鄭清君

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

隨著經濟和社會的發(fā)展，我國大直徑水下盾構隧道工程越來越多，大直徑、長距離、高水壓、地質復雜是盾構施工技術發(fā)展的方向;而施工中面臨的各種安全風險環(huán)境也越來越嚴峻。施工安全管理關系到整個工程的成敗，特別是在水下軟硬不均地層、破碎地層、高水壓強滲透環(huán)境地層中大直徑泥水盾構施工，給我們提出了更嚴峻的挑戰(zhàn)。

關于盾構施工中危險源分析，多側重于盾構施工關鍵技術方面、安全技術措施或風險理論分析研究。文獻［1］總結分析了獅子洋隧道主要技術難點和重點開展的科研項目;文獻［2］詳細研究了常壓進倉地層加固技術、帶壓進倉基本知識、泥水盾構和土壓盾構帶壓進倉等富水砂卵石地層盾構施工關鍵技術;文獻［3］解決了富水砂卵石地層中帶壓換刀技術氣密性難題，采用復打空心樁替代常規(guī)堅井，克服了帶壓進倉動火作業(yè)的風險;文獻［4］研究了繁華城區(qū)大直徑泥水盾構掘進沉降控制;文獻［5］總結分析了廣州地區(qū)復雜變化地質條件下盾構施工風險及主要的風險控制技術;文獻［6］采用模糊綜合評價法，對盾構隧道人員進倉作業(yè)危險性進行分析研究和評價;文獻［7］對粉細砂地層盾構施工進行風險分析并制定應對措施，總結了土壓盾構施工中可能遇到的涌水、涌砂等施工風險;文獻［8］介紹了土壓平衡盾構機過江施工中盾尾防漏漿措施;文獻［9］對上軟下硬特殊地層中旋噴樁輔助工法加固后進倉作業(yè)進行了研究;文獻［10］對富水軟弱地層淺埋大直徑泥水盾構泥水循環(huán)管理及控制進行了研究，分析了防止管路及倉內底部吸口堵塞措施;文獻［11］研究歸納了地鐵盾構工程事故的類型及特點，重點分析了盾構隧道施工的11種主要風險，詳細介紹和剖析了國內外盾構隧道施工事故案例;文獻［12］通過對獅子洋隧道風險源的分析和風險辨識，進行了風險的嚴重度和概率水平評分，應用風險評估矩陣表進行危險水平的評級，確定了工程施工期主要風險源及風險等級。而關于水下大直徑泥水盾構施工應急措施和針對性安全控制研究很少。本文針對獅子洋隧道盾構施工中重大危險源進行了盾構施工無輔助工法條件下帶壓進倉、常壓進倉、泥水系統(tǒng)、盾尾密封等危險源分析，制定了針對性的應急措施和安全控制要點，施工現(xiàn)場可操作性強，以期為水下大直徑泥水盾構施工提供指導和參考。

1 工程概況

獅子洋隧道是廣深港鐵路客運專線的控制性工程，下穿珠江主航道——獅子洋水道。隧道工程全長10.8 km，盾構段長9 340 m，最大縱坡20‰，最小縱坡3‰，設計時速350km，是我國首座水下鐵路盾構隧道。首次在軟硬不均地層和巖層中采用大直徑氣墊式泥水盾構施工。投入4臺直徑φ11.18 m氣壓調節(jié)式泥水平衡盾構機，采用“相向掘進，地下對接，洞內解體”方式組織施工。盾構隧道采用預制拼裝式管片襯砌，管片采用“5+2+1”雙面楔形通用環(huán)管片，錯縫拼裝。管片內徑9.8 m、外徑10.8 m、管片環(huán)寬 2.0 m。

