從選型及設計角度談盾構施工風險控制

（中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016）

隨著地下空間的不斷開發,隧道及地下工程的開發與應用逐漸成為交通發展的主要方向,高效安全的隧道掘進設備成為工程建設領域不可缺少的利器,面對越來越復雜的施工地質與施工環境,同一工程領域可能會遇到更加復雜的施工難題,因此選用合適的盾構設備成為工程建設者要面對的重大問題。

影響盾構掘進和施工安全的風險有很多,諸如線路設計、地質風險、管理風險、質量風險等,本文主要從盾構設計方面考慮,對同一區間不同地質下的盾構選型,盾構主要部件及系統設計等方面考慮,如何規避風險,給工程施工帶來最大效益。

1 設備選型對盾構施工風險的影響

盾構作為工程施工中的一個重要作業工具,在合適的地層選用合適的設備非常重要,針對盾構選型的特點,我們主要從工程地質和水文地質作為基本點,以地層粒徑、滲透系數、地下水壓為選型依據,綜合考慮確定盾構選型,實現盾構施工掘得進、穩得住、排得出、耐得久四大目標。

1.1 土壓-TBM雙模盾構的選型應用分析

1.1.1 土壓-TBM雙模盾構的設備特點

土壓-TBM 雙模盾構結合了土壓平衡盾構和單護盾TBM 的結構和功能特點,即滿足在軟土地層掘進保壓防沉降的功能,又可以在全斷面硬巖地層采用單護盾TBM 的掘進模式滿足快速掘進的功能。在軟弱地層使用土壓模式,即采用螺旋輸送機出渣,在硬巖地層使用TBM 模式,即采用中心皮帶機或螺旋輸送機出渣（圖1）。

圖1 土壓-TBM雙模盾構結構示意圖（采用皮帶機出渣）

1.1.2 案例介紹

廣州市軌道交通十二號線景云路—恒福路站區間穿越地層以微風化灰巖、粉砂質泥巖、粉質黏土、泥質粉砂巖為主,其中<9Z>微風化混合花崗巖強度達到83MPa,距離約900m（圖2）。

針對本項目的工程特點如果采用土壓平衡盾構掘進,在900m 的微風化混合花崗巖地層中存在掘進效率低、換刀頻繁等問題,不能保障工程施工的高效進行。如果采用土壓-TBM 雙模式盾構則可在硬巖地層采用TBM 模式進行掘進,不僅可使掘進效率提高,而且可以減少刀具和油品損耗,延長刀具的使用壽命,最終帶來更好的經濟效益。

圖2 景云路—恒福路站區間地質縱斷面圖

1.2 土壓-泥水雙模盾構的選型應用分析

1.2.1 土壓-泥水雙模盾構的設備特點

土壓泥水雙模盾構集成了土壓平衡盾構、泥水平衡盾構的設計理念與功能,可根據地層變化快捷地在兩種不同掘進模式之間相互切換,保證工程優質高效（圖3）。當地質自穩性較強時,可采用土壓模式,以降低施工成本,提高工效；當地質自穩性較差時,可采用泥水模式,以有效控制地表沉降,確保隧道施工的質量、安全。

圖3 土壓泥水雙模盾構結構示意圖

1.2.2 案例介紹

南寧地鐵5 號線旱塘站-新陽路站區間從旱塘站始發,下穿邕江到達新陽路站,區間總長2 367m。區間始發段穿越地層為③1 粉土、④1-1 粉細砂、⑤1-1 圓礫、⑦1-3 泥巖及⑦2-3 粉砂巖,邕江江底段隧道范圍為全斷面⑦砂巖或者泥巖地層。江底覆土厚度約11m,水深約12m（圖4）。

圖4 旱塘站-新陽路站區間地質縱斷面圖

針對本項目的工程特點如果采用普通的泥水平衡盾構,在邕江江底的全斷面泥巖段掘進將面臨刀盤結泥餅,排渣效率低等問題,而采用土壓-泥水雙模式盾構則可在全斷面泥巖地層采用土壓模式掘進,配合渣土改良系統、提高掘進速度、降低施工功耗,獲取最大的施工效益。

1.3 結論

從上述兩個工程案例可知,針對同一區間不同的地質情況選用更加適合的盾構,不僅能夠獲得掘進速度,縮短施工工期,也可使盾構發揮最大的機械性能,促使建設工程的利益最大化,最終為社會創造更大價值。

