南昌地铁泥水盾构穿越赣江风险分析及其控制措施

黄学军，杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司， 河北 燕郊　065201)

南昌地铁泥水盾构穿越赣江风险分析及其控制措施

黄学军，杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司， 河北 燕郊065201)

摘要：南昌地铁1号线秋水广场站—中山西路站区间隧道工程是南昌市首个下穿赣江工程。该隧道地质条件极为复杂，地层透水性强，且与赣江水系连通，水压大，隧道覆土厚度最浅仅5.4 m(小于1倍隧道洞径)。覆土层主要为透水砂层，地层渗透系数为10(-1)级别。盾构穿越地层主要为泥质粉砂岩地层，土层粘性土体颗粒含量高，盾构机刀盘易结泥饼。该隧道泥水盾构穿越赣江的风险主要包括：1) 强透水复合地层泥水盾构始发；2) 泥水盾构穿越浅覆盖透水层，掌子面可能出现塌方、冒顶、涌水等；3) 泥水盾构穿越泥质粉砂岩地层刀盘结泥饼；4) 强透水复合地层带压换刀作业。为此，针对泥水盾构穿越赣江施工过程，深入系统地分析以上4方面风险，在此基础上提出4项风险控制措施。现场应用表明：风险控制措施合理可行，其可为泥水盾构成功穿越赣江提供保障，并创造显著的经济、社会效益。

关键词：南昌地铁；泥水盾构；风险分析；控制措施

近年来，随着我国城市地铁建设的不断发展，泥水平衡盾构一直是穿越江(海)、湖泊等水下隧道工程的首选施工方法，如南京长江隧道、武汉长江隧道、上海复兴东路越江隧道、狮子洋隧道等[1-4]。

隧道建设过程中往往具有一定的风险。在隧道施工风险分析方面，国内学者也引进了一些风险理论[5]，开展了相关研究，并取得了一定的研究成果，丰富和完善了隧道风险评估分析方法，如层次分析法[6]、故障树分析法[7]、风险指数法[8]、模糊综合评判法[9]、可拓法[10]等。

目前，针对盾构越江跨海风险，翟世鸿等[11]从工程组织实施角度对武汉长江公路隧道工程可能遇到的技术难点和风险进行了分析，提出了解决问题的建议。吴世明等[12]结合杭州庆春路过江隧道泥水盾构穿越钱塘江南岸大堤的工程实例，对泥水盾构穿越堤防的风险源进行了系统分析，并验证了所述风险控制措施的合理性及可行性。黎新亮等[13]结合长沙地铁3号线埠河路站至书院路站区间工程，为确保盾构隧道安全穿越湘江溶洞区，提出了合理的风险控制措施和溶洞江面处理方案，为后续设计及施工提供参考。孙钧[14]对台海隧道工程的各类技术风险识别、风险分析与控制以及风险管理等方面的问题进行了初步探讨，认为对经风险识别得出的几种主要技术风险进行分析将有利于估计工程建造费用并掌控工期。王坤[15]针对广深港铁路客运专线狮子洋隧道SDIII标盾构工程，确定了施工期主要风险源及风险等级，并制定了规避施工期风险的对策和措施。宋浩然等[16]以大连湾海底隧道为背景，针对工程可行性研究阶段的推荐方案，按照不同的施工方法对风险进行识别和分析。曹越等[17]对盾构隧道施工过程中的风险进行了分析。张顶立[18]对城市地铁施工的环境安全风险管理进行了研究。

本文以南昌市轨道交通1号线1期工程秋水广场站—中山西路站区间隧道(简称秋—中区间隧道)工程为例，针对泥水盾构穿越赣江遇到的技术难题与风险，重点分析泥水盾构穿越赣江的风险，并基于风险评估结果，提出相应的风险控制措施。研究成果可为类似复杂环境下的越江跨海工程盾构施工提供参考。

1工程概况

南昌市轨道交通1号线1期工程秋—中区间隧道主要位于赣江河道和江堤，如图1所示。该隧道下穿秋水广场，先穿越赣江、沿江中大道，经中山西路后再与东端中山西路站相连接。其区间下行线长度为1 880.574 m，上行线长度为1 889.518 m，其中下穿赣江河床的长度为1 242.5 m。隧道整体剖面呈中部低、两侧高的V形坡。隧道埋深5.4～21.5 m，盾构隧道管片外径6.0 m，内径5.4 m。衬砌管片分为3块标准管片，2块邻接管片，1块封顶管片。通用衬砌环环宽1.2 m。

图1　南昌市轨道交通1号线秋—中区间隧道示意

秋—中区间隧道地质按其岩性及工程特性自上而下依次划分为素填土、淤泥、细砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥及质粉砂岩等。

