城市軌道交通盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素與預(yù)控

邰俊凱

中煤中原（天津）建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司 天津 300120

1 引言

在城市軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)作為隧道施工的主要工法，其施工技術(shù)廣泛用于地鐵工程，同時在盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用過程中，工程所處環(huán)境、機(jī)械類型與操作人員等許多方面的因素都會對盾構(gòu)施工帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)因素，因此需要對地鐵盾構(gòu)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素作出有效辨識，并采取必要的預(yù)控手段。

2 城市軌道交通盾構(gòu)施工概述

2.1 城市軌道交通盾構(gòu)施工技術(shù)

城市軌道交通盾構(gòu)施工技術(shù)是一種使用用盾構(gòu)機(jī)，在地下開展隧道暗挖施工方式和工法。盾構(gòu)機(jī)作為暗挖隧道施工機(jī)械，由盾構(gòu)殼體、掘進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和拼裝系統(tǒng)四部分組成；具有開挖、推進(jìn)、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)功能，其應(yīng)用原理為運(yùn)用護(hù)盾掩護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)、排土和襯砌等施工，沿著隧道軸線向前推進(jìn)。根據(jù)不同的施工條件選擇不同類型的盾構(gòu)機(jī)。比如在地質(zhì)條件較好的情況下可以選用全敞開式盾構(gòu)機(jī)，在軟粘土層、粉砂層地質(zhì)條件下應(yīng)選擇土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，在江、海等采用泥水盾構(gòu)。盾構(gòu)施工首先管片備存，并建立始發(fā)井，一般始發(fā)井位置即為地鐵車站。然后開展盾構(gòu)機(jī)拼裝工作，在完成反力架、軌道鋪設(shè)等準(zhǔn)備工作后吊裝、拼裝調(diào)試；達(dá)到始發(fā)條件后始發(fā)，而后利用土壓平衡或泥水平衡掘進(jìn)模式進(jìn)行掘進(jìn)；最后進(jìn)行盾構(gòu)到達(dá)接收步驟。

盾構(gòu)施工方法由1818年法國工程師M.I.Brunel發(fā)明設(shè)計(jì)，并在1887年由Greathed在南倫敦鐵路隧道工程中對其進(jìn)行了改進(jìn)。我國應(yīng)用盾構(gòu)施工技術(shù)的時間為20世紀(jì)50年代，其中較早利用盾構(gòu)法施工的隧道為1970年上海隧道工程公司所建設(shè)的黃浦江過江通道。在近二十年相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速的背景下，盾構(gòu)施工的距離、直徑、深度、施工質(zhì)量與自動化程度都得到了很大程度的提升。

2.2 城市軌道交通盾構(gòu)施工的特點(diǎn)

城市軌道交通盾構(gòu)施工優(yōu)勢明顯，一是盾構(gòu)法施工具有較高的機(jī)械化程度。通過運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的土體開挖、拼裝隧道襯砌與導(dǎo)向糾偏等施工操作，有利于施工效率與質(zhì)量的提升。二是施工對于外界環(huán)境的影響較小。三是施工過程相對安全穩(wěn)定。盾構(gòu)施工的特點(diǎn)決定了外界環(huán)境對施工過程的影響也相對較小，比如能夠有效避免氣候環(huán)境的影響，有利于保持較為穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

3 城市軌道交通盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素

盾構(gòu)施工在各個步驟都有可能因某些因素，造成一定程度的施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對城市軌道交通盾構(gòu)施工過程中存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析與研究，根據(jù)盾構(gòu)施工的特點(diǎn)可以將風(fēng)險(xiǎn)因素按照施工過程分為以下幾方面，更加有利于針對不同的施工過程開展合理預(yù)控。