獅子洋隧道分為進出口2個標段，中鐵隧道集團承擔獅子洋隧道出口SDIII標段的施工任務，左線長4 450 m，右線長4 750m，SDIII標2臺盾構機從獅子洋隧道東莞側出口盾構井始發(fā)。在完成SDIII標段掘進施工任務后，向進口方向掘進，共完成獅子洋盾構隧道出口段左線隧道5 200m、右線隧道5 168m施工，在獅子洋底與對面標段盾構對接后在洞內將盾構解體。

2 工程地質和水文地質

根據(jù)定測物探、鉆探成果資料，未揭示到大的斷裂破碎帶，存在2處范圍較窄的物探異常帶，鉆探結果表明存在2處各100 m左右的基巖風化面凹槽及軟弱夾層段，且裂隙較發(fā)育。

盾構隧道大部分處于微風化砂巖、砂礫巖中，局部位于淤泥質與粉質黏土中，部分地段穿越軟硬不均地層。盾構隧道穿越基巖的最大單軸抗壓強度為82.8 MPa，基巖的滲透系數(shù)達6.4×10－4m/s，基巖的石英體積分數(shù)最高達55.2%，巖石地層的黏粉粒(≤75 μm)體積分數(shù)為26.1% ～55.3%。獅子洋隧道水深26.6m，設計水壓達0.67MPa，地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和白堊系基巖(紅層)裂隙水，且具承壓性。

3 盾構施工重大危險源分析

3.1 帶壓進倉及常壓進倉相同危險源分析

在軟硬不均地層、破碎地層、高水壓強滲透環(huán)境地層中盾構反坡施工時，因刀具磨損或損壞等原因，致使帶壓進倉更換刀具作業(yè)頻繁，且均是在無輔助工法(超前注漿、提前加固地層)條件下進行，安全風險大。

1)對掌子面不能超前注漿或提前加固，掌子面泥膜破壞或地層擾動致使掌子面失穩(wěn)。

2)對掌子面不能超前注漿或提前加固，掌子面出現(xiàn)局部坍塌，涌水涌砂。

3)刀盤倉液位上漲較快，致使倉內人員無法出倉。

4)盾構反坡掘進，進倉作業(yè)期間從倉內排至盾構隧道內的積水無法及時抽排出盾構隧道，積水液位超過安全要求致使盾構機拖車上電器、配電箱等設備被淹而無法供電。

5)泥水倉門或氣墊倉門不正常關閉致使倉內人員無法打開倉門出倉。

3.2 常壓進倉與常壓進倉有針對性的危險源分析

1)帶壓進倉:長時間段內超負荷、高強度、頻繁帶壓進倉作業(yè)人員出現(xiàn)不適現(xiàn)象，未及時治療致使病情延誤或病情急劇加重。

2)常壓進倉:①吸入有害氣體、缺氧、超負荷進倉作業(yè)人員出現(xiàn)不適現(xiàn)象，致使發(fā)生高空墜落、中毒等傷害;②進倉前或進倉時通過檢測發(fā)現(xiàn)有害氣體超標或氧氣含量不足。

3.3 泥水循環(huán)危險源分析

1)因泥漿管過度磨損或誤操作引起高壓泥漿管爆裂，致使高壓泥漿噴出。

2)未嚴格泥水系統(tǒng)各閘閥的常規(guī)檢測和檢查，發(fā)現(xiàn)壓力等參數(shù)超標后未及時調整。

3.4 盾尾密封失效危險源分析

盾構掘進為下坡施工，若工作井內和盾構機上排污能力不足，一旦發(fā)生盾尾突泥透水、隧道外涌水，將短時間淹沒盾構。

1)盾尾密封系統(tǒng)不可靠或長時間磨損致使盾構內涌水或沉降;施工中未能及時添加油脂或更換盾尾密封件，以致盾尾密封失效;如果盾尾密封失效，極端嚴重的情況下會因大量地下水、泥砂的涌入而將隧道淹沒，造成毀滅性災害。