据南昌八一大桥水文站观测资料统计，赣江一般水位标高14.50～17.50 m，有记录的最高水位黄海高程为22.52 m(1982-06-20)，历史最低水位为12.77 m(2007-05-24)。

2泥水盾构穿越赣江风险分析

通常，隧道风险管理过程主要分为风险识别、风险评估、风险应对、风险监控4个过程。风险识别是风险评估的基础，也是风险分析的重要步骤。为此，本文对南昌市轨道交通1号线1期工程秋—中区间隧道泥水盾构穿越赣江段进行风险分析。

2.1泥水盾构穿越赣江风险识别

南昌市轨道交通1号线1期工程秋—中区间隧道工程是南昌市首个下穿赣江工程，其地质条件复杂，河床底隧道覆土厚度浅，地层透水性强，且与赣江水系连通，水压大，这无疑给盾构施工带来困难与挑战。该隧道工程施工风险主要体现在以下几方面。

2.1.1泥水盾构始发风险

端头土体加固是盾构机始发、到达施工安全保障的一个重要组成部分，端头土体加固成功与否直接关系到盾构机能否安全始发、到达[19]。秋—中区间隧道盾构始发段地质复杂，上半断面位于砾砂、圆砾层中，下半断面位于泥质粉砂岩地层，呈典型“上软下硬”状，盾构机姿态极难控制。此外，若洞门密封效果不佳，短时间内洞口就将会与地下水连通，造成洞门大量涌水、涌砂、地面沉陷，甚至基坑坍塌等严重事故。因此，洞门密封也是该工程的风险点之一。

2.1.2泥水盾构穿越浅覆盖透水层风险

河床底局部隧道覆土厚度浅，盾构穿过赣江两端时顶部位于砾砂、圆砾层中，地层水与江水连通，水压大，地层透水性强，且局部河道地段上部松散圆砾层厚度较小，区间最小揭露厚度仅5.4 m(小于1倍隧道洞径)，如图2所示。泥水盾构在掘进过程中，极易发生掌子面失稳、冒顶、地层隆陷、透水冒浆等病害，施工技术难度和工程风险极大。

图2　地质纵剖面示意

2.1.3泥水盾构穿越泥质粉砂岩地层泥饼风险

泥质粉砂岩地层粘性土体颗粒含量大。检测分析表明，绿泥石与伊利石总含量约27%～28%，如果盾构在粘性土体颗粒含量高的地层中掘进，则刀盘容易出现结泥饼现象，从而会严重影响掘进效率，甚至损坏盾构设备。

秋—中区间隧道上行线盾构掘进时，总推力一直从1 200 t逐步增至1 800 t，盾构扭矩从开始时的1 100 kN·m逐步增至2 800 kN·m。当掘进至156环后，推力与扭矩大幅度增加，掘进速度明显降低，约为6 mm/min，且贯入度也减少至4～6 mm。此时，可认定盾构刀盘已形成泥饼，其会严重制约泥水盾构顺利掘进。

2.1.4泥水盾构强透水复合地层带压换刀风险

秋—中区间隧道两端为强透水复合地层段，隧道上半断面为砂层，下半断面泥质粉砂岩地层，呈典型“上软下硬”特征。由于泥质粉砂岩地层粘性土体颗粒含量高，二氧化硅含量大，故施工中刀具易发生磨耗，尤其是盾构掘进过程中，可能一套刀具无法完成，在强透水复合地层泥水盾构带压换刀整个过程中，施工风险极大。

刀具磨损快，故其配置要求高。进舱检查和更换刀具是泥水盾构穿越赣江的关键工序，但由于强透水复合地层的缘故，带压作业易造成掌子面涌砂、坍塌，严重危及作业人员的安全。在强透水复合地层泥水盾构带压换刀整个过程中，始终存在着施工安全和人员健康安全风险，若处置不当，则将造成重大事故和无法弥补的灾难。

2.2泥水盾构穿越赣江风险评估分析

R=P×C风险评估法是综合考虑风险因素发生概率和风险后果，并给出风险定级的一种方法。其中：R表示风险；P表示风险因素发生的概率；C表示风险因素发生时可能产生的后果。该方法是目前国内外比较推崇的一种风险评价方法，是一种定性与定量相结合的方法，其具体评价过程如下。

1) 确定风险评估标准。风险评估标准主要参照GB 50652—2011 《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[20]确定。依据风险发生概率的大小，风险发生概率P分为5个等级，见表1。风险事故发生时，造成的灾害损失C分为5个等级，见表2。定义风险水平R的等级，见表3。根据不同风险发生的概率等级和事故损失等级建立风险等级评价矩阵，从而确定风险水平R的等级，见表4。

