地鐵盾構工程質量安全管控分析

趙 飛 （南京市軌道交通建設工程質量安全監督站，江蘇 南京 210024）

1 前言

地鐵工程是民生工程，地鐵盾構工程質量安全水平既直接關系工程建設期，也影響運營期間狀態。因此做好地鐵盾構工程質量安全管控具有明顯的現實意義，十分必要。

2 盾構施工特點

所謂盾構，是指盾構機械在地中推進并用切削裝置進行土體開挖，通過盾構外殼和拼裝預制混凝土管片支撐圍巖防止發生坍塌，形成隧道結構的一種機械化施工方法。盾構施工實現施工機械和臨時支撐結構的一體同步，具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、減少地面及周邊建筑物沉降、安全系數較高等優勢，但也同時存在造價高、需整機定制、對隧道覆土厚度和曲率半徑有限制、盾構施工不能后退等缺點[1]。

3 盾構施工面臨的潛在風險

根據公開報道，國內已有10 余座城市在地鐵盾構施工中發生過安全事故。鑒于施工環境和工法特點，盾構施工面臨著諸多潛在風險，在業內公認盾構風險源可概括為地質、盾構機適應性、人等三類[2]。

①地質因素。盾構施工會遇到工程特性差異顯著的各類特殊地層（特別是與原地勘報告不同），進而影響隧道（周邊環境）的安全。常見的特殊地層有軟硬不均地層、全斷面硬巖地層、富水砂層、含有害氣體地層等，這些特殊地層不僅影響盾構機的掘進效率，還給施工帶來不同程度的風險。

②盾構機故障。盾構機是大型施工機械，包含多套復雜的設備系統。常見的故障包括盾構機刀盤設計剛度不夠、千斤頂故障、主軸承密封失效、泡沫管堵塞、螺旋機扭矩不足、主軸承油管連接錯誤、刀盤異常磨損、泥餅、噴涌、盾尾被擊穿等[2]。

③人員作業安全。盾構施工機械化程度很高，但并不意味人員作業就絕對安全無虞。盾構施工存在地面、地下多道工序，人員作業安全仍然是盾構施工風險管控的重中之重。人員作業安全包括但不限于管片拼裝、渣土吊裝、電瓶車運輸、軌行區管理、換刀作業、管片修補、遇到火災和有毒氣體時的人員安全。

另外，地鐵盾構工程因其走向位置，周邊建筑物和管線復雜，盾構施工往往會穿越大量的建構筑物和市政管線，風險極高，稍有不慎就可能造成建構筑物變形過大或市政管線斷裂，釀成無法估量的嚴重后果。

4 盾構工程質量安全常見問題

雖然盾構施工質量安全管理水平穩步提升，但仍存在一些常見問題[3]。常見質量問題如管片拼裝質量不高，存在明顯錯臺、破損、滲漏，管片螺栓銹蝕或兩邊外露絲扣長短不一，管片修補工作普遍不到位，現場管片修補材料不符合方案要求，違規采用發泡聚氨脂進行堵漏造成脆性較差，盾構始發段及接收段未采取拉緊措施等。常見安全問題如始發方案未對反力架抗浮進行驗算，盾構施工工程項目應急預案（噴涌、盾尾失效等）缺乏可操作性，電瓶車防溜鉤無法鉤住軌道，起不到防溜作用，同步注漿壓力控制與方案不一致，盾尾、聯絡通道積水未及時抽排，風管敷設過低，新風沒有送入工作區，盾構隧道修補作業時防護欄桿、腳手板、防護網安裝不到位，測試應急照明不亮等。

5 質量安全管控內容

質量安全管控的最終目的是建成“四無”盾構隧道，即無破損、無滲漏、無錯臺、無污染的精品隧道。其中最重要的考量因素包括隧道實際軸線與設計軸線的一致性、隧道的綜合防水能力（隧道成型質量）、隧道的地面沉降控制（對周邊環境的保護）。這對質量安全管控提出整體、全面、系統的要求，因此地鐵盾構工程質量安全管控思路應該兼顧技術和管理、宏觀和微觀、行為和實體。

5.1 用好三項清單

一是危大工程清單。根據住建部37 號令，盾構掘進、盾構機吊裝、起重機械安裝和拆卸工程都屬于危大工程，可以說危大工程的管理貫穿盾構施工全過程。二是關鍵節點清單。盾構施工關鍵節點包括盾構始發、盾構到達、盾構開倉、盾構機吊裝、空推段、穿越重大風險或復雜環境工程、區間聯絡通道開口施工等。對于盾構法隧道工程，在盾構始發和接收階段所發生的工程事故占到總事故量的70%以上。三是風險分級管控和隱患排查清單。對于盾構施工的各類安全風險應進行分級管控，制定符合實際的隱患排查治理清單，明確和細化隱患排查的事項、內容和頻次，明確責任部門和責任人員，分級分類采取有效整改措施、驗證銷號，落實閉環管理。

