黃學軍，楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 燕郊　065201)

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南昌地鐵泥水盾構穿越贛江風險分析及其控制措施

黃學軍，楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 燕郊065201)

摘要：南昌地鐵1號線秋水廣場站—中山西路站區(qū)間隧道工程是南昌市首個下穿贛江工程。該隧道地質條件極為復雜，地層透水性強，且與贛江水系連通，水壓大，隧道覆土厚度最淺僅5.4 m(小于1倍隧道洞徑)。覆土層主要為透水砂層，地層滲透系數(shù)為10(-1)級別。盾構穿越地層主要為泥質粉砂巖地層，土層粘性土體顆粒含量高，盾構機刀盤易結泥餅。該隧道泥水盾構穿越贛江的風險主要包括：1) 強透水復合地層泥水盾構始發(fā)；2) 泥水盾構穿越淺覆蓋透水層，掌子面可能出現(xiàn)塌方、冒頂、涌水等；3) 泥水盾構穿越泥質粉砂巖地層刀盤結泥餅；4) 強透水復合地層帶壓換刀作業(yè)。為此，針對泥水盾構穿越贛江施工過程，深入系統(tǒng)地分析以上4方面風險，在此基礎上提出4項風險控制措施?，F(xiàn)場應用表明：風險控制措施合理可行，其可為泥水盾構成功穿越贛江提供保障，并創(chuàng)造顯著的經濟、社會效益。

關鍵詞：南昌地鐵；泥水盾構；風險分析；控制措施

近年來，隨著我國城市地鐵建設的不斷發(fā)展，泥水平衡盾構一直是穿越江(海)、湖泊等水下隧道工程的首選施工方法，如南京長江隧道、武漢長江隧道、上海復興東路越江隧道、獅子洋隧道等[1-4]。

隧道建設過程中往往具有一定的風險。在隧道施工風險分析方面，國內學者也引進了一些風險理論[5]，開展了相關研究，并取得了一定的研究成果，豐富和完善了隧道風險評估分析方法，如層次分析法[6]、故障樹分析法[7]、風險指數(shù)法[8]、模糊綜合評判法[9]、可拓法[10]等。

目前，針對盾構越江跨海風險，翟世鴻等[11]從工程組織實施角度對武漢長江公路隧道工程可能遇到的技術難點和風險進行了分析，提出了解決問題的建議。吳世明等[12]結合杭州慶春路過江隧道泥水盾構穿越錢塘江南岸大堤的工程實例，對泥水盾構穿越堤防的風險源進行了系統(tǒng)分析，并驗證了所述風險控制措施的合理性及可行性。黎新亮等[13]結合長沙地鐵3號線埠河路站至書院路站區(qū)間工程，為確保盾構隧道安全穿越湘江溶洞區(qū)，提出了合理的風險控制措施和溶洞江面處理方案，為后續(xù)設計及施工提供參考。孫鈞[14]對臺海隧道工程的各類技術風險識別、風險分析與控制以及風險管理等方面的問題進行了初步探討，認為對經風險識別得出的幾種主要技術風險進行分析將有利于估計工程建造費用并掌控工期。王坤[15]針對廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道SDIII標盾構工程，確定了施工期主要風險源及風險等級，并制定了規(guī)避施工期風險的對策和措施。宋浩然等[16]以大連灣海底隧道為背景，針對工程可行性研究階段的推薦方案，按照不同的施工方法對風險進行識別和分析。曹越等[17]對盾構隧道施工過程中的風險進行了分析。張頂立[18]對城市地鐵施工的環(huán)境安全風險管理進行了研究。

本文以南昌市軌道交通1號線1期工程秋水廣場站—中山西路站區(qū)間隧道(簡稱秋—中區(qū)間隧道)工程為例，針對泥水盾構穿越贛江遇到的技術難題與風險，重點分析泥水盾構穿越贛江的風險，并基于風險評估結果，提出相應的風險控制措施。研究成果可為類似復雜環(huán)境下的越江跨海工程盾構施工提供參考。

