TBM在重慶地鐵施工中的風險分析及安全管理

董 勇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安710043)

在城市地鐵施工中，其施工方法受到地面建筑物、道路、城市交通、水文地質、環境保護、施工機具以及資金條件等因素的影響較大，因此，根據各自的地域特征所采用的施工方法也不盡相同［1-2］。

我國地域廣大、地質類型多樣，如重慶、青島等城市處于堅硬巖石地層中，廣州地鐵也有部分區段處于堅硬巖石地層中，這種地質條件下修建地鐵通常采用鉆爆法開挖、噴錨支護(與通常的山嶺隧道相當)。重慶軌道交通1～3號線采用鉆爆法施工，主要出現的問題有:施工擾民、對既有建筑物的影響、工期影響、對環境的影響等。

鉆爆法施工工程進度緩慢，且存在以上諸多弊端。為盡快改善重慶城市客運交通擁擠現狀，加快城市軌道交通建設進度，提高工程建設技術水平，減少鉆爆法施工對周圍環境的影響，在重慶地鐵6號線一期和二期工程施工時均采用了TBM施工法。

TBM 目前在我國城市地鐵施工中還處于實踐或是起步階段，重慶為我國首次在地鐵建設中采用TBM施工的城市，在施工過程中的風險分析和安全管理等方面將帶來一個新的課題［3-4］。

1 TBM施工風險源的識別與控制

安全生產只有事前進行有效控制才能避免和減少事故的發生，準確及時地對風險源進行識別和有效控制是事前控制的重要手段。由于風險源是動態的，因此在TBM掘進施工中應將風險源的識別和有效控制作為項目生產的一項重要安全管理工作進行。應結合TBM施工環境、條件，實時進行風險源的分析梳理，并制定相應的技術措施和防護方法，消除對TBM掘進施工的危險［5-8］。

1.1 TBM在不良地質條件下施工風險管理與控制

1.1.1 風險分析

TBM施工時有可能會通過斷層破碎帶等不良地質。由于斷層破碎帶是由膠結較差的斷層角礫巖及斷層泥充填，為松散結構巖體，而節理很發育且呈網狀分布的洞室圍巖，屬碎裂結構巖體。因此，圍巖開挖時，易產生工作面及拱頂坍塌、剝落，將TBM刀盤埋入，刀盤會旋轉困難，甚至卡住;巖體下陷、坍塌，易造成TBM撐靴打滑，刀盤下沉，給掘進方向的控制帶來困難;圍巖軟硬不均，刀盤旋轉時振動加劇，會影響刀具的使用壽命;開挖面及邊墻坍塌，撐靴支撐不穩，不能提供TBM掘進所需的足夠支反力;圍巖受構造影響破碎嚴重，造成施工時帶來的安全風險增加。

重慶軌道交通6號線二期工程的銅鑼山隧道位于南岸區，與軌道交通6號線一期工程的起點相接。銅鑼山隧道采用復合式TBM施工，該隧道主要存在的地質風險有:深部垂直巖溶突涌水，流量大、壓力高，有流砂、危害大;灰巖段發育多處溶洞，復雜并無規律性;南溫泉背斜軸部縱張裂隙發育，黃山斷層為地下水集中排泄通道;穿越2處石膏巖，易溶、易膨脹變形、有腐蝕性;穿越6處煤層，水冬瓜及涂山煤礦2處采空區;由于槽谷區地表存在大量居民，該段地下水發育，施工期涌水量為8 000 m3/d，雨季24 000 m3/d，隧道施工需保護地下水環境。TBM隧道穿越的不良地層如圖1所示。

圖1 不良地質風險點

1.1.2 風險規避措施

TBM掘進通過該地段前應采取超前地質預報手段探明前方巖溶、斷層的破碎情況及水量大小、煤礦采空區等地質情況，以確定合適的TBM掘進參數;利用TBM自帶的超前支護系統對前方地層進行注漿預加固;TBM采取小推力、大扭矩慢速掘進通過;采用同步管片襯砌支護，并及時保量、保壓完成豆粒石充填及灌漿工作。

1.2 TBM下穿建(構)筑物的風險管理與控制

1.2.1 風險分析

TBM下穿施工對建(構)筑物的影響分為均勻沉降、不均勻沉降(傾斜)、地表曲率變化、地表水平變形(拉伸、壓縮變形)等4種。地層沉降和位移變形對于建(構)筑物的破壞作用，不單是受單一種類的地表變形影響，而是幾種變形同時作用的結果。重慶軌道交通TBM施工隧道下穿的建筑物主要有立交橋、過水涵洞及樓房，區間隧道與建筑物的平面位置關系主要分為側穿(隧道結構與建筑物有一定的距離)、下穿2種，其中下穿又可細分為正下穿、側下穿、斜下穿3類(見圖2)。

