地铁盾构工程质量安全管控分析

2023-03-11南京市轨道交通建设工程质量安全监督站江苏南京210024

安徽建筑 2023年11期

赵飞（南京市轨道交通建设工程质量安全监督站，江苏南京 210024）

1 前言

地铁工程是民生工程，地铁盾构工程质量安全水平既直接关系工程建设期，也影响运营期间状态。因此做好地铁盾构工程质量安全管控具有明显的现实意义，十分必要。

2 盾构施工特点

所谓盾构，是指盾构机械在地中推进并用切削装置进行土体开挖，通过盾构外壳和拼装预制混凝土管片支撑围岩防止发生坍塌，形成隧道结构的一种机械化施工方法。盾构施工实现施工机械和临时支撑结构的一体同步，具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、减少地面及周边建筑物沉降、安全系数较高等优势，但也同时存在造价高、需整机定制、对隧道覆土厚度和曲率半径有限制、盾构施工不能后退等缺点[1]。

3 盾构施工面临的潜在风险

根据公开报道，国内已有10 余座城市在地铁盾构施工中发生过安全事故。鉴于施工环境和工法特点，盾构施工面临着诸多潜在风险，在业内公认盾构风险源可概括为地质、盾构机适应性、人等三类[2]。

①地质因素。盾构施工会遇到工程特性差异显著的各类特殊地层（特别是与原地勘报告不同），进而影响隧道（周边环境）的安全。常见的特殊地层有软硬不均地层、全断面硬岩地层、富水砂层、含有害气体地层等，这些特殊地层不仅影响盾构机的掘进效率，还给施工带来不同程度的风险。

②盾构机故障。盾构机是大型施工机械，包含多套复杂的设备系统。常见的故障包括盾构机刀盘设计刚度不够、千斤顶故障、主轴承密封失效、泡沫管堵塞、螺旋机扭矩不足、主轴承油管连接错误、刀盘异常磨损、泥饼、喷涌、盾尾被击穿等[2]。

③人员作业安全。盾构施工机械化程度很高，但并不意味人员作业就绝对安全无虞。盾构施工存在地面、地下多道工序，人员作业安全仍然是盾构施工风险管控的重中之重。人员作业安全包括但不限于管片拼装、渣土吊装、电瓶车运输、轨行区管理、换刀作业、管片修补、遇到火灾和有毒气体时的人员安全。

另外，地铁盾构工程因其走向位置，周边建筑物和管线复杂，盾构施工往往会穿越大量的建构筑物和市政管线，风险极高，稍有不慎就可能造成建构筑物变形过大或市政管线断裂，酿成无法估量的严重后果。

4 盾构工程质量安全常见问题

虽然盾构施工质量安全管理水平稳步提升，但仍存在一些常见问题[3]。常见质量问题如管片拼装质量不高，存在明显错台、破损、渗漏，管片螺栓锈蚀或两边外露丝扣长短不一，管片修补工作普遍不到位，现场管片修补材料不符合方案要求，违规采用发泡聚氨脂进行堵漏造成脆性较差，盾构始发段及接收段未采取拉紧措施等。常见安全问题如始发方案未对反力架抗浮进行验算，盾构施工工程项目应急预案（喷涌、盾尾失效等）缺乏可操作性，电瓶车防溜钩无法钩住轨道，起不到防溜作用，同步注浆压力控制与方案不一致，盾尾、联络通道积水未及时抽排，风管敷设过低，新风没有送入工作区，盾构隧道修补作业时防护栏杆、脚手板、防护网安装不到位，测试应急照明不亮等。

5 质量安全管控内容

质量安全管控的最终目的是建成“四无”盾构隧道，即无破损、无渗漏、无错台、无污染的精品隧道。其中最重要的考量因素包括隧道实际轴线与设计轴线的一致性、隧道的综合防水能力（隧道成型质量）、隧道的地面沉降控制（对周边环境的保护）。这对质量安全管控提出整体、全面、系统的要求，因此地铁盾构工程质量安全管控思路应该兼顾技术和管理、宏观和微观、行为和实体。

5.1 用好三项清单

一是危大工程清单。根据住建部37 号令，盾构掘进、盾构机吊装、起重机械安装和拆卸工程都属于危大工程，可以说危大工程的管理贯穿盾构施工全过程。二是关键节点清单。盾构施工关键节点包括盾构始发、盾构到达、盾构开仓、盾构机吊装、空推段、穿越重大风险或复杂环境工程、区间联络通道开口施工等。对于盾构法隧道工程，在盾构始发和接收阶段所发生的工程事故占到总事故量的70%以上。三是风险分级管控和隐患排查清单。对于盾构施工的各类安全风险应进行分级管控，制定符合实际的隐患排查治理清单，明确和细化隐患排查的事项、内容和频次，明确责任部门和责任人员，分级分类采取有效整改措施、验证销号，落实闭环管理。

