隧道施工安全风险管理研究

秦凯

摘要 过江水下隧道是开展健康监测系统升级改造工程的大直径盾构隧道，存在施工条件复杂、综合布线难度大以及传感器安装要求难以满足等问题。文章通过在廊道层和行车层观察目标管片环的外露环缝位置，推测整环的拼装形式，经分析比较，提出以角钢焊接支架作为支点、桥架侧立安装的实施方式。实践证明该方法克服了隧道后期检修时盖板打开困难的难题，且最大限度地降低了线缆布设侵占隧道净空的程度，安装质量可控。

关键词 水下隧道；盾构施工；风险分析

中图分类号 U415.12文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0141-03

0 引言

进入21世纪以来，随着我国经济实力的增强，大力建设交通基础设施对国民经济具有基础性和先导性的战略意义。在这个时代，交通基础设施建设迎来了新的战略机遇期。然而，交通拥堵和环境污染问题日益严重，现代社会迫切需要寻求相关的交通设施项目，以促进资源的合理利用。因此，发展地下空间建设已逐渐成为城市建设的主流。与其他交通方式相比，隧道工程项目在减少土地利用、保护生态环境、减少气候影响等方面具有显著优势，越来越多地应用于城市建设项目中[1]。截至2021年底，中国已有50多个城市运营城市轨道交通线路，总里程7 562.62 km，其中8 563.73 km，占78.9%。

因此，建设大直径过江水下隧道不仅是现阶段的重点研究方向，也是我国交通基础设施建设的必由之路。隧道下穿采空区时，应根据拱顶与采空区底板的距离进行采空区危害评价，并采用加强超前支护和加强衬砌结构的处治措施。隧道正穿采空区时，在加强支护的基础上，必要时还应进行超前注浆以防老窑突水等问题[2]。隧道上跨采空区时，应加强整个采空区移动盆地影响范围内的基础处理，基地注浆、设桩跨越等均为较有效的处治方式。除了上述优点外，水下隧道还具有受外部干扰较小、不影响航行等独特优点。它们对于节约城市空间和促进可持续城市建设具有重要的里程碑意义。基于上述优势，中国正在不断加快水下隧道建设，项目数量正在快速增长。

1 工程概况

泉州瓯江南口过江隧道位于泉州市域铁路S3线黄山站至灵昆站区间。其设计范围为正线里程DK47+770.72～

DK52+653.21，过江隧道全长4 882.49 m。其中，DK47+

770.752～DK48+085范围为江北开放段；DK48+085～DK48

+570为江北埋管段；DK48+570～DK49+200为江北矿区

段；DK49+200～DK49+240范围为江北工作井；DK49+

240～DK51+904.6段采用盾构法施工；DK51+904.6～DK51

+928.4为江南工作井；DK51+928.4～DK52+315为江南埋管段；DK52+315～DK52+653.21为江南开放段。

1.1 地理位置及地形、地貌

福建属于华南褶皱系，周围构造复杂：泉州中部被区域性泉州－镇海断裂贯穿，淳安－泉州NW断裂穿过温州北部，与泰顺－黄岩断裂NW侧呈NE向相交[3]。受上述构造的影响，泉州主要构造格架的组成取决于北部和东部两侧断层的影响，但由于位于第四系地层之下，对工程建设影响不大。

1.2 工程地质条件

1.2.1 地层岩性

根据构造分析和现场勘查资料，对拟建项目区的地层按形成原因进行了分类。典型土层如下：

（1）种植土壤和素填土（mlQ4）；颜色为灰黄色，土壤一般疏松而湿润，主要由黏性土组成。土层中含有大量的植物根系，其厚度约为0.4～0.7 m。

（2）黏土（al+IQ4）：颜色以灰黄色为主，整体呈软塑状。土壤中含有大量腐烂的植物和铁锰氧化物，干强度和韧性处于中等水平。土层剖面相对光滑。该土层广泛分布于拟建新建工程区域[4]。该层高程为0.97～1.46 m，埋深0.4～0.8 m，层厚1.4～2.5 m。进行了16次标准贯入试验，测量结果显示平均锤击次数为3.86次。

（3）粉土（mQ2）：顏色以浅灰色为主，具有较高的流动塑性。土壤中含有少量贝类碎屑、有机物和残余碎屑。在一些地区，有一层薄薄的淤泥。土壤剖面相对光滑，具有较高的干强度和韧性。该土层广泛分布于拟建新建工程区域。层标高?1.17～?0.35 m，层埋深2.1～2.9 m，层厚1.5～4.3 m。

1.2.2 构造学

第四系松散堆积层位于拟建项目区构造之上，受构造因素影响较小。经过对拟建项目区域一定深度范围内的勘察，发现该区域不存在断裂、褶皱等常见构造。

1.3 水文地质条件

拟建的新项目所在区域属于瓯江水系，流经的一条支流，其水位、流速等数据受气候影响较大。福建省第二大河九龙江为山溪型河流，干流发源于仙霞岭，在泉州市注入东海泉州湾。干流全长388 km，流域面积近1.8×104 km2。20世纪80年代之前，泉溪以下的干流受到潮汐的严重影响。20世纪80年代以后，该流域的潮汐边界受到了人们生产活动的极大影响，潮汐影响范围涉及了泉溪上游的青田河城镇（近20 km）。

