TBM在重庆地铁施工中的风险分析及安全管理

董 勇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安710043)

在城市地铁施工中，其施工方法受到地面建筑物、道路、城市交通、水文地质、环境保护、施工机具以及资金条件等因素的影响较大，因此，根据各自的地域特征所采用的施工方法也不尽相同［1-2］。

我国地域广大、地质类型多样，如重庆、青岛等城市处于坚硬岩石地层中，广州地铁也有部分区段处于坚硬岩石地层中，这种地质条件下修建地铁通常采用钻爆法开挖、喷锚支护(与通常的山岭隧道相当)。重庆轨道交通1～3号线采用钻爆法施工，主要出现的问题有:施工扰民、对既有建筑物的影响、工期影响、对环境的影响等。

钻爆法施工工程进度缓慢，且存在以上诸多弊端。为尽快改善重庆城市客运交通拥挤现状，加快城市轨道交通建设进度，提高工程建设技术水平，减少钻爆法施工对周围环境的影响，在重庆地铁6号线一期和二期工程施工时均采用了TBM施工法。

TBM 目前在我国城市地铁施工中还处于实践或是起步阶段，重庆为我国首次在地铁建设中采用TBM施工的城市，在施工过程中的风险分析和安全管理等方面将带来一个新的课题［3-4］。

1 TBM施工风险源的识别与控制

安全生产只有事前进行有效控制才能避免和减少事故的发生，准确及时地对风险源进行识别和有效控制是事前控制的重要手段。由于风险源是动态的，因此在TBM掘进施工中应将风险源的识别和有效控制作为项目生产的一项重要安全管理工作进行。应结合TBM施工环境、条件，实时进行风险源的分析梳理，并制定相应的技术措施和防护方法，消除对TBM掘进施工的危险［5-8］。

1.1 TBM在不良地质条件下施工风险管理与控制

1.1.1 风险分析

TBM施工时有可能会通过断层破碎带等不良地质。由于断层破碎带是由胶结较差的断层角砾岩及断层泥充填，为松散结构岩体，而节理很发育且呈网状分布的洞室围岩，属碎裂结构岩体。因此，围岩开挖时，易产生工作面及拱顶坍塌、剥落，将TBM刀盘埋入，刀盘会旋转困难，甚至卡住;岩体下陷、坍塌，易造成TBM撑靴打滑，刀盘下沉，给掘进方向的控制带来困难;围岩软硬不均，刀盘旋转时振动加剧，会影响刀具的使用寿命;开挖面及边墙坍塌，撑靴支撑不稳，不能提供TBM掘进所需的足够支反力;围岩受构造影响破碎严重，造成施工时带来的安全风险增加。

重庆轨道交通6号线二期工程的铜锣山隧道位于南岸区，与轨道交通6号线一期工程的起点相接。铜锣山隧道采用复合式TBM施工，该隧道主要存在的地质风险有:深部垂直岩溶突涌水，流量大、压力高，有流砂、危害大;灰岩段发育多处溶洞，复杂并无规律性;南温泉背斜轴部纵张裂隙发育，黄山断层为地下水集中排泄通道;穿越2处石膏岩，易溶、易膨胀变形、有腐蚀性;穿越6处煤层，水冬瓜及涂山煤矿2处采空区;由于槽谷区地表存在大量居民，该段地下水发育，施工期涌水量为8 000 m3/d，雨季24 000 m3/d，隧道施工需保护地下水环境。TBM隧道穿越的不良地层如图1所示。

图1 不良地质风险点

1.1.2 风险规避措施

TBM掘进通过该地段前应采取超前地质预报手段探明前方岩溶、断层的破碎情况及水量大小、煤矿采空区等地质情况，以确定合适的TBM掘进参数;利用TBM自带的超前支护系统对前方地层进行注浆预加固;TBM采取小推力、大扭矩慢速掘进通过;采用同步管片衬砌支护，并及时保量、保压完成豆粒石充填及灌浆工作。

