便是確定隧道的合理埋深。隧道的合理深度受多種因素的影響，隧道使用條件、運營功能、工程地質條件、地下工程、“圍巖—支護”系統的穩定性等都必須在選擇隧道的合理埋深中加以考慮。這里，僅考慮不同的隧道埋深對地表沉降的影響。

根據經驗，隧道埋深越大，對地層變形的控制越有利。由彈塑性理論和現場量測表明，隧道開挖后的圍巖應力狀態可分為三個區域。

（1）高應力區。圍巖深部應力升高的區域，但其強度尚未被破壞，相當于一個承載環。坑道上方形成承載拱，承受上覆地層的自重，并將荷載向兩側地層傳遞，此即圍巖的成拱作用。

（2）低應力區。在松軟圍巖中，巖體的強度很小，不能承受開挖后急劇增大的洞室周邊應力而產生塑性變形，沿隧道周邊圍巖應力松弛而形成一個應力降低了的區域，高應力向圍巖深部轉移。擾動了的巖體向隧道內變形，如果變形超過一定數值就會出現圍巖失穩和坍塌。在堅硬而完整的圍巖中，由于巖體強度大，隧道周邊未達到開裂和坍塌，故無應力降低區這種洞室往往是自穩的。

（3）原始應力區。距離隧道較遠的巖體未受開挖影響，仍處于初始的一次應力狀態，地層不產生附加應力與變形。

5．隧道斷面形狀

根據諧洞理論，隧道的斷面形狀對圍巖應力分布具有重要影響，同時對支護結構體受力、圍巖變形也具有重要影響。研究表明，圓形、馬蹄形的結構形式較扁平結構對地表影響小。

6．支護體剛度

支護體（包括臨時支護和永久支護）的剛度越大，對地層變形抑制越好。但是支護體剛度的增大意味著成本的增加，一般取一個合理的中間值，既能保證一定的支護強度，又不至于在成本上難以接受。

7．地層損失

地層損失是指實際開挖土體體積和竣工地下工程體積之差。根據Peck公式，地表沉降與地層損失成正比，不同的施工方法引起地層損失的因素也有所不同。淺埋暗挖法施工，由于超挖，初期支護與地層不密貼，如果不進行回填注漿或注漿量不足，因應力釋放引起的彈塑性變形，會產生地表沉降。此外，由于開挖面的涌水或襯砌產生滲漏水，攜帶地層微小顆粒流出，致使土層土體顆粒重新分部，產生地表沉降。周圍土體在彌補地層損失中，發生地層移動，引起地表沉降。

8．輔助施工方案影響

為使開挖面保持穩定，防止產生涌水、涌砂和隨之發生的土體坍塌及地表沉降等事故，工程施工中經常采取超前支護、注漿或工程降水等措施。

（1）超前支護管棚。長大管棚超前支護作為地下工程的輔助施工工法，是在惡劣和特殊條件下為了安全開挖預先提供增強地層承載力的臨時支護方法，對控制地層塌方及抑制地層變形有明顯的效果，它是防止地下和地上結構物開裂、坍塌的有效方法之一。因而，是否施作長大管棚對地層的變形影響效果是很明顯的。

（2）注漿。在城市礦山法隧道施工中，需根據工程的周邊環境、隧道埋置深度、工程及水文地質條件、隧道斷面尺寸等，結合隧道施工的基本工法，選擇合理的注漿參數，對地層及圍巖進行必要的加固和止水。不但可以避免大多數施工風險，節約工程投資，而且還可以減少對周邊環境的影響及破壞，滿足工期要求。

（3）工程降水。工程降水引起土層固結而壓密，導致地層收縮而沉降；工程降水改變了地下水的浮力，地下水的浮力減小會引起地層顆粒位置改變而沉降；工程降水改變了地層的滲透壓力，滲透壓力也是一種體積力，具有方向性和分層壓密地層的作用。修建城市隧道，多采取降水的方法進行隧道施工。地下水位下降后，降落漏斗范圍內的巖土，由原來的浮重度變為飽和重度或濕重度，巖土顆粒的自重壓力相應增加。由于土層自重壓力增高，再加上動水壓力的作用，在抽水孔（井）周圍的地表，可能出現一個凹形變形區，其范圍大小及沉降速度主要取決于抽水含水層的結構、巖相特點和埋藏條件、地下水的流速、流量及上覆土層的彈性特征等。

許多國家和地區的資料表明，地面最大沉降面積與地下水開采區最大取水量的面積相符，地表沉降規律與地下水的下降規律基本一致。地面土質的不均勻沉降，嚴重者可導致地面開裂，地下管道拉斷，室內地坪坍塌，建筑物墻體開裂、傾斜等。

