从选型及设计角度谈盾构施工风险控制

（中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016）

随着地下空间的不断开发,隧道及地下工程的开发与应用逐渐成为交通发展的主要方向,高效安全的隧道掘进设备成为工程建设领域不可缺少的利器,面对越来越复杂的施工地质与施工环境,同一工程领域可能会遇到更加复杂的施工难题,因此选用合适的盾构设备成为工程建设者要面对的重大问题。

影响盾构掘进和施工安全的风险有很多,诸如线路设计、地质风险、管理风险、质量风险等,本文主要从盾构设计方面考虑,对同一区间不同地质下的盾构选型,盾构主要部件及系统设计等方面考虑,如何规避风险,给工程施工带来最大效益。

1 设备选型对盾构施工风险的影响

盾构作为工程施工中的一个重要作业工具,在合适的地层选用合适的设备非常重要,针对盾构选型的特点,我们主要从工程地质和水文地质作为基本点,以地层粒径、渗透系数、地下水压为选型依据,综合考虑确定盾构选型,实现盾构施工掘得进、稳得住、排得出、耐得久四大目标。

1.1 土压-TBM双模盾构的选型应用分析

1.1.1 土压-TBM双模盾构的设备特点

土压-TBM 双模盾构结合了土压平衡盾构和单护盾TBM 的结构和功能特点,即满足在软土地层掘进保压防沉降的功能,又可以在全断面硬岩地层采用单护盾TBM 的掘进模式满足快速掘进的功能。在软弱地层使用土压模式,即采用螺旋输送机出渣,在硬岩地层使用TBM 模式,即采用中心皮带机或螺旋输送机出渣（图1）。

图1 土压-TBM双模盾构结构示意图（采用皮带机出渣）

1.1.2 案例介绍

广州市轨道交通十二号线景云路—恒福路站区间穿越地层以微风化灰岩、粉砂质泥岩、粉质黏土、泥质粉砂岩为主,其中<9Z>微风化混合花岗岩强度达到83MPa,距离约900m（图2）。

针对本项目的工程特点如果采用土压平衡盾构掘进,在900m 的微风化混合花岗岩地层中存在掘进效率低、换刀频繁等问题,不能保障工程施工的高效进行。如果采用土压-TBM 双模式盾构则可在硬岩地层采用TBM 模式进行掘进,不仅可使掘进效率提高,而且可以减少刀具和油品损耗,延长刀具的使用寿命,最终带来更好的经济效益。

图2 景云路—恒福路站区间地质纵断面图

1.2 土压-泥水双模盾构的选型应用分析

1.2.1 土压-泥水双模盾构的设备特点

土压泥水双模盾构集成了土压平衡盾构、泥水平衡盾构的设计理念与功能,可根据地层变化快捷地在两种不同掘进模式之间相互切换,保证工程优质高效（图3）。当地质自稳性较强时,可采用土压模式,以降低施工成本,提高工效；当地质自稳性较差时,可采用泥水模式,以有效控制地表沉降,确保隧道施工的质量、安全。

图3 土压泥水双模盾构结构示意图

1.2.2 案例介绍

南宁地铁5 号线旱塘站-新阳路站区间从旱塘站始发,下穿邕江到达新阳路站,区间总长2 367m。区间始发段穿越地层为③1 粉土、④1-1 粉细砂、⑤1-1 圆砾、⑦1-3 泥岩及⑦2-3 粉砂岩,邕江江底段隧道范围为全断面⑦砂岩或者泥岩地层。江底覆土厚度约11m,水深约12m（图4）。

图4 旱塘站-新阳路站区间地质纵断面图

针对本项目的工程特点如果采用普通的泥水平衡盾构,在邕江江底的全断面泥岩段掘进将面临刀盘结泥饼,排渣效率低等问题,而采用土压-泥水双模式盾构则可在全断面泥岩地层采用土压模式掘进,配合渣土改良系统、提高掘进速度、降低施工功耗,获取最大的施工效益。

1.3 结论

从上述两个工程案例可知,针对同一区间不同的地质情况选用更加适合的盾构,不仅能够获得掘进速度,缩短施工工期,也可使盾构发挥最大的机械性能,促使建设工程的利益最大化,最终为社会创造更大价值。

