地鐵隧道盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制對(duì)策

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)法在地鐵區(qū)間施工中得到了廣泛應(yīng)用，但是施工事故也時(shí)有發(fā)生。為了掌握盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中各種風(fēng)險(xiǎn)的控制措施，對(duì)盾構(gòu)機(jī)出發(fā)與到達(dá)、穿越建（構(gòu)）筑物、特殊地層、穿越河流等施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，總結(jié)了不同風(fēng)險(xiǎn)條件下的安全控制措施，指出盾構(gòu)施工后期風(fēng)險(xiǎn)分析與控制的研究方向，可為盾構(gòu)施工及后期風(fēng)險(xiǎn)控制的研究提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;盾構(gòu);風(fēng)險(xiǎn)分析;風(fēng)險(xiǎn)控制

0" "引言

盾構(gòu)施工具有施工快速、對(duì)周圍環(huán)境和交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市地鐵和道路修建。鐵隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)較高，只有不斷提高人們對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，并采取必要的措施進(jìn)行有效控制，才能避免事故的發(fā)生。徐杏華等[1-2]分析了盾構(gòu)法施工中不同控制模式，指出人為因素是誘發(fā)事故的主因。張海彥等[3-5]等分析了盾構(gòu)上下穿橋梁、隧道、鐵路等建（構(gòu)）筑物工程實(shí)例，總結(jié)了不同工程條件下盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)措施。孫明偉[6]在下穿江河水體方面采用改造的盾尾刷防止盾尾漏水，取得了良好的效果。

盾構(gòu)建設(shè)期間的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制，涵蓋了從盾構(gòu)選型、拆吊、始發(fā)、掘進(jìn)、到達(dá)等的施工全過(guò)程，本文根據(jù)實(shí)際情況，主要對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)、過(guò)站、平移作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，穿建構(gòu)筑物風(fēng)險(xiǎn)、特殊地層風(fēng)險(xiǎn)以及下穿江河水體風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行分析，并提出對(duì)應(yīng)的控制措施，可為類似條件下盾構(gòu)施工提供參考。

1" "盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)及分類

1.1" "盾構(gòu)隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)分類

依據(jù)施工規(guī)范和相關(guān)文件，盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)可分為技術(shù)與材料、設(shè)備、管理、人員、自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境等六類風(fēng)險(xiǎn)[7]。其中技術(shù)與材料、設(shè)備管理、人員風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)采取一定的措施，可以大大降低事故發(fā)生的概率，是施工階段風(fēng)險(xiǎn)分析和控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1.2" "盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)施工期間風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸納，主要有以下8類施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1" "地質(zhì)與盾構(gòu)選型匹配性風(fēng)險(xiǎn)

地質(zhì)類型、隧道埋深、地下水位和掌子面穩(wěn)定性等地質(zhì)條件是盾構(gòu)機(jī)選型的主要依據(jù)。如果盾構(gòu)機(jī)選型與地質(zhì)條件不匹配，會(huì)造成嚴(yán)重的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2" "盾構(gòu)組裝、調(diào)試及拆吊風(fēng)險(xiǎn)

主要包含超重超寬超高風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地上地下管線及結(jié)構(gòu)物保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，大型起重吊裝風(fēng)險(xiǎn)及超大型設(shè)備調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)等。

1.2.3" "盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)、過(guò)站及平移風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)施工中風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)節(jié)之一是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)到達(dá)，大多數(shù)安全質(zhì)量事故發(fā)生在此階段。

1.2.4" "盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物施工風(fēng)險(xiǎn)

如果施工期間操作不慎，容易引發(fā)較大地層損失率，導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)不均勻變形。

1.2.5" "特殊地層段盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)

軟硬不均地層、孤石、砂層、高黏土、卵石層、斷裂破碎帶等，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)都比較大，很容易出現(xiàn)卡機(jī)、磕頭等不同形式的風(fēng)險(xiǎn)，需要格外注意。

1.2.6" "盾構(gòu)機(jī)下穿江河水體風(fēng)險(xiǎn)

穿越江河等水體采用盾構(gòu)施工時(shí)，容易出現(xiàn)冒頂透水、流砂、管涌、隧道上浮等風(fēng)險(xiǎn)，處理難度較大。

1.2.7" "盾構(gòu)穿越障礙物的施工風(fēng)險(xiǎn)

