地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風險的分析與控制

朱建勛

（昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，昆明 650051）

1 引言

近幾年，地鐵工程建設(shè)迎來爆發(fā)之勢，地鐵建設(shè)已成為城市重大建設(shè)項目的重要組成。在地鐵建設(shè)工程規(guī)模逐步擴大進程中，工藝操作過程風險也逐漸增多。特別是盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作，存在較多的風險因子。比如，2011 年，天津地鐵2 號線建國道—天津站區(qū)間就出現(xiàn)了突泥涌水致盾構(gòu)機被埋事故；成都地鐵1 號線南延線華陽站—廣都北站區(qū)間也出現(xiàn)盾構(gòu)隧道偏差超限事故。頻發(fā)的隧道工藝操作事故引發(fā)了人們對地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作風險控制的關(guān)注。因此，以地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作過程為對象，分析風險因素及控制方案非常必要。

2 項目概述

某地鐵2 號線二期工程為城市軌道交通骨干線，線路總長約9.14 km，合同工期為4 年，共有10 站9 區(qū)間，區(qū)間全為地下線，采用盾構(gòu)法施工。沿線經(jīng)過地面建筑物較多，包括鐵路、城市管廊、高架橋、景觀河流等。

區(qū)間隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片環(huán)寬1.2 m，采用通用環(huán)管片、錯縫拼裝方式。區(qū)間共設(shè)有10 座聯(lián)絡(luò)通道，其中，5 座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，以及1 座與中間風井合建。區(qū)間隧道施工主要的重難點為下穿火車站股道、行包房等重大節(jié)點、穿越泥炭質(zhì)土、富含沼氣地層施工、穿越多處重要建構(gòu)筑物、側(cè)穿城市河流等。區(qū)間左右線隧道穿越地層主要如表1 所示。

表1 區(qū)間左右線隧道穿越地層

工程使用德國海瑞克公司武漢制造組裝的S-995 和S-996 盾構(gòu)機，當年裝配后先后在多站施工工地使用，共掘進1 256 m，整體表現(xiàn)良好。

3 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風險因素

3.1 地質(zhì)因素

地鐵盾構(gòu)機掘進部位地層地質(zhì)條件高度復(fù)雜，土層沉積環(huán)境中透鏡體形式較多，且局部存在受壓縮氣體，在盾構(gòu)掘進期間，因氣體突然釋放極易形成地下水通道，造成盾構(gòu)后方承壓水沿通道涌向洞口[1]。特別是在微承壓水層局部夾雜高富水、大滲透性粉砂薄層或者地道旋噴樁加固地層時，會導(dǎo)致掘進困難，提高設(shè)備故障出現(xiàn)概率，進而招致工藝操作隱患。

3.2 設(shè)備的選擇

盾構(gòu)機等設(shè)備是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作主要用設(shè)備，也是隧道工藝操作風險主要來源之一。比如，盾構(gòu)機測量自動導(dǎo)向系統(tǒng)VMT 系統(tǒng)輸入盾構(gòu)推進計劃線數(shù)據(jù)文件錯誤時，會導(dǎo)致盾構(gòu)機沿著錯誤的計劃線推進，引發(fā)盾構(gòu)隧道軸線偏差[2]。

3.3 人員的操作

人員的操作是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作過程的主要風險因素，表現(xiàn)為人員缺乏自我防范意識、安全意識淡薄、現(xiàn)場安全操作漏洞[3]。比如，操作人員違反《盾構(gòu)機操作說明書》中的規(guī)定操作，擅自安排現(xiàn)場工作者打開螺旋機觀察孔，會導(dǎo)致地下水噴涌事故，進而促使螺旋機被水泥土混合物固結(jié)塊卡堵無法運轉(zhuǎn)。