1.3.1 地表水

拟建项目区位于海洋平原区，河道纵横交织，宽度25～30 m。水深0.9～1.6 m（2016年12月26日测得），流速较小，以天然岸坡为主。新建项目区的地表水主要由附近的河流和沟渠组成，水流较大，在枯水期排入附近水域。地下水将流入河流或沟渠，以补充地表水。

1.3.2 地下水类型、埋藏条件及其变化特征

（1）地下水分布概况。根据含水层介质、湖泊水动力特征和地下水利用等因素，施工区与工程有关的地下水可分为两类，分别是地表水和孔隙水。

孔隙潜水主要分布于第四系全新统冲湖积层②黏土层、全新统海相沉积物③粉土层、③粉土夹砂层、④粉土层、⑤泥质黏土层、⑥黏土夹砂层、⑦黏土层、⑧粉土层。该研究对施工区上层粉土夹砂、下层淤泥质黏土、黏土夹砂、黏土等原状土层进行室内渗透性试验。

（2）地下水动态变化规律。地表水和孔隙水之间的相互作用很强，但两者之间的关系不如基岩裂隙水之间的关系密切。此外，降雨、蒸发和植物蒸腾也会对其产生一定影响。一般来说，地表水在降雨量充足的时期补充地下水，而地下水在降雨量稀少的时期也补充地表水。

1.4 关键施工技术

防火板覆盖条件下的环缝测缝计定位技术是施工关键技术。隧道行车层的弧形顶面全部密贴防火板，且防火板接缝与盾构管片接缝不对应。根据设计要求，测缝计需要安装在环缝或纵缝处，测缝计定位问题成为项目难点。针对相关问题，以既有外露接缝为基准，参考设计图纸并复盘管片环拼装形式和管片位置，提出根据管片内弧长推导管片环接缝位置的定位方法。该方法简述如下：

（1）系统梳理隧道施工阶段管片拼装方式。根据前期设计图纸，管片拼装根据封顶块位置不同有5种方式。

（2）分别在廊道层和行车层观察目标管片环的外露环缝位置，并推测整环的拼装形式，现场查看对应管片环纵缝。

（3）在目标管片环下方路面安装激光定位仪。激光定位仪实物及现场定位作业，定位仪垂直于行车方向向上打出1道环形激光，从而准确定位该环管片纵向所在位置，方便在绿光沿线寻找环缝位置。

2 水下盾构隧道施工安全风险分析

2.1 水下盾构隧道施工物风险分析

材料和设备检查是确保机械设备正常运行和施工步骤有序进行的必要准备。对材料和设备的安全性能全面检查，有助于发现机械设备中的缺陷和隐患，制定预防措施，使设备性能保持良好的工作状态，减少维护和修理时间，提高设备使用周期，确保设备的正常运行，提高了施工效率。

机械设备故障是导致施工事故的常见原因，如盾构机机身滚动问题、风机故障、凿岩机水压问题、搅拌机故障和盾构尾部漏浆。由于外部因素对水下盾构隧道施工的影响越来越大，机械设备故障很容易发生，与传统隧道相比，设备维护更为困难。材料设备的维护保养是降低材料风险的基本保障，机械设备的日常维护保养有利于施工作业和安全生产的顺利进行。因此，对机械设备定期维护十分重要。确保零部件材料的质量是预防风险的关键。严格执行零部件材料管理制度，合理科学地安排采购、加工、储存、运输等关键环节；完善材料验收制度和储存保管制度，妥善安排施工材料，避免材料损耗、腐蚀和变质等。

2.2 水下盾构隧道施工人工操作风险分析

根据不同土层的地质条件，制定完整的压力下开启和更换工具的操作计划。换刀操作时要严格检查刀具质量，确保刀具有余量和容量储备。在水域下方挖掘时，应避免更换工具或停止机器检查等危险操作，并尽量选择更好的地质条件打开和更换工具。

密封装置处理不当通常会导致隧道门底部密封失效、始发井出水量激增、泥浆罐压力异常以及循环系统故障。此时，由于密封无法保证正常施工的安全，无法继续满足泥水平衡，导致地下水和土壤大量流失和不稳定，导致地表沉降增加甚至坍塌。

千斤顶的选择是盾构隧道设计的关键之一，每个千斤顶的推力和数量是确定设计方案的关键。所用千斤顶的数量因横截面的大小而异。在盾构施工过程中，应确保千斤顶组的推力大于正前方土层的阻力，以确保盾构施工的正常进行。如果不选择合适的千斤顶，当盾构隧道土层前方的阻力过高时，极有可能导致表面隆起和其他现象。

