隧道掘進機安全設計與應用風險評估

彭乃思，張 杰，周小磊，吳 昊，龔彭真

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著施工對機械化換人、智能化施工的要求越來越高，目前在鐵路、軌道交通、水電水利、煤礦巷道等領域對隧道掘進機的需求量逐步增長。作為地下空間隧道開挖的利器，隧道掘進機的安全設計及應用安全越來越為現場管理人員所需要。

1 掘進機安全性分析

目前，針對掘進機的安全研究主要集中在隧道結構安全、地面構筑物安全、人員安全等方面。伍天華[1]針對掘進機施工中的擾動對既有樁基性能的影響進行了技術研究；阮俊安[2]采用概率統計的方法對水下隧道結構的健康進行了安全預警值的研究；葉揚春[3]就掘進機穿越巖溶地層鄰近建筑物的施工風險進行了評估及控制。

根據GB/T 34560-2017《全斷面隧道掘進機 盾構機安全要求》，盾構中設置的安全裝置，應滿足防護、警示要求，對超過設定值可能發生的危險零部件，應裝設保險裝置，對動作順序有要求的裝置應設計連鎖功能，同時安全適應性需要滿足GB 要求。

1.1 從人員安全考慮

JTGF60-2009《公路隧道施工技術規范》中明確規定：當隧道超過150m，嚴禁使用自然通風，必須要采用機械通風的方式。在隧道內進行通風，降低隧道內的有毒有害氣體和煙塵濃度，使隧道內的空氣達到安全的標準[4]。在設計選取中，可以選取呼吸及電焊風量、最低風速風量、消除瓦斯積聚風量等所需要滿足各類施工條件的最大值，同時結合風管的漏風因素進行考慮，后配套拖車尾端回風風速不能低于0.3m/s的要求。

根據GB/T 24555-2009《200m 氦氧飽和潛水作業要求》、JJ217-2014《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》及BS EN 12110：2014 《隧道掘進機氣閘安全要求Tunnelling machines Air locks Safety requirements》要求，需要配置符合標準規定的人艙等相關加減壓設施。

掘進機的設計中，各類型的掘進機均配置有固定式及可移動的氣體檢測裝置如圖1 所示。

圖1 氣體檢測裝置圖

在檢測到危險氣體或其他氣體含量異常時，可通過上位機報警提示，如果氣體含量繼續升高，則會采取斷電等安全動作。掘進機在不同濃度瓦斯下的處理方法，見表1。同時，各個系統的設計均考慮了緊急情況下可以保證人員安全的各類緊急動作，比如：泥水盾構中的泥漿循環的球閥可以在緊急情況下自動關閉、土壓盾構中的螺旋輸送機后閘門在緊急情況下可以自動關閉等[5]。

表1 瓦斯濃度定值及處理方法

在對人員安全要求更高的掘進機上，可以進行避險艙配置，在緊急情況下，作業人員可以進入避險艙，通過艙內的緊急通訊、環境保障系統和生存維持設施進行必要的救援等待。

隨著掘進機技術越來越成熟，目前的使用單位更強調人性化設計：涂裝上，針對不同功能分區進行不同顏色區分，人員通道采用綠色、拼裝/吊裝區域黃黑相間提醒色，見圖2。功能上，對人員操作區域的可到達性和安全性要求也日趨具體，對元器件維護和更換過程中人員的安全也提出了具體的設計要求。

圖2 走道綠色涂裝圖和活動區域提醒色效果

1.2 從設備安全考慮

隨著地下空間的開發利用越來越廣泛，針對瓦斯地層隧道的需求量也越來越大，為了應對瓦斯隧道，設計時采用了阻燃電纜、風電閉鎖、瓦電閉鎖、防爆照明等設計。同時，針對施工的通風措施配置實時風速監測裝置，通過各類有效設計，配合現場的安全管理，為設備提供健康又安全的運行環境。

隧道施工中，水平運輸機車會出現溜車現象，如果發生此類情況，對運輸機車和施工人員安全均會產生很大的危險。為此，除了加強運輸車的自動和機械制動措施外，在掘進機后配套拖車合適位置設置曼徹斯特門，防止溜車事故對掘進機設備造成更大的損失，也日漸為行業所使用。

作為一個自動化程度極高的特殊施工機械，掘進機上具有溫度報警、煙霧報警、水幕噴淋等一系列安全配置，同時具備自動檢測及滅火功能、手動消防功能。當報警裝置發出消防警報時，掘進機的控制系統將控制水幕消防啟動，同時可以通過上位機進行手動啟動，即使信號傳輸出現問題，仍然可以人工控制消防水幕啟動。

對掘進機的主軸承等關鍵部件，在選型最初就考慮了元器件的使用壽命。在掘進時，掘進機會挖掘不同地層，此時其承受載荷也不同，在不同的載荷下，根據Lundberg-Palmgren 法則：當軸承在Si下作用Ni次至材料破壞，有公式如下。

其中，Li為當應力為Si時主驅動被破壞循環的次數。主軸承壽命計算時，將不同地層看作獨立條件i，對應的主軸承疲勞壽命為Li，在該條件下軸承運轉了Ni，且Ni＜Li。