9．不良地質條件

隧道采用新奧法施工和城市地下工程采用淺埋暗挖法施工時，斷層、巖溶、水囊、空洞、孤石、軟弱夾層等的存在均對隧道上部地層的變形產生影響。不良地質地段是指滑坡、崩塌、巖堆、偏壓地層、巖溶、高應力、高強度地層、松散地層、軟土地段等不利于隧道工程的地質環境。特殊地質地段是指膨脹性地層、軟弱黃土地層、含水未固結圍巖、溶洞、斷層、巖爆、流砂等地段以及瓦斯溢出等地層。在這些不良地質和特殊地質環境下施工隧道工程，由于地質條件的不確定性，在施工過程中將面臨以下幾方面問題。

（1）由于巖體存在斷層、空洞，圍巖塌方或局部塌方，支護結構除要承受圍巖壓力外還要承受額外的塌落荷載，致使支護結構變形過大或者破壞乃至二襯斷裂破壞，支護結構和二襯不能繼續約束圍巖的變形，造成圍巖整體變形。

（2）巖溶是地表水和地下水經過不斷的補給、徑流、滲透和循環對可溶性巖層進行化學溶解作用和機械破壞作用的產物。巖石的可溶性和裂隙性以及水的侵蝕性使圍巖強度降低，變形增大。

（3）地下水的存在，能顯著降低巖體結構面的強度，尤其是對于膨脹性巖體，水的存在使巖體膨脹，產生很大的膨脹變形，造成地層變形。

10．其他風險事件的影響

如1.1節中提到的隧道涌水、流砂、冒頂、工作面失穩等風險事件均會導致地層變形的加劇。

11．上部荷載的影響

對于城市隧道來說，上部荷載不是單一的，而是多方面的荷載和疊加體，如上部建筑物的荷載、上部車輛通行的活荷載、車輛通行的沖擊荷載等。這些荷載都會對地層變形有影響，在施工過程應引起重視，并采取相應的措施。

12．人的影響因素

施工管理對地層變形的影響主要體現在人的因素，人的因素主要包括施工人員的從業技術水平和管理人員的管理水平。人員的從業技術水平、管理人員的管理水平等對施工質量、施工控制具有重要影響，而這些因素都將影響隧道施工引起的地層變形。目前，很多大型施工單位引進了標準化的質量管理體系，用以規劃、保障施工質量和施工安全。

從施工管理角度分析，人的因素對地層變形的影響，可以歸結為以下幾點：人的不當行為，如沒有嚴格按照循環進尺施工，即超進尺引起的地層變形風險；超欠挖引起的地層變形風險；噴層施工不達標引起的地層變形風險；錨桿施工質量不合格引起的地層變形風險；鋼拱架施工質量不合理引起的地層變形風險；對雙側壁導坑法、CRD法施工支撐的拆除不合理也是地層二次沉降的重要因素。

即使是合理的施工方法也會因周圍環境改變、管理不嚴而產生很大的地層變形。地層變形的大小受許多因素影響，企圖用一個值來確定是不科學的，用一個規定值來限制也是很難滿足的。影響地層變形的主要因素在設計階段就需進行控制，設計確定后，施工過程一般很難改變，如地層性質、結構斷面大小、覆土厚度等，但特殊情況下，可以采用輔助施工技術來改變地層性質、地下水位、覆土厚度等，如降水、凍結、注漿、覆土回填等。其中施工方法、支護形式、地層損失、地下水位下降等因素在施工過程中直接影響地層變形，通過加強施工管理進行控制。

13．突發降水等滲流影響因素

一般來說，對于大型的城市隧道工程建設周期都在一年以上，不可能完全避開雨季的影響，因此進行施工設計時必須考慮降水等滲流引起的地層強度降低而造成的地層變形。水的滲流容易導致土體強度的降低，土體的自撐能力下降，引起工作面失穩，地層變形增加。

另外，隧道施工時，如果周圍管線尤其是供排水管線沒有處理好，地層變形極易導致管道破裂，造成隧道圍巖局部滲流變化，也會引起地層的變形增加。

14．動態監測分析不及時

新奧法隧道工程施工就是“超前探測、超前支護、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”的系統結合。

城市隧道工程施工具有復雜性、動態性等特點，對于隧道施工引起的周圍環境響應必須進行動態監測分析，及時將測試信息反饋到施工現場，修改設計，對已經支護的隧道段補強支護，如果監測信息沒有及時反饋，造成設計沒有及時修改，也會引起地層變形的增加。