5.2 管好四道工序

一是管片制作、儲存、運輸、吊卸。按照地鐵施工及驗收規范要求，對管片進行嚴格進場驗收。規范粘貼傳力襯墊、彈性密封墊和止水膠條，管片運輸、搬運時要防止損傷邊角和防水裝置。管片存儲場地應硬化，地面堅實平整，管片內弧面向上平放超過五層或側面立放超過三層時應進行受力計算。當采用內弧面向上的方法貯存時，各層墊木應位于同一直線，兩條直線相交于管片圓心。當采用鋼絲繩吊運時，在繩索與管片刃角受力點必須用墊塊保護。

二是做好盾構掘進施工。根據設計軸線和當前盾構姿態信息，結合隧道地層情況，明確當前盾構掘進指令。一般通過推進系統幾組油缸的不同壓力來進行調節掘進方向，適當調整推力、刀盤轉速等參數。當盾構處于水平線路掘進時，為防止盾構因自重而產生的低頭現象，應使盾構姿態保持稍微向上。采用自動導向系統和人工測量輔助進行盾構姿態監測，對出現的偏差主動通過盾尾間隙控制等方式進行動態調整。

三是認真做好管片拼裝。管片拼裝是盾構工法的關鍵工序，管片拼裝質量的好壞直接影響隧道結構的使用功能和安全。拼裝操作要平穩，轉速不能過大，以免造成管片碰碎、止水帶損壞，管片位置應放正確，千斤頂要有足夠的頂力使管片不發生相對滑動。在拼裝中，主要是通過楔形管片的楔形量來計算出管片超前量的變化，選擇合理的管片拼裝點位來使楔形的管片擬合設計線路。

四是做好同步注漿和二次注漿。根據盾構穿越地層及周邊建筑物情況，合理選擇“厚漿”或可硬性漿液作為同步注漿液。同步注漿要按照注漿量和注漿壓力進行雙控，并根據施工監測數據進行相應調整。二次注漿一般采用雙液漿，應根據施工方案和現場情況及時開展，避免漏注、遲注。

5.3 做好八項工作

①做好盾構機的選型和日常保養

盾構選型應經過專家論證，參考國內外已有盾構工程實例及相關的盾構技術規范，按照“可靠性安全性適用性第一、技術先進性第二、經濟性第三”的原則，保證盾構施工的安全、可靠。做好盾構機的日常保養，刀盤螺栓和其它緊固件、主軸承密封、盾尾密封刷應定期檢查更換，渣土改良及排渣系統、泡沫系統、膨潤土系統、螺旋輸送機按時進行維護保養。

②做好盾構始發

盾構始發前應通過深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結法等方式進行端頭加固，加固體長度應大于盾構機主機長度。高度關注盾構機始發姿態控制以及洞門密封形式，重點檢查基座是否存在變形或軸線偏離、洞門密封、簾布橡膠板安裝情況。盾構始發反力架受力驗算內容除了強度、剛度外，還應包括抗傾覆驗算。盾構機始發軸線高程一般預留30mm 左右，并通過設置導軌防止始發栽頭。

③做好盾構到達

從受力狀態轉化的角度來講，盾構到達比盾構始發更為復雜，既要保證盾構出洞時地層的穩定性，也要確保按照設計軸線到達的過程中避免出現端頭塌陷、突泥涌水、沉降變形、管片擠壓滲漏等問題[4]。對于刀盤前方反力不足造成管片滲漏，常用的解決方式為用槽鋼拉桿進行縱向拉緊。盾構到達前后應注重施作封水環，強化二次注漿，防止地下水順著盾殼前竄。

④做好盾構掘進

盾構掘進的動態控制是盾構工程中最復雜的領域。重點對盾構掘進參數進行檢查，實時對隧道成型質量、隧道軸線偏差情況等進行監控，對地面及建筑物沉降監測數據及時對比分析，發現異常情況及時進行處置[5]。為了更好地控制施工質量，保證施工安全，可采用RTK技術、全站儀以及測探儀等先進的觀測設備來進行動態監測，以保證監測數據的準確性和全面性。

⑤做好吊裝作業

吊裝作業區必須核驗地基承載力，防止吊裝荷載造成沉降引發吊車傾覆事故。吊裝時應對始發井維護結構及周邊土體、管線，進行嚴密的監（觀）測。吊車站位一般位于井口端頭或一側，宜靠近井口，吊裝半徑較小。需注意擋墻厚度和高度，必要時進行抗傾覆驗算，擋墻背后回填土往往為薄弱環節。盾構出土運輸，應配置相關信號司索工人，嚴格配合地面工人和地下工人。