1.2 TBM下穿建(构)筑物的风险管理与控制

1.2.1 风险分析

TBM下穿施工对建(构)筑物的影响分为均匀沉降、不均匀沉降(倾斜)、地表曲率变化、地表水平变形(拉伸、压缩变形)等4种。地层沉降和位移变形对于建(构)筑物的破坏作用，不单是受单一种类的地表变形影响，而是几种变形同时作用的结果。重庆轨道交通TBM施工隧道下穿的建筑物主要有立交桥、过水涵洞及楼房，区间隧道与建筑物的平面位置关系主要分为侧穿(隧道结构与建筑物有一定的距离)、下穿2种，其中下穿又可细分为正下穿、侧下穿、斜下穿3类(见图2)。

图2 建筑物与隧道平面相对关系

1.2.2 风险控制及规避措施

1)TBM下穿建筑物的控制标准。控制标准有三，其一，要保证上覆既有建筑物结构的安全和正常使用;其二，要保证新建隧道的安全和正常使用，特别是新建隧道的变形要满足施工正常运营限界要求，即不能发生过大的变形;其三，要满足新建隧道周围环境的要求，比如地面沉降要满足地面建筑物的变形要求等。

2)TBM下穿建筑物的规避措施。根据TBM下穿建筑物的控制因素和控制标准，应从几个方面考虑措施规避风险:对两结构之间的地层进行预加固;对既有建筑物进行现状评价和加固处理;TBM施工支护参数根据需要适当加强;根据实际条件调整TBM操作参数，降低对围岩的扰动。

1.3 TBM小间距隧道施工的风险管理与控制

1.3.1 风险分析

尽管TBM施工采用机械破岩，无需爆破，对围岩及周边建筑物的影响很小，两相邻隧道围岩的最小间距可以适当放小，但因TBM施工有其自身特点，其撑靴的水平撑力、对掌子面的推力以及相当大的自重会对临近隧道产生影响。因此，应确定TBM施工相邻隧道的最小间距，才能保证施工的安全。

首先，TBM掘进依靠撑靴紧撑洞壁提供巨大的推力和反向扭矩，撑靴对隧道洞壁的顶力相当大，需要隧道洞壁提供相应的反力，这对水平小间距的隧道及周边围岩是一个考验;其次，TBM是一个集开挖、出渣、支护为一体的大型隧道施工机械，其自重很大，仅主机自重就多达400 t，掘进或步进通过上下小间距隧道的上洞时对下洞衬砌结构的影响较大。另外，城市轨道交通工程的区间隧道的断面较小，采用TBM施工时，二次衬砌难以紧跟，导致区间隧道初期支护的暴露时间较长，例如TBM进红旗河沟站隧道(见图3)。

图3 TBM进红旗河沟站隧道

1.3.2 风险规避措施

根据小间距隧道的影响因素，对于TBM小间距隧道施工存在的风险应采取以下规避措施:

1)对于不同的围岩级别，隧道间距对拱顶下沉和洞周水平位移值的影响程度是不同的，围岩级别越差，隧道变形受到埋深和间距变化的影响程度就越大。对围岩较差的小间距段落进行注浆加固措施，可提高围岩的自身稳定性。

2)在对开挖隧道采用一定的支护措施后，可以减小其开挖的影响范围。支护措施越强，隧道结构就越安全，隧道间距就可适当放小。

3)尽量减少对已施工隧道的影响，后施工隧道对已施工隧道的影响是不可忽视的，在具体实施中应尽量降低对已施工隧道的影响。

4)一般情况下，间距小于0.85D的上下立体小间距隧道，采用TBM施工具有一定的风险，建议采用钻爆法提前施工，TBM直接步进通过;间距大于0.85D的上下立体小间距隧道，采用TBM是安全可行的，若围岩较差，隧道间距须适当放大。

1.4 TBM过站风险的管理与控制

1.4.1 风险分析

由于城市轨道交通工程一般每隔1～1.5 km设一座车站，以体现其快速、安全、高效、优质、环保等诸多优点。相比于长距离的连续掘进而言，中间较为频繁的经过车站，导致TBM施工受车站间隔性影响而不能连续掘进，且同时增加了对车站的安全影响。因此，TBM过站形式对于发挥其安全、快速、长距离掘进等特性具有重要的意义。TBM过站应遵循快速、安全、投资省的原则，综合考虑车站及TBM掘进施工，既要保证TBM的顺利掘进，又要确保车站的施工工期。

