隧道施工安全風險管理研究

秦凱

摘要 過江水下隧道是開展健康監(jiān)測系統(tǒng)升級改造工程的大直徑盾構隧道，存在施工條件復雜、綜合布線難度大以及傳感器安裝要求難以滿足等問題。文章通過在廊道層和行車層觀察目標管片環(huán)的外露環(huán)縫位置，推測整環(huán)的拼裝形式，經分析比較，提出以角鋼焊接支架作為支點、橋架側立安裝的實施方式。實踐證明該方法克服了隧道后期檢修時蓋板打開困難的難題，且最大限度地降低了線纜布設侵占隧道凈空的程度，安裝質量可控。

關鍵詞 水下隧道；盾構施工；風險分析

中圖分類號 U415.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0141-03

0 引言

進入21世紀以來，隨著我國經濟實力的增強，大力建設交通基礎設施對國民經濟具有基礎性和先導性的戰(zhàn)略意義。在這個時代，交通基礎設施建設迎來了新的戰(zhàn)略機遇期。然而，交通擁堵和環(huán)境污染問題日益嚴重，現代社會迫切需要尋求相關的交通設施項目，以促進資源的合理利用。因此，發(fā)展地下空間建設已逐漸成為城市建設的主流。與其他交通方式相比，隧道工程項目在減少土地利用、保護生態(tài)環(huán)境、減少氣候影響等方面具有顯著優(yōu)勢，越來越多地應用于城市建設項目中[1]。截至2021年底，中國已有50多個城市運營城市軌道交通線路，總里程7 562.62 km，其中8 563.73 km，占78.9%。

因此，建設大直徑過江水下隧道不僅是現階段的重點研究方向，也是我國交通基礎設施建設的必由之路。隧道下穿采空區(qū)時，應根據拱頂與采空區(qū)底板的距離進行采空區(qū)危害評價，并采用加強超前支護和加強襯砌結構的處治措施。隧道正穿采空區(qū)時，在加強支護的基礎上，必要時還應進行超前注漿以防老窯突水等問題[2]。隧道上跨采空區(qū)時，應加強整個采空區(qū)移動盆地影響范圍內的基礎處理，基地注漿、設樁跨越等均為較有效的處治方式。除了上述優(yōu)點外，水下隧道還具有受外部干擾較小、不影響航行等獨特優(yōu)點。它們對于節(jié)約城市空間和促進可持續(xù)城市建設具有重要的里程碑意義。基于上述優(yōu)勢，中國正在不斷加快水下隧道建設，項目數量正在快速增長。

1 工程概況

泉州甌江南口過江隧道位于泉州市域鐵路S3線黃山站至靈昆站區(qū)間。其設計范圍為正線里程DK47+770.72～

DK52+653.21，過江隧道全長4 882.49 m。其中，DK47+

770.752～DK48+085范圍為江北開放段；DK48+085～DK48

+570為江北埋管段；DK48+570～DK49+200為江北礦區(qū)

段；DK49+200～DK49+240范圍為江北工作井；DK49+

240～DK51+904.6段采用盾構法施工；DK51+904.6～DK51

+928.4為江南工作井；DK51+928.4～DK52+315為江南埋管段；DK52+315～DK52+653.21為江南開放段。

1.1 地理位置及地形、地貌

福建屬于華南褶皺系，周圍構造復雜：泉州中部被區(qū)域性泉州－鎮(zhèn)海斷裂貫穿，淳安－泉州NW斷裂穿過溫州北部，與泰順－黃巖斷裂NW側呈NE向相交[3]。受上述構造的影響，泉州主要構造格架的組成取決于北部和東部兩側斷層的影響，但由于位于第四系地層之下，對工程建設影響不大。

1.2 工程地質條件

1.2.1 地層巖性

根據構造分析和現場勘查資料，對擬建項目區(qū)的地層按形成原因進行了分類。典型土層如下：

（1）種植土壤和素填土（mlQ4）；顏色為灰黃色，土壤一般疏松而濕潤，主要由黏性土組成。土層中含有大量的植物根系，其厚度約為0.4～0.7 m。

（2）黏土（al+IQ4）：顏色以灰黃色為主，整體呈軟塑狀。土壤中含有大量腐爛的植物和鐵錳氧化物，干強度和韌性處于中等水平。土層剖面相對光滑。該土層廣泛分布于擬建新建工程區(qū)域[4]。該層高程為0.97～1.46 m，埋深0.4～0.8 m，層厚1.4～2.5 m。進行了16次標準貫入試驗，測量結果顯示平均錘擊次數為3.86次。

