宮本福,楊志勇

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

2000年北京地鐵5號線首次引入土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行地鐵隧道施工，隨著5號線、4號線、10號線、機(jī)場線、9號線、大興線、6號線、7號線、8號線、亦莊線、14號線等線路的相繼開工建設(shè)，盾構(gòu)施工技術(shù)在北京地鐵建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在取得成績的同時，也積累了相應(yīng)的經(jīng)驗教訓(xùn)，對這些經(jīng)驗和教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)和分析是非常有必要的。以此為基礎(chǔ)對盾構(gòu)施工安全風(fēng)險控制技術(shù)進(jìn)行研究，可為規(guī)避今后盾構(gòu)施工風(fēng)險提供建議。

國內(nèi)已有學(xué)者或以某一具體工程，或以某一類典型工程，或以某一地區(qū)，對盾構(gòu)施工風(fēng)險分析及評估進(jìn)行了研究：李發(fā)勇針對南京粉細(xì)砂地層，對該地質(zhì)情況下的盾構(gòu)施工隧道中的風(fēng)險進(jìn)行了分析[1]；崔玖江介紹了國內(nèi)外盾構(gòu)施工的情況，重點分析了盾構(gòu)隧道施工中存在的風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的規(guī)避措施[2]；周志強(qiáng)等結(jié)合廣州地區(qū)地鐵建設(shè)過程中存在的技術(shù)難點，總結(jié)分析了該地區(qū)盾構(gòu)施工中的主要風(fēng)險及風(fēng)險控制技術(shù)[3]；曹晶珍等以廣州地鐵為工程背景，介紹了盾構(gòu)隧道穿越江河施工中面臨的主要風(fēng)險和施工措施[4]；鐘長平等對廣州地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行了相關(guān)的研究，通過將典型地層進(jìn)行分類，總結(jié)了不同地層中盾構(gòu)施工中的主要風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的控制措施[5]。

另外，學(xué)者對盾構(gòu)施工風(fēng)險評估的方法也進(jìn)行了相關(guān)的研究：鄭俊杰等利用模糊故障樹的相關(guān)理論，提出用模糊成本重要度的指標(biāo)來評價盾構(gòu)隧道施工中各風(fēng)險對總成本的影響大小的方法[6]；周建等基于專家調(diào)查數(shù)據(jù)，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了分析風(fēng)險事故概率等級、概率分布的多態(tài)系統(tǒng)[7]；陳自海等基于模糊層次分析法對杭州某地鐵施工進(jìn)行了風(fēng)險識別和風(fēng)險估計，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證，證明了方法的可行性[8]。

本文在總結(jié)過往北京地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，對北京地區(qū)盾構(gòu)施工安全風(fēng)險控制技術(shù)進(jìn)行研究，以期為今后盾構(gòu)施工提供借鑒。

1 北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險分析

通過對北京地鐵以往盾構(gòu)施工的總結(jié)和分析，盾構(gòu)施工中的主要風(fēng)險有：盾構(gòu)選型風(fēng)險，盾構(gòu)設(shè)備故障風(fēng)險，始發(fā)、到達(dá)施工風(fēng)險，掘進(jìn)偏離設(shè)計軸線風(fēng)險，盾構(gòu)操作風(fēng)險，管片錯臺、破損風(fēng)險。這些風(fēng)險會影響工期，增加工程成本，甚至?xí)?dǎo)致地表塌陷，建(構(gòu))筑物開裂、傾斜。

1.1 盾構(gòu)選型風(fēng)險

盾構(gòu)選型不當(dāng)會對工程工期、成本造成不利影響，同時也會影響盾構(gòu)施工的安全，對周邊環(huán)境造成危害。北京地鐵盾構(gòu)穿越的地層主要是土層(黏土、粉質(zhì)黏土、粉土)、砂層(粉細(xì)砂、中砂、粗砂)和卵石層(卵石、礫石)以及這三種地層的混合地層。其中，應(yīng)著重關(guān)注卵石地層中的盾構(gòu)選型風(fēng)險，適應(yīng)性差的刀盤型式、不合理的刀具布置，在卵石地層中會導(dǎo)致刀具甚至刀盤磨損嚴(yán)重，地層塌陷等問題。