2) 结合专家调查法对上述识别出的泥水盾构穿越赣江施工期间4个风险因素进行评价。利用专家打分对风险识别所得出4个风险因素的发生概率等级和风险损失等级进行评价，再运用R=P×C风险评价标准对各风险因素进行风险等级评定，其风险评价结果见表5。

表1　风险发生概率P等级划分标准

表2　事故灾害损失C等级划分标准

表3　风险水平R的定义

表4　风险水平R的等级矩阵

表5　风险评价结果

由表5数据可以看出，泥水盾构在强透水复合地层带压换刀属于灾难性风险，需严格执行所制定的施工措施，确保施工安全。泥水盾构始发、穿越浅覆盖透水层属于重度风险，需引起高度重视，提出相应的应急措施。泥水盾构穿越泥质粉砂岩地层刀盘结泥饼属于中度风险，需引起注意，注意防范。

3泥水盾构穿越赣江风险控制措施

3.1泥水盾构始发风险控制措施

秋—中区间隧道盾构始发与到达地下水位较高，地层透水性极强，为了控制泥水盾构始发的风险，端头土体加固采用高压旋喷桩和三轴搅拌桩施工，盾构始发端加固长度为10.7 m。同时，为保证盾构在进入加固体时尽快建压，防止外界泥砂涌入主体结构内，盾构始发时，需保证密封装置的密闭性，以提高止水效果。盾构始发时，采用了一种盾构始发洞门双层止水钢环，有效解决了强透水条件下现有单层止水钢环施工中容易出现局部渗漏水的问题。双层止水钢环如图3所示。

1—预埋钢环；2—帘布橡胶板；3—固定环板；4—肋板；5—注浆管；6—止水箱前板；7—第1圆环板；8—加劲板；9—止水箱；10—翻板；11—第2圆环板。

图3双层止水钢环密封示意

3.2泥水盾构穿越浅覆盖透水层风险控制措施

为了使盾构顺利、安全、快速地穿越浅覆盖透水层，经多次现场试验，确定了泥浆配合比及控制指标，即比重1.06～1.08 g/cm3，粘度16～20 s。综合考虑切口水压的上限值、下限值，确定了泥水盾构穿越浅覆土时气垫舱工作的具体参数即：为防止击穿地层，气垫舱压力设定为1.3 bar，进浆流量、排浆流量分别控制在650和750 m3/h左右，泥浆门进浆孔处压力控制在2.5 bar左右，气垫舱排渣口处压力控制在5.0 bar左右。同时，为使同步注浆后能尽快获得需要的浆液固结体强度，还优化了同步注浆参数，指标控制为：水灰比0.9；水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水=1∶3.18∶6.5∶0.45∶3.9。

秋—中区间隧道泥水盾构穿越浅覆盖透水层时，严格按照“优配泥浆质量、精细控制压力、严格控制姿态、强化参数匹配、平稳操控推进、快速管片拼装”的原则施工[1]，迅速通过了赣江浅覆盖透水层。

3.3泥水盾构穿越泥质粉砂岩泥饼风险控制措施

针对秋—中区间隧道泥水盾构施工过程中存在的泥饼问题，本文基于理论分析和工程实践，提出如下泥水盾构泥饼风险控制措施。

1) 为降低刀盘结泥饼的几率，减小带压进舱检修刀具的作业次数，盾构刀盘设计时采用了刀盘背面开口向内倾斜方案，并将中心双联滚刀更换为可换式撕裂刀，以增加刀盘中心开口率。同时，将4把边滚刀优化为耐磨性更好的球齿滚刀刀盘。

2) 刀具配置为：中心可更换双刃撕裂刀(刀高175～210 mm，高差呈鱼尾状，刃间距170 mm)+正面普通双刃滚刀(刀高175 mm，刃间距100 mm)+边缘镶型球齿滚刀(刀高175 mm，刃间距100 mm)+边缘焊接撕裂刀(刀高145 mm)+圆弧刮刀(刀高145 mm)+切刀(140 mm)。

3) 对泥水盾构环流冲刷系统进行了改造，在2台盾构机原有的冲刷管路中，通过增加冲刷泵并减小冲刷管路出浆口的口径来增加冲刷压力，达到更好的冲刷效果，避免刀盘形成泥饼而导致刀箱堵塞。

4) 为控制泥浆质量和提升泥水分离效果，采用了“泥水处理系统+沉淀+离心机”泥水处理体系以及“筛分—旋流—沉淀—离心”4级泥水分离的创新工艺。此外，还采用了低比重、低粘度的泥浆方案，泥水性能指标为：比重1.05～1.10；粘度约20 s(马氏漏斗粘度)。

5) 掘进模式创新。基于泥质粉砂岩层具有良好的自稳性，盾构掘进过程中，上部采用压缩空气替代泥浆，形成半舱掘进的创新掘进模式，从而显著减小了刀盘泥饼的形成几率，加快了盾构的掘进速度。