（3）粉土（mQ2）：顏色以淺灰色為主，具有較高的流動塑性。土壤中含有少量貝類碎屑、有機物和殘余碎屑。在一些地區(qū)，有一層薄薄的淤泥。土壤剖面相對光滑，具有較高的干強度和韌性。該土層廣泛分布于擬建新建工程區(qū)域。層標高?1.17～?0.35 m，層埋深2.1～2.9 m，層厚1.5～4.3 m。

1.2.2 構造學

第四系松散堆積層位于擬建項目區(qū)構造之上，受構造因素影響較小。經過對擬建項目區(qū)域一定深度范圍內的勘察，發(fā)現該區(qū)域不存在斷裂、褶皺等常見構造。

1.3 水文地質條件

擬建的新項目所在區(qū)域屬于甌江水系，流經的一條支流，其水位、流速等數據受氣候影響較大。福建省第二大河九龍江為山溪型河流，干流發(fā)源于仙霞嶺，在泉州市注入東海泉州灣。干流全長388 km，流域面積近1.8×104 km2。20世紀80年代之前，泉溪以下的干流受到潮汐的嚴重影響。20世紀80年代以后，該流域的潮汐邊界受到了人們生產活動的極大影響，潮汐影響范圍涉及了泉溪上游的青田河城鎮(zhèn)（近20 km）。

1.3.1 地表水

擬建項目區(qū)位于海洋平原區(qū)，河道縱橫交織，寬度25～30 m。水深0.9～1.6 m（2016年12月26日測得），流速較小，以天然岸坡為主。新建項目區(qū)的地表水主要由附近的河流和溝渠組成，水流較大，在枯水期排入附近水域。地下水將流入河流或溝渠，以補充地表水。

1.3.2 地下水類型、埋藏條件及其變化特征

（1）地下水分布概況。根據含水層介質、湖泊水動力特征和地下水利用等因素，施工區(qū)與工程有關的地下水可分為兩類，分別是地表水和孔隙水。

孔隙潛水主要分布于第四系全新統(tǒng)沖湖積層②黏土層、全新統(tǒng)海相沉積物③粉土層、③粉土夾砂層、④粉土層、⑤泥質黏土層、⑥黏土夾砂層、⑦黏土層、⑧粉土層。該研究對施工區(qū)上層粉土夾砂、下層淤泥質黏土、黏土夾砂、黏土等原狀土層進行室內滲透性試驗。

（2）地下水動態(tài)變化規(guī)律。地表水和孔隙水之間的相互作用很強，但兩者之間的關系不如基巖裂隙水之間的關系密切。此外，降雨、蒸發(fā)和植物蒸騰也會對其產生一定影響。一般來說，地表水在降雨量充足的時期補充地下水，而地下水在降雨量稀少的時期也補充地表水。

1.4 關鍵施工技術

防火板覆蓋條件下的環(huán)縫測縫計定位技術是施工關鍵技術。隧道行車層的弧形頂面全部密貼防火板，且防火板接縫與盾構管片接縫不對應。根據設計要求，測縫計需要安裝在環(huán)縫或縱縫處，測縫計定位問題成為項目難點。針對相關問題，以既有外露接縫為基準，參考設計圖紙并復盤管片環(huán)拼裝形式和管片位置，提出根據管片內弧長推導管片環(huán)接縫位置的定位方法。該方法簡述如下：

（1）系統(tǒng)梳理隧道施工階段管片拼裝方式。根據前期設計圖紙，管片拼裝根據封頂塊位置不同有5種方式。

（2）分別在廊道層和行車層觀察目標管片環(huán)的外露環(huán)縫位置，并推測整環(huán)的拼裝形式，現場查看對應管片環(huán)縱縫。

（3）在目標管片環(huán)下方路面安裝激光定位儀。激光定位儀實物及現場定位作業(yè)，定位儀垂直于行車方向向上打出1道環(huán)形激光，從而準確定位該環(huán)管片縱向所在位置，方便在綠光沿線尋找環(huán)縫位置。