5.2 管好四道工序

一是管片制作、储存、运输、吊卸。按照地铁施工及验收规范要求，对管片进行严格进场验收。规范粘贴传力衬垫、弹性密封垫和止水胶条，管片运输、搬运时要防止损伤边角和防水装置。管片存储场地应硬化，地面坚实平整，管片内弧面向上平放超过五层或侧面立放超过三层时应进行受力计算。当采用内弧面向上的方法贮存时，各层垫木应位于同一直线，两条直线相交于管片圆心。当采用钢丝绳吊运时，在绳索与管片刃角受力点必须用垫块保护。

二是做好盾构掘进施工。根据设计轴线和当前盾构姿态信息，结合隧道地层情况，明确当前盾构掘进指令。一般通过推进系统几组油缸的不同压力来进行调节掘进方向，适当调整推力、刀盘转速等参数。当盾构处于水平线路掘进时，为防止盾构因自重而产生的低头现象，应使盾构姿态保持稍微向上。采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测，对出现的偏差主动通过盾尾间隙控制等方式进行动态调整。

三是认真做好管片拼装。管片拼装是盾构工法的关键工序，管片拼装质量的好坏直接影响隧道结构的使用功能和安全。拼装操作要平稳，转速不能过大，以免造成管片碰碎、止水带损坏，管片位置应放正确，千斤顶要有足够的顶力使管片不发生相对滑动。在拼装中，主要是通过楔形管片的楔形量来计算出管片超前量的变化，选择合理的管片拼装点位来使楔形的管片拟合设计线路。

四是做好同步注浆和二次注浆。根据盾构穿越地层及周边建筑物情况，合理选择“厚浆”或可硬性浆液作为同步注浆液。同步注浆要按照注浆量和注浆压力进行双控，并根据施工监测数据进行相应调整。二次注浆一般采用双液浆，应根据施工方案和现场情况及时开展，避免漏注、迟注。

5.3 做好八项工作

①做好盾构机的选型和日常保养

盾构选型应经过专家论证，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，按照“可靠性安全性适用性第一、技术先进性第二、经济性第三”的原则，保证盾构施工的安全、可靠。做好盾构机的日常保养，刀盘螺栓和其它紧固件、主轴承密封、盾尾密封刷应定期检查更换，渣土改良及排渣系统、泡沫系统、膨润土系统、螺旋输送机按时进行维护保养。

②做好盾构始发

盾构始发前应通过深层搅拌桩、高压旋喷桩、冻结法等方式进行端头加固，加固体长度应大于盾构机主机长度。高度关注盾构机始发姿态控制以及洞门密封形式，重点检查基座是否存在变形或轴线偏离、洞门密封、帘布橡胶板安装情况。盾构始发反力架受力验算内容除了强度、刚度外，还应包括抗倾覆验算。盾构机始发轴线高程一般预留30mm 左右，并通过设置导轨防止始发栽头。

③做好盾构到达

从受力状态转化的角度来讲，盾构到达比盾构始发更为复杂，既要保证盾构出洞时地层的稳定性，也要确保按照设计轴线到达的过程中避免出现端头塌陷、突泥涌水、沉降变形、管片挤压渗漏等问题[4]。对于刀盘前方反力不足造成管片渗漏，常用的解决方式为用槽钢拉杆进行纵向拉紧。盾构到达前后应注重施作封水环，强化二次注浆，防止地下水顺着盾壳前窜。

④做好盾构掘进

盾构掘进的动态控制是盾构工程中最复杂的领域。重点对盾构掘进参数进行检查，实时对隧道成型质量、隧道轴线偏差情况等进行监控，对地面及建筑物沉降监测数据及时对比分析，发现异常情况及时进行处置[5]。为了更好地控制施工质量，保证施工安全，可采用RTK技术、全站仪以及测探仪等先进的观测设备来进行动态监测，以保证监测数据的准确性和全面性。

⑤做好吊装作业

吊装作业区必须核验地基承载力，防止吊装荷载造成沉降引发吊车倾覆事故。吊装时应对始发井维护结构及周边土体、管线，进行严密的监（观）测。吊车站位一般位于井口端头或一侧，宜靠近井口，吊装半径较小。需注意挡墙厚度和高度，必要时进行抗倾覆验算，挡墙背后回填土往往为薄弱环节。盾构出土运输，应配置相关信号司索工人，严格配合地面工人和地下工人。