2)操作不當致使盾尾異常變形、盾構機過度旋轉、更換盾尾密封裝置時導致突水突泥。

3.5 有軌運輸危險源分析

車輛行駛、人員上下車、溜車、碰撞等造成人員傷害;有軌運輸設備掉道或作業(yè)人員違章搭車所造成的傷害;機車運行、機車操作人員瞭望不夠，機車對進入線路限界測量、清淤等作業(yè)對施工人員造成傷害。

3.6 管片安裝危險源分析

管片安裝機突然停電或故障;管片安裝機、管片吊機真空吸盤失效;管片失控墜落對人體造成傷害。

4 規(guī)避盾構施工重大危險源的技術對策

4.1 帶壓進倉和常壓進倉

4.1.1 相同的技術對策

1)進倉作業(yè)人員在倉內如果出現(xiàn)不適現(xiàn)象，應第一時間撤出倉外，避免不適人員發(fā)生高空墜落、中毒等傷害，甚至因病情急劇加重致使無法順利、安全出倉。

2)若進倉時倉內向外的排水無法及時抽出盾構隧道且盾構隧道內積水液位上漲快，無論是掌子面出水量增大，還是倉內、倉外抽水設備出現(xiàn)故障，主控室值班人員都應立即通知倉內人員攜帶工具(材料)出倉，同時關好各倉門，避免盾構隧道內的積水超過安全要求致使盾構機拖車上電器、配電箱等設備被淹而無法供電。

3)泥水倉有人作業(yè)時應確保泥水倉門和氣墊倉門處于開啟狀態(tài)，氣墊倉內有人作業(yè)時應確保氣墊倉門處于開啟狀態(tài)，避免泥水倉門或氣墊倉門不正常關閉致使倉內人員無法打開倉門出倉。

4)進倉作業(yè)時，只允許盾構主司機進行操作，倉內作業(yè)人員要求轉動刀盤或其他操作時，由倉外現(xiàn)場負責人對主司機下達操作命令，主司機必須反復確認命令是否正確，避免因誤操作或溝通不暢造成安全事故。

5)倉內作業(yè)時應保證作業(yè)行走通道的暢通，避免遇到緊急情況時無法及時出倉。

6)泥水倉、氣墊倉作業(yè)時應規(guī)范施工，杜絕上、下方交叉施工，避免使用的工具、材料等墜落傷人。

7)刀具工程師根據(jù)總體規(guī)劃，結合近期盾構機的掘進報告，與土木工程師、掘進司機及時溝通，確定合適的開倉地點和時間，避免因開倉地點選擇不當致使掌子面失穩(wěn)、坍塌、涌水涌砂等造成安全事故。

4.1.2 帶壓、常壓進倉針對性對策

1)常壓進倉作業(yè)時，若發(fā)現(xiàn)掌子面有失穩(wěn)征兆或掌子面出現(xiàn)部分坍塌、涌水涌砂后，以距倉門距離先后為順序，所有倉內作業(yè)人員第一時間攜帶工具(材料)撤回工作倉或應急倉內，同時按順序立即關閉泥水倉門和氣墊倉門后及時出倉，避免因應急反應慢、措施不力、關倉順序錯誤等致使人員不能及時出倉而造成事故，避免因未關好倉門而致使盾構隧道內的積水超過安全要求。

2)帶壓進倉作業(yè)，加壓時或倉內作業(yè)時專人關注掌子面的情況和水位的變化，發(fā)現(xiàn)掌子面(失穩(wěn))坍塌或涌水涌砂、刀盤倉液位上漲較快現(xiàn)象，所有作業(yè)人員應攜帶工具(材料)第一時間撤回工作倉或應急倉內，同時按從內向外順序立即關閉泥水倉門、氣墊倉門，然后通過減壓程序出倉，避免因應急反應慢、措施不力、關倉順序錯誤等致使人員不能及時出倉或無法出倉。