1工程概況

南昌市軌道交通1號線1期工程秋—中區(qū)間隧道主要位于贛江河道和江堤，如圖1所示。該隧道下穿秋水廣場，先穿越贛江、沿江中大道，經中山西路后再與東端中山西路站相連接。其區(qū)間下行線長度為1 880.574 m，上行線長度為1 889.518 m，其中下穿贛江河床的長度為1 242.5 m。隧道整體剖面呈中部低、兩側高的V形坡。隧道埋深5.4～21.5 m，盾構隧道管片外徑6.0 m，內徑5.4 m。襯砌管片分為3塊標準管片，2塊鄰接管片，1塊封頂管片。通用襯砌環(huán)環(huán)寬1.2 m。

圖1　南昌市軌道交通1號線秋—中區(qū)間隧道示意

秋—中區(qū)間隧道地質按其巖性及工程特性自上而下依次劃分為素填土、淤泥、細砂、粗砂、礫砂、圓礫、卵石、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥及質粉砂巖等。

據南昌八一大橋水文站觀測資料統(tǒng)計，贛江一般水位標高14.50～17.50 m，有記錄的最高水位黃海高程為22.52 m(1982-06-20)，歷史最低水位為12.77 m(2007-05-24)。

2泥水盾構穿越贛江風險分析

通常，隧道風險管理過程主要分為風險識別、風險評估、風險應對、風險監(jiān)控4個過程。風險識別是風險評估的基礎，也是風險分析的重要步驟。為此，本文對南昌市軌道交通1號線1期工程秋—中區(qū)間隧道泥水盾構穿越贛江段進行風險分析。

2.1泥水盾構穿越贛江風險識別

南昌市軌道交通1號線1期工程秋—中區(qū)間隧道工程是南昌市首個下穿贛江工程，其地質條件復雜，河床底隧道覆土厚度淺，地層透水性強，且與贛江水系連通，水壓大，這無疑給盾構施工帶來困難與挑戰(zhàn)。該隧道工程施工風險主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1.1泥水盾構始發(fā)風險

端頭土體加固是盾構機始發(fā)、到達施工安全保障的一個重要組成部分，端頭土體加固成功與否直接關系到盾構機能否安全始發(fā)、到達[19]。秋—中區(qū)間隧道盾構始發(fā)段地質復雜，上半斷面位于礫砂、圓礫層中，下半斷面位于泥質粉砂巖地層，呈典型“上軟下硬”狀，盾構機姿態(tài)極難控制。此外，若洞門密封效果不佳，短時間內洞口就將會與地下水連通，造成洞門大量涌水、涌砂、地面沉陷，甚至基坑坍塌等嚴重事故。因此，洞門密封也是該工程的風險點之一。

2.1.2泥水盾構穿越淺覆蓋透水層風險

河床底局部隧道覆土厚度淺，盾構穿過贛江兩端時頂部位于礫砂、圓礫層中，地層水與江水連通，水壓大，地層透水性強，且局部河道地段上部松散圓礫層厚度較小，區(qū)間最小揭露厚度僅5.4 m(小于1倍隧道洞徑)，如圖2所示。泥水盾構在掘進過程中，極易發(fā)生掌子面失穩(wěn)、冒頂、地層隆陷、透水冒漿等病害，施工技術難度和工程風險極大。

圖2　地質縱剖面示意

2.1.3泥水盾構穿越泥質粉砂巖地層泥餅風險

泥質粉砂巖地層粘性土體顆粒含量大。檢測分析表明，綠泥石與伊利石總含量約27%～28%，如果盾構在粘性土體顆粒含量高的地層中掘進，則刀盤容易出現(xiàn)結泥餅現(xiàn)象，從而會嚴重影響掘進效率，甚至損壞盾構設備。

秋—中區(qū)間隧道上行線盾構掘進時，總推力一直從1 200 t逐步增至1 800 t，盾構扭矩從開始時的1 100 kN·m逐步增至2 800 kN·m。當掘進至156環(huán)后，推力與扭矩大幅度增加，掘進速度明顯降低，約為6 mm/min，且貫入度也減少至4～6 mm。此時，可認定盾構刀盤已形成泥餅，其會嚴重制約泥水盾構順利掘進。