若由于地質(zhì)勘察的局限性，無(wú)法充分探明盾構(gòu)施工沿線地層情況，可能會(huì)遇到人防工事、舊橋臺(tái)、廢棄鋼筋混凝土樁等障礙物，影響盾構(gòu)機(jī)正常開挖，甚至造成盾構(gòu)機(jī)損壞。

1.2.8" "盾構(gòu)開倉(cāng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工過(guò)程中，開倉(cāng)無(wú)法避免，無(wú)論是常壓開倉(cāng)還是帶壓開倉(cāng)，其風(fēng)險(xiǎn)控制都是非常困難的。

2" "不同類型風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施

2.1" "盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)、過(guò)站及平移

2.1.1" "安全風(fēng)險(xiǎn)分析

一是端頭加固質(zhì)量不滿足要求。具體包括：選擇的端頭加固工法不合理，與端頭地層情況不匹配。端頭井加固長(zhǎng)度、深度不能達(dá)到要求，導(dǎo)致始發(fā)接收時(shí)不能承受對(duì)應(yīng)的推力。端頭加固體強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，不能抵抗足夠的剪力、滑移推力，加固體連續(xù)性不好，出現(xiàn)局部滲漏水等問題。

二是洞門密封滲漏。主要表現(xiàn)為洞門密封鋼圈脫落或開裂，洞門簾布橡膠板開裂、未拉緊，及盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)偏差過(guò)大，造成密封失效。

三是反力架加固強(qiáng)度不高。主要表現(xiàn)為反力架、始發(fā)臺(tái)加固不牢固，未采取抗扭、抗浮措施。

2.1.2" "風(fēng)險(xiǎn)控制措施

應(yīng)對(duì)端頭加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)豎直抽芯確定加固深度、連續(xù)性等是否滿足要求。通過(guò)水平抽芯和豎直抽芯相結(jié)合方式，確定洞門加固效果。

在隧道洞門處安裝密封裝置，如止水橡膠簾布、扇形壓板等[8]。安裝前，檢查簾布橡膠的完整性、硬度、老化程度及環(huán)板入圓螺栓孔位置。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入預(yù)留洞口前，在外刀頭與幕簾膠板涂上潤(rùn)滑油，防止盾構(gòu)機(jī)刀盤刮破簾布橡膠板，影響密封效果。盾構(gòu)推進(jìn)中，防止刀盤周邊損傷橡膠帶，及時(shí)調(diào)整孔圈扇形鋼板，提高密封圈的密封性能。

合理選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破除時(shí)機(jī)，確保端頭處土體破除過(guò)程中的穩(wěn)定性。盾構(gòu)始發(fā)前，將土坯從刀盤開口處填塞盾構(gòu)土倉(cāng)，使盾構(gòu)機(jī)在切入掌子面時(shí)建立一定的土壓力，防止掌子面發(fā)生大面積坍塌[9]。

在保證正常出渣和同步注漿回填密實(shí)的前提下，控制盾構(gòu)姿態(tài)，快速完成盾構(gòu)接收。盾構(gòu)進(jìn)入加固區(qū)后逐步減小土壓直至為零，同時(shí)減小總推力，緩慢向洞門推進(jìn)，同時(shí)嚴(yán)格控制出土量。盾構(gòu)貫通時(shí)，縱向拉緊進(jìn)洞口段至少留有10～15環(huán)管片。貫通后，及時(shí)拉緊簾幕橡膠板鋼絲繩，使簾幕橡膠板覆蓋盾構(gòu)機(jī)前機(jī)身，保證隧道洞門密封。

2.2" "盾構(gòu)上、下穿建筑物

2.2.1" "安全風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)上、下穿建筑物受地質(zhì)條件及施工操作的影響，容易出現(xiàn)以下問題：出渣量過(guò)多、土倉(cāng)壓力設(shè)置偏低;同步注漿量不足，二次補(bǔ)充注漿不及時(shí);盾構(gòu)機(jī)其他掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)控制不合理。這些問題都會(huì)引起穿越的建構(gòu)筑物出現(xiàn)不同程度的位移，導(dǎo)致變形超限。

