地鐵盾構(gòu)工程質(zhì)量安全管控分析

趙 飛 （南京市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210024）

1 前言

地鐵工程是民生工程，地鐵盾構(gòu)工程質(zhì)量安全水平既直接關(guān)系工程建設(shè)期，也影響運(yùn)營期間狀態(tài)。因此做好地鐵盾構(gòu)工程質(zhì)量安全管控具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義，十分必要。

2 盾構(gòu)施工特點(diǎn)

所謂盾構(gòu)，是指盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)并用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過盾構(gòu)外殼和拼裝預(yù)制混凝土管片支撐圍巖防止發(fā)生坍塌，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。盾構(gòu)施工實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的一體同步，具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、減少地面及周邊建筑物沉降、安全系數(shù)較高等優(yōu)勢(shì)，但也同時(shí)存在造價(jià)高、需整機(jī)定制、對(duì)隧道覆土厚度和曲率半徑有限制、盾構(gòu)施工不能后退等缺點(diǎn)[1]。

3 盾構(gòu)施工面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)公開報(bào)道，國內(nèi)已有10 余座城市在地鐵盾構(gòu)施工中發(fā)生過安全事故。鑒于施工環(huán)境和工法特點(diǎn)，盾構(gòu)施工面臨著諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)，在業(yè)內(nèi)公認(rèn)盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)源可概括為地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性、人等三類[2]。

①地質(zhì)因素。盾構(gòu)施工會(huì)遇到工程特性差異顯著的各類特殊地層（特別是與原地勘報(bào)告不同），進(jìn)而影響隧道（周邊環(huán)境）的安全。常見的特殊地層有軟硬不均地層、全斷面硬巖地層、富水砂層、含有害氣體地層等，這些特殊地層不僅影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，還給施工帶來不同程度的風(fēng)險(xiǎn)。

②盾構(gòu)機(jī)故障。盾構(gòu)機(jī)是大型施工機(jī)械，包含多套復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)。常見的故障包括盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)剛度不夠、千斤頂故障、主軸承密封失效、泡沫管堵塞、螺旋機(jī)扭矩不足、主軸承油管連接錯(cuò)誤、刀盤異常磨損、泥餅、噴涌、盾尾被擊穿等[2]。

③人員作業(yè)安全。盾構(gòu)施工機(jī)械化程度很高，但并不意味人員作業(yè)就絕對(duì)安全無虞。盾構(gòu)施工存在地面、地下多道工序，人員作業(yè)安全仍然是盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管控的重中之重。人員作業(yè)安全包括但不限于管片拼裝、渣土吊裝、電瓶車運(yùn)輸、軌行區(qū)管理、換刀作業(yè)、管片修補(bǔ)、遇到火災(zāi)和有毒氣體時(shí)的人員安全。

另外，地鐵盾構(gòu)工程因其走向位置，周邊建筑物和管線復(fù)雜，盾構(gòu)施工往往會(huì)穿越大量的建構(gòu)筑物和市政管線，風(fēng)險(xiǎn)極高，稍有不慎就可能造成建構(gòu)筑物變形過大或市政管線斷裂，釀成無法估量的嚴(yán)重后果。

4 盾構(gòu)工程質(zhì)量安全常見問題

雖然盾構(gòu)施工質(zhì)量安全管理水平穩(wěn)步提升，但仍存在一些常見問題[3]。常見質(zhì)量問題如管片拼裝質(zhì)量不高，存在明顯錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏，管片螺栓銹蝕或兩邊外露絲扣長短不一，管片修補(bǔ)工作普遍不到位，現(xiàn)場(chǎng)管片修補(bǔ)材料不符合方案要求，違規(guī)采用發(fā)泡聚氨脂進(jìn)行堵漏造成脆性較差，盾構(gòu)始發(fā)段及接收段未采取拉緊措施等。常見安全問題如始發(fā)方案未對(duì)反力架抗浮進(jìn)行驗(yàn)算，盾構(gòu)施工工程項(xiàng)目應(yīng)急預(yù)案（噴涌、盾尾失效等）缺乏可操作性，電瓶車防溜鉤無法鉤住軌道，起不到防溜作用，同步注漿壓力控制與方案不一致，盾尾、聯(lián)絡(luò)通道積水未及時(shí)抽排，風(fēng)管敷設(shè)過低，新風(fēng)沒有送入工作區(qū)，盾構(gòu)隧道修補(bǔ)作業(yè)時(shí)防護(hù)欄桿、腳手板、防護(hù)網(wǎng)安裝不到位，測(cè)試應(yīng)急照明不亮等。