2.1.4泥水盾構強透水復合地層帶壓換刀風險

秋—中區(qū)間隧道兩端為強透水復合地層段，隧道上半斷面為砂層，下半斷面泥質粉砂巖地層，呈典型“上軟下硬”特征。由于泥質粉砂巖地層粘性土體顆粒含量高，二氧化硅含量大，故施工中刀具易發(fā)生磨耗，尤其是盾構掘進過程中，可能一套刀具無法完成，在強透水復合地層泥水盾構帶壓換刀整個過程中，施工風險極大。

刀具磨損快，故其配置要求高。進艙檢查和更換刀具是泥水盾構穿越贛江的關鍵工序，但由于強透水復合地層的緣故，帶壓作業(yè)易造成掌子面涌砂、坍塌，嚴重危及作業(yè)人員的安全。在強透水復合地層泥水盾構帶壓換刀整個過程中，始終存在著施工安全和人員健康安全風險，若處置不當，則將造成重大事故和無法彌補的災難。

2.2泥水盾構穿越贛江風險評估分析

R=P×C風險評估法是綜合考慮風險因素發(fā)生概率和風險后果，并給出風險定級的一種方法。其中：R表示風險；P表示風險因素發(fā)生的概率；C表示風險因素發(fā)生時可能產生的后果。該方法是目前國內外比較推崇的一種風險評價方法，是一種定性與定量相結合的方法，其具體評價過程如下。

1) 確定風險評估標準。風險評估標準主要參照GB 50652—2011 《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》[20]確定。依據風險發(fā)生概率的大小，風險發(fā)生概率P分為5個等級，見表1。風險事故發(fā)生時，造成的災害損失C分為5個等級，見表2。定義風險水平R的等級，見表3。根據不同風險發(fā)生的概率等級和事故損失等級建立風險等級評價矩陣，從而確定風險水平R的等級，見表4。

2) 結合專家調查法對上述識別出的泥水盾構穿越贛江施工期間4個風險因素進行評價。利用專家打分對風險識別所得出4個風險因素的發(fā)生概率等級和風險損失等級進行評價，再運用R=P×C風險評價標準對各風險因素進行風險等級評定，其風險評價結果見表5。

表1　風險發(fā)生概率P等級劃分標準

表2　事故災害損失C等級劃分標準

表3　風險水平R的定義

表4　風險水平R的等級矩陣

表5　風險評價結果

由表5數(shù)據可以看出，泥水盾構在強透水復合地層帶壓換刀屬于災難性風險，需嚴格執(zhí)行所制定的施工措施，確保施工安全。泥水盾構始發(fā)、穿越淺覆蓋透水層屬于重度風險，需引起高度重視，提出相應的應急措施。泥水盾構穿越泥質粉砂巖地層刀盤結泥餅屬于中度風險，需引起注意，注意防范。

3泥水盾構穿越贛江風險控制措施

3.1泥水盾構始發(fā)風險控制措施

秋—中區(qū)間隧道盾構始發(fā)與到達地下水位較高，地層透水性極強，為了控制泥水盾構始發(fā)的風險，端頭土體加固采用高壓旋噴樁和三軸攪拌樁施工，盾構始發(fā)端加固長度為10.7 m。同時，為保證盾構在進入加固體時盡快建壓，防止外界泥砂涌入主體結構內，盾構始發(fā)時，需保證密封裝置的密閉性，以提高止水效果。盾構始發(fā)時，采用了一種盾構始發(fā)洞門雙層止水鋼環(huán)，有效解決了強透水條件下現(xiàn)有單層止水鋼環(huán)施工中容易出現(xiàn)局部滲漏水的問題。雙層止水鋼環(huán)如圖3所示。

1—預埋鋼環(huán)；2—簾布橡膠板；3—固定環(huán)板；4—肋板；5—注漿管；6—止水箱前板；7—第1圓環(huán)板；8—加勁板；9—止水箱；10—翻板；11—第2圓環(huán)板。