2 盾構施工的主要風險分析

盾構的施工風險首先要從地質條件進行分析,規避地質風險,其次從盾構本身分析,規避盾構風險,最后從科學管理抓效,規避人為風險。通過風險分析預警,采用合適的應對措施,滿足盾構的安全施工要求。

2.1 盾構施工風險的分類

盾構施工的風險,主要存在地質的復雜性、盾構的不適應性、人認知的局限性、方案和措施的不合理性等四大方面,如果這幾方面處理不當都會引發工程事故。因此,盾構施工的風險從上述幾個方面可以概括為3 類：地質風險、設備風險和人為風險。本文主要從怎樣規避設備風險上面進行分析。

2.2 設備風險的設計應對措施

設備風險主要指盾構設備的選型不合理和功能性缺陷。如盾構選型錯誤,在刀盤刀具配置上選型不合理,渣土改良系統、同步注漿系統、密封系統等設計不合理。因此,在進行盾構設計也基于主要系統的風險考慮,可分為以下幾點。

2.2.1 破巖風險

圖5 刀具破巖模型

刀盤作為盾構開挖的重要部件,刀具配置顯得更加重要,刀間距的大小直接影響著實際施工的掘進效率（圖5）,根據相關理論和成功工程案例顯示,在同一地層前提下,較小的刀間距能夠提高刀盤的破巖效率。如果在全斷面巖層,巖石強度大于80MPa,在刀具設計時建議刀間距不大于80mm。

2.2.2 換刀風險

全斷面巖層掘進,換刀效率直接關系著整體的施工效率,如果在設備設計時能夠有針對性的措施,提高換刀的效率和安全,就可間接的提高施工效率。目前在盾構設備上通過設計手段提高換刀便捷性,主要有以下幾個措施。

1）采用主動鉸接 主機設計為主動鉸接形式（圖6）,同時設置換刀撐靴（圖7）,通過預先伸出鉸接油缸,再伸出中盾后部的撐靴頂住巖壁形成三點支撐,通過鉸接油缸的拉力使刀盤后退獲得新刀更換空間,避免人工鑿除新刀空間,降低人員進倉作業時間。如果盾構直徑過大,也可設計主驅動的伸縮擺動裝置,該方式主驅動系統允許刀盤向掘進方向反方向縮回一定距離,為刀盤前面讓出一定空間從而使得刀盤維護更加便捷；允許刀盤擺動,可提高邊緣刀具的更換效率,也可防止刀盤出現被卡現象。

圖6 主動鉸接示意圖

圖7 換刀撐靴示意圖

2）采用常壓刀盤 當管片外徑在11m 以上時,可采用常壓刀盤,所謂常壓刀盤,指的是作業人員通過刀盤艙進入中空的刀盤輻條臂內,并在常規大氣壓條件下進行刀盤及刀具的檢查維護作業（圖8、圖9）。

圖8 壓刀盤示意圖

圖9 盤輻條臂常壓狀態換刀

3）刀盤布置冷凍管路 刀盤設計時,在刀盤四周布置冷凍管路,在富水砂層或上軟下硬地層換刀時,向刀盤管路中注入冷凍液,通過冷凍法實現掌子面的凍結,待地層達到一定強度后再進行換刀作業,可以實現高滲透大壓力環境下安全、高效的開倉換刀作業（圖10、圖11）。

圖10 冷凍刀盤使用案例

圖11 冷凍管路溫度應力場分析

2.2.3 堵倉風險

在細顆粒含量高的地層,刀盤結泥餅的風險相應增加,如何避免刀盤中心結泥餅成為施工控制的主要措施,土壓盾構可設計中心沖刷系統,合理布置主/被攪拌棒（圖12）,泥水盾構可增加主機段的小循環設計（圖13）,增大泥水倉進漿量及排漿量,降低滯排的風險,如果盾構直徑在10m 以上,也可在泥水倉內外布置兩套破碎系統,進一步降低堵倉滯排問題。

圖12 土壓盾構中心沖刷系統

圖13 泥水盾構主機段小循環設計

2.2.4 沉降風險

在建構筑物較多,或對沉降要求較嚴格的區域施工時,沉降控制顯得尤為重要,施工過程中沉降從大的方面分為掘進沉降和后期沉降,如何采取有效的措施或手段降低掘進時的沉降往往也是設備選擇時的一個重要衡量指標,目前在設計方面控制沉降的方式主要有以下幾類。