2.3 水下盾构隧道施工自然环境风险分析

水文地质条件是产生自然环境风险的一个重要因素。在不良地质条件下施工过程中发生事故的概率显著增加。地面塌陷、涌浪、隧道坍塌等常见工程事故的直接或间接原因均为不良地质条件。隧道中常见的不良地质现象包括富水断层破碎围岩、膨胀岩、压缩岩、黄土地质、岩溶地质和岩爆现象。

隧道施工对地下管网和周围建筑物的影响很大，是隧道施工中需要考虑的关键因素之一。当施工超出施工边界或造成重大扰动时，会发生大量工程事故，对天然气管道、供水管道等地下管道或其周围的重要建筑物造成不同程度的扰动或损坏。

工作环境是威胁施工人员安全的主要因素之一。风险源主要来自周围机械设备处置或操作不当，如触电、高空坠物、坍塌、火灾、中毒和窒息等。施工区域的侵蚀情况与水下盾构隧道施工的进度和数量有关。在开始施工之前，应对流域内的侵蚀量和海岸结构的变化趋势进行现场测量和监测。

3 隧道施工安全风险评估及应对措施

3.1 人工操作风险应对措施

通过现场反馈，动态调整和平衡土压力，使盾构掘进过程中螺杆机开挖的土方量与设计环节计算值的理论值相匹配，严格保证盾构姿态处于正常状态，减少超挖和欠挖现象。在盾构掘进过程中，定期对测量基站进行校准和复核。如果在盾构掘进姿态中发现偏离设计值等异常情况，应及时停机验证，确保盾构掘进机的掘进路线与设计轴线一致。

根据地质条件优化刀盘速度、螺旋输送机速度、正向挖掘速度和推力等参数。当盾构掘进通过复杂不均匀的土层时，应适当放慢盾构掘进的前进速度，以提高刀盘切割土壤的效率，最大限度地减少开挖过程中来自土壤前部的阻力，并向工作面前部注入不易固化且具有润滑性的特殊土壤，减少土壤摩擦力，节省能源消耗，使推进更加平稳。在易形成泥饼的黏土土层中进行盾构掘进时，应实时监测盾构掘进速度与土壤输入的比值，以控制工作面前方的土壤失稳和损失。此外，在安装拱底块管片之前，有必要确保盾构外壳底部的清洁度，以防止异物干扰管片并导致盾构掘进姿势发生偏差。

3.2 盾构段隧道涌水风险应对措施

该工程区间采用盾构法施工，必须在盾构机推进的同时进行同步注浆作业。材料配合比必须使用主要由水泥、粉煤灰、膨润土和沙子組成的可硬化浆液。灌浆效率、施加的压力和位置必须满足现场施工的要求。

盾构隧道通过水域施工时，应遵循“匀速连续”的原则。穿越前应加强设备维护，仔细检查切割头的磨损情况，并提前更换切割工具。在水域下方挖掘时，应避免更换刀具或停止机器进行检查等危险操作。要对盾构隧道上方河流表面异常情况的实时监测，当发现水面漂浮异常气泡甚至大面积泥浆时，应及时准确判断情况的严重程度，适当降低掌子面前方的泥浆压力和泥浆中水分的比例，同时提高泥浆的黏度，提高关键施工工序的效率，尽快过水。屏蔽尾部是防水关键，密封失效会造成灾难性后果。此外，严格控制盾构机尾部的水封压力，更换密封刷时严格控制灌浆质量，防止浆液流出。

3.3 水下盾构隧道掌子面失稳风险应对措施

在软弱地层中进行盾构施工，需要对施工现场的水土条件和整个地区的水文地质条件进行详细分析。根据现场实际情况，制定相应的施工方案，优化开挖参数。在开挖过程中，应及时调整盾构机的工作效率和螺杆机的开挖量，同步灌浆时应控制匹配压力和灌浆量。制定科学合理的监测和测量计划，对开挖前、开挖中、开挖后的变形和沉降进行监测和测量，并根据监测结果调整和优化盾构施工参数。

在水下盾构施工过程中，控制隧道表面的土压力和水压力是确保施工安全的重要保证。合理控制泥浆水比重、泥浆水黏度、含砂量、泥浆水比、降水量等参数，确保掌前土壤的可塑性，从而实现土壤的安全、稳定和切割。

4 结语

该文根据人员风险、物质风险、人工操作风险、自然环境风险、人类和社会环境风险以及风险指标的重要性，总结了主要风险应对措施和次要风险应对措施，为泉州瓯江北口跨江隧道施工安全风险评估奠定了工作基础。

参考文献

[1]王焰. 城际铁路大直径泥水盾构施工风险及对策——以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为例[J]. 隧道建设（中英文）， 2019（6）： 983-988.

[2]陈建芹， 冯晓燕， 魏怀， 等. 中国水下隧道数据统计[J]. 隧道建设（中英文）， 20211（3）： 483-516.

[3]刘建航， 侯学渊. 盾构法隧道[M]. 北京：中国铁道出版社， 1991.

[4]孙谋， 谭忠盛. 盾构法修建水下隧道的关键技术问题[J]. 中国工程科学， 2009（7）： 18-23.