地铁盾构区间隧道施工风险的分析与控制

朱建勋

（昆明地铁建设管理有限公司，昆明 650051）

1 引言

近几年，地铁工程建设迎来爆发之势，地铁建设已成为城市重大建设项目的重要组成。在地铁建设工程规模逐步扩大进程中，工艺操作过程风险也逐渐增多。特别是盾构区间隧道工艺操作，存在较多的风险因子。比如，2011 年，天津地铁2 号线建国道—天津站区间就出现了突泥涌水致盾构机被埋事故；成都地铁1 号线南延线华阳站—广都北站区间也出现盾构隧道偏差超限事故。频发的隧道工艺操作事故引发了人们对地铁盾构区间隧道工艺操作风险控制的关注。因此，以地铁盾构区间隧道工艺操作过程为对象，分析风险因素及控制方案非常必要。

2 项目概述

某地铁2 号线二期工程为城市轨道交通骨干线，线路总长约9.14 km，合同工期为4 年，共有10 站9 区间，区间全为地下线，采用盾构法施工。沿线经过地面建筑物较多，包括铁路、城市管廊、高架桥、景观河流等。

区间隧道外径6.2 m，内径5.5 m，管片环宽1.2 m，采用通用环管片、错缝拼装方式。区间共设有10 座联络通道，其中，5 座联络通道兼泵房，以及1 座与中间风井合建。区间隧道施工主要的重难点为下穿火车站股道、行包房等重大节点、穿越泥炭质土、富含沼气地层施工、穿越多处重要建构筑物、侧穿城市河流等。区间左右线隧道穿越地层主要如表1 所示。

表1 区间左右线隧道穿越地层

工程使用德国海瑞克公司武汉制造组装的S-995 和S-996 盾构机，当年装配后先后在多站施工工地使用，共掘进1 256 m，整体表现良好。

3 地铁盾构区间隧道施工风险因素

3.1 地质因素

地铁盾构机掘进部位地层地质条件高度复杂，土层沉积环境中透镜体形式较多，且局部存在受压缩气体，在盾构掘进期间，因气体突然释放极易形成地下水通道，造成盾构后方承压水沿通道涌向洞口[1]。特别是在微承压水层局部夹杂高富水、大渗透性粉砂薄层或者地道旋喷桩加固地层时，会导致掘进困难，提高设备故障出现概率，进而招致工艺操作隐患。

3.2 设备的选择

盾构机等设备是地铁盾构区间隧道工艺操作主要用设备，也是隧道工艺操作风险主要来源之一。比如，盾构机测量自动导向系统VMT 系统输入盾构推进计划线数据文件错误时，会导致盾构机沿着错误的计划线推进，引发盾构隧道轴线偏差[2]。

3.3 人员的操作

人员的操作是地铁盾构区间隧道工程工艺操作过程的主要风险因素，表现为人员缺乏自我防范意识、安全意识淡薄、现场安全操作漏洞[3]。比如，操作人员违反《盾构机操作说明书》中的规定操作，擅自安排现场工作者打开螺旋机观察孔，会导致地下水喷涌事故，进而促使螺旋机被水泥土混合物固结块卡堵无法运转。

4 地铁盾构区间隧道施工风险控制对策

4.1 完善风险预警机制

在地铁盾构区间隧道工程工艺操作过程中，风险因子较多，为避免风险因子持续作用，应利用盾构工艺操作区间地质情况探测手段，以进出洞加固区域探测为重点，收集风险数据，完善风险预先警报机制[4]。同时，根据图纸审核中的地质柱状图，判定沿线地质是否存在特殊变化，及时加密补充勘察点，保证风险预先警报精准度。进出口加固区域探测时，可以依据加固体高度小于垂直探孔长度的标准斜向取芯，了解三轴搅拌桩咬合部加固情况。根据加固情况（盾构机始发与接收端头的加固范围），判定加固体长度是否超过盾构机身长度1～3 环。

