狮子洋隧道盾构施工危险源分析及对策

郑清君

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450003)

0 引言

随着经济和社会的发展，我国大直径水下盾构隧道工程越来越多，大直径、长距离、高水压、地质复杂是盾构施工技术发展的方向;而施工中面临的各种安全风险环境也越来越严峻。施工安全管理关系到整个工程的成败，特别是在水下软硬不均地层、破碎地层、高水压强渗透环境地层中大直径泥水盾构施工，给我们提出了更严峻的挑战。

关于盾构施工中危险源分析，多侧重于盾构施工关键技术方面、安全技术措施或风险理论分析研究。文献［1］总结分析了狮子洋隧道主要技术难点和重点开展的科研项目;文献［2］详细研究了常压进仓地层加固技术、带压进仓基本知识、泥水盾构和土压盾构带压进仓等富水砂卵石地层盾构施工关键技术;文献［3］解决了富水砂卵石地层中带压换刀技术气密性难题，采用复打空心桩替代常规坚井，克服了带压进仓动火作业的风险;文献［4］研究了繁华城区大直径泥水盾构掘进沉降控制;文献［5］总结分析了广州地区复杂变化地质条件下盾构施工风险及主要的风险控制技术;文献［6］采用模糊综合评价法，对盾构隧道人员进仓作业危险性进行分析研究和评价;文献［7］对粉细砂地层盾构施工进行风险分析并制定应对措施，总结了土压盾构施工中可能遇到的涌水、涌砂等施工风险;文献［8］介绍了土压平衡盾构机过江施工中盾尾防漏浆措施;文献［9］对上软下硬特殊地层中旋喷桩辅助工法加固后进仓作业进行了研究;文献［10］对富水软弱地层浅埋大直径泥水盾构泥水循环管理及控制进行了研究，分析了防止管路及仓内底部吸口堵塞措施;文献［11］研究归纳了地铁盾构工程事故的类型及特点，重点分析了盾构隧道施工的11种主要风险，详细介绍和剖析了国内外盾构隧道施工事故案例;文献［12］通过对狮子洋隧道风险源的分析和风险辨识，进行了风险的严重度和概率水平评分，应用风险评估矩阵表进行危险水平的评级，确定了工程施工期主要风险源及风险等级。而关于水下大直径泥水盾构施工应急措施和针对性安全控制研究很少。本文针对狮子洋隧道盾构施工中重大危险源进行了盾构施工无辅助工法条件下带压进仓、常压进仓、泥水系统、盾尾密封等危险源分析，制定了针对性的应急措施和安全控制要点，施工现场可操作性强，以期为水下大直径泥水盾构施工提供指导和参考。

1 工程概况

狮子洋隧道是广深港铁路客运专线的控制性工程，下穿珠江主航道——狮子洋水道。隧道工程全长10.8 km，盾构段长9 340 m，最大纵坡20‰，最小纵坡3‰，设计时速350km，是我国首座水下铁路盾构隧道。首次在软硬不均地层和岩层中采用大直径气垫式泥水盾构施工。投入4台直径φ11.18 m气压调节式泥水平衡盾构机，采用“相向掘进，地下对接，洞内解体”方式组织施工。盾构隧道采用预制拼装式管片衬砌，管片采用“5+2+1”双面楔形通用环管片，错缝拼装。管片内径9.8 m、外径10.8 m、管片环宽 2.0 m。

狮子洋隧道分为进出口2个标段，中铁隧道集团承担狮子洋隧道出口SDIII标段的施工任务，左线长4 450 m，右线长4 750m，SDIII标2台盾构机从狮子洋隧道东莞侧出口盾构井始发。在完成SDIII标段掘进施工任务后，向进口方向掘进，共完成狮子洋盾构隧道出口段左线隧道5 200m、右线隧道5 168m施工，在狮子洋底与对面标段盾构对接后在洞内将盾构解体。

2 工程地质和水文地质

根据定测物探、钻探成果资料，未揭示到大的断裂破碎带，存在2处范围较窄的物探异常带，钻探结果表明存在2处各100 m左右的基岩风化面凹槽及软弱夹层段，且裂隙较发育。