圖2 建筑物與隧道平面相對關系

1.2.2 風險控制及規避措施

1)TBM下穿建筑物的控制標準。控制標準有三，其一，要保證上覆既有建筑物結構的安全和正常使用;其二，要保證新建隧道的安全和正常使用，特別是新建隧道的變形要滿足施工正常運營限界要求，即不能發生過大的變形;其三，要滿足新建隧道周圍環境的要求，比如地面沉降要滿足地面建筑物的變形要求等。

2)TBM下穿建筑物的規避措施。根據TBM下穿建筑物的控制因素和控制標準，應從幾個方面考慮措施規避風險:對兩結構之間的地層進行預加固;對既有建筑物進行現狀評價和加固處理;TBM施工支護參數根據需要適當加強;根據實際條件調整TBM操作參數，降低對圍巖的擾動。

1.3 TBM小間距隧道施工的風險管理與控制

1.3.1 風險分析

盡管TBM施工采用機械破巖，無需爆破，對圍巖及周邊建筑物的影響很小，兩相鄰隧道圍巖的最小間距可以適當放小，但因TBM施工有其自身特點，其撐靴的水平撐力、對掌子面的推力以及相當大的自重會對臨近隧道產生影響。因此，應確定TBM施工相鄰隧道的最小間距，才能保證施工的安全。

首先，TBM掘進依靠撐靴緊撐洞壁提供巨大的推力和反向扭矩，撐靴對隧道洞壁的頂力相當大，需要隧道洞壁提供相應的反力，這對水平小間距的隧道及周邊圍巖是一個考驗;其次，TBM是一個集開挖、出渣、支護為一體的大型隧道施工機械，其自重很大，僅主機自重就多達400 t，掘進或步進通過上下小間距隧道的上洞時對下洞襯砌結構的影響較大。另外，城市軌道交通工程的區間隧道的斷面較小，采用TBM施工時，二次襯砌難以緊跟，導致區間隧道初期支護的暴露時間較長，例如TBM進紅旗河溝站隧道(見圖3)。

圖3 TBM進紅旗河溝站隧道

1.3.2 風險規避措施

根據小間距隧道的影響因素，對于TBM小間距隧道施工存在的風險應采取以下規避措施:

1)對于不同的圍巖級別，隧道間距對拱頂下沉和洞周水平位移值的影響程度是不同的，圍巖級別越差，隧道變形受到埋深和間距變化的影響程度就越大。對圍巖較差的小間距段落進行注漿加固措施，可提高圍巖的自身穩定性。

2)在對開挖隧道采用一定的支護措施后，可以減小其開挖的影響范圍。支護措施越強，隧道結構就越安全，隧道間距就可適當放小。

3)盡量減少對已施工隧道的影響，后施工隧道對已施工隧道的影響是不可忽視的，在具體實施中應盡量降低對已施工隧道的影響。

4)一般情況下，間距小于0.85D的上下立體小間距隧道，采用TBM施工具有一定的風險，建議采用鉆爆法提前施工，TBM直接步進通過;間距大于0.85D的上下立體小間距隧道，采用TBM是安全可行的，若圍巖較差，隧道間距須適當放大。

1.4 TBM過站風險的管理與控制

1.4.1 風險分析

由于城市軌道交通工程一般每隔1～1.5 km設一座車站，以體現其快速、安全、高效、優質、環保等諸多優點。相比于長距離的連續掘進而言，中間較為頻繁的經過車站，導致TBM施工受車站間隔性影響而不能連續掘進，且同時增加了對車站的安全影響。因此，TBM過站形式對于發揮其安全、快速、長距離掘進等特性具有重要的意義。TBM過站應遵循快速、安全、投資省的原則，綜合考慮車站及TBM掘進施工，既要保證TBM的順利掘進，又要確保車站的施工工期。

TBM的過站方案大致可以分為3種:掘進過站、半掘進過站以及空推過站，見圖4。

圖4 TBM過站現場

從圖中可以看出，不管以哪種方式通過車站都將對車站的結構產生一定的安全影響，一般車站空推過站均為通過隧道底板。在重慶地鐵6號線施工中，由于受控于線路及施工方法，大龍山、冉家壩為TBM在中板上移動通過車站，施工期間荷載遠大于運營時的荷載，中板過站為TBM施工風險最大的一種方式，故對此車站應進行特殊設計。