5 質(zhì)量安全管控內(nèi)容

質(zhì)量安全管控的最終目的是建成“四無”盾構(gòu)隧道，即無破損、無滲漏、無錯(cuò)臺(tái)、無污染的精品隧道。其中最重要的考量因素包括隧道實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線的一致性、隧道的綜合防水能力（隧道成型質(zhì)量）、隧道的地面沉降控制（對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)）。這對(duì)質(zhì)量安全管控提出整體、全面、系統(tǒng)的要求，因此地鐵盾構(gòu)工程質(zhì)量安全管控思路應(yīng)該兼顧技術(shù)和管理、宏觀和微觀、行為和實(shí)體。

5.1 用好三項(xiàng)清單

一是危大工程清單。根據(jù)住建部37 號(hào)令，盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)機(jī)吊裝、起重機(jī)械安裝和拆卸工程都屬于危大工程，可以說危大工程的管理貫穿盾構(gòu)施工全過程。二是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)清單。盾構(gòu)施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)到達(dá)、盾構(gòu)開倉、盾構(gòu)機(jī)吊裝、空推段、穿越重大風(fēng)險(xiǎn)或復(fù)雜環(huán)境工程、區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道開口施工等。對(duì)于盾構(gòu)法隧道工程，在盾構(gòu)始發(fā)和接收階段所發(fā)生的工程事故占到總事故量的70%以上。三是風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查清單。對(duì)于盾構(gòu)施工的各類安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)進(jìn)行分級(jí)管控，制定符合實(shí)際的隱患排查治理清單，明確和細(xì)化隱患排查的事項(xiàng)、內(nèi)容和頻次，明確責(zé)任部門和責(zé)任人員，分級(jí)分類采取有效整改措施、驗(yàn)證銷號(hào)，落實(shí)閉環(huán)管理。

5.2 管好四道工序

一是管片制作、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、吊卸。按照地鐵施工及驗(yàn)收規(guī)范要求，對(duì)管片進(jìn)行嚴(yán)格進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收。規(guī)范粘貼傳力襯墊、彈性密封墊和止水膠條，管片運(yùn)輸、搬運(yùn)時(shí)要防止損傷邊角和防水裝置。管片存儲(chǔ)場(chǎng)地應(yīng)硬化，地面堅(jiān)實(shí)平整，管片內(nèi)弧面向上平放超過五層或側(cè)面立放超過三層時(shí)應(yīng)進(jìn)行受力計(jì)算。當(dāng)采用內(nèi)弧面向上的方法貯存時(shí)，各層墊木應(yīng)位于同一直線，兩條直線相交于管片圓心。當(dāng)采用鋼絲繩吊運(yùn)時(shí)，在繩索與管片刃角受力點(diǎn)必須用墊塊保護(hù)。

二是做好盾構(gòu)掘進(jìn)施工。根據(jù)設(shè)計(jì)軸線和當(dāng)前盾構(gòu)姿態(tài)信息，結(jié)合隧道地層情況，明確當(dāng)前盾構(gòu)掘進(jìn)指令。一般通過推進(jìn)系統(tǒng)幾組油缸的不同壓力來進(jìn)行調(diào)節(jié)掘進(jìn)方向，適當(dāng)調(diào)整推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)。當(dāng)盾構(gòu)處于水平線路掘進(jìn)時(shí)，為防止盾構(gòu)因自重而產(chǎn)生的低頭現(xiàn)象，應(yīng)使盾構(gòu)姿態(tài)保持稍微向上。采用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的偏差主動(dòng)通過盾尾間隙控制等方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

三是認(rèn)真做好管片拼裝。管片拼裝是盾構(gòu)工法的關(guān)鍵工序，管片拼裝質(zhì)量的好壞直接影響隧道結(jié)構(gòu)的使用功能和安全。拼裝操作要平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不能過大，以免造成管片碰碎、止水帶損壞，管片位置應(yīng)放正確，千斤頂要有足夠的頂力使管片不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。在拼裝中，主要是通過楔形管片的楔形量來計(jì)算出管片超前量的變化，選擇合理的管片拼裝點(diǎn)位來使楔形的管片擬合設(shè)計(jì)線路。

四是做好同步注漿和二次注漿。根據(jù)盾構(gòu)穿越地層及周邊建筑物情況，合理選擇“厚漿”或可硬性漿液作為同步注漿液。同步注漿要按照注漿量和注漿壓力進(jìn)行雙控，并根據(jù)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。二次注漿一般采用雙液漿，應(yīng)根據(jù)施工方案和現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)開展，避免漏注、遲注。

5.3 做好八項(xiàng)工作

①做好盾構(gòu)機(jī)的選型和日常保養(yǎng)

盾構(gòu)選型應(yīng)經(jīng)過專家論證，參考國內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例及相關(guān)的盾構(gòu)技術(shù)規(guī)范，按照“可靠性安全性適用性第一、技術(shù)先進(jìn)性第二、經(jīng)濟(jì)性第三”的原則，保證盾構(gòu)施工的安全、可靠。做好盾構(gòu)機(jī)的日常保養(yǎng)，刀盤螺栓和其它緊固件、主軸承密封、盾尾密封刷應(yīng)定期檢查更換，渣土改良及排渣系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)按時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