盾构隧道大部分处于微风化砂岩、砂砾岩中，局部位于淤泥质与粉质黏土中，部分地段穿越软硬不均地层。盾构隧道穿越基岩的最大单轴抗压强度为82.8 MPa，基岩的渗透系数达6.4×10－4m/s，基岩的石英体积分数最高达55.2%，岩石地层的黏粉粒(≤75 μm)体积分数为26.1% ～55.3%。狮子洋隧道水深26.6m，设计水压达0.67MPa，地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系基岩(红层)裂隙水，且具承压性。

3 盾构施工重大危险源分析

3.1 带压进仓及常压进仓相同危险源分析

在软硬不均地层、破碎地层、高水压强渗透环境地层中盾构反坡施工时，因刀具磨损或损坏等原因，致使带压进仓更换刀具作业频繁，且均是在无辅助工法(超前注浆、提前加固地层)条件下进行，安全风险大。

1)对掌子面不能超前注浆或提前加固，掌子面泥膜破坏或地层扰动致使掌子面失稳。

2)对掌子面不能超前注浆或提前加固，掌子面出现局部坍塌，涌水涌砂。

3)刀盘仓液位上涨较快，致使仓内人员无法出仓。

4)盾构反坡掘进，进仓作业期间从仓内排至盾构隧道内的积水无法及时抽排出盾构隧道，积水液位超过安全要求致使盾构机拖车上电器、配电箱等设备被淹而无法供电。

5)泥水仓门或气垫仓门不正常关闭致使仓内人员无法打开仓门出仓。

3.2 常压进仓与常压进仓有针对性的危险源分析

1)带压进仓:长时间段内超负荷、高强度、频繁带压进仓作业人员出现不适现象，未及时治疗致使病情延误或病情急剧加重。

2)常压进仓:①吸入有害气体、缺氧、超负荷进仓作业人员出现不适现象，致使发生高空坠落、中毒等伤害;②进仓前或进仓时通过检测发现有害气体超标或氧气含量不足。

3.3 泥水循环危险源分析

1)因泥浆管过度磨损或误操作引起高压泥浆管爆裂，致使高压泥浆喷出。

2)未严格泥水系统各闸阀的常规检测和检查，发现压力等参数超标后未及时调整。

3.4 盾尾密封失效危险源分析

盾构掘进为下坡施工，若工作井内和盾构机上排污能力不足，一旦发生盾尾突泥透水、隧道外涌水，将短时间淹没盾构。

1)盾尾密封系统不可靠或长时间磨损致使盾构内涌水或沉降;施工中未能及时添加油脂或更换盾尾密封件，以致盾尾密封失效;如果盾尾密封失效，极端严重的情况下会因大量地下水、泥砂的涌入而将隧道淹没，造成毁灭性灾害。

2)操作不当致使盾尾异常变形、盾构机过度旋转、更换盾尾密封装置时导致突水突泥。

3.5 有轨运输危险源分析

车辆行驶、人员上下车、溜车、碰撞等造成人员伤害;有轨运输设备掉道或作业人员违章搭车所造成的伤害;机车运行、机车操作人员瞭望不够，机车对进入线路限界测量、清淤等作业对施工人员造成伤害。

3.6 管片安装危险源分析

管片安装机突然停电或故障;管片安装机、管片吊机真空吸盘失效;管片失控坠落对人体造成伤害。

4 规避盾构施工重大危险源的技术对策

4.1 带压进仓和常压进仓

4.1.1 相同的技术对策

1)进仓作业人员在仓内如果出现不适现象，应第一时间撤出仓外，避免不适人员发生高空坠落、中毒等伤害，甚至因病情急剧加重致使无法顺利、安全出仓。

2)若进仓时仓内向外的排水无法及时抽出盾构隧道且盾构隧道内积水液位上涨快，无论是掌子面出水量增大，还是仓内、仓外抽水设备出现故障，主控室值班人员都应立即通知仓内人员携带工具(材料)出仓，同时关好各仓门，避免盾构隧道内的积水超过安全要求致使盾构机拖车上电器、配电箱等设备被淹而无法供电。