3)帶壓進倉作業(yè)不適人員出倉后經觀察若病情未好轉，應立即外送治療，避免未及時治療致使病情延誤或病情急劇加重。

4)帶壓進倉人員減壓期間出現(xiàn)壓縮空氣病癥或其他病癥，應立即停止減壓，維持當時壓力狀況，直到病癥消失;幾min以后如果病癥沒有消失，將倉內壓力升至原來的位置并減壓，避免因病情急劇加重致使無法順利出倉。

5)帶壓進倉人員出倉后如出現(xiàn)不適現(xiàn)象，應立即通知值班醫(yī)生，在洞內應急倉或備用減壓倉內減壓或治療，避免病情延誤或病情急劇加重后致使出現(xiàn)人員傷亡。

6)常壓進倉前經檢測若有害氣體超標/氧氣含量不足，應立即啟動盾構機上的空壓機，通過通風管在泥水倉通風口向倉內通風，以達到向外置換氣體的目的。有害氣體和氧氣含量滿足要求后方可允許進倉，避免進倉人員吸入有害氣體致使發(fā)生高空墜落、中毒等傷害。

7)常壓進倉期間若發(fā)現(xiàn)有害氣體超標/氧氣含量不足，倉內作業(yè)人員可不攜帶工具(材料)第一時間出倉，加大倉內通風量，有害氣體和氧氣含量滿足要求后方可允許進倉作業(yè)。若有害氣體和氧氣含量一直不能達標，作業(yè)人員需帶防毒面具進倉，將工具(材料)攜帶出倉，關閉各倉門恢復掘進或通風直至倉內氣體達標，避免進倉人員吸入有害氣體而造成事故。

8)常壓進倉作業(yè)人員須熟悉倉內工作環(huán)境、熟悉刀盤及刀具的檢查、刀具更換、進倉工作程序和流程;帶壓進倉作業(yè)人員另須掌握加壓、減壓等倉內工作程序和流程，避免因誤操作或不熟悉倉內工作而造成安全事故。

9)常壓進倉時專人負責檢查倉內通風情況;帶壓進倉時定期檢查流速計，確保倉內通風，避免因通風不暢造成安全事故。

10)帶壓進倉作業(yè)時，倉門的開關和各種壓力管路、電器設備電源的開關安排專人負責，避免因誤操作或溝通不暢造成安全事故。

11)帶壓進倉當工作倉在壓力下工作時，應急倉不設壓力，以確保緊急情況下能快速進入應急狀態(tài)。

4.2 泥水循環(huán)

1)嚴格盾構機的操作。盾構司機負責泥水系統(tǒng)的操作，除當班主司機和項目部指定人員有權操作外，其他任何人不允許擅自操作，且在啟動或關閉泥水系統(tǒng)工作時，泥水廠、主機室、各工作班應加強溝通，避免因誤操作或溝通不暢造成安全事故。

2)定期對泥水管路設施進行檢查修理。發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施進行整改，確保泥水輸送的暢通，避免因泥漿管過度磨損或堵塞引起高壓泥漿管爆裂。

3)強化責任。確定專人對泥水管路及其相關設施的檢查，特別是在輸送高壓泥漿時，應加強巡視，發(fā)現(xiàn)管路漏漿、接口松馳、緩沖節(jié)過度膨脹等問題后及時整改，避免泥水管路爆裂而引發(fā)事故。

4)及時調整各項掘進施工參數(shù)。掘進過程中保持推進速度、開挖面泥水壓力的平穩(wěn)，確保盾構切削土(巖)體處于良好循環(huán)狀態(tài)，避免因未及時調整超標參數(shù)而致使泥水管路爆裂。

5)加強泥漿質量控制。值班工程師、試驗工程師應按規(guī)定根據(jù)掌子面地質情況選定泥漿參數(shù)，保證其良好的攜碴能力，避免因泥水循環(huán)不暢致使泥水系統(tǒng)過度磨損或爆裂。