4 地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道施工風險控制對策

4.1 完善風險預(yù)警機制

在地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作過程中，風險因子較多，為避免風險因子持續(xù)作用，應(yīng)利用盾構(gòu)工藝操作區(qū)間地質(zhì)情況探測手段，以進出洞加固區(qū)域探測為重點，收集風險數(shù)據(jù)，完善風險預(yù)先警報機制[4]。同時，根據(jù)圖紙審核中的地質(zhì)柱狀圖，判定沿線地質(zhì)是否存在特殊變化，及時加密補充勘察點，保證風險預(yù)先警報精準度。進出口加固區(qū)域探測時，可以依據(jù)加固體高度小于垂直探孔長度的標準斜向取芯，了解三軸攪拌樁咬合部加固情況。根據(jù)加固情況（盾構(gòu)機始發(fā)與接收端頭的加固范圍），判定加固體長度是否超過盾構(gòu)機身長度1～3 環(huán)。

在加強地質(zhì)情況探測的基礎(chǔ)上，依據(jù)預(yù)警系統(tǒng)理論，可以設(shè)定預(yù)先警報指標值及閾值，進行工程工藝操作風險量的控制，達到提前預(yù)防、減少損失的目的。以盾構(gòu)進出洞工藝操作風險預(yù)警為例，可以依據(jù)工程工藝操作順序，從安全（人員傷害、地層沉降、周邊結(jié)構(gòu)破壞）、經(jīng)濟（經(jīng)濟損失）、質(zhì)量（軸線偏差、襯砌變形、隧道滲水）、工期（工期損失）幾個維度入手建立風險評估模型。進而結(jié)合盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進過程，將盾構(gòu)進出洞工藝操作劃分為地基處理、盾構(gòu)基座、止水裝置、洞門拆除、盾構(gòu)推進、負環(huán)拼裝、后靠體系、洞門封堵等幾個工序。依據(jù)工序，對地層穩(wěn)定性、基座穩(wěn)定性、盾構(gòu)姿態(tài)、測量誤差等風險現(xiàn)象、原因、后果進行逐一辨識，構(gòu)建風險層次分析模型。在模型中，依據(jù)實際搭設(shè)質(zhì)量將指標基準劃分為不同分值。以后靠為例，監(jiān)控指標項為后靠位移，在量測后靠位移小于3.00 mm 時，可忽略；在量測后靠指標位移處于3.00～5.00 mm時，具有微小影響；在量測后靠位移處于5.00～10.00 mm 時，具有嚴重影響。進而匯總?cè)恐笜酥担枋龆軜?gòu)區(qū)間風險等級，如可忽略、可接受、重度等。根據(jù)描述的等級，進行動態(tài)預(yù)警、控制。

4.2 加強突沉現(xiàn)象的控制

突然沉降事故是地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作常見事故，為避免該事故出現(xiàn)，可以盾構(gòu)穿越建筑、盾構(gòu)穿越河流、盾構(gòu)穿越道路、盾構(gòu)穿越地下管線幾個方面入手，進行控制。

在盾構(gòu)穿越建筑時，為避免既有建筑物因盾構(gòu)發(fā)生擾動而出現(xiàn)沉降，可以實現(xiàn)調(diào)查盾構(gòu)基礎(chǔ)情況、建筑物基礎(chǔ)所在地地質(zhì)情況。結(jié)合調(diào)查結(jié)果，進行掘進參數(shù)的恰當選擇。在掘進參數(shù)確定后，對基礎(chǔ)、地層進行同步的注漿加固或二次注漿加固處理。在注漿加固后，從盾構(gòu)掘進過程姿態(tài)控制入手，時刻關(guān)注，避免盾構(gòu)掘進過程姿態(tài)變化對土體造成過度擾動。同時，加強建筑物沉降監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)沉降問題，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進方案，避免相關(guān)問題的進一步惡化。

在盾構(gòu)穿越河流時，為避免河流防汛墻因盾構(gòu)掘進出現(xiàn)突然沉降，應(yīng)進行合理推進速度、注漿量、出土量、注漿壓力的合理選擇，并對防汛墻沉降進行監(jiān)測。另外，在機械作業(yè)姿態(tài)控制的同時，利用油脂在盾構(gòu)機尾部進行潤滑輔助[5]。