⑥做好盾構修補加固

地鐵盾構管片修補一般是指對缺棱掉角、開裂破損處進行修補，其中防止修補材料脫落和失效是一項非常關鍵的工作。根據部分已運營地鐵線路病害情況，存在運營車輛振動影響下發生修補材料脫落案例。修補材料強度應不低于原管片并需滿足相關驗收要求，尤其應注重隧道拱頂的修補，根據實際情況需要進行植筋修補或者配置環氧樹脂。修補過程中應設置專用平臺保障作業安全。

⑦做好軌行區管理情況

吸取近年來國內發生的地鐵盾構軌行區安全事故教訓，必須將軌行區安全作為重中之重，確保進入軌行區所有人（包括作業、測量、監測、檢查、參觀等人員）知曉電瓶車通行時間。在洞口段封閉軌行區，跨軌道適當位置設門禁系統進行管理，進入軌行區作業要審批登記。作業人員進入隧道需要橫跨軌道，應佩戴反光背心。電瓶車不可載人，且在軌道行駛特別是在小轉彎半徑處應嚴格執行限速要求。盾構軌行區內電瓶車載重量大，加之線路存在縱坡，如果不采用防溜車和脫軌措施，則極易出現安全事故。常見的措施包括電瓶車車頭加裝氣動防溜鉤、砂漏，軌道端頭設置車擋，盾構機臺車前、后設防撞梁。在出現緊急情況時應迅速放下防溜鉤或開閘放砂，連續鳴笛鳴哨或其他方式通知隧道內作業人員躲避。

⑧做好險情及應急處置

在盾構掘進過程中應該重點關注掌子面土壓變化以及出渣情況，做好現場通風、有毒氣體監測、應急照明測試等工作。制定應急處置預案，配備足夠的應急物資，定期開展應急演練。加強超前地質預報以及周邊沉降監測預警，做好施工影響區，預防路面塌陷工作。

6 特殊情況下管控措施

在盾構法施工過程中常常要應對一些特殊的工況，給盾構法施工帶來額外的難度和風險。

①小半徑曲線施工

盾構機在小半徑曲線掘進時隧道軸線控制難度大、糾偏困難，同時管片易發生錯臺、開裂、破損、滲漏等。平面姿態控制是小轉彎半徑施工中的重中之重，推進過程中可開啟鉸接裝置，有利于平面控制[6]。盾構機在推進過程中若出現了較大偏差，且左、右千斤頂行程差已達到極限，應及時調整管片型號或粘貼軟木條，進行左、右超前量制作。掘進時嚴格遵循“走割線、保間隙、防偏移”的方針，盾構實際掘進線路應始終位于曲線內側（約偏移30mm），形成反向預偏移，抵消管片脫出盾尾后向曲線外側的偏移。每次掘進時分區分次伸縮油缸，減少千斤頂對管片的側向應力，防止管片出現移位超限。

②上軟下硬掘進

在上軟下硬地層中盾構掘進易導致刀盤（具）異常磨損、盾構機姿態控制困難、螺旋機噴涌等問題，事先應注重盾構機選型和地質補充勘察，并采用膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物等對渣土進行改良。對上軟下硬地層的核心在于掘進參數的精確控制和及時調整，嚴格遵循“低轉速、小貫入、穩掘進”的掘進原則，明確各項掘進參數的預警值。對于磨損超限的刀具及時更換，不能以犧牲設備而盲目掘進，避免產生更大的損失。掘進時應適當減少總推力，調整土倉壓力略大于地層的靜止土壓力，協同匹配出土量、掘進速度等參數，防止出現過大的地面沉降。嚴格做好渣樣分析，對花崗巖地層球狀風化體以及明顯突變的地質應進行預處理。

③其它情況

對于全斷面巖層，可采用保壓掘進，降低滾刀貫入度，減小巖塊體積，避免螺旋機被卡和出渣不暢。對于富水巖層，還應采取有效措施，防止管片上浮。遇盾構切樁，應事先徹底檢查刀盤驅動系統，在刀具配置上配備足夠數量的滾刀或貝克刀，布設位置略高于其它刀具，同時掘進速度要極慢，以確保連續切樁的安全性。遇其它障礙物，應采用人工清障或機械清障，比如豎井開挖清障、定向爆破等。盾構機穿越重要建筑物前，應設置試驗段檢驗各項參數的有效性，合理設置土倉壓力和掘進速度，加強盾構姿態控制與糾偏。在盾構穿越建筑物段，同步注漿使用厚漿或可硬性漿液，二次補漿使用水泥、水玻璃雙液漿，注漿要按照注漿量和注漿壓力進行雙控，并根據施工監測數據進行實時調整。

7 結語

盾構工程質量安全管控是一個系統，既涉及危大工程等風險辨識和處置，又包括工序銜接的質量管控，是集結構工程、機電工程、水文地質、土力學等多專業融合的工程。因此必須整體把握、一體統籌推進質量安全管控，嚴格執行相關的管控要點，強化管控措施，確保盾構工程質量安全全方位管控。