在加强地质情况探测的基础上，依据预警系统理论，可以设定预先警报指标值及阈值，进行工程工艺操作风险量的控制，达到提前预防、减少损失的目的。以盾构进出洞工艺操作风险预警为例，可以依据工程工艺操作顺序，从安全（人员伤害、地层沉降、周边结构破坏）、经济（经济损失）、质量（轴线偏差、衬砌变形、隧道渗水）、工期（工期损失）几个维度入手建立风险评估模型。进而结合盾构区间隧道掘进过程，将盾构进出洞工艺操作划分为地基处理、盾构基座、止水装置、洞门拆除、盾构推进、负环拼装、后靠体系、洞门封堵等几个工序。依据工序，对地层稳定性、基座稳定性、盾构姿态、测量误差等风险现象、原因、后果进行逐一辨识，构建风险层次分析模型。在模型中，依据实际搭设质量将指标基准划分为不同分值。以后靠为例，监控指标项为后靠位移，在量测后靠位移小于3.00 mm 时，可忽略；在量测后靠指标位移处于3.00～5.00 mm时，具有微小影响；在量测后靠位移处于5.00～10.00 mm 时，具有严重影响。进而汇总全部指标值，描述盾构区间风险等级，如可忽略、可接受、重度等。根据描述的等级，进行动态预警、控制。

4.2 加强突沉现象的控制

突然沉降事故是地铁盾构区间隧道工艺操作常见事故，为避免该事故出现，可以盾构穿越建筑、盾构穿越河流、盾构穿越道路、盾构穿越地下管线几个方面入手，进行控制。

在盾构穿越建筑时，为避免既有建筑物因盾构发生扰动而出现沉降，可以实现调查盾构基础情况、建筑物基础所在地地质情况。结合调查结果，进行掘进参数的恰当选择。在掘进参数确定后，对基础、地层进行同步的注浆加固或二次注浆加固处理。在注浆加固后，从盾构掘进过程姿态控制入手，时刻关注，避免盾构掘进过程姿态变化对土体造成过度扰动。同时，加强建筑物沉降监测，及时发现沉降问题，及时调整盾构掘进方案，避免相关问题的进一步恶化。

在盾构穿越河流时，为避免河流防汛墙因盾构掘进出现突然沉降，应进行合理推进速度、注浆量、出土量、注浆压力的合理选择，并对防汛墙沉降进行监测。另外，在机械作业姿态控制的同时，利用油脂在盾构机尾部进行润滑辅助[5]。

在盾构穿越道路时，为避免既有道路路面因盾构掘进发生不均匀沉降甚至塌陷，应以盾构机工作压力控制为重点，严格限定盾构机工作压力在恰当范围内。同时，进行注浆参数的恰当选择，合理划定注浆位置，保障浆液注入过程连续不间断、合理、有效，规避开挖面过大扰动。同时，加大监测频率、质量，保证盾构掘进期间监测频率在2 次/d 或以上。

在盾构穿越地下管线时，为避免既有管线因盾构掘进出现沉降，应注意根据土层扰动监测结果，进行机械正面压力的平衡处理。同时，严格控制盾构掘进速度，并责令专门人员负责盾构掘进偏差纠正作业。比如，在管片出现较大偏差时，应第一时间进行管片贴片处理，进行强制纠偏。即根据测量计算获知的管片偏差，将厚度在5.00 mm 以内的石棉垫片贴在相应位置，以便轴线为竖曲线段时可由-2.10%的坡度调整至水平。

4.3 做好有关设备的管理工作

在盾构设备选择时，因盾构机刀盘是盾构机掘进期间机械故障主要来源，在工序操作前，应综合考虑工期、设计、经济、安全、环境要求，选择与工程地质相匹配、满足工程掘进长度及线形、与后续设备相匹配、与始发基地相匹配、可辅以辅助工法、对周边环境干扰小的刀盘。