在盾構(gòu)穿越道路時，為避免既有道路路面因盾構(gòu)掘進發(fā)生不均勻沉降甚至塌陷，應(yīng)以盾構(gòu)機工作壓力控制為重點，嚴格限定盾構(gòu)機工作壓力在恰當范圍內(nèi)。同時，進行注漿參數(shù)的恰當選擇，合理劃定注漿位置，保障漿液注入過程連續(xù)不間斷、合理、有效，規(guī)避開挖面過大擾動。同時，加大監(jiān)測頻率、質(zhì)量，保證盾構(gòu)掘進期間監(jiān)測頻率在2 次/d 或以上。

在盾構(gòu)穿越地下管線時，為避免既有管線因盾構(gòu)掘進出現(xiàn)沉降，應(yīng)注意根據(jù)土層擾動監(jiān)測結(jié)果，進行機械正面壓力的平衡處理。同時，嚴格控制盾構(gòu)掘進速度，并責令專門人員負責盾構(gòu)掘進偏差糾正作業(yè)。比如，在管片出現(xiàn)較大偏差時，應(yīng)第一時間進行管片貼片處理，進行強制糾偏。即根據(jù)測量計算獲知的管片偏差，將厚度在5.00 mm 以內(nèi)的石棉墊片貼在相應(yīng)位置，以便軸線為豎曲線段時可由-2.10%的坡度調(diào)整至水平。

4.3 做好有關(guān)設(shè)備的管理工作

在盾構(gòu)設(shè)備選擇時，因盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)機掘進期間機械故障主要來源，在工序操作前，應(yīng)綜合考慮工期、設(shè)計、經(jīng)濟、安全、環(huán)境要求，選擇與工程地質(zhì)相匹配、滿足工程掘進長度及線形、與后續(xù)設(shè)備相匹配、與始發(fā)基地相匹配、可輔以輔助工法、對周邊環(huán)境干擾小的刀盤。

在盾構(gòu)機安裝調(diào)試時，應(yīng)以第一塊盾構(gòu)殼體吊裝到位為入手點，每天召開工地例會，進行項目節(jié)點計劃的詳細劃分，保證偏差問題的及時發(fā)現(xiàn)、處理。在工地總裝完畢后，開始盾構(gòu)機的試掘進操作，要求各方全天候跟班監(jiān)測、調(diào)試，保證設(shè)備在短時間內(nèi)得到完善。同時，由專業(yè)人員根據(jù)試掘進期間總結(jié)經(jīng)驗，對管片拼裝、同步注漿、車架糾偏、起重、泥水接管等工序設(shè)備現(xiàn)場管理規(guī)程進行詳細規(guī)劃。并根據(jù)盾構(gòu)機系統(tǒng)劃分，制定詳細的周、日、月、年保養(yǎng)記錄表，全面反映月度盾構(gòu)設(shè)備運行情況，降低系統(tǒng)故障發(fā)生概率。因盾構(gòu)設(shè)備運行工況較為惡劣，需長時間連續(xù)工作，備品備件消耗量較大。因此，在設(shè)備保養(yǎng)時，應(yīng)以拼裝機密封條等耗材為重點，建立專業(yè)維護保養(yǎng)方案，避免維護保養(yǎng)不及時導(dǎo)致的設(shè)備損壞、工期延滯情況。