3.1 機(jī)械設(shè)備

盾構(gòu)隧道施工時主要依靠盾構(gòu)機(jī)開展作業(yè)，因此需要分析盾構(gòu)機(jī)自身風(fēng)險(xiǎn)因素并加以控制。盾構(gòu)機(jī)自身風(fēng)險(xiǎn)因素包括盾構(gòu)裝置選擇不當(dāng)、盾構(gòu)機(jī)檢修不合理以及供電故障等。在盾構(gòu)機(jī)選型不當(dāng)?shù)那闆r下，容易造成盾構(gòu)機(jī)的損壞以及無法正常完成掘進(jìn)，從而影響正常施工質(zhì)量、進(jìn)度。如果盾構(gòu)機(jī)檢修不全面，在施工過程中也比較容易出現(xiàn)刀盤以及推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、液壓和電氣系統(tǒng)以及注漿系統(tǒng)方面的故障。開展盾構(gòu)施工，選型不合理、拼裝和調(diào)試等進(jìn)行不當(dāng)也會造成盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)為高風(fēng)險(xiǎn)階段，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中，盾構(gòu)機(jī)處于始發(fā)架上，并且要通過反力架與管片承擔(dān)自身推力，使自身完成向前推進(jìn)，從始發(fā)洞門進(jìn)入地層開展掘進(jìn)作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時的主要風(fēng)險(xiǎn)因素來源于洞前土體加固效果、封門鑿除、始發(fā)基座安裝、負(fù)環(huán)管片反力架安裝與拆除、臨時墻拆除與洞口封堵、始發(fā)推進(jìn)姿態(tài)及軸線控制幾方面。其中洞門加固范圍、深度和加固效果檢查、始發(fā)基座與反力架安裝、洞口密封與始發(fā)推進(jìn)是較為主要的風(fēng)險(xiǎn)因素。端頭加固效果不理想，容易造成土體失穩(wěn)、涌水、涌泥等風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)基座安裝位置不當(dāng)不穩(wěn)、不牢時容易造成較大安全隱患。在反力架安裝不牢固的狀態(tài)下，會對反力架的穩(wěn)定性造成很大影響。洞口密封對于防水、防沙具有關(guān)鍵作用，也是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的重要內(nèi)容；同時在始發(fā)推進(jìn)時一般容易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定的問題。

3.3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過程具體分為盾構(gòu)掘進(jìn)、出渣、管片拼裝、注漿等多道工序和步驟，在掘進(jìn)的不同階段存在不同的風(fēng)險(xiǎn)因素，具體為以下幾方面。

3.3 .1 掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)

在開展掘進(jìn)施工過程中，一般在初始掘進(jìn)階段以及穿越特殊地層時需要對掘進(jìn)參數(shù)作出適當(dāng)調(diào)整。應(yīng)首先根據(jù)工程情況對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行摸索、總結(jié)，合理作出調(diào)整，避免掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)造成沉降超限和冒頂?shù)葐栴}。如果在施工過程中需要穿越軟弱土層等特殊地層，也應(yīng)及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，避免地表沉降、隆起、建筑物變形等風(fēng)險(xiǎn)因素[1]。

3.3 .2 設(shè)備密封問題

掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)設(shè)備密封問題也是其中一項(xiàng)主要的施工風(fēng)險(xiǎn)因素，其中包括盾尾密封、鉸接密封與主軸承密封。盾尾密封的風(fēng)險(xiǎn)因素包括密封裝置彈性不良、密封油脂不足、油脂質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及盾尾刷毛翻卷問題，上述因素會造成盾尾的滲漏現(xiàn)象。在鉸接密封狀況不良時，會由于泥水砂土進(jìn)入造成盾構(gòu)機(jī)設(shè)備損壞。主軸承密封分為內(nèi)密封和外密封，一是保護(hù)機(jī)內(nèi)軸承齒輪、提高部件密封效果，極少磨損。二是防止渣土、地下水、砂等進(jìn)入主軸承內(nèi)。

3.3 .3 注漿問題

注漿是掘進(jìn)施工的一項(xiàng)重要步驟，該階段的施工中主要風(fēng)險(xiǎn)因素包括注漿管堵塞以及注漿效果不理想。注漿管堵塞的產(chǎn)生原因一般是由于注漿管清理不及時、漿液含砂率過高以及雙液注漿泵壓力匹配不當(dāng)?shù)取Ｗ{效果的影響因素具體包括漿液質(zhì)量問題、注漿的時間、用量與均勻程度把握不當(dāng)、或注漿所采用的壓力過大。從而容易造成地表和建筑物變形問題。

3.3 .4 管片工程問題

管片工程的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有，一是管片破損，管片在運(yùn)輸、存放、吊運(yùn)與拼裝過程中的碰撞問題，還包括片凹凸榫錯位、管片本身質(zhì)量問題、盾構(gòu)推進(jìn)過程中受力不均勻以及施工操作失誤等。二是管片滲漏問題，制作管片模具、材料、工藝、養(yǎng)護(hù)方式等質(zhì)量問題。三是管片拼裝技術(shù)。

3.4 盾構(gòu)機(jī)接收

盾構(gòu)機(jī)接收具體為端頭加固、洞口封堵、安裝接收基座、盾構(gòu)機(jī)吊出與拆除龍門吊等。其風(fēng)險(xiǎn)因素與盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段具有一定程度的相似性。具體包括以下幾方面，一是洞門防水裝置安裝密封問題。在上述部件密封不牢固的情況下，會造成洞門滲水、漏砂、地表沉降等風(fēng)險(xiǎn)因素；二是第二是由于盾構(gòu)到站時推力較小，防止油缸卸載時管片外移等問題；三是接收架固定問題。接收架固定不良容易造成接收困難、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不當(dāng)?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)因素。