在掘進機的設計中，為了設備安全設置了諸多安全裝置。為了防止盾體的異常翻滾，盾體內部設置有傾角傳感器，見圖3。當掘進機盾體傾角異常時，會觸發上位機報警，提醒操作人員進行姿態控制，如果超過極限設定，會立即停機，防止造成更大的設備故障；六自由度的管片拼裝機作為掘進機中的一個關鍵設備，一般設置有電氣限位和機械限位兩種功能，電氣限位對拼裝機的回轉設置1 個角度（一般為±190°），防止拼裝機繼續旋轉造成管路和電纜出現受拉的情況，機械限位對回轉角度的設置為（±200°），當電氣限位失效時，通過機械限位防止拼裝機旋轉超過此極限角度，見圖4；螺旋輸送機/主機皮帶機的工作狀態，也關系到掘進機的正常運行，一般情況下，位置開關的信號作為檢測各執行機構是否動作到位的關鍵點，只有其功能正常，設備才能良好運行，如果執行機構未到達指定位置，上位機/操作臺界面則會出現異常色，提醒操作人員注意。管片運輸裝置動作過程中會進行聲光報警、皮帶機啟動運行時進行聲光提醒、拼裝機旋轉時聲光報警同時啟動……諸如此類的安全裝置，都在為了保障設備的穩定運轉。

圖3 盾體傾角儀

圖4 拼裝機限位裝置

如果出現電源突然切斷的情況，控制室的應急電源會立即啟動，防止控制系統失效，同時設備設置的諸多蓄能器，會對需要緊急關閉的閥門進行關閉，應急發電機立刻啟動，進行應急供電，從而進一步的保證設備、人員和地層的安全。

1.3 從施工安全考慮

在掘進機掘進工作時，對出渣量的控制是掘進工藝參數控制的重要一環，如果對出渣量把握不好，將會直接影響到掘進機的工作效率，出渣過多會造成渣土超方[6]，進而影響土建的安全，其中佛山地鐵2 號線施工時，因超挖造成了十余人死亡的重大責任事故。為此，各施工項目，采用了不同的方式對出渣進行實時監控[7]。在各類機型設計過程中，開挖渣石體積的自動測量系統，也日益成為一個標準的配置需求。

注漿是將漿液注入地層中，漿液凝固后對松散的土質或裂隙巖層進行填充。作為一個最常用的輔助方法，注漿效果的好壞，直接決定了施工質量和施工安全。由于掘進機的施工不同于其他工程設備，其工作介質為未知的前方地層，由于地質勘探的局限性，其不能完全準確地預報地質，如果遇到斷層破碎帶、巖溶等地質，會引發涌水、坍塌、建筑傾覆等重大事故。為此，注漿率的自動檢測和超前地質預報系統，目前也是相關科研院所的技術更新方向。

從施工安全角度來說，尤其是在帶壓作業的時候，土艙壓力值的設置是進艙作業的關鍵，土艙氣壓值既要滿足規定，還要根據工程實際進行專業分析，可以按照以下公式進行計算，即艙內壓力為

式中P——工作氣壓值，bar；

K——實際注漿效果；

γ水——地層含水量的重度，kN/m3；

h水——帶壓進艙的實際壓點高度，m。

在進行計算后，得到可以安全工作的氣壓，之后借助壓縮空氣法進行相關的帶壓作業。

在掘進機智能控制和數據融合越來越為行業普遍接受的今天，為了減少人員操作對掘進的影響，有些掘進機配置了“一鍵啟動”功能、輔助轉向功能、自動注漿量控制、泥水平衡自動控制、盾尾間隙測量、開挖倉可視化等功能，通過設備的自動控制，來有效地保證掘進機姿態及各參數維持在合理區間。同時，越來越多的掘進機也通過配置智能運維系統提高設備的維護率，降低設備維保工作對人員的要求[8]。

2 掘進機施工安全風險評估

掘進機施工的特點明顯，工藝點繁多，涉及的風險因素多，且很多具有極強的隱蔽性，因此需要進行掘進機施工安全風險評估[9]。

按照風險核對表的做法，對掘進機施工中的安全風險按照違規操作、設計問題、保養過失、管理過失、設備損壞、施工工藝等方面進行分類歸納。同時按照風險因素分類，將各風險因素進行分類整理，見表2。

表2 掘進機施工安全風險因素

為了更準確地對各風險因素進行權重的計算和分析，本文通過發放調查問卷的方式對掘進機行業的一線施工人員、資深設計人員和長期在現場從事掘進機服務的人員進行了調研，調研發放問卷30 份，回收30 份。調查問卷的設計如表3 所示。

表3 掘進機施工安全風險調查問卷

通過對問卷進行統計，取每一項賦值的平均值作為風險評價依據，如表4所示，得到風險重要相對性評判矩陣。

表4 掘進機施工安全風險重要性評判矩陣

根據層次分析方法，進行和積法進行風險權重計算。

整理得風險指標權重見表5。

表5 各類指標權重值

3 結論

掘進機施工的安全風險，最大的來源是操作風險，這說明施工中需要嚴格注意操作司機和其他作業人員操作的規范性，現場需要加強培訓及人員管理，同時在掘進機設計中，需要注意加強自動化系統配置，最大程度減少人為因素對設備安全風險的影響。

對掘進機的設計來說，設計問題引起的安全風險僅低于違規操作的權重，掘進機設計師應緊密貼合現場實際需要，通過加強安全、人性化、標準化等設計因素評審，減少無效的設計，通過設計水平的提高，極大可能地避免掘進機施工中的安全風險。

保養問題和管理過失對掘進機的安全施工來說，也是一個較為重要的影響因素，為此需要按照設備的設計要求按時定期的保養，同時可以針對性的配置智能運維系統，來降低保養和管理失誤造成的掘進機安全風險。

設備損壞和施工工藝因素造成的風險權重，屬于安全施工中可接受的影響范圍，需要在日常工作中加強備品備件管理，保證備品備件及時供應，同時加強施工工藝的指定審查和全面交底，加強監控管理，完善完備各類緊急安全情況的預警方案。