地鐵隧道盾構法施工風險分析與控制對策

摘要：隨著城市軌道交通的快速發展，盾構法在地鐵區間施工中得到了廣泛應用，但是施工事故也時有發生。為了掌握盾構掘進過程中各種風險的控制措施，對盾構機出發與到達、穿越建（構）筑物、特殊地層、穿越河流等施工風險進行了分析，總結了不同風險條件下的安全控制措施，指出盾構施工后期風險分析與控制的研究方向，可為盾構施工及后期風險控制的研究提供了一定的參考。

關鍵詞：地鐵隧道;盾構;風險分析;風險控制

0" "引言

盾構施工具有施工快速、對周圍環境和交通影響小等優點，已廣泛應用于城市地鐵和道路修建。鐵隧道盾構施工風險較高，只有不斷提高人們對盾構施工風險的認識，并采取必要的措施進行有效控制，才能避免事故的發生。徐杏華等[1-2]分析了盾構法施工中不同控制模式，指出人為因素是誘發事故的主因。張海彥等[3-5]等分析了盾構上下穿橋梁、隧道、鐵路等建（構）筑物工程實例，總結了不同工程條件下盾構施工關鍵技術措施。孫明偉[6]在下穿江河水體方面采用改造的盾尾刷防止盾尾漏水，取得了良好的效果。

盾構建設期間的風險分析和控制，涵蓋了從盾構選型、拆吊、始發、掘進、到達等的施工全過程，本文根據實際情況，主要對盾構始發與到達、過站、平移作業風險，穿建構筑物風險、特殊地層風險以及下穿江河水體風險等進行分析，并提出對應的控制措施，可為類似條件下盾構施工提供參考。

1" "盾構施工主要風險及分類

1.1" "盾構隧道建設風險分類

依據施工規范和相關文件，盾構隧道施工風險可分為技術與材料、設備、管理、人員、自然環境和社會環境等六類風險[7]。其中技術與材料、設備管理、人員風險通過采取一定的措施，可以大大降低事故發生的概率，是施工階段風險分析和控制的重點環節。

1.2" "盾構施工主要風險

根據現有施工經驗，對盾構施工期間風險進行歸納，主要有以下8類施工風險。

1.2.1" "地質與盾構選型匹配性風險

地質類型、隧道埋深、地下水位和掌子面穩定性等地質條件是盾構機選型的主要依據。如果盾構機選型與地質條件不匹配，會造成嚴重的盾構施工風險。

1.2.2" "盾構組裝、調試及拆吊風險

主要包含超重超寬超高風險，對地上地下管線及結構物保護風險，大型起重吊裝風險及超大型設備調試風險等。

1.2.3" "盾構始發與到達、過站及平移風險

盾構施工中風險較大的環節之一是盾構機始發到達，大多數安全質量事故發生在此階段。

1.2.4" "盾構穿越建（構）筑物施工風險

如果施工期間操作不慎，容易引發較大地層損失率，導致建（構）筑物出現不均勻變形。

1.2.5" "特殊地層段盾構施工風險

軟硬不均地層、孤石、砂層、高黏土、卵石層、斷裂破碎帶等，盾構施工風險都比較大，很容易出現卡機、磕頭等不同形式的風險，需要格外注意。

1.2.6" "盾構機下穿江河水體風險

穿越江河等水體采用盾構施工時，容易出現冒頂透水、流砂、管涌、隧道上浮等風險，處理難度較大。

1.2.7" "盾構穿越障礙物的施工風險

若由于地質勘察的局限性，無法充分探明盾構施工沿線地層情況，可能會遇到人防工事、舊橋臺、廢棄鋼筋混凝土樁等障礙物，影響盾構機正常開挖，甚至造成盾構機損壞。

1.2.8" "盾構開倉作業風險

盾構長距離施工過程中，開倉無法避免，無論是常壓開倉還是帶壓開倉，其風險控制都是非常困難的。

2" "不同類型風險分析及控制措施

2.1" "盾構始發到達、過站及平移

2.1.1" "安全風險分析

一是端頭加固質量不滿足要求。具體包括：選擇的端頭加固工法不合理，與端頭地層情況不匹配。端頭井加固長度、深度不能達到要求，導致始發接收時不能承受對應的推力。端頭加固體強度不達標，不能抵抗足夠的剪力、滑移推力，加固體連續性不好，出現局部滲漏水等問題。