2.2.2" "風(fēng)險(xiǎn)控制措施

基于“超土壓力、控渣、全灌漿、頻繁監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的思路，設(shè)置100m試驗(yàn)段，以確定盾構(gòu)進(jìn)入建、構(gòu)筑物位置時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)，確保連續(xù)推進(jìn)。穿越建（構(gòu)）筑物時(shí)要采用土壓掘進(jìn)模式，保證刀盤通過(guò)時(shí)地面微隆起，并保持土壓穩(wěn)定性。建立現(xiàn)場(chǎng)信息反饋聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息化施工[10]。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋信息，實(shí)時(shí)調(diào)整開挖參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行管片壁后二次補(bǔ)強(qiáng)注漿[11]。

2.3" "特殊地段盾構(gòu)施工

2.3.1" "軟硬不均地層

該類地層施工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，易造成刀盤強(qiáng)度、剛度以及掘進(jìn)效率降低。刀盤受力不均、變形會(huì)造成主軸或主軸密封損壞，刀盤堵塞，使盾構(gòu)負(fù)載增加，易產(chǎn)生掉刀、卡刀、斜刀、刀具偏磨、線路偏移等問題[12]。刀具更換困難，處理緩慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，導(dǎo)致施工造價(jià)提高。

對(duì)此施工對(duì)策如下：從工具保護(hù)的角度出發(fā)，本著“低速、扭矩控制、適當(dāng)推力、頻繁檢查、控渣”的思想，以控制巖石對(duì)刀具的損壞，控制地表沉降。對(duì)刀具磨損量的評(píng)估非常重要，應(yīng)勤檢查并更換刀具，可通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的異常變化來(lái)判斷刀具的受損情況。檢查更換刀具時(shí)，必須停止掘進(jìn)。

2.3.2" "富水砂層

富水砂層擾動(dòng)后易液化，掘進(jìn)過(guò)程中易形成噴涌。由于刀盤的開挖直徑比管片外徑至少大200mm，刀盤開挖至管片外徑填筑時(shí)間長(zhǎng)，不可避免產(chǎn)生砂層沉降。地面沉降難以控制，便會(huì)造成地面坍塌和建（構(gòu)）筑物開裂。

對(duì)此控制措施如下：采用膨潤(rùn)土、添加劑等改良渣土，改善和易性，增加止水效果，避免產(chǎn)生噴涌。根據(jù)隧道埋深、地層條件和地下水位情況，合理選擇土倉(cāng)壓力和開挖參數(shù)。做好同步注漿和二次注漿，防止隧道后方的水進(jìn)入土倉(cāng)。及時(shí)填補(bǔ)管片后面的空隙，以防止沉降進(jìn)一步擴(kuò)大。增加盾構(gòu)尾部潤(rùn)滑脂的使用量，保護(hù)盾構(gòu)尾部密封，防止泥漿和砂漿從盾構(gòu)尾部密封冒出。

2.3.3" "高黏土層

黏性土層中細(xì)顆粒含量過(guò)多，易黏附在刀盤內(nèi)形成泥餅，造成進(jìn)渣孔和刀孔堵塞，導(dǎo)致刀具偏磨、刀體損壞，刀盤扭矩與總推力增大，掘進(jìn)速度降低。刀孔堵塞后，刀具在自轉(zhuǎn)過(guò)程中被包裹在刀圈周圍的泥砂摩擦，從而使刀具磨損加劇。

對(duì)此控制措施如下：向土倉(cāng)內(nèi)和刀盤面中加大注入泡沫量，在泡沫中加入分散劑或泥漿等材料，以改善道渣土的性能，提高碴土的流動(dòng)性和止水性，并便于螺旋輸送機(jī)排土。合理設(shè)置渣體松散系數(shù)，嚴(yán)格控制出土量。適當(dāng)稀釋渣土，避免渣土偏干造成“糊刀”。勤量測(cè)渣土溫度，當(dāng)一環(huán)內(nèi)渣土溫度升高3℃時(shí)，應(yīng)立即增加泡沫用量，以改良渣土，并適當(dāng)增加水的用量，防止“糊刀”。適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)的開口率，以利于渣土進(jìn)入刀盤，并在中心刀和刀盤面板附近安裝沖洗裝置，經(jīng)常沖洗刀孔，防止刀盤形成泥餅。