1）盾構頂部塌方功能檢測裝置 盾體頂部塌方功能檢測裝置可以在盾構掘進過程中實時檢測盾構頂部圍巖受擾動的渣土狀態（是否塌方）,為盾構掘進參數調整、地面沉降檢測提供初步參考,是盾構安全施工檢測的一種信息化措施。

2）掌子面主動支撐系統 土壓盾構在控制沉降方面不如泥水盾構,如果將泥水盾構的控制原理應用到土壓盾構上面,在一些特殊項目尤其是沉降控制嚴格地段,為避免掘進過程中隧道頂部擾動,可針對性設計膨潤土保壓系統,從土倉頂部注入的較粘稠的膨潤土,通過膨潤土滲透到拱頂及掌子面形成泥膜隔離層,泥漿的壓力作用在泥膜上,以實現支撐拱頂,保護掌子面不坍塌。

3）砂漿稱重和皮帶機稱重系統 刀盤開挖直徑和管片之間的間隙填充不密實經常是造成沉降的一個重要原因,為便于同步檢測每環砂漿注入的注漿量,可設計砂漿稱重系統,系統上配置的稱重傳感器可以將砂漿罐前后變化的測量值通過A/D 轉換,在主控室上位機直接顯示重量,有利于控制由于注漿量不均引起的隧道沉降。同時,土壓盾構可在皮帶機上安裝渣土稱重和體積掃描系統,兩個系統進行相互驗證,實時監測出渣量,通過渣土容積的變化為現場施工提供預警。

4）同步注漿效果檢測系統 同步注漿作為施工過程中的一個重要環節,如果控制不當,在施工階段將導致地表沉降,在后期運營階段,將引發隧道滲水漏泥或結構局部破壞,影響隧道的正常的運營。

傳統的注漿質量控制方法關鍵在于注漿壓力和注漿量的控制,這兩者的確定很大程度需要依據經驗確定,往往還需要根據地表的沉降監測進行實時的反饋修正。盾構隧道壁后注漿檢測裝備化系統可以為注漿質量的確定提供新的依據,采用探地雷達進行背后注漿質量控制,一可以檢測出盾構隧道壁后注漿的注漿厚度,密實程度,二可以檢測出盾構隧道壁后注漿存在空洞等病害的問題,也為注漿質量控制提供了新的參考依據。

研發雷達檢測設備根據不同地質介電常數,實現對盾構壁后注漿厚度檢測,對確保施工及周邊環境安全具有重要意義,同時也對隧道后期維養奠定良好基礎。

2.2.5 有害氣體檢測風險

目前個別城市地鐵施工中已出現有害氣體,因此設備上需具有針對性的措施來規避作業風險,一般的應對措施為在盾構的人艙內部配置一臺便攜式的氣體檢測儀,可檢測CO/O2/CO2/H2S/CH4,在出土區域配置固定式的氣體檢測儀,可檢測H2S/CH4/O2,當氣體濃度達到一定值時,主控室內的程序會報警,提醒操作人員撤離。

如果施工之前已探明隧道內有害氣體含量較高,除常規措施外,盾構設計時實現多區域瓦斯實時檢測,如螺機出口、尾盾上部、拖車尾部等,采用獨立控制系統,并配有防爆應急電源,斷電后可以繼續進工作,實時將檢測數據傳入主控室和地面監控系統,一旦瓦斯濃度達到停機極限,切斷盾構電源,啟動應急照明,倘若瓦斯濃度繼續上升,本地高壓柜跳閘,同時發出信號使洞外上一級高壓開關跳閘,切斷洞外的高壓供電,同時加強隧道內的通風,直至氣體濃度達到要求值,操作人員才可繼續作業。

2.2.6 其它風險

除上述風險外,盾構上還需考慮防火風險,可設計煙霧檢測裝置啟動自動滅火系統或水幕滅火系統,以及在臺車上增加配置緊急避難室,均可降低或規避人員風險。

3 結語

盾構施工風險的控制更多的是一種管理行為,需要在施工過程中通過風險分析,風險預警、風險響應等手段進行控制。本文結合現階段盾構設計的現狀,從設備選型及部件設計方面對施工風險控制進行了一些思考,對施工過程中的常見風險進行了分析,以盡可能降低或規避施工過程中的設備風險,提高隧道施工的整體效率,為整個工程項目增值。未來隨著盾構技術的不斷發展,通過信息化技術的不斷應用,盾構施工的風險控制將進一步完善和提高。