1.4.2 風險規避措施

1)TBM過中板時，沿步進方向中板縱向設置兩道暗梁，梁下預埋鋼板及螺栓與鋼支撐柱腳底板連接，鋼支撐間距為4 m，并設置縱橫向鋼撐，間隔設置縱橫向剪刀撐。底板對應部位的預埋鋼板及螺栓與鋼支撐的柱腳底板連接。

2)在底板施工時，應對柱腳預埋件做出準確預留，再安裝臨時鋼支撐，并同步進行中板腳手架工程，使鋼支撐與腳手架一并承受由中板傳來的荷載，保證中板、底模、鋼支撐體系完全接觸。

3)為滿足鋼管柱的安裝與拆除，在等強拼接的原則下，可對鋼管柱拼裝節點細化設計，以滿足施工的操作需求。

4)TBM過站順序為先澆筑中板，并布設鋼支撐，以弧面過站方式通過中板后拆除鋼支撐，而后TBM以平面過站方式通過底板(見圖5)。

5)加強現場施工組織管理，在確保安全的基礎上盡量縮短工期，減少TBM對中板的影響時間。

6)TBM整機荷載較大，在條件允許的情況下，可采用部分拆卸過站的模式。如把刀盤(80 t)拆下，抵達車站端部時再組裝，可有效減小整機的荷載。

TBM在城市地鐵施工中存在著自身風險和環境風險，對于TBM施工中的風險源應進行仔細梳理和分析，并采取有效、合理的規避措施，降低風險等級，同時精心組織、科學的管理也可將施工風險降到最低。

圖5 TBM過站中板臨時支撐剖面

2 TBM安全管理分析

TBM機械化掘進施工比常規的鉆爆法等方式具有較明顯的安全生產優勢:施工對圍巖的擾動少，洞內施工人員及地面構筑物的安全易得到保障;施工采用綠色環保的機械化破巖，無爆破，方便出渣，施工環保;掘進機自身帶有局部或整體護盾功能，操作人員在護盾下工作，有利于保護人員安全;掘進機配置有一系列的超前支護設備，提前對前方地質進行預測和加固處理，可保證在不良地質條件下安全生產;施工作業均在地下進行，既不影響地面交通，又可減少對附近居民的噪聲和振動影響;TBM掘進形成了工廠化作業，可實現文明施工，采用監控和通訊系統，自動化程度高，作業人員少，便于安全管理。

TBM施工的安全風險分析:TBM掘進機對多變的地質條件(斷層、破碎帶、擠壓帶等)的適應性差，在地質條件較差的情況下，易出現卡機等安全事故(如前面分析的在不良地質段施工，都將產生很大的風險);TBM施工時在換刀、前方事故處理等開倉作業存在安全風險;若遇地下水豐富，開挖面出現大量涌水現象時，機體可能產生下沉或被掩埋等安全事故;TBM過站、進出洞帶來對工籌和車站結構安全的風險;TBM施工時如發生偏離線路等事故時，糾偏較困難;洞內交通安全也是一項需要引起足夠重視的問題［9-10］。

3 TBM施工現場安全管理主要措施

從TBM施工機理及安全管理的分析可以看出，TBM施工現場安全管理有其特殊性和復雜性，必須運用系統工程理論的觀念，樹立整體觀和全局觀，提高系統的整體功能。應完善安全生產管理，提高全員管理水平，從而提高施工防護水平，減少、杜絕傷亡事故。

3.1 安全組織機構與安全生產責任制度

安全組織機構在安全生產的管理中是一項最基本也是最重要的工作。根據《地鐵工程施工安全評價標準》、《中華人民共和國安全生產法》、《TBM安全操作規程》等有關安全法規，在項目開始之初應成立安全生產委員會，設置安全處，配備足夠的TBM施工專職安全員及兼職安全員。建立安全生產責任制，明確責、權、利。通過簽訂安全生產責任書，使各級部門、各崗位都負起應有的職責。

3.2 建立健全規章制度

依據安全法律和行業規定，結合TBM施工特點，制定有關安全生產教育、檢查、勞動保護、應急預案、事故處理、獎懲等內容齊全且針對性強的規章制度，并根據地鐵施工特點制定出合適的TBM掘進操作規程及特種設備管理制度等，在工程實際運行過程中不斷完善補充，使參建人員能夠有章可循。