二是洞門密封滲漏。主要表現為洞門密封鋼圈脫落或開裂，洞門簾布橡膠板開裂、未拉緊，及盾構機始發姿態偏差過大，造成密封失效。

三是反力架加固強度不高。主要表現為反力架、始發臺加固不牢固，未采取抗扭、抗浮措施。

2.1.2" "風險控制措施

應對端頭加固效果進行檢驗，通過豎直抽芯確定加固深度、連續性等是否滿足要求。通過水平抽芯和豎直抽芯相結合方式，確定洞門加固效果。

在隧道洞門處安裝密封裝置，如止水橡膠簾布、扇形壓板等[8]。安裝前，檢查簾布橡膠的完整性、硬度、老化程度及環板入圓螺栓孔位置。在盾構機進入預留洞口前，在外刀頭與幕簾膠板涂上潤滑油，防止盾構機刀盤刮破簾布橡膠板，影響密封效果。盾構推進中，防止刀盤周邊損傷橡膠帶，及時調整孔圈扇形鋼板，提高密封圈的密封性能。

合理選擇圍護結構的破除時機，確保端頭處土體破除過程中的穩定性。盾構始發前，將土坯從刀盤開口處填塞盾構土倉，使盾構機在切入掌子面時建立一定的土壓力，防止掌子面發生大面積坍塌[9]。

在保證正常出渣和同步注漿回填密實的前提下，控制盾構姿態，快速完成盾構接收。盾構進入加固區后逐步減小土壓直至為零，同時減小總推力，緩慢向洞門推進，同時嚴格控制出土量。盾構貫通時，縱向拉緊進洞口段至少留有10～15環管片。貫通后，及時拉緊簾幕橡膠板鋼絲繩，使簾幕橡膠板覆蓋盾構機前機身，保證隧道洞門密封。

2.2" "盾構上、下穿建筑物

2.2.1" "安全風險分析

盾構上、下穿建筑物受地質條件及施工操作的影響，容易出現以下問題：出渣量過多、土倉壓力設置偏低;同步注漿量不足，二次補充注漿不及時;盾構機其他掘進參數和掘進控制不合理。這些問題都會引起穿越的建構筑物出現不同程度的位移，導致變形超限。

2.2.2" "風險控制措施

基于“超土壓力、控渣、全灌漿、頻繁監測、動態調整”的思路，設置100m試驗段，以確定盾構進入建、構筑物位置時的掘進參數，確保連續推進。穿越建（構）筑物時要采用土壓掘進模式，保證刀盤通過時地面微隆起，并保持土壓穩定性。建立現場信息反饋聯動機制，實現信息化施工[10]。根據監測數據反饋信息，實時調整開挖參數，及時進行管片壁后二次補強注漿[11]。

2.3" "特殊地段盾構施工

2.3.1" "軟硬不均地層

該類地層施工時刀具磨損嚴重，易造成刀盤強度、剛度以及掘進效率降低。刀盤受力不均、變形會造成主軸或主軸密封損壞，刀盤堵塞，使盾構負載增加，易產生掉刀、卡刀、斜刀、刀具偏磨、線路偏移等問題[12]。刀具更換困難，處理緩慢，嚴重影響施工進度，導致施工造價提高。

對此施工對策如下：從工具保護的角度出發，本著“低速、扭矩控制、適當推力、頻繁檢查、控渣”的思想，以控制巖石對刀具的損壞，控制地表沉降。對刀具磨損量的評估非常重要，應勤檢查并更換刀具，可通過對掘進參數的異常變化來判斷刀具的受損情況。檢查更換刀具時，必須停止掘進。