2.4" "盾構(gòu)開倉(cāng)施工下穿江河

2.4.1" "安全風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)開倉(cāng)施工下穿江河時(shí)，覆蓋層較淺，水頭壓力較高，不易建立土壓平衡。水流經(jīng)常從擾動(dòng)土縫，通過(guò)刀盤開口和盾尾進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)，造成盾構(gòu)淹水，產(chǎn)生冒頂通透水流。砂土、砂質(zhì)淤泥等液化土層開挖時(shí)，由于刀盤切割、擠壓和擾動(dòng)，加上高水頭壓力，使得液化砂土沿盾構(gòu)尾部和隧道接頭接縫滲漏進(jìn)入隧道內(nèi)，導(dǎo)致局部地基空洞、隧道下沉。水域淺層覆蓋層上、下應(yīng)力不平衡，盾構(gòu)姿態(tài)上揚(yáng)，壓坡困難，隧道上浮，軸線難以控制。

2.4.2" "風(fēng)險(xiǎn)控制措施

風(fēng)險(xiǎn)控制措施如下：記錄對(duì)比理論渣土量和實(shí)際渣土量，確保出渣量與開挖速度一致，避免發(fā)生冒頂事故。加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)和地面監(jiān)測(cè)測(cè)量，及時(shí)反饋信息。調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸壓差和每組推進(jìn)液壓缸行程，嚴(yán)格控制盾構(gòu)運(yùn)行，避免盾構(gòu)機(jī)浮起。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)向料倉(cāng)和刀盤注入泡沫來(lái)改善渣土性能。將潤(rùn)滑脂注入盾尾密封，以防止地層泥漿和注漿液進(jìn)入盾體。

3" "結(jié)論

盾構(gòu)施工事故的發(fā)生不是隨機(jī)的，每次重大事故往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。鐵隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)較高，只有不斷提高人們對(duì)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，并采取必要的措施進(jìn)行有效控制，才能避免事故的發(fā)生。隧道施工過(guò)程中，應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)防范、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、風(fēng)險(xiǎn)處理、及時(shí)補(bǔ)救等措施，避免風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生以及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。地鐵隧道盾構(gòu)施工全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)演化，可通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道各階段基本風(fēng)險(xiǎn)演化分析，從而實(shí)現(xiàn)宏觀的風(fēng)險(xiǎn)控制。隨著大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和風(fēng)險(xiǎn)釋放，將是未來(lái)地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)控制的重要措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭新定，王紅衛(wèi)，周健.考慮人為因素的盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)分析和控制模型研究[J].隧道建設(shè)，2013，33（9）：720-725

[2] 徐杏華，李朝，叢敏，等.地鐵工程盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)分析與規(guī)避措施[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，25（1）：40-43

[3] 張海彥，何平，胡友剛，等.盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁樁基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)控制值的確定[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37（6）：45-50+54

[4] 張海彥，何平，胡友剛，等.盾構(gòu)隧道穿越既有混疑土橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)控制指標(biāo)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，35（3）：47-55

[5] 曲強(qiáng)，于鶴然.盾構(gòu)隧地下穿城鐵地面線施工風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013，617（6）：88-91

[6] 孫明偉.地鐵盾構(gòu)隧道下穿海河施工風(fēng)險(xiǎn)控制[J].天津建設(shè)科技，2011，21（1）：38-40.

[7] 周藝超，劉誠(chéng)斌，管學(xué)銘.北京市地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析及其規(guī)避措施[J].城市建筑，2015（30）：115，128.

[8] 呂波，段高翔.無(wú)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)豎井盾構(gòu)快速接收工藝研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2019（10）：1690-1696.

[9] 徐瑩，澤旺四郎.拉丁拉山全風(fēng)化花崗巖隧道塌方處治[J].公路交通技術(shù)，2017（6）：84-88.

[10] 寇林田.黃土隧道邊坡信息化施工安全管理[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（4）：67-71.

[11] 王太平，張洪濤，朱英偉，等.多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2016（4）：60-63.

[12] 龍海，龍國(guó)俊.盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿地面建筑物、上軟下硬地層施工技術(shù)研究[J].百科論壇電子雜志，2020（5）：1306-1308.