北京地鐵某區(qū)間，隧道穿越地層為卵石層，采用的盾構(gòu)原本針對硬巖地層設(shè)計，刀盤開口率小，土艙內(nèi)缺少攪拌土體的攪拌棒(不利于土體流塑性改造)，盾構(gòu)適應(yīng)性差，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)效率低，平均推進(jìn)速度為2.8環(huán)/d(3.36 m/d)。同時，由于渣土改良效果差，土倉壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致地表沉降嚴(yán)重超標(biāo)，地表累計沉降在40～60 mm。盾構(gòu)選型不當(dāng)導(dǎo)致該區(qū)間工期延長，且地表沉降控制困難，給周邊施工環(huán)境帶來了極大的安全風(fēng)險。

1.2 盾構(gòu)設(shè)備故障風(fēng)險

盾構(gòu)施工過程中設(shè)備突發(fā)故障，會給整個工程帶來巨大的風(fēng)險，嚴(yán)重影響工期，造成工程成本的增加，若盾構(gòu)在下穿重大風(fēng)險工程過程中出現(xiàn)設(shè)備故障，將嚴(yán)重威脅風(fēng)險工程的安全。因此采用有效手段規(guī)避盾構(gòu)設(shè)備風(fēng)險是非常有必要的。

北京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間右線，盾構(gòu)推進(jìn)18環(huán)后主驅(qū)動大齒圈約有一半齒輪根部出現(xiàn)裂紋(圖1)，此時盾構(gòu)位于繁忙道路下方，不具備從地表開挖豎井更換主驅(qū)動的條件，因此盾構(gòu)帶病推進(jìn)至117環(huán)，從地面開挖豎井對主驅(qū)動進(jìn)行了更換，增加了工程成本。

圖1 大齒圈齒輪根部裂紋

1.3 始發(fā)、到達(dá)施工風(fēng)險

盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)發(fā)生的風(fēng)險事故主要有：始發(fā)端土體失穩(wěn)、到達(dá)端土體被推出、到達(dá)端地表塌陷、到達(dá)端涌水涌砂等。

通過對事故的總結(jié)，分析誘發(fā)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工事故的因素主要有以下幾種：

(1)端頭土體加固范圍不合理，加固效果質(zhì)量差；

(2)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工參數(shù)控制不合理(土壓、注漿壓力、推力等)；

(3)洞門密封(橡膠簾布、扇形壓板)質(zhì)量差，或安裝方法有誤，或不安裝。

1.4 掘進(jìn)偏離設(shè)計軸線風(fēng)險

在盾構(gòu)隧道施工過程中，應(yīng)盡最大努力保證開挖隧道軸線符合設(shè)計軸線。當(dāng)盾構(gòu)施工偏離設(shè)計軸線后，為了保證實際施工軸線符合設(shè)計軸線，盾構(gòu)在接下來的施工中必須采用相應(yīng)的糾偏措施來進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整。糾偏措施如果制定的不合理或者執(zhí)行的不到位，很可能引起隧道管片的受力不均，進(jìn)而引起管片的破損。另外，當(dāng)隧道軸線與設(shè)計軸線偏差無法通過盾構(gòu)的糾偏進(jìn)行彌補(bǔ)時，就需進(jìn)行線路的調(diào)整，這種調(diào)整對于隧道后期的運營存在較大的影響(列車降速、乘客乘坐感受差等)；對于偏差較大無法進(jìn)行調(diào)線的隧道，只能采取其他措施進(jìn)行處理(如：采用明挖工法對已有隧道進(jìn)行破除，重新修建)。

