隧道掘進(jìn)機(jī)安全設(shè)計與應(yīng)用風(fēng)險評估

彭乃思，張 杰，周小磊，吳 昊，龔彭真

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著施工對機(jī)械化換人、智能化施工的要求越來越高，目前在鐵路、軌道交通、水電水利、煤礦巷道等領(lǐng)域?qū)λ淼谰蜻M(jìn)機(jī)的需求量逐步增長。作為地下空間隧道開挖的利器，隧道掘進(jìn)機(jī)的安全設(shè)計及應(yīng)用安全越來越為現(xiàn)場管理人員所需要。

1 掘進(jìn)機(jī)安全性分析

目前，針對掘進(jìn)機(jī)的安全研究主要集中在隧道結(jié)構(gòu)安全、地面構(gòu)筑物安全、人員安全等方面。伍天華[1]針對掘進(jìn)機(jī)施工中的擾動對既有樁基性能的影響進(jìn)行了技術(shù)研究；阮俊安[2]采用概率統(tǒng)計的方法對水下隧道結(jié)構(gòu)的健康進(jìn)行了安全預(yù)警值的研究；葉揚(yáng)春[3]就掘進(jìn)機(jī)穿越巖溶地層鄰近建筑物的施工風(fēng)險進(jìn)行了評估及控制。

根據(jù)GB/T 34560-2017《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 盾構(gòu)機(jī)安全要求》，盾構(gòu)中設(shè)置的安全裝置，應(yīng)滿足防護(hù)、警示要求，對超過設(shè)定值可能發(fā)生的危險零部件，應(yīng)裝設(shè)保險裝置，對動作順序有要求的裝置應(yīng)設(shè)計連鎖功能，同時安全適應(yīng)性需要滿足GB 要求。

1.1 從人員安全考慮

JTGF60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定：當(dāng)隧道超過150m，嚴(yán)禁使用自然通風(fēng)，必須要采用機(jī)械通風(fēng)的方式。在隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，降低隧道內(nèi)的有毒有害氣體和煙塵濃度，使隧道內(nèi)的空氣達(dá)到安全的標(biāo)準(zhǔn)[4]。在設(shè)計選取中，可以選取呼吸及電焊風(fēng)量、最低風(fēng)速風(fēng)量、消除瓦斯積聚風(fēng)量等所需要滿足各類施工條件的最大值，同時結(jié)合風(fēng)管的漏風(fēng)因素進(jìn)行考慮，后配套拖車尾端回風(fēng)風(fēng)速不能低于0.3m/s的要求。

根據(jù)GB/T 24555-2009《200m 氦氧飽和潛水作業(yè)要求》、JJ217-2014《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》及BS EN 12110：2014 《隧道掘進(jìn)機(jī)氣閘安全要求Tunnelling machines Air locks Safety requirements》要求，需要配置符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人艙等相關(guān)加減壓設(shè)施。

掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計中，各類型的掘進(jìn)機(jī)均配置有固定式及可移動的氣體檢測裝置如圖1 所示。

圖1 氣體檢測裝置圖

在檢測到危險氣體或其他氣體含量異常時，可通過上位機(jī)報警提示，如果氣體含量繼續(xù)升高，則會采取斷電等安全動作。掘進(jìn)機(jī)在不同濃度瓦斯下的處理方法，見表1。同時，各個系統(tǒng)的設(shè)計均考慮了緊急情況下可以保證人員安全的各類緊急動作，比如：泥水盾構(gòu)中的泥漿循環(huán)的球閥可以在緊急情況下自動關(guān)閉、土壓盾構(gòu)中的螺旋輸送機(jī)后閘門在緊急情況下可以自動關(guān)閉等[5]。

表1 瓦斯?jié)舛榷ㄖ导疤幚矸椒?/p>

在對人員安全要求更高的掘進(jìn)機(jī)上，可以進(jìn)行避險艙配置，在緊急情況下，作業(yè)人員可以進(jìn)入避險艙，通過艙內(nèi)的緊急通訊、環(huán)境保障系統(tǒng)和生存維持設(shè)施進(jìn)行必要的救援等待。

