城市地铁施工安全风险评估与控制策略

2024-03-16王伟

中华建设 2024年3期

关键词：盾构注浆工程

王伟

一、工程概况

天津地铁8号线一期第3合同段，包括鞍山西道站—南丰路站（含）—六里台站区间（仅含二次砌筑及装修）—西康路站区间；共计1站3区间，总长约2810m、2695m，线路由西到东布设在鞍山西道、西康路下。

二、城市轨道项目的特征与风险管理的必要性

（1）城市地铁轨道交通建设是一个动态的、不断变化的过程。在工程建设过程中，对工程项目进行安全风险控制是十分必要的。鉴于此，需要对工地安全管理方案进行适时的调整，以达到高效的安全管理。

（2）在工程建设过程中，由于施工空间的不断变化，使得工程建设中的各种不确定因素也在不断增多。建设施工单位应结合工程实际，采用行之有效的安全管理手段，并及时调整安全防护措施。

（3）在城市地铁建设中，经常会涉及许多工程结构的施工，因此会使用到许多复杂的施工技术，这就造成了在施工现场中存在着许多危险因素，同时也给安全管理带来了很大的困难。总体而言，在地铁施工中，施工人员、机械设备和材料种类繁多，若不能正确处理各种材料和设备的关系，将有可能引发一系列的安全事故。例如，高处坠落、火灾、触电、物体打击等，这也通常会造成一定的人员伤亡，对项目的效益产生不良影响。

三、建筑工程安全隐患的来源和危害

1. 建筑施工环境中的风险来源

城市地铁及地下工程建设环境安全风险来源主要指工程结构所处的区域，包括以下几点风险源。

（1）软土、流砂、岩溶、硬岩、断裂、涌（渗）水、上覆地层空洞区、水囊区、河流、湖泊等特殊地层条件和水文地质条件。

（2）地下管涵、地下暗河、护城河、桥梁桩、人防工程、地道及其它已有的地下建筑物及市政设施，地面铺装结构，地下轨道交通等。

（3）民房、商业建筑、机关、文物古建、古城墙等建筑物及其基础等一系列隐含风险或重大风险的现场客观工程环境。

2. 建筑环境安全危险事件

（1）地铁车站基坑开挖施工中的危险和事故。由风险源产生的基坑工程的主要风险事故具体包括：①开挖时，边坡出现塌方、滑坡；②底部出现沉陷、流砂、冻胀；③造成轴线移位、基础倾斜、上部结构变形，对周围附近建筑物或设施以及地下管线造成影响，导致第三者的损害。

（2）建筑工程的危险和意外。混凝土纵向变形，例如：干缩，温差和纵向差异，这是引起混凝土的纵深变形的根本原因。混凝土裂缝，例如：混凝土干缩、温差引起的结构纵向拉应力和不均匀沉降引起的结构弯曲，都会引起混凝土裂缝，从而造成结构工程的失稳。

（3）火险情况。由于工程场地狭小，各个系统的设备安装和装饰装修经常发生交叉操作。建筑的模板、设备的包装、装饰装修材料、油漆等易燃物，临时用电的管理不规范、加工场地的管理不规范，这些都是引起火灾的主要原因。如果不加强管理，在狭窄的空间内，一旦发生火灾，救援和自救都会变得非常困难，一个不小心，就会造成更大的灾难。

四、地铁建设中的安全风险成因分析

1. 工程地质与水文地质条件的影响因素

地铁建设所面对的工程地质、水文地质条件较为复杂，由于其受到长期的地质过程的影响，其介质性质具有很大的随机性，这可能会导致工程建设中出现很多问题，例如地下水位变化、地面沉降等。此外，由于各种自然和人类活动的影响，它们还会受到其他因素的影响，如地震、滑坡等。

2. 施工现场周围环境的影响因素

（1）车站建筑物结构与建筑物的空间定位关系；（2）靠近已经在建的隧道施工运营保护状态；（3）四周道路与管道间的等级、使用年限、材料与施工方式；（4）周边的生态环境、社会人群居住等影响。

3. 建筑工程安全风险管理失当

（1）线路选择不合理；（2）地质勘查工作没有做好，没有做到精细、准确；（3）没有长远的计划，没有科学的设计，工程工期紧，偷工减料；（4）不合理的施工建造；（5）对安全教育的重视不够；（6）工程转包；（7）监督力度不足。

五、盾构掘进措施

1. 地层沉降五阶段细化管控

（1）第一阶段、第二阶段沉降控制（常规措施）：切口压力精确控制—切口压力取静止土压力计算区间范围的上限值，并根据监测数据进行动态微调。

（2）第三阶段沉降控制措施（加强措施）：采用膨润土—利用中盾径向注浆孔同步进行中盾注浆，注入压力略大于切口压力0.2～0.5bar，压力控制为主。

（3）第四阶段沉降控制措施（常规措施）：

①加强同步注浆管控：同步注浆采用凝胶时间稍长的双液浆配合比，扩散系数按1.6～2.0倍控制，一方面确保不发生堵管，避免停机，另一方面确保填充及时、密实。

②及时进行二次补浆：二次补浆在管片脱出盾尾3～5环后开始实施，根据监测情况和洞内雷达扫描结果有针对性地进行注浆补强，注浆量按监测数据动态控制。

（4）第五阶段沉降控制措施（加强措施）：采用洞内深孔径向注浆—洞内径向深孔注浆加固在管片脱出盾尾10环后实施，根据监测情况控制好注浆压力和注浆量，以挤密地层、稳定成型隧道为主，避免大范围扩散。