在盾构机安装调试时，应以第一块盾构壳体吊装到位为入手点，每天召开工地例会，进行项目节点计划的详细划分，保证偏差问题的及时发现、处理。在工地总装完毕后，开始盾构机的试掘进操作，要求各方全天候跟班监测、调试，保证设备在短时间内得到完善。同时，由专业人员根据试掘进期间总结经验，对管片拼装、同步注浆、车架纠偏、起重、泥水接管等工序设备现场管理规程进行详细规划。并根据盾构机系统划分，制定详细的周、日、月、年保养记录表，全面反映月度盾构设备运行情况，降低系统故障发生概率。因盾构设备运行工况较为恶劣，需长时间连续工作，备品备件消耗量较大。因此，在设备保养时，应以拼装机密封条等耗材为重点，建立专业维护保养方案，避免维护保养不及时导致的设备损坏、工期延滞情况。

在盾构机应用期间，严格执行项目领导现场值班制，加强监督管理，规范设备使用、维修、保养制度，保证盾构机安全发挥作用。特别是在盾构机穿越进入覆土厚度低于盾构直径的浅覆土层地段、建筑物地段、地下障碍物地段、粉土层地段、构筑物地段与粉砂层地段时，应由专门人员结合补充地质勘察结果，设计、规划控制掘进参数，保证盾构姿态一定，且掘进过程连续、匀速、均衡推进。而在盾构机测量自动导向系统VMT系统输入盾构推进计划线数据文件时，因设置人工复测环节，由复测人员对电脑中安装的高版本SLS-SLVMT 系统软件中文件转换及环线数据过程进行复测，并对在建成型盾构隧道导线网、吊篮、水准点进行全面复核测量，及时发现高层方向偏差，及时修正，规避盾构机参数设置不当导致的盾构轴线偏差问题。

4.4 加强人员防范措施

加强人员管理是降低地铁盾构区间隧道工程工艺操作风险的有效手段。管理者应全面贯彻落实安全生产一岗双责、党政同责、岗岗有责方针，促使安全质量责任制覆盖每一个作业层，涉及每一个职能岗位，遏制盾构区间不规范操作问题。比如，盾构人员应在保证无心脏疾病、听力与视力正常的情况下，对自身操作高度负责，配合上级下达的参数要求，具有基本防火、安全意识，且对地质表达含义、涂鸦计算、盾构机工作原理及参数、管片选择与使用具有一定了解。

在项目各项工序操作前，对全部作业者进行安全技术交底的基础上，依据盾构工艺操作规程及有关技术规定，加强关键程序实践考核，比如，螺旋机观察孔、盾构始发、降水、接收等。与此同时，作业者也需要主动监测机械、气、电、液压等系统，确保各系统无故障。比如，延伸水管与电缆连接、操作系统参数、供电与循环水压力、滤清器、皮带输送机与皮带、孔雅琴、配套轨道、导向系统等。在确定各系统无误后，作业者应根据技术人员的要求进行油压（刀盘最大压力、螺机最大压力、设备桥最大压力）、注浆压力（左上、左下、右上、右下）、盾尾密封（前腔次数、前腔间隔、后腔次数、后腔间隔）、油温等参数的设置。

在盾构操作过程中，落实一切保证工程安全质量的要求，严格禁止人员在无注浆或注浆量不明、无方向量测时掘进，要求人员严格执行工程师提出的土压指令保持土压，控制出渣量。同时，要求人员严格执行盾构说明书的各项使用要求，避免违背规章操作。并时刻监视主机室内操作面板上参数，严密监控螺旋输送机出口出渣情况，做好根据导向系统参数进行盾构姿态调整的准备。

5 结语

综上所述，在地铁盾构区间隧道工程工艺操作过程中，管理者应深刻吸取归纳地铁盾构区间安全事故教训，强化风险预先警报机制的完善构建，加大突然沉降现象的控制力度，并强化人员安全质量责任制的落实，加强现场项目安全教育与技术培训，督促人员做好现场工艺操作以及有关设备的管理，避免地铁盾构区间隧道工艺操作安全事故的出现，为地铁工程项目建设的有序推进提供保障。