隨著掘進(jìn)機(jī)技術(shù)越來越成熟，目前的使用單位更強(qiáng)調(diào)人性化設(shè)計：涂裝上，針對不同功能分區(qū)進(jìn)行不同顏色區(qū)分，人員通道采用綠色、拼裝/吊裝區(qū)域黃黑相間提醒色，見圖2。功能上，對人員操作區(qū)域的可到達(dá)性和安全性要求也日趨具體，對元器件維護(hù)和更換過程中人員的安全也提出了具體的設(shè)計要求。

圖2 走道綠色涂裝圖和活動區(qū)域提醒色效果

1.2 從設(shè)備安全考慮

隨著地下空間的開發(fā)利用越來越廣泛，針對瓦斯地層隧道的需求量也越來越大，為了應(yīng)對瓦斯隧道，設(shè)計時采用了阻燃電纜、風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖、防爆照明等設(shè)計。同時，針對施工的通風(fēng)措施配置實(shí)時風(fēng)速監(jiān)測裝置，通過各類有效設(shè)計，配合現(xiàn)場的安全管理，為設(shè)備提供健康又安全的運(yùn)行環(huán)境。

隧道施工中，水平運(yùn)輸機(jī)車會出現(xiàn)溜車現(xiàn)象，如果發(fā)生此類情況，對運(yùn)輸機(jī)車和施工人員安全均會產(chǎn)生很大的危險。為此，除了加強(qiáng)運(yùn)輸車的自動和機(jī)械制動措施外，在掘進(jìn)機(jī)后配套拖車合適位置設(shè)置曼徹斯特門，防止溜車事故對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備造成更大的損失，也日漸為行業(yè)所使用。

作為一個自動化程度極高的特殊施工機(jī)械，掘進(jìn)機(jī)上具有溫度報警、煙霧報警、水幕噴淋等一系列安全配置，同時具備自動檢測及滅火功能、手動消防功能。當(dāng)報警裝置發(fā)出消防警報時，掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)將控制水幕消防啟動，同時可以通過上位機(jī)進(jìn)行手動啟動，即使信號傳輸出現(xiàn)問題，仍然可以人工控制消防水幕啟動。

對掘進(jìn)機(jī)的主軸承等關(guān)鍵部件，在選型最初就考慮了元器件的使用壽命。在掘進(jìn)時，掘進(jìn)機(jī)會挖掘不同地層，此時其承受載荷也不同，在不同的載荷下，根據(jù)Lundberg-Palmgren 法則：當(dāng)軸承在Si下作用Ni次至材料破壞，有公式如下。

其中，Li為當(dāng)應(yīng)力為Si時主驅(qū)動被破壞循環(huán)的次數(shù)。主軸承壽命計算時，將不同地層看作獨(dú)立條件i，對應(yīng)的主軸承疲勞壽命為Li，在該條件下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)了Ni，且Ni＜Li。

在掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計中，為了設(shè)備安全設(shè)置了諸多安全裝置。為了防止盾體的異常翻滾，盾體內(nèi)部設(shè)置有傾角傳感器，見圖3。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)盾體傾角異常時，會觸發(fā)上位機(jī)報警，提醒操作人員進(jìn)行姿態(tài)控制，如果超過極限設(shè)定，會立即停機(jī)，防止造成更大的設(shè)備故障；六自由度的管片拼裝機(jī)作為掘進(jìn)機(jī)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，一般設(shè)置有電氣限位和機(jī)械限位兩種功能，電氣限位對拼裝機(jī)的回轉(zhuǎn)設(shè)置1 個角度（一般為±190°），防止拼裝機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)造成管路和電纜出現(xiàn)受拉的情況，機(jī)械限位對回轉(zhuǎn)角度的設(shè)置為（±200°），當(dāng)電氣限位失效時，通過機(jī)械限位防止拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)超過此極限角度，見圖4；螺旋輸送機(jī)/主機(jī)皮帶機(jī)的工作狀態(tài)，也關(guān)系到掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行，一般情況下，位置開關(guān)的信號作為檢測各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否動作到位的關(guān)鍵點(diǎn)，只有其功能正常，設(shè)備才能良好運(yùn)行，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)未到達(dá)指定位置，上位機(jī)/操作臺界面則會出現(xiàn)異常色，提醒操作人員注意。管片運(yùn)輸裝置動作過程中會進(jìn)行聲光報警、皮帶機(jī)啟動運(yùn)行時進(jìn)行聲光提醒、拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)時聲光報警同時啟動……諸如此類的安全裝置，都在為了保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 盾體傾角儀

圖4 拼裝機(jī)限位裝置

如果出現(xiàn)電源突然切斷的情況，控制室的應(yīng)急電源會立即啟動，防止控制系統(tǒng)失效，同時設(shè)備設(shè)置的諸多蓄能器，會對需要緊急關(guān)閉的閥門進(jìn)行關(guān)閉，應(yīng)急發(fā)電機(jī)立刻啟動，進(jìn)行應(yīng)急供電，從而進(jìn)一步的保證設(shè)備、人員和地層的安全。

1.3 從施工安全考慮

在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作時，對出渣量的控制是掘進(jìn)工藝參數(shù)控制的重要一環(huán)，如果對出渣量把握不好，將會直接影響到掘進(jìn)機(jī)的工作效率，出渣過多會造成渣土超方[6]，進(jìn)而影響土建的安全，其中佛山地鐵2 號線施工時，因超挖造成了十余人死亡的重大責(zé)任事故。為此，各施工項(xiàng)目，采用了不同的方式對出渣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[7]。在各類機(jī)型設(shè)計過程中，開挖渣石體積的自動測量系統(tǒng)，也日益成為一個標(biāo)準(zhǔn)的配置需求。

注漿是將漿液注入地層中，漿液凝固后對松散的土質(zhì)或裂隙巖層進(jìn)行填充。作為一個最常用的輔助方法，注漿效果的好壞，直接決定了施工質(zhì)量和施工安全。由于掘進(jìn)機(jī)的施工不同于其他工程設(shè)備，其工作介質(zhì)為未知的前方地層，由于地質(zhì)勘探的局限性，其不能完全準(zhǔn)確地預(yù)報地質(zhì)，如果遇到斷層破碎帶、巖溶等地質(zhì)，會引發(fā)涌水、坍塌、建筑傾覆等重大事故。為此，注漿率的自動檢測和超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，目前也是相關(guān)科研院所的技術(shù)更新方向。

從施工安全角度來說，尤其是在帶壓作業(yè)的時候，土艙壓力值的設(shè)置是進(jìn)艙作業(yè)的關(guān)鍵，土艙氣壓值既要滿足規(guī)定，還要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行專業(yè)分析，可以按照以下公式進(jìn)行計算，即艙內(nèi)壓力為

式中P——工作氣壓值，bar；

K——實(shí)際注漿效果；

γ水——地層含水量的重度，kN/m3；

h水——帶壓進(jìn)艙的實(shí)際壓點(diǎn)高度，m。

在進(jìn)行計算后，得到可以安全工作的氣壓，之后借助壓縮空氣法進(jìn)行相關(guān)的帶壓作業(yè)。

在掘進(jìn)機(jī)智能控制和數(shù)據(jù)融合越來越為行業(yè)普遍接受的今天，為了減少人員操作對掘進(jìn)的影響，有些掘進(jìn)機(jī)配置了“一鍵啟動”功能、輔助轉(zhuǎn)向功能、自動注漿量控制、泥水平衡自動控制、盾尾間隙測量、開挖倉可視化等功能，通過設(shè)備的自動控制，來有效地保證掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)及各參數(shù)維持在合理區(qū)間。同時，越來越多的掘進(jìn)機(jī)也通過配置智能運(yùn)維系統(tǒng)提高設(shè)備的維護(hù)率，降低設(shè)備維保工作對人員的要求[8]。