2 水下盾構隧道施工安全風險分析

2.1 水下盾構隧道施工物風險分析

材料和設備檢查是確保機械設備正常運行和施工步驟有序進行的必要準備。對材料和設備的安全性能全面檢查，有助于發(fā)現機械設備中的缺陷和隱患，制定預防措施，使設備性能保持良好的工作狀態(tài)，減少維護和修理時間，提高設備使用周期，確保設備的正常運行，提高了施工效率。

機械設備故障是導致施工事故的常見原因，如盾構機機身滾動問題、風機故障、鑿巖機水壓問題、攪拌機故障和盾構尾部漏漿。由于外部因素對水下盾構隧道施工的影響越來越大，機械設備故障很容易發(fā)生，與傳統(tǒng)隧道相比，設備維護更為困難。材料設備的維護保養(yǎng)是降低材料風險的基本保障，機械設備的日常維護保養(yǎng)有利于施工作業(yè)和安全生產的順利進行。因此，對機械設備定期維護十分重要。確保零部件材料的質量是預防風險的關鍵。嚴格執(zhí)行零部件材料管理制度，合理科學地安排采購、加工、儲存、運輸等關鍵環(huán)節(jié)；完善材料驗收制度和儲存保管制度，妥善安排施工材料，避免材料損耗、腐蝕和變質等。

2.2 水下盾構隧道施工人工操作風險分析

根據不同土層的地質條件，制定完整的壓力下開啟和更換工具的操作計劃。換刀操作時要嚴格檢查刀具質量，確保刀具有余量和容量儲備。在水域下方挖掘時，應避免更換工具或停止機器檢查等危險操作，并盡量選擇更好的地質條件打開和更換工具。

密封裝置處理不當通常會導致隧道門底部密封失效、始發(fā)井出水量激增、泥漿罐壓力異常以及循環(huán)系統(tǒng)故障。此時，由于密封無法保證正常施工的安全，無法繼續(xù)滿足泥水平衡，導致地下水和土壤大量流失和不穩(wěn)定，導致地表沉降增加甚至坍塌。

千斤頂的選擇是盾構隧道設計的關鍵之一，每個千斤頂的推力和數量是確定設計方案的關鍵。所用千斤頂的數量因橫截面的大小而異。在盾構施工過程中，應確保千斤頂組的推力大于正前方土層的阻力，以確保盾構施工的正常進行。如果不選擇合適的千斤頂，當盾構隧道土層前方的阻力過高時，極有可能導致表面隆起和其他現象。

2.3 水下盾構隧道施工自然環(huán)境風險分析

水文地質條件是產生自然環(huán)境風險的一個重要因素。在不良地質條件下施工過程中發(fā)生事故的概率顯著增加。地面塌陷、涌浪、隧道坍塌等常見工程事故的直接或間接原因均為不良地質條件。隧道中常見的不良地質現象包括富水斷層破碎圍巖、膨脹巖、壓縮巖、黃土地質、巖溶地質和巖爆現象。

隧道施工對地下管網和周圍建筑物的影響很大，是隧道施工中需要考慮的關鍵因素之一。當施工超出施工邊界或造成重大擾動時，會發(fā)生大量工程事故，對天然氣管道、供水管道等地下管道或其周圍的重要建筑物造成不同程度的擾動或損壞。

工作環(huán)境是威脅施工人員安全的主要因素之一。風險源主要來自周圍機械設備處置或操作不當，如觸電、高空墜物、坍塌、火災、中毒和窒息等。施工區(qū)域的侵蝕情況與水下盾構隧道施工的進度和數量有關。在開始施工之前，應對流域內的侵蝕量和海岸結構的變化趨勢進行現場測量和監(jiān)測。

3 隧道施工安全風險評估及應對措施

3.1 人工操作風險應對措施

通過現場反饋，動態(tài)調整和平衡土壓力，使盾構掘進過程中螺桿機開挖的土方量與設計環(huán)節(jié)計算值的理論值相匹配，嚴格保證盾構姿態(tài)處于正常狀態(tài)，減少超挖和欠挖現象。在盾構掘進過程中，定期對測量基站進行校準和復核。如果在盾構掘進姿態(tài)中發(fā)現偏離設計值等異常情況，應及時停機驗證，確保盾構掘進機的掘進路線與設計軸線一致。