4 城市軌道交通盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素的預(yù)控措施

4.1 地質(zhì)勘探與風(fēng)險(xiǎn)評估

開展盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，地質(zhì)補(bǔ)探尤為重要，在分析設(shè)計(jì)勘探報(bào)告基礎(chǔ)上，需制定合理、精準(zhǔn)的補(bǔ)勘方法和手段，采取物探與鉆探相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，查明地層分布情況；了解掌握盾構(gòu)沿線的詳細(xì)不良地質(zhì)情況，采取有效的應(yīng)對措施，避免施工安全風(fēng)險(xiǎn)。有必要對工程的風(fēng)險(xiǎn)因素作出正確評估，評估方法的選擇上具體可以選用模糊綜合評價(jià)法與三角模糊數(shù)理論等。另外還可以選擇層次分析法。比如在應(yīng)用層次分析法時，應(yīng)首先建立相對重要度判斷矩陣，然后通過識別的地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)，并將專家打分作為參考項(xiàng)目，對處于同一層次的指標(biāo)賦予權(quán)重后作出兩兩比較，將結(jié)果運(yùn)用三角模糊函數(shù)表達(dá)[2]。通過應(yīng)用這一評估方法能夠起到減少主觀因素影響、提升準(zhǔn)確程度的作用。

4.2 始發(fā)階段風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)控

4.2 .1 做好端頭加固

在加固完后對加固區(qū)進(jìn)行鉆孔取芯檢查加固效果，并在盾構(gòu)始發(fā)前在洞口范圍內(nèi)采用鉆孔方式布設(shè)“米”字型”水平探孔，檢查端頭滲漏水情況，如不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，立即組織人員進(jìn)行補(bǔ)充加固（水平鉆孔注漿/垂直鉆孔注漿），同時根據(jù)端頭滲漏水情況及時施工降水井，進(jìn)行降水處理，確保加固效果滿足要求。

4.2 .2 反力架位移及變形的控制

反力架的組成部分包括橫梁、底座、立柱以及支撐等部分。為了確保反力架在盾構(gòu)施工始發(fā)階段的穩(wěn)定性，需要在安裝期間做好受力計(jì)算工作，并要在始發(fā)時仔細(xì)觀察反力架是否發(fā)生變形問題。具體應(yīng)在始發(fā)基座的安裝上保證反力架左右偏差不超過±10mm，高程偏差不超過±5mm。反力架夾角、始發(fā)臺水平軸線垂直方向之間的偏差應(yīng)小于±2‰，盾構(gòu)姿態(tài)以及設(shè)計(jì)軸線豎直趨勢偏差小于2‰，水平趨勢偏差小于±3‰[3]。同時，在掘進(jìn)過程中減慢速度、進(jìn)行反力架強(qiáng)度計(jì)算、保證焊接和固定牢固程度等措施也都有利于減少反力架位移及變形風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 .3 盾構(gòu)機(jī)調(diào)試工作

在盾構(gòu)機(jī)刀盤、前盾、中盾與盾尾下井后，組裝完成調(diào)試工作，需要分別進(jìn)行空載調(diào)試與負(fù)載調(diào)試。首先在組裝完成后進(jìn)行空載調(diào)試，確保電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等各項(xiàng)設(shè)備都能正常運(yùn)行。最后在刀盤切入加固土體之后開展負(fù)載調(diào)試，確保機(jī)器在負(fù)載狀態(tài)下也能夠正常運(yùn)行。

4.2 .4 盾構(gòu)偏離問題控制

盾構(gòu)偏離問題表現(xiàn)為盾構(gòu)機(jī)在沒有完全進(jìn)入加固土體時出現(xiàn)滾動現(xiàn)象，造成盾構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)要求不一致。在進(jìn)行控制時可以在基座與盾構(gòu)機(jī)之間放置防側(cè)滾裝置，同時積極開展測量工作。在加固土體當(dāng)中進(jìn)行施工時可以放慢速度，通過注入泡沫等措施減少刀盤扭矩。還可以采用提高基座標(biāo)高的方法，一般提升2-3cm。出加固土體之前應(yīng)抬高盾構(gòu)姿態(tài)。

4.3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)階段風(fēng)險(xiǎn)因素預(yù)控

4.3 .1 根據(jù)地層情況調(diào)整參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)階段應(yīng)進(jìn)行百環(huán)驗(yàn)收，對機(jī)器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。首先要對土壓與推進(jìn)力作出合理計(jì)算，使得掘進(jìn)速度與出土量之間保持一致性。比如對于軟土層，其主要特點(diǎn)為含水量比較高，掘進(jìn)過程中容易發(fā)生坍塌或涌水涌沙問題，對此應(yīng)在施工過程中注意地層的變化情況，并運(yùn)用注漿加固的方法，由淺到深進(jìn)行注漿[4]。