2. 盾构掘进控制要点

（1）掘进参数选择控制。施工期间，根据不同的地质条件以及面对不同的风险源，结合具体监测数据，实时下达不同的掘进指令，指令经审核下达后，盾构机操作手必须按照指令下达内容进行掘进参数控制，不可随意更改。

（2）掘进参数优化。定期组织召开掘进参数分析会，针对已施工完成实体工程沉降数据及掘进数据进行研讨、分析，找出施工中的薄弱控制点，指导优化下一步的施工参数控制。

（3）出土量控制。制定出土量报告制度：每环出土量通报，每班下班出土台账通报；再根据龙门吊称重系统，判断每环出土量是否存在超挖，制定洞内注浆及地面探孔等措施，降低地表沉降。

通过制定出土报告制度，可以达到事先计划，事中准确控制，事后总结效果，避免出现超方无人问津的现象，从而导致多次超挖地表沉降过大，路面坍塌事态严重化。图1为盾构掘进参数控制流程图。

图1 盾构掘进参数控制流程图

六、运营中的盾构机接收技术的控制及应用

1. 隧洞的线形控制

（1）隧道掘进控制量测定

在盾构施工过程中，要不间断地对盾构和管段进行检测，以掌握它们与设计轴线的偏差情况。测量内容有：盾构的横向偏差、竖向偏差、俯仰角、方位角、滚转角和切口行程、盾尾间隙和管片环中心坐标、底部高程、水平直径、垂直直径、前端面里程等。在此基础上，绘制出盾构隧道和管片与设计轴线之间的坐标关系图，从而可以对下一圈隧道施工过程中出现的误差进行预测。

（2）盾构方向的调整

在施工中，要对盾构方向进行以下操作调整：①有效地控制盾构机的姿态和安装管片的位置选择调节；②调整盾构机所用的千斤顶个数，并设置刀盘旋转扭矩，实现盾构机方位的校正；③当遇到坚硬的地层或弯曲的隧道，需要进行较大的方位校正时，利用仿形刀片进行方位校正，若盾尾间隙变小，管片拼装变得困难，为了保证盾尾间隙，需要重新校正方位；④当盾尾缝隙较小时，应将楔形环管拼装起来，以保证盾尾缝隙；⑤对盾构机侧倾角度的校正，采用刀盘在盾构机侧倾相同的方向上转动，并借助其回转反力来实现。

2. 受控测试区域的参量控制

为确保盾构能够顺利通过危险源，顺利地实现潜-高区间的接收，设置了一条离接收口40～100 m的探头试验段，通过对该探头的探头开挖参数的归纳和分析，得到合理的探头开挖控制参数，并将其应用到实际工程中，以确保盾构具有较好的姿态，盾构掘进施工技术参数如表2所示：

表2 盾构掘进施工技术参数

结合专项施工方案及表1，对其进行了进一步的归纳与分析，形成了合适的质量控制参数，其中接收段为距接收洞门40m左右的洞门,盾构水平姿态控制在+20，垂直姿态控制在-30～0内。

3. 监测项目控量

在穿越过程中，对地表沉降监测、差异沉降及倾斜监测进行了强化，监测频率为3次/Id，以此来更好地引导施工，确保施工过程中的安全，其中沉降控制指标在20mm内。

通过对最大量统计表监测结果的分析，可以看出，监测项目都已经实现了用于指导施工的监测目标，没有一个监测项目超过预报警值，各个监测项目都处于良好的控制范围之内。

七、盾构区间事故防范与处理

1. 凿洞土体不稳定的应急处理

现场的施工人员在凿开洞口水泥时，必须先挖出一个样本，在确定加固状况合格后，再凿开整个洞口，如果遇到取出样本不合格的情况，需要施工人员进行额外的补强。另外，在施工现场，应当配备至少3人的全职看护人员，监管部门的主要负责人也必须在场视察，一旦出现危险，相关监管人员要及时发现并且提醒施工人员。一方面，施工人员要马上停止对洞口的水泥凿，选择用木制或钢制材料支撑，并且用叠包法暂时封闭；另一方面，需要在此基础上进行加固和补强，直到前面的地基稳定为止，以此防止危险的进一步扩大。

2. 近邻建筑防护的风险管理

首先，相关负责人应学习相邻建筑的地基以及构造条件，采用科学高效的施工工艺及相对应的加固计划，预防相邻建筑结构的沉降、开裂和倒塌；其次，施工人员应该在组织设计中纳入对相邻建筑的防护措施和方法，在工程进行的过程中，还需要在相邻建筑物周围布设观测点，密切关注其移动与沉没；最后，除了与建筑工程相邻的建筑结构，应由业主自行拆除，按合同规定的工程范围，施工团队会保护其他工地周边的原有建筑，如果因为施工造成相邻建筑的位移和沉降超出了警报值，要立刻进行坚实的加固，从而防止相邻建筑结构的沉降、开裂和倒塌。

3. 盾构通过不良地层时的事故处理

在施工过程中，盾构通过不良地层常常会产生两个问题：一是造成隧道渗漏，二是地面沉降。为解决上述问题，施工人员可以进行以下紧急处理：（1）进行前向土压力的调节，加强前墙支撑，并且保持盾构机持续施工，同时用尽可能快的速度离开土壤破裂区；（2）立刻加固盾构的背面，在盾牌尾部加满密封脂，同时利用同步灌浆技术对盾构后方进行加固，用来做一个止水环带；（3）盾构出洞后应尽可能快地进行后墙注浆对受损地段的围岩加强加固，在地表出现塌陷的地方用围场围起来，并且对塌陷的地方进行灌浆加固处理后，才能重新投入使用。