3)泥水仓有人作业时应确保泥水仓门和气垫仓门处于开启状态，气垫仓内有人作业时应确保气垫仓门处于开启状态，避免泥水仓门或气垫仓门不正常关闭致使仓内人员无法打开仓门出仓。

4)进仓作业时，只允许盾构主司机进行操作，仓内作业人员要求转动刀盘或其他操作时，由仓外现场负责人对主司机下达操作命令，主司机必须反复确认命令是否正确，避免因误操作或沟通不畅造成安全事故。

5)仓内作业时应保证作业行走通道的畅通，避免遇到紧急情况时无法及时出仓。

6)泥水仓、气垫仓作业时应规范施工，杜绝上、下方交叉施工，避免使用的工具、材料等坠落伤人。

7)刀具工程师根据总体规划，结合近期盾构机的掘进报告，与土木工程师、掘进司机及时沟通，确定合适的开仓地点和时间，避免因开仓地点选择不当致使掌子面失稳、坍塌、涌水涌砂等造成安全事故。

4.1.2 带压、常压进仓针对性对策

1)常压进仓作业时，若发现掌子面有失稳征兆或掌子面出现部分坍塌、涌水涌砂后，以距仓门距离先后为顺序，所有仓内作业人员第一时间携带工具(材料)撤回工作仓或应急仓内，同时按顺序立即关闭泥水仓门和气垫仓门后及时出仓，避免因应急反应慢、措施不力、关仓顺序错误等致使人员不能及时出仓而造成事故，避免因未关好仓门而致使盾构隧道内的积水超过安全要求。

2)带压进仓作业，加压时或仓内作业时专人关注掌子面的情况和水位的变化，发现掌子面(失稳)坍塌或涌水涌砂、刀盘仓液位上涨较快现象，所有作业人员应携带工具(材料)第一时间撤回工作仓或应急仓内，同时按从内向外顺序立即关闭泥水仓门、气垫仓门，然后通过减压程序出仓，避免因应急反应慢、措施不力、关仓顺序错误等致使人员不能及时出仓或无法出仓。

3)带压进仓作业不适人员出仓后经观察若病情未好转，应立即外送治疗，避免未及时治疗致使病情延误或病情急剧加重。

4)带压进仓人员减压期间出现压缩空气病症或其他病症，应立即停止减压，维持当时压力状况，直到病症消失;几min以后如果病症没有消失，将仓内压力升至原来的位置并减压，避免因病情急剧加重致使无法顺利出仓。

5)带压进仓人员出仓后如出现不适现象，应立即通知值班医生，在洞内应急仓或备用减压仓内减压或治疗，避免病情延误或病情急剧加重后致使出现人员伤亡。

6)常压进仓前经检测若有害气体超标/氧气含量不足，应立即启动盾构机上的空压机，通过通风管在泥水仓通风口向仓内通风，以达到向外置换气体的目的。有害气体和氧气含量满足要求后方可允许进仓，避免进仓人员吸入有害气体致使发生高空坠落、中毒等伤害。

7)常压进仓期间若发现有害气体超标/氧气含量不足，仓内作业人员可不携带工具(材料)第一时间出仓，加大仓内通风量，有害气体和氧气含量满足要求后方可允许进仓作业。若有害气体和氧气含量一直不能达标，作业人员需带防毒面具进仓，将工具(材料)携带出仓，关闭各仓门恢复掘进或通风直至仓内气体达标，避免进仓人员吸入有害气体而造成事故。

8)常压进仓作业人员须熟悉仓内工作环境、熟悉刀盘及刀具的检查、刀具更换、进仓工作程序和流程;带压进仓作业人员另须掌握加压、减压等仓内工作程序和流程，避免因误操作或不熟悉仓内工作而造成安全事故。