在盾構(gòu)機應(yīng)用期間，嚴格執(zhí)行項目領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場值班制，加強監(jiān)督管理，規(guī)范設(shè)備使用、維修、保養(yǎng)制度，保證盾構(gòu)機安全發(fā)揮作用。特別是在盾構(gòu)機穿越進入覆土厚度低于盾構(gòu)直徑的淺覆土層地段、建筑物地段、地下障礙物地段、粉土層地段、構(gòu)筑物地段與粉砂層地段時，應(yīng)由專門人員結(jié)合補充地質(zhì)勘察結(jié)果，設(shè)計、規(guī)劃控制掘進參數(shù)，保證盾構(gòu)姿態(tài)一定，且掘進過程連續(xù)、勻速、均衡推進。而在盾構(gòu)機測量自動導(dǎo)向系統(tǒng)VMT系統(tǒng)輸入盾構(gòu)推進計劃線數(shù)據(jù)文件時，因設(shè)置人工復(fù)測環(huán)節(jié)，由復(fù)測人員對電腦中安裝的高版本SLS-SLVMT 系統(tǒng)軟件中文件轉(zhuǎn)換及環(huán)線數(shù)據(jù)過程進行復(fù)測，并對在建成型盾構(gòu)隧道導(dǎo)線網(wǎng)、吊籃、水準點進行全面復(fù)核測量，及時發(fā)現(xiàn)高層方向偏差，及時修正，規(guī)避盾構(gòu)機參數(shù)設(shè)置不當導(dǎo)致的盾構(gòu)軸線偏差問題。

4.4 加強人員防范措施

加強人員管理是降低地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作風險的有效手段。管理者應(yīng)全面貫徹落實安全生產(chǎn)一崗雙責、黨政同責、崗崗有責方針，促使安全質(zhì)量責任制覆蓋每一個作業(yè)層，涉及每一個職能崗位，遏制盾構(gòu)區(qū)間不規(guī)范操作問題。比如，盾構(gòu)人員應(yīng)在保證無心臟疾病、聽力與視力正常的情況下，對自身操作高度負責，配合上級下達的參數(shù)要求，具有基本防火、安全意識，且對地質(zhì)表達含義、涂鴉計算、盾構(gòu)機工作原理及參數(shù)、管片選擇與使用具有一定了解。

在項目各項工序操作前，對全部作業(yè)者進行安全技術(shù)交底的基礎(chǔ)上，依據(jù)盾構(gòu)工藝操作規(guī)程及有關(guān)技術(shù)規(guī)定，加強關(guān)鍵程序?qū)嵺`考核，比如，螺旋機觀察孔、盾構(gòu)始發(fā)、降水、接收等。與此同時，作業(yè)者也需要主動監(jiān)測機械、氣、電、液壓等系統(tǒng)，確保各系統(tǒng)無故障。比如，延伸水管與電纜連接、操作系統(tǒng)參數(shù)、供電與循環(huán)水壓力、濾清器、皮帶輸送機與皮帶、孔雅琴、配套軌道、導(dǎo)向系統(tǒng)等。在確定各系統(tǒng)無誤后，作業(yè)者應(yīng)根據(jù)技術(shù)人員的要求進行油壓（刀盤最大壓力、螺機最大壓力、設(shè)備橋最大壓力）、注漿壓力（左上、左下、右上、右下）、盾尾密封（前腔次數(shù)、前腔間隔、后腔次數(shù)、后腔間隔）、油溫等參數(shù)的設(shè)置。

在盾構(gòu)操作過程中，落實一切保證工程安全質(zhì)量的要求，嚴格禁止人員在無注漿或注漿量不明、無方向量測時掘進，要求人員嚴格執(zhí)行工程師提出的土壓指令保持土壓，控制出渣量。同時，要求人員嚴格執(zhí)行盾構(gòu)說明書的各項使用要求，避免違背規(guī)章操作。并時刻監(jiān)視主機室內(nèi)操作面板上參數(shù)，嚴密監(jiān)控螺旋輸送機出口出渣情況，做好根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)參數(shù)進行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的準備。

5 結(jié)語

綜上所述，在地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程工藝操作過程中，管理者應(yīng)深刻吸取歸納地鐵盾構(gòu)區(qū)間安全事故教訓(xùn)，強化風險預(yù)先警報機制的完善構(gòu)建，加大突然沉降現(xiàn)象的控制力度，并強化人員安全質(zhì)量責任制的落實，加強現(xiàn)場項目安全教育與技術(shù)培訓(xùn)，督促人員做好現(xiàn)場工藝操作以及有關(guān)設(shè)備的管理，避免地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工藝操作安全事故的出現(xiàn)，為地鐵工程項目建設(shè)的有序推進提供保障。