②做好盾構(gòu)始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)前應(yīng)通過深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結(jié)法等方式進(jìn)行端頭加固，加固體長度應(yīng)大于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度。高度關(guān)注盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)控制以及洞門密封形式，重點(diǎn)檢查基座是否存在變形或軸線偏離、洞門密封、簾布橡膠板安裝情況。盾構(gòu)始發(fā)反力架受力驗(yàn)算內(nèi)容除了強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)包括抗傾覆驗(yàn)算。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)軸線高程一般預(yù)留30mm 左右，并通過設(shè)置導(dǎo)軌防止始發(fā)栽頭。

③做好盾構(gòu)到達(dá)

從受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化的角度來講，盾構(gòu)到達(dá)比盾構(gòu)始發(fā)更為復(fù)雜，既要保證盾構(gòu)出洞時(shí)地層的穩(wěn)定性，也要確保按照設(shè)計(jì)軸線到達(dá)的過程中避免出現(xiàn)端頭塌陷、突泥涌水、沉降變形、管片擠壓滲漏等問題[4]。對(duì)于刀盤前方反力不足造成管片滲漏，常用的解決方式為用槽鋼拉桿進(jìn)行縱向拉緊。盾構(gòu)到達(dá)前后應(yīng)注重施作封水環(huán)，強(qiáng)化二次注漿，防止地下水順著盾殼前竄。

④做好盾構(gòu)掘進(jìn)

盾構(gòu)掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)控制是盾構(gòu)工程中最復(fù)雜的領(lǐng)域。重點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行檢查，實(shí)時(shí)對(duì)隧道成型質(zhì)量、隧道軸線偏差情況等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)地面及建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)進(jìn)行處置[5]。為了更好地控制施工質(zhì)量，保證施工安全，可采用RTK技術(shù)、全站儀以及測(cè)探儀等先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備來進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。

⑤做好吊裝作業(yè)

吊裝作業(yè)區(qū)必須核驗(yàn)地基承載力，防止吊裝荷載造成沉降引發(fā)吊車傾覆事故。吊裝時(shí)應(yīng)對(duì)始發(fā)井維護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體、管線，進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)（觀）測(cè)。吊車站位一般位于井口端頭或一側(cè)，宜靠近井口，吊裝半徑較小。需注意擋墻厚度和高度，必要時(shí)進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，擋墻背后回填土往往為薄弱環(huán)節(jié)。盾構(gòu)出土運(yùn)輸，應(yīng)配置相關(guān)信號(hào)司索工人，嚴(yán)格配合地面工人和地下工人。

⑥做好盾構(gòu)修補(bǔ)加固

地鐵盾構(gòu)管片修補(bǔ)一般是指對(duì)缺棱掉角、開裂破損處進(jìn)行修補(bǔ)，其中防止修補(bǔ)材料脫落和失效是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作。根據(jù)部分已運(yùn)營地鐵線路病害情況，存在運(yùn)營車輛振動(dòng)影響下發(fā)生修補(bǔ)材料脫落案例。修補(bǔ)材料強(qiáng)度應(yīng)不低于原管片并需滿足相關(guān)驗(yàn)收要求，尤其應(yīng)注重隧道拱頂?shù)男扪a(bǔ)，根據(jù)實(shí)際情況需要進(jìn)行植筋修補(bǔ)或者配置環(huán)氧樹脂。修補(bǔ)過程中應(yīng)設(shè)置專用平臺(tái)保障作業(yè)安全。

⑦做好軌行區(qū)管理情況

吸取近年來國內(nèi)發(fā)生的地鐵盾構(gòu)軌行區(qū)安全事故教訓(xùn)，必須將軌行區(qū)安全作為重中之重，確保進(jìn)入軌行區(qū)所有人（包括作業(yè)、測(cè)量、監(jiān)測(cè)、檢查、參觀等人員）知曉電瓶車通行時(shí)間。在洞口段封閉軌行區(qū)，跨軌道適當(dāng)位置設(shè)門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理，進(jìn)入軌行區(qū)作業(yè)要審批登記。作業(yè)人員進(jìn)入隧道需要橫跨軌道，應(yīng)佩戴反光背心。電瓶車不可載人，且在軌道行駛特別是在小轉(zhuǎn)彎半徑處應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行限速要求。盾構(gòu)軌行區(qū)內(nèi)電瓶車載重量大，加之線路存在縱坡，如果不采用防溜車和脫軌措施，則極易出現(xiàn)安全事故。常見的措施包括電瓶車車頭加裝氣動(dòng)防溜鉤、砂漏，軌道端頭設(shè)置車擋，盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車前、后設(shè)防撞梁。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)應(yīng)迅速放下防溜鉤或開閘放砂，連續(xù)鳴笛鳴哨或其他方式通知隧道內(nèi)作業(yè)人員躲避。