6)嚴格常規(guī)檢測檢查。排漿管工作時，刀盤倉液位嚴禁下降至排漿口;嚴格泥水系統(tǒng)各閘閥的常規(guī)檢測和檢查，發(fā)現(xiàn)壓力等參數(shù)超標后及時調整;嚴禁高壓下打開氣墊倉泥漿門、泥漿泵和各閘閥;嚴禁擅自拆除或調整泥水系統(tǒng)安全設施和安全裝置，避免倉內液位上漲較快而致使倉內人員無法出倉。

7)嚴格按程序操作。清理氣墊倉泥漿門、泥漿泵和各閘閥時應嚴格按程序操作，加強溝通，確保維修檢查時相鄰各閘閥關閉，避免維修氣墊倉泥漿門、泥漿泵和各閘閥時因誤操作引起高壓氣、高壓油或高壓泥漿噴出。

4.3 盾尾密封

1)盾尾設多排密封刷，密封刷間不間斷地壓注盾尾油脂，以抵抗高水壓力及可能的流砂泄露;組裝盾構機時，將盾尾密封油脂填充質量作為重點，確保盾尾刷油脂充填飽滿;在始發(fā)時盾尾油脂在同步注漿之前形成壓力，并在施工過程中油脂壓力要高于注漿壓力，避免砂漿進入盾尾油脂腔損壞盾尾密封;對出現(xiàn)漏、滲部位集中壓注盾尾油脂;加強管片拼裝操作，嚴格控制拼裝質量;管片外弧縱縫粘貼海綿橡膠，防止縱縫位置出現(xiàn)漏滲;隧道內設一定量的高揚程泥漿泵，以備急用;當出現(xiàn)較大漏漿情況時，則迅速通過倒數(shù)第2，3環(huán)管片二次注漿孔向地層壓注水溶性聚氨酯進行封堵。避免盾尾密封系統(tǒng)不可靠或長時間磨損致使盾構內涌水或盾尾密封失效。

2)做好超前地質預報，建立監(jiān)測系統(tǒng)。采集圍巖和結構安全信息，認真進行分析、處理和反饋，實行信息化施工，避免因未及時更換盾尾密封件以致盾尾密封失效。

3)定期對盾尾密封有效性進行檢查，盾構掘進過程中，由專人監(jiān)視盾尾密封情況;盾構機上設專用應急物資區(qū)，并設專人管理，定期檢查、確認是否處于良好狀態(tài)，避免因未及時添加油脂或更換盾尾密封件以致盾尾密封失效。

4)定期檢查盾尾密封油脂注入管是否破損，保證盾尾密封刷和密封刷間油脂與管片外弧面緊密結合，避免因未及時添加油脂以致盾尾密封失效。

5)隧道內排水泵能力不足時，緊急啟用備用排水泵和管路為盾尾注漿封堵爭取時間，盾構機上、材料庫各存放一整套備用抽水泵、水管等抽水設施，現(xiàn)場各管路標識清楚，避免因盾構隧道內的積水超過安全要求致使盾構機拖車上電器、配電箱等設備被淹而無法供電。

6)利用手動方式集中在涌水點加大盾尾油脂的注入;當涌水由管片縱縫間涌出，采用鉗錐將棉紗、遇水膨脹橡膠擠壓入縱縫;若漏泥水嚴重，由二次注漿孔拖后盾尾2環(huán)壓注水溶性聚胺脂材料;必要時在管片上鉆孔并安設孔口管后向地層壓注水溶性聚胺脂材料，直至將漏泥砂封堵，避免因盾構隧道內的積水無法及時抽排致使被淹而無法供電。