2.3.2" "富水砂層

富水砂層擾動后易液化，掘進過程中易形成噴涌。由于刀盤的開挖直徑比管片外徑至少大200mm，刀盤開挖至管片外徑填筑時間長，不可避免產生砂層沉降。地面沉降難以控制，便會造成地面坍塌和建（構）筑物開裂。

對此控制措施如下：采用膨潤土、添加劑等改良渣土，改善和易性，增加止水效果，避免產生噴涌。根據隧道埋深、地層條件和地下水位情況，合理選擇土倉壓力和開挖參數。做好同步注漿和二次注漿，防止隧道后方的水進入土倉。及時填補管片后面的空隙，以防止沉降進一步擴大。增加盾構尾部潤滑脂的使用量，保護盾構尾部密封，防止泥漿和砂漿從盾構尾部密封冒出。

2.3.3" "高黏土層

黏性土層中細顆粒含量過多，易黏附在刀盤內形成泥餅，造成進渣孔和刀孔堵塞，導致刀具偏磨、刀體損壞，刀盤扭矩與總推力增大，掘進速度降低。刀孔堵塞后，刀具在自轉過程中被包裹在刀圈周圍的泥砂摩擦，從而使刀具磨損加劇。

對此控制措施如下：向土倉內和刀盤面中加大注入泡沫量，在泡沫中加入分散劑或泥漿等材料，以改善道渣土的性能，提高碴土的流動性和止水性，并便于螺旋輸送機排土。合理設置渣體松散系數，嚴格控制出土量。適當稀釋渣土，避免渣土偏干造成“糊刀”。勤量測渣土溫度，當一環內渣土溫度升高3℃時，應立即增加泡沫用量，以改良渣土，并適當增加水的用量，防止“糊刀”。適當增大盾構機的開口率，以利于渣土進入刀盤，并在中心刀和刀盤面板附近安裝沖洗裝置，經常沖洗刀孔，防止刀盤形成泥餅。

2.4" "盾構開倉施工下穿江河

2.4.1" "安全風險分析

盾構開倉施工下穿江河時，覆蓋層較淺，水頭壓力較高，不易建立土壓平衡。水流經常從擾動土縫，通過刀盤開口和盾尾進入盾構機，造成盾構淹水，產生冒頂通透水流。砂土、砂質淤泥等液化土層開挖時，由于刀盤切割、擠壓和擾動，加上高水頭壓力，使得液化砂土沿盾構尾部和隧道接頭接縫滲漏進入隧道內，導致局部地基空洞、隧道下沉。水域淺層覆蓋層上、下應力不平衡，盾構姿態上揚，壓坡困難，隧道上浮，軸線難以控制。

2.4.2" "風險控制措施

風險控制措施如下：記錄對比理論渣土量和實際渣土量，確保出渣量與開挖速度一致，避免發生冒頂事故。加強盾構姿態和地面監測測量，及時反饋信息。調整盾構推進液壓缸壓差和每組推進液壓缸行程，嚴格控制盾構運行，避免盾構機浮起。盾構掘進過程中，通過向料倉和刀盤注入泡沫來改善渣土性能。將潤滑脂注入盾尾密封，以防止地層泥漿和注漿液進入盾體。

3" "結論

盾構施工事故的發生不是隨機的，每次重大事故往往是多種因素綜合作用的結果。鐵隧道盾構施工風險較高，只有不斷提高人們對盾構施工風險的認識，并采取必要的措施進行有效控制，才能避免事故的發生。隧道施工過程中，應采取風險防范、風險規避、風險處理、及時補救等措施，避免風險的發生以及風險進一步擴大。地鐵隧道盾構施工全過程的風險演化，可通過對盾構隧道各階段基本風險演化分析，從而實現宏觀的風險控制。隨著大數據和信息技術的快速發展，動態、實時、全過程監測數據分析和風險釋放，將是未來地鐵盾構施工風險控制的重要措施。

參考文獻

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