3.3 項目安全技術管理

3.3.1 施工組織設計與施工方案

根據采用的TBM機型和施工特點，從施工組織設計與施工方案制定方面，針對TBM施工選用的機械、設備、變配電設施等存在的不安全因素，以及可能危害施工人員人身健康的特殊材料，從技術措施、安全裝置上加以控制，或采取相應的措施，保證施工人員的安全。

3.3.2 施工安全技術交底

在項目開工前和施工過程中，隨同施工組織設計，對施工人員進行安全技術措施交底，以保證施工的安全性。在施工管理中，一般采取的安全技術交底有:分部工程安全技術交底、分工種的安全技術交底和特種作業人員的安全技術交底。要求凡進行安全技術交底的人員都填寫安全技術交底卡，交底人與被交底人簽字齊全各執一份，便于安全措施的實施與檢查。

3.3.3 制定標準化的操作規程

在項目施工管理中，為了杜絕操作者在施工中的不安全行為，避免事故的發生，制定操作規程和手冊，有車輛安全操作規程、管片廠安全操作規程、TBM安全操作規程、常規鉆爆法安全防護手冊等，用科學的作業標準來規范作業者的行為，以減少人為的失誤。

3.3.4 項目安全教育與培訓

安全培訓教育要與技術交底同步進行，特別是當使用非專業輔助人員進入項目施工時，要把對作業者的安全意識、素質的培養與提高、強化作業者的行為控制，作為安全管理的重要內容抓好。

3.4 管理人員及特種作業人員的資格管理

項目負責人和專職安全生產管理人員應具備TBM施工安全管理經驗和能力，掌握相關的安全管理知識，并嚴格按照合同及《地鐵工程施工安全評價標準》、《中華人民共和國安全生產法》、《TBM安全操作規程》等有關法律法規要求，經相關部門安全生產考核，取得安全員證書，方可擔任相應職務。

特種作業人員也要按照有關規定，進行特種專業培訓、資格考核、取得特種作業人員操作證后方可上崗。

3.5 項目安全生產檢查

安全檢查是在發現不安全行為和不安全狀態時，消除事故隱患，落實整改措施，防止安全事故，改善勞動條件的重要方法。由于TBM施工場區環境復雜，工作面多、工序繁雜，施工機械的性能、施工人員的技術等級和文化素質參差不齊，因此，施工活動場所的安全檢查是安全管理非常重要的環節。項目部要制定定期的安全檢查制度，為安全生產做好保障。

4 結語

TBM在重慶地鐵施工中應用并取得了成功，青島地鐵和更多的巖石地層城市將會更多地應用機械施工代替原始的鉆爆法，施工中的安全風險關系到工程的成敗，合理的風險規避措施是降低風險的主要方法，有效的安全管理同樣重要。安全生產管理是工程項目的重要組成部分，是一門綜合的系統科學。目前TBM在地鐵施工中的應用還處于初步實踐階段，對其風險分析和安全管理方面可借鑒的經驗較少。TBM施工除了自身帶來的安全風險外，還有環境帶來的施工安全風險，在這些安全風險中，人、機械、環境的狀態管理和安全風險管理是施工現場管理的主要對象。項目初期應對各方面的安全風險進行全面的分析，并制定出系統的管理措施，在項目實施過程中通過動態管理，不斷完善管理制度，以提高項目的管理水平。

［1］祁志，宋宏偉，賈穎絢.全斷面掘進機的應用現狀與發展前景［J］.建筑機械化，2002(5):20-22.

［2］陳滿拾.我國全斷面巖石掘進機的發展近況［J］.鐵道建筑技術，1992(2):3.

［3］鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［5］GB 50715—2011地鐵工程施工安全評價標準［S］.北京:中國計劃出版社，2012.

［6］尹俊濤.與TBM相關的主要工程地質問題研究［D］.長沙:中南大學，2005.

［7］尚彥軍，楊志法，曾慶利，等.TBM施工遇險工程地質問題分析和失誤的反思［J］.巖石力學與工程學報，2007(12):2403-2411.

［8］唐志林，楊景輝，楊樹均.大伙房輸水工程TBM 3施工段施工風險評估［J］.水力發電，2006(7):39-41.

［9］蒙先君.長距離雙護盾TBM施工探討［J］.隧道建設，2008(8):429-433.

［10］趙弟厚.隧洞掘進機(TBM)在大同塔山礦主平峒掘進施工現場的安全管理［J］.山西水利科技，2004(8):49-51.