⑥做好盾构修补加固

地铁盾构管片修补一般是指对缺棱掉角、开裂破损处进行修补，其中防止修补材料脱落和失效是一项非常关键的工作。根据部分已运营地铁线路病害情况，存在运营车辆振动影响下发生修补材料脱落案例。修补材料强度应不低于原管片并需满足相关验收要求，尤其应注重隧道拱顶的修补，根据实际情况需要进行植筋修补或者配置环氧树脂。修补过程中应设置专用平台保障作业安全。

⑦做好轨行区管理情况

吸取近年来国内发生的地铁盾构轨行区安全事故教训，必须将轨行区安全作为重中之重，确保进入轨行区所有人（包括作业、测量、监测、检查、参观等人员）知晓电瓶车通行时间。在洞口段封闭轨行区，跨轨道适当位置设门禁系统进行管理，进入轨行区作业要审批登记。作业人员进入隧道需要横跨轨道，应佩戴反光背心。电瓶车不可载人，且在轨道行驶特别是在小转弯半径处应严格执行限速要求。盾构轨行区内电瓶车载重量大，加之线路存在纵坡，如果不采用防溜车和脱轨措施，则极易出现安全事故。常见的措施包括电瓶车车头加装气动防溜钩、砂漏，轨道端头设置车挡，盾构机台车前、后设防撞梁。在出现紧急情况时应迅速放下防溜钩或开闸放砂，连续鸣笛鸣哨或其他方式通知隧道内作业人员躲避。

⑧做好险情及应急处置

在盾构掘进过程中应该重点关注掌子面土压变化以及出渣情况，做好现场通风、有毒气体监测、应急照明测试等工作。制定应急处置预案，配备足够的应急物资，定期开展应急演练。加强超前地质预报以及周边沉降监测预警，做好施工影响区，预防路面塌陷工作。

6 特殊情况下管控措施

在盾构法施工过程中常常要应对一些特殊的工况，给盾构法施工带来额外的难度和风险。

①小半径曲线施工

盾构机在小半径曲线掘进时隧道轴线控制难度大、纠偏困难，同时管片易发生错台、开裂、破损、渗漏等。平面姿态控制是小转弯半径施工中的重中之重，推进过程中可开启铰接装置，有利于平面控制[6]。盾构机在推进过程中若出现了较大偏差，且左、右千斤顶行程差已达到极限，应及时调整管片型号或粘贴软木条，进行左、右超前量制作。掘进时严格遵循“走割线、保间隙、防偏移”的方针，盾构实际掘进线路应始终位于曲线内侧（约偏移30mm），形成反向预偏移，抵消管片脱出盾尾后向曲线外侧的偏移。每次掘进时分区分次伸缩油缸，减少千斤顶对管片的侧向应力，防止管片出现移位超限。

②上软下硬掘进

在上软下硬地层中盾构掘进易导致刀盘（具）异常磨损、盾构机姿态控制困难、螺旋机喷涌等问题，事先应注重盾构机选型和地质补充勘察，并采用膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等对渣土进行改良。对上软下硬地层的核心在于掘进参数的精确控制和及时调整，严格遵循“低转速、小贯入、稳掘进”的掘进原则，明确各项掘进参数的预警值。对于磨损超限的刀具及时更换，不能以牺牲设备而盲目掘进，避免产生更大的损失。掘进时应适当减少总推力，调整土仓压力略大于地层的静止土压力，协同匹配出土量、掘进速度等参数，防止出现过大的地面沉降。严格做好渣样分析，对花岗岩地层球状风化体以及明显突变的地质应进行预处理。

③其它情况

对于全断面岩层，可采用保压掘进，降低滚刀贯入度，减小岩块体积，避免螺旋机被卡和出渣不畅。对于富水岩层，还应采取有效措施，防止管片上浮。遇盾构切桩，应事先彻底检查刀盘驱动系统，在刀具配置上配备足够数量的滚刀或贝克刀，布设位置略高于其它刀具，同时掘进速度要极慢，以确保连续切桩的安全性。遇其它障碍物，应采用人工清障或机械清障，比如竖井开挖清障、定向爆破等。盾构机穿越重要建筑物前，应设置试验段检验各项参数的有效性，合理设置土仓压力和掘进速度，加强盾构姿态控制与纠偏。在盾构穿越建筑物段，同步注浆使用厚浆或可硬性浆液，二次补浆使用水泥、水玻璃双液浆，注浆要按照注浆量和注浆压力进行双控，并根据施工监测数据进行实时调整。