TBM的过站方案大致可以分为3种:掘进过站、半掘进过站以及空推过站，见图4。

图4 TBM过站现场

从图中可以看出，不管以哪种方式通过车站都将对车站的结构产生一定的安全影响，一般车站空推过站均为通过隧道底板。在重庆地铁6号线施工中，由于受控于线路及施工方法，大龙山、冉家坝为TBM在中板上移动通过车站，施工期间荷载远大于运营时的荷载，中板过站为TBM施工风险最大的一种方式，故对此车站应进行特殊设计。

1.4.2 风险规避措施

1)TBM过中板时，沿步进方向中板纵向设置两道暗梁，梁下预埋钢板及螺栓与钢支撑柱脚底板连接，钢支撑间距为4 m，并设置纵横向钢撑，间隔设置纵横向剪刀撑。底板对应部位的预埋钢板及螺栓与钢支撑的柱脚底板连接。

2)在底板施工时，应对柱脚预埋件做出准确预留，再安装临时钢支撑，并同步进行中板脚手架工程，使钢支撑与脚手架一并承受由中板传来的荷载，保证中板、底模、钢支撑体系完全接触。

3)为满足钢管柱的安装与拆除，在等强拼接的原则下，可对钢管柱拼装节点细化设计，以满足施工的操作需求。

4)TBM过站顺序为先浇筑中板，并布设钢支撑，以弧面过站方式通过中板后拆除钢支撑，而后TBM以平面过站方式通过底板(见图5)。

5)加强现场施工组织管理，在确保安全的基础上尽量缩短工期，减少TBM对中板的影响时间。

6)TBM整机荷载较大，在条件允许的情况下，可采用部分拆卸过站的模式。如把刀盘(80 t)拆下，抵达车站端部时再组装，可有效减小整机的荷载。

TBM在城市地铁施工中存在着自身风险和环境风险，对于TBM施工中的风险源应进行仔细梳理和分析，并采取有效、合理的规避措施，降低风险等级，同时精心组织、科学的管理也可将施工风险降到最低。

图5 TBM过站中板临时支撑剖面

2 TBM安全管理分析

TBM机械化掘进施工比常规的钻爆法等方式具有较明显的安全生产优势:施工对围岩的扰动少，洞内施工人员及地面构筑物的安全易得到保障;施工采用绿色环保的机械化破岩，无爆破，方便出渣，施工环保;掘进机自身带有局部或整体护盾功能，操作人员在护盾下工作，有利于保护人员安全;掘进机配置有一系列的超前支护设备，提前对前方地质进行预测和加固处理，可保证在不良地质条件下安全生产;施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响;TBM掘进形成了工厂化作业，可实现文明施工，采用监控和通讯系统，自动化程度高，作业人员少，便于安全管理。

TBM施工的安全风险分析:TBM掘进机对多变的地质条件(断层、破碎带、挤压带等)的适应性差，在地质条件较差的情况下，易出现卡机等安全事故(如前面分析的在不良地质段施工，都将产生很大的风险);TBM施工时在换刀、前方事故处理等开仓作业存在安全风险;若遇地下水丰富，开挖面出现大量涌水现象时，机体可能产生下沉或被掩埋等安全事故;TBM过站、进出洞带来对工筹和车站结构安全的风险;TBM施工时如发生偏离线路等事故时，纠偏较困难;洞内交通安全也是一项需要引起足够重视的问题［9-10］。

3 TBM施工现场安全管理主要措施

从TBM施工机理及安全管理的分析可以看出，TBM施工现场安全管理有其特殊性和复杂性，必须运用系统工程理论的观念，树立整体观和全局观，提高系统的整体功能。应完善安全生产管理，提高全员管理水平，从而提高施工防护水平，减少、杜绝伤亡事故。