2 盾构施工的主要风险分析

盾构的施工风险首先要从地质条件进行分析,规避地质风险,其次从盾构本身分析,规避盾构风险,最后从科学管理抓效,规避人为风险。通过风险分析预警,采用合适的应对措施,满足盾构的安全施工要求。

2.1 盾构施工风险的分类

盾构施工的风险,主要存在地质的复杂性、盾构的不适应性、人认知的局限性、方案和措施的不合理性等四大方面,如果这几方面处理不当都会引发工程事故。因此,盾构施工的风险从上述几个方面可以概括为3 类：地质风险、设备风险和人为风险。本文主要从怎样规避设备风险上面进行分析。

2.2 设备风险的设计应对措施

设备风险主要指盾构设备的选型不合理和功能性缺陷。如盾构选型错误,在刀盘刀具配置上选型不合理,渣土改良系统、同步注浆系统、密封系统等设计不合理。因此,在进行盾构设计也基于主要系统的风险考虑,可分为以下几点。

2.2.1 破岩风险

图5 刀具破岩模型

刀盘作为盾构开挖的重要部件,刀具配置显得更加重要,刀间距的大小直接影响着实际施工的掘进效率（图5）,根据相关理论和成功工程案例显示,在同一地层前提下,较小的刀间距能够提高刀盘的破岩效率。如果在全断面岩层,岩石强度大于80MPa,在刀具设计时建议刀间距不大于80mm。

2.2.2 换刀风险

全断面岩层掘进,换刀效率直接关系着整体的施工效率,如果在设备设计时能够有针对性的措施,提高换刀的效率和安全,就可间接的提高施工效率。目前在盾构设备上通过设计手段提高换刀便捷性,主要有以下几个措施。

1）采用主动铰接 主机设计为主动铰接形式（图6）,同时设置换刀撑靴（图7）,通过预先伸出铰接油缸,再伸出中盾后部的撑靴顶住岩壁形成三点支撑,通过铰接油缸的拉力使刀盘后退获得新刀更换空间,避免人工凿除新刀空间,降低人员进仓作业时间。如果盾构直径过大,也可设计主驱动的伸缩摆动装置,该方式主驱动系统允许刀盘向掘进方向反方向缩回一定距离,为刀盘前面让出一定空间从而使得刀盘维护更加便捷；允许刀盘摆动,可提高边缘刀具的更换效率,也可防止刀盘出现被卡现象。

图6 主动铰接示意图

图7 换刀撑靴示意图

2）采用常压刀盘 当管片外径在11m 以上时,可采用常压刀盘,所谓常压刀盘,指的是作业人员通过刀盘舱进入中空的刀盘辐条臂内,并在常规大气压条件下进行刀盘及刀具的检查维护作业（图8、图9）。

图8 压刀盘示意图

图9 盘辐条臂常压状态换刀

3）刀盘布置冷冻管路 刀盘设计时,在刀盘四周布置冷冻管路,在富水砂层或上软下硬地层换刀时,向刀盘管路中注入冷冻液,通过冷冻法实现掌子面的冻结,待地层达到一定强度后再进行换刀作业,可以实现高渗透大压力环境下安全、高效的开仓换刀作业（图10、图11）。

图10 冷冻刀盘使用案例

图11 冷冻管路温度应力场分析

2.2.3 堵仓风险

在细颗粒含量高的地层,刀盘结泥饼的风险相应增加,如何避免刀盘中心结泥饼成为施工控制的主要措施,土压盾构可设计中心冲刷系统,合理布置主/被搅拌棒（图12）,泥水盾构可增加主机段的小循环设计（图13）,增大泥水仓进浆量及排浆量,降低滞排的风险,如果盾构直径在10m 以上,也可在泥水仓内外布置两套破碎系统,进一步降低堵仓滞排问题。

图12 土压盾构中心冲刷系统

图13 泥水盾构主机段小循环设计

2.2.4 沉降风险

在建构筑物较多,或对沉降要求较严格的区域施工时,沉降控制显得尤为重要,施工过程中沉降从大的方面分为掘进沉降和后期沉降,如何采取有效的措施或手段降低掘进时的沉降往往也是设备选择时的一个重要衡量指标,目前在设计方面控制沉降的方式主要有以下几类。