⑧做好險(xiǎn)情及應(yīng)急處置

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注掌子面土壓變化以及出渣情況，做好現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)、有毒氣體監(jiān)測(cè)、應(yīng)急照明測(cè)試等工作。制定應(yīng)急處置預(yù)案，配備足夠的應(yīng)急物資，定期開展應(yīng)急演練。加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及周邊沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警，做好施工影響區(qū)，預(yù)防路面塌陷工作。

6 特殊情況下管控措施

在盾構(gòu)法施工過程中常常要應(yīng)對(duì)一些特殊的工況，給盾構(gòu)法施工帶來額外的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

①小半徑曲線施工

盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線掘進(jìn)時(shí)隧道軸線控制難度大、糾偏困難，同時(shí)管片易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、開裂、破損、滲漏等。平面姿態(tài)控制是小轉(zhuǎn)彎半徑施工中的重中之重，推進(jìn)過程中可開啟鉸接裝置，有利于平面控制[6]。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中若出現(xiàn)了較大偏差，且左、右千斤頂行程差已達(dá)到極限，應(yīng)及時(shí)調(diào)整管片型號(hào)或粘貼軟木條，進(jìn)行左、右超前量制作。掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格遵循“走割線、保間隙、防偏移”的方針，盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)線路應(yīng)始終位于曲線內(nèi)側(cè)（約偏移30mm），形成反向預(yù)偏移，抵消管片脫出盾尾后向曲線外側(cè)的偏移。每次掘進(jìn)時(shí)分區(qū)分次伸縮油缸，減少千斤頂對(duì)管片的側(cè)向應(yīng)力，防止管片出現(xiàn)移位超限。

②上軟下硬掘進(jìn)

在上軟下硬地層中盾構(gòu)掘進(jìn)易導(dǎo)致刀盤（具）異常磨損、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難、螺旋機(jī)噴涌等問題，事先應(yīng)注重盾構(gòu)機(jī)選型和地質(zhì)補(bǔ)充勘察，并采用膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物等對(duì)渣土進(jìn)行改良。對(duì)上軟下硬地層的核心在于掘進(jìn)參數(shù)的精確控制和及時(shí)調(diào)整，嚴(yán)格遵循“低轉(zhuǎn)速、小貫入、穩(wěn)掘進(jìn)”的掘進(jìn)原則，明確各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)警值。對(duì)于磨損超限的刀具及時(shí)更換，不能以犧牲設(shè)備而盲目掘進(jìn)，避免產(chǎn)生更大的損失。掘進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減少總推力，調(diào)整土倉壓力略大于地層的靜止土壓力，協(xié)同匹配出土量、掘進(jìn)速度等參數(shù)，防止出現(xiàn)過大的地面沉降。嚴(yán)格做好渣樣分析，對(duì)花崗巖地層球狀風(fēng)化體以及明顯突變的地質(zhì)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。

③其它情況

對(duì)于全斷面巖層，可采用保壓掘進(jìn)，降低滾刀貫入度，減小巖塊體積，避免螺旋機(jī)被卡和出渣不暢。對(duì)于富水巖層，還應(yīng)采取有效措施，防止管片上浮。遇盾構(gòu)切樁，應(yīng)事先徹底檢查刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在刀具配置上配備足夠數(shù)量的滾刀或貝克刀，布設(shè)位置略高于其它刀具，同時(shí)掘進(jìn)速度要極慢，以確保連續(xù)切樁的安全性。遇其它障礙物，應(yīng)采用人工清障或機(jī)械清障，比如豎井開挖清障、定向爆破等。盾構(gòu)機(jī)穿越重要建筑物前，應(yīng)設(shè)置試驗(yàn)段檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的有效性，合理設(shè)置土倉壓力和掘進(jìn)速度，加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏。在盾構(gòu)穿越建筑物段，同步注漿使用厚漿或可硬性漿液，二次補(bǔ)漿使用水泥、水玻璃雙液漿，注漿要按照注漿量和注漿壓力進(jìn)行雙控，并根據(jù)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

7 結(jié)語

盾構(gòu)工程質(zhì)量安全管控是一個(gè)系統(tǒng)，既涉及危大工程等風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和處置，又包括工序銜接的質(zhì)量管控，是集結(jié)構(gòu)工程、機(jī)電工程、水文地質(zhì)、土力學(xué)等多專業(yè)融合的工程。因此必須整體把握、一體統(tǒng)籌推進(jìn)質(zhì)量安全管控，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的管控要點(diǎn)，強(qiáng)化管控措施，確保盾構(gòu)工程質(zhì)量安全全方位管控。