3.1 安全组织机构与安全生产责任制度

安全组织机构在安全生产的管理中是一项最基本也是最重要的工作。根据《地铁工程施工安全评价标准》、《中华人民共和国安全生产法》、《TBM安全操作规程》等有关安全法规，在项目开始之初应成立安全生产委员会，设置安全处，配备足够的TBM施工专职安全员及兼职安全员。建立安全生产责任制，明确责、权、利。通过签订安全生产责任书，使各级部门、各岗位都负起应有的职责。

3.2 建立健全规章制度

依据安全法律和行业规定，结合TBM施工特点，制定有关安全生产教育、检查、劳动保护、应急预案、事故处理、奖惩等内容齐全且针对性强的规章制度，并根据地铁施工特点制定出合适的TBM掘进操作规程及特种设备管理制度等，在工程实际运行过程中不断完善补充，使参建人员能够有章可循。

3.3 项目安全技术管理

3.3.1 施工组织设计与施工方案

根据采用的TBM机型和施工特点，从施工组织设计与施工方案制定方面，针对TBM施工选用的机械、设备、变配电设施等存在的不安全因素，以及可能危害施工人员人身健康的特殊材料，从技术措施、安全装置上加以控制，或采取相应的措施，保证施工人员的安全。

3.3.2 施工安全技术交底

在项目开工前和施工过程中，随同施工组织设计，对施工人员进行安全技术措施交底，以保证施工的安全性。在施工管理中，一般采取的安全技术交底有:分部工程安全技术交底、分工种的安全技术交底和特种作业人员的安全技术交底。要求凡进行安全技术交底的人员都填写安全技术交底卡，交底人与被交底人签字齐全各执一份，便于安全措施的实施与检查。

3.3.3 制定标准化的操作规程

在项目施工管理中，为了杜绝操作者在施工中的不安全行为，避免事故的发生，制定操作规程和手册，有车辆安全操作规程、管片厂安全操作规程、TBM安全操作规程、常规钻爆法安全防护手册等，用科学的作业标准来规范作业者的行为，以减少人为的失误。

3.3.4 项目安全教育与培训

安全培训教育要与技术交底同步进行，特别是当使用非专业辅助人员进入项目施工时，要把对作业者的安全意识、素质的培养与提高、强化作业者的行为控制，作为安全管理的重要内容抓好。

3.4 管理人员及特种作业人员的资格管理

项目负责人和专职安全生产管理人员应具备TBM施工安全管理经验和能力，掌握相关的安全管理知识，并严格按照合同及《地铁工程施工安全评价标准》、《中华人民共和国安全生产法》、《TBM安全操作规程》等有关法律法规要求，经相关部门安全生产考核，取得安全员证书，方可担任相应职务。

特种作业人员也要按照有关规定，进行特种专业培训、资格考核、取得特种作业人员操作证后方可上岗。

3.5 项目安全生产检查

安全检查是在发现不安全行为和不安全状态时，消除事故隐患，落实整改措施，防止安全事故，改善劳动条件的重要方法。由于TBM施工场区环境复杂，工作面多、工序繁杂，施工机械的性能、施工人员的技术等级和文化素质参差不齐，因此，施工活动场所的安全检查是安全管理非常重要的环节。项目部要制定定期的安全检查制度，为安全生产做好保障。

4 结语

TBM在重庆地铁施工中应用并取得了成功，青岛地铁和更多的岩石地层城市将会更多地应用机械施工代替原始的钻爆法，施工中的安全风险关系到工程的成败，合理的风险规避措施是降低风险的主要方法，有效的安全管理同样重要。安全生产管理是工程项目的重要组成部分，是一门综合的系统科学。目前TBM在地铁施工中的应用还处于初步实践阶段，对其风险分析和安全管理方面可借鉴的经验较少。TBM施工除了自身带来的安全风险外，还有环境带来的施工安全风险，在这些安全风险中，人、机械、环境的状态管理和安全风险管理是施工现场管理的主要对象。项目初期应对各方面的安全风险进行全面的分析，并制定出系统的管理措施，在项目实施过程中通过动态管理，不断完善管理制度，以提高项目的管理水平。

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