9)常压进仓时专人负责检查仓内通风情况;带压进仓时定期检查流速计，确保仓内通风，避免因通风不畅造成安全事故。

10)带压进仓作业时，仓门的开关和各种压力管路、电器设备电源的开关安排专人负责，避免因误操作或沟通不畅造成安全事故。

11)带压进仓当工作仓在压力下工作时，应急仓不设压力，以确保紧急情况下能快速进入应急状态。

4.2 泥水循环

1)严格盾构机的操作。盾构司机负责泥水系统的操作，除当班主司机和项目部指定人员有权操作外，其他任何人不允许擅自操作，且在启动或关闭泥水系统工作时，泥水厂、主机室、各工作班应加强沟通，避免因误操作或沟通不畅造成安全事故。

2)定期对泥水管路设施进行检查修理。发现问题及时采取措施进行整改，确保泥水输送的畅通，避免因泥浆管过度磨损或堵塞引起高压泥浆管爆裂。

3)强化责任。确定专人对泥水管路及其相关设施的检查，特别是在输送高压泥浆时，应加强巡视，发现管路漏浆、接口松驰、缓冲节过度膨胀等问题后及时整改，避免泥水管路爆裂而引发事故。

4)及时调整各项掘进施工参数。掘进过程中保持推进速度、开挖面泥水压力的平稳，确保盾构切削土(岩)体处于良好循环状态，避免因未及时调整超标参数而致使泥水管路爆裂。

5)加强泥浆质量控制。值班工程师、试验工程师应按规定根据掌子面地质情况选定泥浆参数，保证其良好的携碴能力，避免因泥水循环不畅致使泥水系统过度磨损或爆裂。

6)严格常规检测检查。排浆管工作时，刀盘仓液位严禁下降至排浆口;严格泥水系统各闸阀的常规检测和检查，发现压力等参数超标后及时调整;严禁高压下打开气垫仓泥浆门、泥浆泵和各闸阀;严禁擅自拆除或调整泥水系统安全设施和安全装置，避免仓内液位上涨较快而致使仓内人员无法出仓。

7)严格按程序操作。清理气垫仓泥浆门、泥浆泵和各闸阀时应严格按程序操作，加强沟通，确保维修检查时相邻各闸阀关闭，避免维修气垫仓泥浆门、泥浆泵和各闸阀时因误操作引起高压气、高压油或高压泥浆喷出。

4.3 盾尾密封

1)盾尾设多排密封刷，密封刷间不间断地压注盾尾油脂，以抵抗高水压力及可能的流砂泄露;组装盾构机时，将盾尾密封油脂填充质量作为重点，确保盾尾刷油脂充填饱满;在始发时盾尾油脂在同步注浆之前形成压力，并在施工过程中油脂压力要高于注浆压力，避免砂浆进入盾尾油脂腔损坏盾尾密封;对出现漏、渗部位集中压注盾尾油脂;加强管片拼装操作，严格控制拼装质量;管片外弧纵缝粘贴海绵橡胶，防止纵缝位置出现漏渗;隧道内设一定量的高扬程泥浆泵，以备急用;当出现较大漏浆情况时，则迅速通过倒数第2，3环管片二次注浆孔向地层压注水溶性聚氨酯进行封堵。避免盾尾密封系统不可靠或长时间磨损致使盾构内涌水或盾尾密封失效。

2)做好超前地质预报，建立监测系统。采集围岩和结构安全信息，认真进行分析、处理和反馈，实行信息化施工，避免因未及时更换盾尾密封件以致盾尾密封失效。

3)定期对盾尾密封有效性进行检查，盾构掘进过程中，由专人监视盾尾密封情况;盾构机上设专用应急物资区，并设专人管理，定期检查、确认是否处于良好状态，避免因未及时添加油脂或更换盾尾密封件以致盾尾密封失效。

4)定期检查盾尾密封油脂注入管是否破损，保证盾尾密封刷和密封刷间油脂与管片外弧面紧密结合，避免因未及时添加油脂以致盾尾密封失效。

5)隧道内排水泵能力不足时，紧急启用备用排水泵和管路为盾尾注浆封堵争取时间，盾构机上、材料库各存放一整套备用抽水泵、水管等抽水设施，现场各管路标识清楚，避免因盾构隧道内的积水超过安全要求致使盾构机拖车上电器、配电箱等设备被淹而无法供电。