1）盾构顶部塌方功能检测装置 盾体顶部塌方功能检测装置可以在盾构掘进过程中实时检测盾构顶部围岩受扰动的渣土状态（是否塌方）,为盾构掘进参数调整、地面沉降检测提供初步参考,是盾构安全施工检测的一种信息化措施。

2）掌子面主动支撑系统 土压盾构在控制沉降方面不如泥水盾构,如果将泥水盾构的控制原理应用到土压盾构上面,在一些特殊项目尤其是沉降控制严格地段,为避免掘进过程中隧道顶部扰动,可针对性设计膨润土保压系统,从土仓顶部注入的较粘稠的膨润土,通过膨润土渗透到拱顶及掌子面形成泥膜隔离层,泥浆的压力作用在泥膜上,以实现支撑拱顶,保护掌子面不坍塌。

3）砂浆称重和皮带机称重系统 刀盘开挖直径和管片之间的间隙填充不密实经常是造成沉降的一个重要原因,为便于同步检测每环砂浆注入的注浆量,可设计砂浆称重系统,系统上配置的称重传感器可以将砂浆罐前后变化的测量值通过A/D 转换,在主控室上位机直接显示重量,有利于控制由于注浆量不均引起的隧道沉降。同时,土压盾构可在皮带机上安装渣土称重和体积扫描系统,两个系统进行相互验证,实时监测出渣量,通过渣土容积的变化为现场施工提供预警。

4）同步注浆效果检测系统 同步注浆作为施工过程中的一个重要环节,如果控制不当,在施工阶段将导致地表沉降,在后期运营阶段,将引发隧道渗水漏泥或结构局部破坏,影响隧道的正常的运营。

传统的注浆质量控制方法关键在于注浆压力和注浆量的控制,这两者的确定很大程度需要依据经验确定,往往还需要根据地表的沉降监测进行实时的反馈修正。盾构隧道壁后注浆检测装备化系统可以为注浆质量的确定提供新的依据,采用探地雷达进行背后注浆质量控制,一可以检测出盾构隧道壁后注浆的注浆厚度,密实程度,二可以检测出盾构隧道壁后注浆存在空洞等病害的问题,也为注浆质量控制提供了新的参考依据。

研发雷达检测设备根据不同地质介电常数,实现对盾构壁后注浆厚度检测,对确保施工及周边环境安全具有重要意义,同时也对隧道后期维养奠定良好基础。

2.2.5 有害气体检测风险

目前个别城市地铁施工中已出现有害气体,因此设备上需具有针对性的措施来规避作业风险,一般的应对措施为在盾构的人舱内部配置一台便携式的气体检测仪,可检测CO/O2/CO2/H2S/CH4,在出土区域配置固定式的气体检测仪,可检测H2S/CH4/O2,当气体浓度达到一定值时,主控室内的程序会报警,提醒操作人员撤离。

如果施工之前已探明隧道内有害气体含量较高,除常规措施外,盾构设计时实现多区域瓦斯实时检测,如螺机出口、尾盾上部、拖车尾部等,采用独立控制系统,并配有防爆应急电源,断电后可以继续进工作,实时将检测数据传入主控室和地面监控系统,一旦瓦斯浓度达到停机极限,切断盾构电源,启动应急照明,倘若瓦斯浓度继续上升,本地高压柜跳闸,同时发出信号使洞外上一级高压开关跳闸,切断洞外的高压供电,同时加强隧道内的通风,直至气体浓度达到要求值,操作人员才可继续作业。

2.2.6 其它风险

除上述风险外,盾构上还需考虑防火风险,可设计烟雾检测装置启动自动灭火系统或水幕灭火系统,以及在台车上增加配置紧急避难室,均可降低或规避人员风险。

3 结语

盾构施工风险的控制更多的是一种管理行为,需要在施工过程中通过风险分析,风险预警、风险响应等手段进行控制。本文结合现阶段盾构设计的现状,从设备选型及部件设计方面对施工风险控制进行了一些思考,对施工过程中的常见风险进行了分析,以尽可能降低或规避施工过程中的设备风险,提高隧道施工的整体效率,为整个工程项目增值。未来随着盾构技术的不断发展,通过信息化技术的不断应用,盾构施工的风险控制将进一步完善和提高。