2 掘進(jìn)機(jī)施工安全風(fēng)險評估

掘進(jìn)機(jī)施工的特點(diǎn)明顯，工藝點(diǎn)繁多，涉及的風(fēng)險因素多，且很多具有極強(qiáng)的隱蔽性，因此需要進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)施工安全風(fēng)險評估[9]。

按照風(fēng)險核對表的做法，對掘進(jìn)機(jī)施工中的安全風(fēng)險按照違規(guī)操作、設(shè)計問題、保養(yǎng)過失、管理過失、設(shè)備損壞、施工工藝等方面進(jìn)行分類歸納。同時按照風(fēng)險因素分類，將各風(fēng)險因素進(jìn)行分類整理，見表2。

表2 掘進(jìn)機(jī)施工安全風(fēng)險因素

為了更準(zhǔn)確地對各風(fēng)險因素進(jìn)行權(quán)重的計算和分析，本文通過發(fā)放調(diào)查問卷的方式對掘進(jìn)機(jī)行業(yè)的一線施工人員、資深設(shè)計人員和長期在現(xiàn)場從事掘進(jìn)機(jī)服務(wù)的人員進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研發(fā)放問卷30 份，回收30 份。調(diào)查問卷的設(shè)計如表3 所示。

表3 掘進(jìn)機(jī)施工安全風(fēng)險調(diào)查問卷

通過對問卷進(jìn)行統(tǒng)計，取每一項(xiàng)賦值的平均值作為風(fēng)險評價依據(jù)，如表4所示，得到風(fēng)險重要相對性評判矩陣。

表4 掘進(jìn)機(jī)施工安全風(fēng)險重要性評判矩陣

根據(jù)層次分析方法，進(jìn)行和積法進(jìn)行風(fēng)險權(quán)重計算。

整理得風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重見表5。

表5 各類指標(biāo)權(quán)重值

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)施工的安全風(fēng)險，最大的來源是操作風(fēng)險，這說明施工中需要嚴(yán)格注意操作司機(jī)和其他作業(yè)人員操作的規(guī)范性，現(xiàn)場需要加強(qiáng)培訓(xùn)及人員管理，同時在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計中，需要注意加強(qiáng)自動化系統(tǒng)配置，最大程度減少人為因素對設(shè)備安全風(fēng)險的影響。

對掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計來說，設(shè)計問題引起的安全風(fēng)險僅低于違規(guī)操作的權(quán)重，掘進(jìn)機(jī)設(shè)計師應(yīng)緊密貼合現(xiàn)場實(shí)際需要，通過加強(qiáng)安全、人性化、標(biāo)準(zhǔn)化等設(shè)計因素評審，減少無效的設(shè)計，通過設(shè)計水平的提高，極大可能地避免掘進(jìn)機(jī)施工中的安全風(fēng)險。

保養(yǎng)問題和管理過失對掘進(jìn)機(jī)的安全施工來說，也是一個較為重要的影響因素，為此需要按照設(shè)備的設(shè)計要求按時定期的保養(yǎng)，同時可以針對性的配置智能運(yùn)維系統(tǒng)，來降低保養(yǎng)和管理失誤造成的掘進(jìn)機(jī)安全風(fēng)險。

設(shè)備損壞和施工工藝因素造成的風(fēng)險權(quán)重，屬于安全施工中可接受的影響范圍，需要在日常工作中加強(qiáng)備品備件管理，保證備品備件及時供應(yīng)，同時加強(qiáng)施工工藝的指定審查和全面交底，加強(qiáng)監(jiān)控管理，完善完備各類緊急安全情況的預(yù)警方案。