7)操作司機適時調整盾構姿態(tài)，避免因急劇轉彎造成盾尾刷的損壞。

4.4 有軌運輸

1)對從事有軌運輸?shù)娜藛T，通過安全教育、安全技術交底、熟知其作業(yè)要求及車輛性能后方可上崗;定期進行設備、設施檢查維修;定人定崗，加強對作業(yè)人員的培訓教育及過程控制;有軌運輸作業(yè)人員嚴格執(zhí)行交接班制度及其車輛管理的相關制度;及時反饋相關車輛的信息，保證車輛其安全狀態(tài)。

2)接班人員在行車前對機車進行全面系統(tǒng)的安全檢查，確認無任何問題方可運作;非專職人員嚴禁開、調編組列車;嚴禁未經同意移動編組列車的防溜車裝置或設施(砂袋、鐵楔等);嚴禁擅自拆除或調整安全設施和安全裝置;嚴禁編組列車下坡時空擋溜放。

4.5 管片安裝安全控制要點

1)操作、維修人員定崗作業(yè)，非操作人員不得從事管片安裝機、管片吊機的操作;設物部電氣工程師、液壓工程師進行常規(guī)檢測，并填寫書面記錄。避免未及時發(fā)現(xiàn)管片安裝機、管片吊機真空吸盤失效而引發(fā)事故。

2)非操作人員嚴禁進入管片安裝區(qū)域;管片吊運時，安裝人員或其他人員嚴禁在管片下方站立、穿行;嚴禁擅自拆除或調整安全設施和安全裝置;嚴禁用管片吊機、安裝機運輸人員;安裝前應保證管片內表面清潔;嚴禁同時按下2個按鈕釋放真空吸盤;發(fā)現(xiàn)真空位過低燈光紅色響警示音后應及時維修。避免管片安裝機、管片吊機真空吸盤失效后管片失控墜落對人體造成傷害。

3)管片安裝時，操作必須規(guī)范，管片縱、橫向螺栓必須全部緊固后方可進行下一塊的安裝，避免管片安裝時滑落造成事故。

4)加強真空吸盤、管片吊機的日常檢查，定期保養(yǎng)，保養(yǎng)記錄表中明確保養(yǎng)周期、保養(yǎng)責任人、保養(yǎng)人，避免未及時發(fā)現(xiàn)管片安裝機、管片吊機真空吸盤失效而引發(fā)事故。

5 實施效果

獅子洋隧道盾構施工中，對帶壓進倉、常壓進倉、泥水系統(tǒng)、盾尾密封等重大危險源，制定并切實落實了針對性的應急措施和安全控制要點，及時發(fā)現(xiàn)并處理、消除了數(shù)百次安全風險，如進倉時掌子面失穩(wěn)、掌子面局部坍塌或涌水、刀盤倉液位上漲快、隧道內積水液位超過安全值要求、氣墊倉門不正常關閉、吸入有害氣體、高空墜落、高壓泥漿管爆裂、盾尾密封失效等。

通過對獅子洋隧道盾構施工危險源分析并采取相應對策，施工中未發(fā)生重傷或重傷以上安全責任事故。

6 結論與討論

1)本文系統(tǒng)地分析了獅子洋隧道盾構施工中不同于一般盾構隧道的重大危險源，通過實踐證明，對獅子洋隧道盾構施工中危險源分析正確、全面且針對性強，采取的對策有效，指導并保證了盾構隧道安全施工。對水下大直徑泥水盾構施工安全管理有指導意義和參考價值。

2)破碎地層中無加固輔助工法下的進倉作業(yè)是盾構施工中的重大危險源，施工中安全風險大，尚未總結出成熟、可靠的安全風險規(guī)避措施。

3)在高水壓強滲透環(huán)境地層中帶壓進倉作業(yè)時，若抽水設備無法滿足需要，可啟用盾構泥水循環(huán)向倉外或洞外抽排水;而在常壓進倉作業(yè)時，若抽水設備無法滿足需要，在不加壓情況下很難能夠啟用盾構泥水循環(huán)向外抽排水，需進一步深入研究這一應急措施的可行性。

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