總結(jié)以往工程中引起盾構(gòu)姿態(tài)變差的原因主要可分為以下4個方面：測量原因、盾構(gòu)操作原因、盾構(gòu)設(shè)備原因、地質(zhì)原因。實際施工中，盾構(gòu)偏離設(shè)計軸線，是一個由小到大，逐漸累積直到無可挽回的過程。細(xì)究其原因往往不是一種，而是前述多種因素的疊加效應(yīng)。所以，如果想要避免這種情況的發(fā)生，使盾構(gòu)一直能保持在一個理想的姿態(tài)掘進(jìn)，就必須從多方面著手，防微杜漸。

1.5 盾構(gòu)操作風(fēng)險

盾構(gòu)操作風(fēng)險是指由于盾構(gòu)現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗欠缺，在盾構(gòu)施工參數(shù)控制方面出現(xiàn)問題，導(dǎo)致安全風(fēng)險事故的發(fā)生，主要表現(xiàn)為地表塌陷、臨近構(gòu)筑物發(fā)生破壞等。

北京地鐵某區(qū)間盾構(gòu)在推進(jìn)過程中發(fā)生了塌陷事故，通過對推進(jìn)過程中土壓力變化的分析，事故的主要原因為土壓力控制偏低。導(dǎo)致出土量增大，地層損失，引起地表塌陷。盾構(gòu)推進(jìn)過程土壓力曲線見圖2。

圖2 盾構(gòu)推進(jìn)過程土壓力曲線

1.6 管片錯臺、破損風(fēng)險

管片錯臺、破損對于隧道整體的性能存在較大的影響，主要影響隧道的防水及整體結(jié)構(gòu)受力。管片發(fā)生錯臺后，兩塊管片之間的橡膠止水密封條貼合面積減少，甚至錯開(圖3)，導(dǎo)致隧道防水性能降低或失效；管片發(fā)生破損后，管片內(nèi)的鋼筋裸露，影響結(jié)構(gòu)的整體性，必須對破損處進(jìn)行修補(bǔ)。

圖3 管片錯臺(單位：cm)

2 盾構(gòu)施工風(fēng)險控制技術(shù)

通過對北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險的分析，可以得出導(dǎo)致風(fēng)險的發(fā)生主要有以下幾個方面的因素：

(1)盾構(gòu)設(shè)備因素，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)選型不當(dāng)，盾構(gòu)設(shè)備質(zhì)量存在問題，導(dǎo)致掘進(jìn)過程中出現(xiàn)設(shè)備故障；

(2)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)因素，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)引起的地表塌陷、洞門土體塌方等事故；

(3)施工過程控制因素，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中參數(shù)控制不合理，同步注漿漿液質(zhì)量不佳或注漿量不足導(dǎo)致地表塌陷或沉降超限；

(4)施工質(zhì)量因素，主要表現(xiàn)在盾構(gòu)偏離設(shè)計軸線，管片破損和錯臺。

2.1 盾構(gòu)設(shè)備

2.1.1 盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性評估

盾構(gòu)選型應(yīng)與工程水文地質(zhì)條件相適應(yīng)，同時應(yīng)滿足施工環(huán)境和自身工程特點(如隧道轉(zhuǎn)彎半徑、管片環(huán)寬等)的要求。設(shè)備選型應(yīng)包含以下幾方面內(nèi)容：盾構(gòu)類型、刀盤開口型式、刀盤開口率、刀具類型、刀具布置、設(shè)備功率、推進(jìn)油缸及鉸接類型、同步注漿孔位置、土體改良系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)參數(shù)等。對特殊的地質(zhì)條件應(yīng)額外增加相應(yīng)的部件，如：對于磨蝕性較高的地層，需在刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)筒壁上配置耐磨層。

盾構(gòu)選型的風(fēng)險主要通過技術(shù)管理來進(jìn)行規(guī)避，盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)場至少3個月前，施工單位應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)穿越隧道地層條件和施工環(huán)境條件對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性自評估并形成評估報告，報監(jiān)理單位審核，監(jiān)理單位審核通過后組織專家對盾構(gòu)適應(yīng)性評估報告進(jìn)行論證。