圖3雙層止水鋼環(huán)密封示意

3.2泥水盾構穿越淺覆蓋透水層風險控制措施

為了使盾構順利、安全、快速地穿越淺覆蓋透水層，經多次現(xiàn)場試驗，確定了泥漿配合比及控制指標，即比重1.06～1.08 g/cm3，粘度16～20 s。綜合考慮切口水壓的上限值、下限值，確定了泥水盾構穿越淺覆土時氣墊艙工作的具體參數(shù)即：為防止擊穿地層，氣墊艙壓力設定為1.3 bar，進漿流量、排漿流量分別控制在650和750 m3/h左右，泥漿門進漿孔處壓力控制在2.5 bar左右，氣墊艙排渣口處壓力控制在5.0 bar左右。同時，為使同步注漿后能盡快獲得需要的漿液固結體強度，還優(yōu)化了同步注漿參數(shù)，指標控制為：水灰比0.9；水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水=1∶3.18∶6.5∶0.45∶3.9。

秋—中區(qū)間隧道泥水盾構穿越淺覆蓋透水層時，嚴格按照“優(yōu)配泥漿質量、精細控制壓力、嚴格控制姿態(tài)、強化參數(shù)匹配、平穩(wěn)操控推進、快速管片拼裝”的原則施工[1]，迅速通過了贛江淺覆蓋透水層。

3.3泥水盾構穿越泥質粉砂巖泥餅風險控制措施

針對秋—中區(qū)間隧道泥水盾構施工過程中存在的泥餅問題，本文基于理論分析和工程實踐，提出如下泥水盾構泥餅風險控制措施。

1) 為降低刀盤結泥餅的幾率，減小帶壓進艙檢修刀具的作業(yè)次數(shù)，盾構刀盤設計時采用了刀盤背面開口向內傾斜方案，并將中心雙聯(lián)滾刀更換為可換式撕裂刀，以增加刀盤中心開口率。同時，將4把邊滾刀優(yōu)化為耐磨性更好的球齒滾刀刀盤。

2) 刀具配置為：中心可更換雙刃撕裂刀(刀高175～210 mm，高差呈魚尾狀，刃間距170 mm)+正面普通雙刃滾刀(刀高175 mm，刃間距100 mm)+邊緣鑲型球齒滾刀(刀高175 mm，刃間距100 mm)+邊緣焊接撕裂刀(刀高145 mm)+圓弧刮刀(刀高145 mm)+切刀(140 mm)。

3) 對泥水盾構環(huán)流沖刷系統(tǒng)進行了改造，在2臺盾構機原有的沖刷管路中，通過增加沖刷泵并減小沖刷管路出漿口的口徑來增加沖刷壓力，達到更好的沖刷效果，避免刀盤形成泥餅而導致刀箱堵塞。

4) 為控制泥漿質量和提升泥水分離效果，采用了“泥水處理系統(tǒng)+沉淀+離心機”泥水處理體系以及“篩分—旋流—沉淀—離心”4級泥水分離的創(chuàng)新工藝。此外，還采用了低比重、低粘度的泥漿方案，泥水性能指標為：比重1.05～1.10；粘度約20 s(馬氏漏斗粘度)。

5) 掘進模式創(chuàng)新。基于泥質粉砂巖層具有良好的自穩(wěn)性，盾構掘進過程中，上部采用壓縮空氣替代泥漿，形成半艙掘進的創(chuàng)新掘進模式，從而顯著減小了刀盤泥餅的形成幾率，加快了盾構的掘進速度。

采取以上風險控制措施后，盾構順利掘進約420 m。經開艙檢查，未發(fā)現(xiàn)泥餅現(xiàn)象。

3.4強透水復合地層帶壓換刀風險控制措施

1) 為了實現(xiàn)強透水復合地層帶壓換刀，盾構換刀施工時，采用了在開挖面形成氣密性良好的泥膜、氣壓支護開挖面的帶壓開艙方法。且通過理論分析、現(xiàn)場試驗綜合確定了帶壓進艙泥漿的參數(shù)，即泥漿密度、泥漿粘度分別控制在1.10～1.15 g/cm3和90～150 s左右。每m3泥漿配合比設計為：100 kg(膨潤土)∶10 kg(Ⅰ型制漿劑)∶30 kg(Ⅲ型制漿劑)∶1 000 kg(水)。