采取以上风险控制措施后，盾构顺利掘进约420 m。经开舱检查，未发现泥饼现象。

3.4强透水复合地层带压换刀风险控制措施

1) 为了实现强透水复合地层带压换刀，盾构换刀施工时，采用了在开挖面形成气密性良好的泥膜、气压支护开挖面的带压开舱方法。且通过理论分析、现场试验综合确定了带压进舱泥浆的参数，即泥浆密度、泥浆粘度分别控制在1.10～1.15 g/cm3和90～150 s左右。每m3泥浆配合比设计为：100 kg(膨润土)∶10 kg(Ⅰ型制浆剂)∶30 kg(Ⅲ型制浆剂)∶1 000 kg(水)。

2) 带压进舱的关键是保证刀盘前方周围地层和刀盘舱满足气密性要求。为了降低强透水复合地层带压换刀的风险，盾构换刀作业时采用了一系列气密性保障措施，如采用高浓度泥浆封堵管片；高粘度泥浆每m3配合比为50 kg(谷糠)∶300 kg(膨润土)∶200 kg(Ⅱ型制浆剂) ∶1 000 kg(水)；泥浆比重控制在1.1以上。同时，还加强了同步注浆量和管片拼装质量控制，每环注浆量为6 m3，且保证管片拼装接缝密封性。

3) 舱内中心气压的合理设定关系到开挖舱围岩的稳定，是带压进舱成败的关键。气压设置过低，泥浆不能很好地渗透到地层中去，泥膜形成质量差，地层中水易破坏泥膜导致掌子面失稳，形成漏气坍塌；气压设置过高，高压空气易穿透并破坏泥膜，形成漏气坍塌，同时过高的气压设置会给进舱人员形成多余的负担，影响工作效率。经过理论计算分析，最终确定带压进舱作业位置的舱内中心气压为1.91 bar。

对秋—中区间隧道带压换刀位置采取一系列控制措施后，成功实现强透水复合地层泥水盾构带压进舱换刀，一次累计更换刀具9把，为盾构顺利、快速掘进提供了保障。刀具更换统计见表6。

表6　刀具更换统计

4结束语

本文基于南昌地铁1号线秋水广场站—中山西路站区间隧道工程特殊地质条件与环境特点，客观地提出了泥水盾构穿越赣江的4个风险点，即泥水盾构始发、泥水盾构穿越浅覆盖透水层施工、泥水盾构泥饼控制、强透水复合地层带压换刀；并按R=P×C风险评估法，评定出泥水盾构穿越赣江4个风险点的风险等级水平。此外，基于风险评估结果，制定了针对性的风险控制措施，既保障了泥水盾构施工安全，同时还加快了施工效率，创造了显著的经济社会效益，为泥水盾构穿越赣江积累了宝贵经验。

参 考 文 献

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Analysis for Risks of Slurry Shield in Nanchang Metro Crossing Ganjiang River and Control Measures

HUANG Xuejun, YANG Yanling

Abstract:The tunnel project between Qiushui Square Station-Zhongshan West Road Station of Nanchang Metro Line 1 is the first project under-cross Ganjiang River in Nanchang. Geological conditions of the tunnel are extremely complicated, the stratum exhibits strong water permeability and connects with the Ganjiang River system at high water pressure, and the minimum thickness of covering soil of the tunnel is only 5.4m (<1 times tunnel diameter). The covering soil is mainly permeable sand, and the permeability coefficient of stratum is class 10-1. The shield crossing stratum is mainly argillaceous siltstone stratum, the content of cohesive soil particles in soil layer is high, and cutterhead is vulnerable to mud cakes. The risks for slurry shield of the tunnel crossing the Ganjiang River mainly include: 1)Origination of slurry shield in strong permeable composite stratum; 2)Slurry shield crosses shallow covering permeable layer, so collapse, roof fall and water burst, etc. may occur to face; 3)Slurry shield crosses argillaceous siltstone stratum and mud cakes from on cutterhead; 4)Tool change operation with pressure in strong permeable composite stratum. For this purpose, this paper systematically analyzes the above 4 risks in allusion to the construction process of slurry shield crossing the Ganjiang River, and on this basis proposes control measures for 4 risks. The application on site shows that the risk control measures are reasonable and feasible, and can provide guarantee for successful crossing of slurry shield over the Ganjiang River and create remarkable economic and social benefits.

Keywords:Nanchang Metro; slurry shield; risk analysis; control measure

文章编号：1009-6477(2016)02-0112-06

中图分类号：U455.3+9

文献标识码：B

作者简介：黄学军(1978-)，男，宁夏回族自治区中宁县人，本科，高工。

收稿日期：2015-12-09

基金项目：国家自然科学基金项目(51574049)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.025