4.3 .2 做好密封工作

有效進(jìn)行設(shè)備密封工作能夠?qū)Χ荏w密封裝置的泄露問題起到控制作用。其中一項(xiàng)具體措施為保持管片周圍盾尾空隙的均勻程度，從而防止盾尾密封刷受到擠壓。另一種方式為合理控制盾構(gòu)的姿態(tài)，防止盾構(gòu)的后退問題。并且還要采用高質(zhì)量的密封油脂，及時使用密封油脂時保持均勻性與足夠的用量。

4.3 .3 注漿施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

首先要保證拌漿的配比及均勻程度，對注漿管定時進(jìn)行清理，具體需要在每次注漿完成后都進(jìn)行清理工作。同時對注漿泵的壓力作出合理調(diào)整，使注漿的壓力及流量保持平衡。為了保證注漿效果，要在合理選擇漿液的同時合理開展隧道同步注漿，對于重點(diǎn)部位可以應(yīng)用探測技術(shù)檢測注漿效果。

4.3 .4 管片施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

對于管片損壞風(fēng)險(xiǎn)因素，一是管片拼裝過程中保證盾構(gòu)姿態(tài)控制，減少糾偏量是保障管片不破損的關(guān)鍵，在安裝封頂塊前，對防水密封條進(jìn)行潤滑處理，安裝時先徑向插入2/3，調(diào)整位置后緩慢縱向頂推，防止封頂塊頂入時搓壞防水密封條；二是管片安裝時必須運(yùn)用管片安裝的微調(diào)裝置將待裝的管片與已安裝管片塊的內(nèi)弧面縱面調(diào)整到平順相接以減小錯臺。調(diào)整時動作要平穩(wěn)，避免管片碰撞破損；三是安裝管片時采取有效措施避免損壞防水密封條，并保證管片拼裝質(zhì)量，減少錯臺，保證其密封止水效果。安裝管片后頂出推進(jìn)油缸，扭緊連接螺栓，保證防水密封條接縫緊密，防止由于相鄰兩片管片在盾構(gòu)推進(jìn)過程中發(fā)生錯動，防水密封條接縫增大和錯動，影響止水效果。

4.3 .5 盾構(gòu)到達(dá)接收風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

一是洞門防水裝置安裝時必須將連接螺栓栓接牢固，在推進(jìn)過程中，要及時的調(diào)整洞口扇形壓板的位置，確保扇形壓板與洞口簾幕橡膠板密貼，防止簾幕橡膠板外翻影響防水效果；在洞口開始注漿時，要嚴(yán)密監(jiān)測洞口密封是否有異常情況或者采取其他加固措施。二是由于盾構(gòu)到站時推力較小，致洞門附近的管片環(huán)與環(huán)之間連接不夠緊密，因此作好后20環(huán)管片的螺栓緊固和復(fù)緊工作；以防止油缸卸載時管片外移現(xiàn)象；在盾構(gòu)貫通后安裝的幾環(huán)管片，要保證注漿飽滿密實(shí)，防止引起管片下沉與錯臺。三是盾構(gòu)推出洞門前，需認(rèn)真檢查導(dǎo)軌、接收基座等的加固情況以及盾構(gòu)刀盤底部與接收小車高差等情況；確認(rèn)無誤后可將盾構(gòu)推上接收小車。盾構(gòu)推進(jìn)過程中必須密切關(guān)注接收小車以及接收小車加固與支撐的情況，一但出現(xiàn)變形等異常情況，應(yīng)及時停止推進(jìn)并進(jìn)行處理。

4.3 .6 監(jiān)控量測信息化施工

傳統(tǒng)監(jiān)測加現(xiàn)代高精度智能無線傳感器監(jiān)測技術(shù)實(shí)時監(jiān)測，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)安全施工“保駕護(hù)航”。收集監(jiān)測數(shù)據(jù)提供給管理及技術(shù)人員實(shí)時、準(zhǔn)確掌握盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)是對其影響范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物擾動穩(wěn)定狀態(tài)，及時進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，采取措施，提供安全保障。

5 結(jié)論

盾構(gòu)施工是城市軌道交通隧道施工的主要工法，在進(jìn)行施工時需要針對常見的施工風(fēng)險(xiǎn)采取有效的預(yù)控措施。具體要在合理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)上，有效控制盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段、掘進(jìn)階段與接收階段的風(fēng)險(xiǎn)問題。