2) 帶壓進艙的關鍵是保證刀盤前方周圍地層和刀盤艙滿足氣密性要求。為了降低強透水復合地層帶壓換刀的風險，盾構換刀作業(yè)時采用了一系列氣密性保障措施，如采用高濃度泥漿封堵管片；高粘度泥漿每m3配合比為50 kg(谷糠)∶300 kg(膨潤土)∶200 kg(Ⅱ型制漿劑) ∶1 000 kg(水)；泥漿比重控制在1.1以上。同時，還加強了同步注漿量和管片拼裝質量控制，每環(huán)注漿量為6 m3，且保證管片拼裝接縫密封性。

3) 艙內中心氣壓的合理設定關系到開挖艙圍巖的穩(wěn)定，是帶壓進艙成敗的關鍵。氣壓設置過低，泥漿不能很好地滲透到地層中去，泥膜形成質量差，地層中水易破壞泥膜導致掌子面失穩(wěn)，形成漏氣坍塌；氣壓設置過高，高壓空氣易穿透并破壞泥膜，形成漏氣坍塌，同時過高的氣壓設置會給進艙人員形成多余的負擔，影響工作效率。經過理論計算分析，最終確定帶壓進艙作業(yè)位置的艙內中心氣壓為1.91 bar。

對秋—中區(qū)間隧道帶壓換刀位置采取一系列控制措施后，成功實現(xiàn)強透水復合地層泥水盾構帶壓進艙換刀，一次累計更換刀具9把，為盾構順利、快速掘進提供了保障。刀具更換統(tǒng)計見表6。

表6　刀具更換統(tǒng)計

4結束語

本文基于南昌地鐵1號線秋水廣場站—中山西路站區(qū)間隧道工程特殊地質條件與環(huán)境特點，客觀地提出了泥水盾構穿越贛江的4個風險點，即泥水盾構始發(fā)、泥水盾構穿越淺覆蓋透水層施工、泥水盾構泥餅控制、強透水復合地層帶壓換刀；并按R=P×C風險評估法，評定出泥水盾構穿越贛江4個風險點的風險等級水平。此外，基于風險評估結果，制定了針對性的風險控制措施，既保障了泥水盾構施工安全，同時還加快了施工效率，創(chuàng)造了顯著的經濟社會效益，為泥水盾構穿越贛江積累了寶貴經驗。

參 考 文 獻

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Analysis for Risks of Slurry Shield in Nanchang Metro Crossing Ganjiang River and Control Measures

HUANG Xuejun, YANG Yanling

Abstract:The tunnel project between Qiushui Square Station-Zhongshan West Road Station of Nanchang Metro Line 1 is the first project under-cross Ganjiang River in Nanchang. Geological conditions of the tunnel are extremely complicated, the stratum exhibits strong water permeability and connects with the Ganjiang River system at high water pressure, and the minimum thickness of covering soil of the tunnel is only 5.4m (<1 times tunnel diameter). The covering soil is mainly permeable sand, and the permeability coefficient of stratum is class 10-1. The shield crossing stratum is mainly argillaceous siltstone stratum, the content of cohesive soil particles in soil layer is high, and cutterhead is vulnerable to mud cakes. The risks for slurry shield of the tunnel crossing the Ganjiang River mainly include: 1)Origination of slurry shield in strong permeable composite stratum; 2)Slurry shield crosses shallow covering permeable layer, so collapse, roof fall and water burst, etc. may occur to face; 3)Slurry shield crosses argillaceous siltstone stratum and mud cakes from on cutterhead; 4)Tool change operation with pressure in strong permeable composite stratum. For this purpose, this paper systematically analyzes the above 4 risks in allusion to the construction process of slurry shield crossing the Ganjiang River, and on this basis proposes control measures for 4 risks. The application on site shows that the risk control measures are reasonable and feasible, and can provide guarantee for successful crossing of slurry shield over the Ganjiang River and create remarkable economic and social benefits.

Keywords:Nanchang Metro; slurry shield; risk analysis; control measure

文章編號：1009-6477(2016)02-0112-06

中圖分類號：U455.3+9

文獻標識碼：B

作者簡介：黃學軍(1978-)，男，寧夏回族自治區(qū)中寧縣人，本科，高工。

收稿日期：2015-12-09

基金項目：國家自然科學基金項目(51574049)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.025