根據地質條件優(yōu)化刀盤速度、螺旋輸送機速度、正向挖掘速度和推力等參數。當盾構掘進通過復雜不均勻的土層時，應適當放慢盾構掘進的前進速度，以提高刀盤切割土壤的效率，最大限度地減少開挖過程中來自土壤前部的阻力，并向工作面前部注入不易固化且具有潤滑性的特殊土壤，減少土壤摩擦力，節(jié)省能源消耗，使推進更加平穩(wěn)。在易形成泥餅的黏土土層中進行盾構掘進時，應實時監(jiān)測盾構掘進速度與土壤輸入的比值，以控制工作面前方的土壤失穩(wěn)和損失。此外，在安裝拱底塊管片之前，有必要確保盾構外殼底部的清潔度，以防止異物干擾管片并導致盾構掘進姿勢發(fā)生偏差。

3.2 盾構段隧道涌水風險應對措施

該工程區(qū)間采用盾構法施工，必須在盾構機推進的同時進行同步注漿作業(yè)。材料配合比必須使用主要由水泥、粉煤灰、膨潤土和沙子組成的可硬化漿液。灌漿效率、施加的壓力和位置必須滿足現場施工的要求。

盾構隧道通過水域施工時，應遵循“勻速連續(xù)”的原則。穿越前應加強設備維護，仔細檢查切割頭的磨損情況，并提前更換切割工具。在水域下方挖掘時，應避免更換刀具或停止機器進行檢查等危險操作。要對盾構隧道上方河流表面異常情況的實時監(jiān)測，當發(fā)現水面漂浮異常氣泡甚至大面積泥漿時，應及時準確判斷情況的嚴重程度，適當降低掌子面前方的泥漿壓力和泥漿中水分的比例，同時提高泥漿的黏度，提高關鍵施工工序的效率，盡快過水。屏蔽尾部是防水關鍵，密封失效會造成災難性后果。此外，嚴格控制盾構機尾部的水封壓力，更換密封刷時嚴格控制灌漿質量，防止?jié){液流出。

3.3 水下盾構隧道掌子面失穩(wěn)風險應對措施

在軟弱地層中進行盾構施工，需要對施工現場的水土條件和整個地區(qū)的水文地質條件進行詳細分析。根據現場實際情況，制定相應的施工方案，優(yōu)化開挖參數。在開挖過程中，應及時調整盾構機的工作效率和螺桿機的開挖量，同步灌漿時應控制匹配壓力和灌漿量。制定科學合理的監(jiān)測和測量計劃，對開挖前、開挖中、開挖后的變形和沉降進行監(jiān)測和測量，并根據監(jiān)測結果調整和優(yōu)化盾構施工參數。

在水下盾構施工過程中，控制隧道表面的土壓力和水壓力是確保施工安全的重要保證。合理控制泥漿水比重、泥漿水黏度、含砂量、泥漿水比、降水量等參數，確保掌前土壤的可塑性，從而實現土壤的安全、穩(wěn)定和切割。

4 結語

該文根據人員風險、物質風險、人工操作風險、自然環(huán)境風險、人類和社會環(huán)境風險以及風險指標的重要性，總結了主要風險應對措施和次要風險應對措施，為泉州甌江北口跨江隧道施工安全風險評估奠定了工作基礎。

參考文獻

[1]王焰. 城際鐵路大直徑泥水盾構施工風險及對策——以佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程為例[J]. 隧道建設（中英文）， 2019（6）： 983-988.

[2]陳建芹， 馮曉燕， 魏懷， 等. 中國水下隧道數據統(tǒng)計[J]. 隧道建設（中英文）， 20211（3）： 483-516.

[3]劉建航， 侯學淵. 盾構法隧道[M]. 北京：中國鐵道出版社， 1991.

[4]孫謀， 譚忠盛. 盾構法修建水下隧道的關鍵技術問題[J]. 中國工程科學， 2009（7）： 18-23.