6)利用手动方式集中在涌水点加大盾尾油脂的注入;当涌水由管片纵缝间涌出，采用钳锥将棉纱、遇水膨胀橡胶挤压入纵缝;若漏泥水严重，由二次注浆孔拖后盾尾2环压注水溶性聚胺脂材料;必要时在管片上钻孔并安设孔口管后向地层压注水溶性聚胺脂材料，直至将漏泥砂封堵，避免因盾构隧道内的积水无法及时抽排致使被淹而无法供电。

7)操作司机适时调整盾构姿态，避免因急剧转弯造成盾尾刷的损坏。

4.4 有轨运输

1)对从事有轨运输的人员，通过安全教育、安全技术交底、熟知其作业要求及车辆性能后方可上岗;定期进行设备、设施检查维修;定人定岗，加强对作业人员的培训教育及过程控制;有轨运输作业人员严格执行交接班制度及其车辆管理的相关制度;及时反馈相关车辆的信息，保证车辆其安全状态。

2)接班人员在行车前对机车进行全面系统的安全检查，确认无任何问题方可运作;非专职人员严禁开、调编组列车;严禁未经同意移动编组列车的防溜车装置或设施(砂袋、铁楔等);严禁擅自拆除或调整安全设施和安全装置;严禁编组列车下坡时空挡溜放。

4.5 管片安装安全控制要点

1)操作、维修人员定岗作业，非操作人员不得从事管片安装机、管片吊机的操作;设物部电气工程师、液压工程师进行常规检测，并填写书面记录。避免未及时发现管片安装机、管片吊机真空吸盘失效而引发事故。

2)非操作人员严禁进入管片安装区域;管片吊运时，安装人员或其他人员严禁在管片下方站立、穿行;严禁擅自拆除或调整安全设施和安全装置;严禁用管片吊机、安装机运输人员;安装前应保证管片内表面清洁;严禁同时按下2个按钮释放真空吸盘;发现真空位过低灯光红色响警示音后应及时维修。避免管片安装机、管片吊机真空吸盘失效后管片失控坠落对人体造成伤害。

3)管片安装时，操作必须规范，管片纵、横向螺栓必须全部紧固后方可进行下一块的安装，避免管片安装时滑落造成事故。

4)加强真空吸盘、管片吊机的日常检查，定期保养，保养记录表中明确保养周期、保养责任人、保养人，避免未及时发现管片安装机、管片吊机真空吸盘失效而引发事故。

5 实施效果

狮子洋隧道盾构施工中，对带压进仓、常压进仓、泥水系统、盾尾密封等重大危险源，制定并切实落实了针对性的应急措施和安全控制要点，及时发现并处理、消除了数百次安全风险，如进仓时掌子面失稳、掌子面局部坍塌或涌水、刀盘仓液位上涨快、隧道内积水液位超过安全值要求、气垫仓门不正常关闭、吸入有害气体、高空坠落、高压泥浆管爆裂、盾尾密封失效等。

通过对狮子洋隧道盾构施工危险源分析并采取相应对策，施工中未发生重伤或重伤以上安全责任事故。

6 结论与讨论

1)本文系统地分析了狮子洋隧道盾构施工中不同于一般盾构隧道的重大危险源，通过实践证明，对狮子洋隧道盾构施工中危险源分析正确、全面且针对性强，采取的对策有效，指导并保证了盾构隧道安全施工。对水下大直径泥水盾构施工安全管理有指导意义和参考价值。

2)破碎地层中无加固辅助工法下的进仓作业是盾构施工中的重大危险源，施工中安全风险大，尚未总结出成熟、可靠的安全风险规避措施。

3)在高水压强渗透环境地层中带压进仓作业时，若抽水设备无法满足需要，可启用盾构泥水循环向仓外或洞外抽排水;而在常压进仓作业时，若抽水设备无法满足需要，在不加压情况下很难能够启用盾构泥水循环向外抽排水，需进一步深入研究这一应急措施的可行性。

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