2.1.2 盾構(gòu)設(shè)備驗收

盾構(gòu)設(shè)備故障風(fēng)險通過規(guī)范設(shè)備驗收流程和加強(qiáng)管理來規(guī)避，制定的盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性評估與進(jìn)場驗收流程詳見圖4。

圖4 盾構(gòu)進(jìn)場驗收流程

盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性評估報告專家論證通過后，監(jiān)理單位組織專家及施工、建設(shè)單位相關(guān)管理人員前往盾構(gòu)存儲基地或設(shè)備制造場地進(jìn)行盾構(gòu)工廠驗收，驗收內(nèi)容為評估報告所涉及的全部內(nèi)容，并應(yīng)特別注意以下事項：

(1)現(xiàn)場盾構(gòu)設(shè)備與適應(yīng)性評估報告中的盾構(gòu)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)是否相符；

(2)非新生產(chǎn)盾構(gòu)主驅(qū)動應(yīng)拆卸進(jìn)行檢查驗收，主要驗收主驅(qū)動密封和大小齒圈是否完好；

(3)刀具安裝和焊接是否完好，刀具高差是否滿足適用性評估報告的要求，對于砂卵石地層，刀盤刀具是否具有耐磨層；

(4)螺旋輸送機(jī)葉片焊接完成后是否進(jìn)行過探傷(需提供探傷報告)，對于砂卵石地層螺旋輸送機(jī)筒壁與相關(guān)葉片是否具有耐磨層。

盾構(gòu)設(shè)備存儲基地驗收通過后(且盾構(gòu)吊裝方案審核通過后)，盾構(gòu)設(shè)備方可進(jìn)場組裝，組裝過程中，施工單位需對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行驗收，并形成驗收報告。監(jiān)理單位負(fù)責(zé)對盾構(gòu)設(shè)備及驗收報告進(jìn)行核查，核查通過后盾構(gòu)方可始發(fā)。

2.2 盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料對盾構(gòu)始發(fā)端及到達(dá)端的土體進(jìn)行加固，保證盾構(gòu)施工始發(fā)階段及到達(dá)階段的安全。在進(jìn)行端頭加固方案確定時，應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：加固范圍、加固施工方法、加固后土體強(qiáng)度等。在端頭加固施工完成之后，應(yīng)及時對加固效果進(jìn)行驗收，只有在加固效果滿足原定方案要求時，才可進(jìn)行下步工序；若加固效果不滿足原定方案，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行加固施工，直至加固效果滿足施工方案。在滿足端頭加固條件后，尚需在始發(fā)、到達(dá)端安裝扇形壓板及橡膠簾布，在安裝完成后方可進(jìn)行盾構(gòu)的始發(fā)、到達(dá)。

作為盾構(gòu)掘進(jìn)過程中較為重要的關(guān)鍵工序，盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)段，應(yīng)對其參數(shù)著重控制。由于端頭土體的特殊性，在確定掘進(jìn)參數(shù)時應(yīng)根據(jù)土體的加固效果進(jìn)行，同時在盾構(gòu)推出始發(fā)加固段土體時，應(yīng)確保土艙內(nèi)壓力已建立，保證未加固段土體的穩(wěn)定性，確保盾構(gòu)出加固區(qū)后不發(fā)生地表塌陷事故。

2.3 盾構(gòu)施工過程控制

2.3.1 參數(shù)控制

盾構(gòu)施工過程中參數(shù)控制的好壞，對于隧道施工的順利、安全有決定性的影響，因此加強(qiáng)對盾構(gòu)施工參數(shù)控制情況的監(jiān)控是非常有必要的。北京地鐵盾構(gòu)施工2007年開始采用自主研發(fā)的盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)對全網(wǎng)所有盾構(gòu)施工參數(shù)控制情況進(jìn)行實時監(jiān)控(圖5)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示盾構(gòu)施工參數(shù)并自動進(jìn)行預(yù)警[10]，能夠及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工過程中的問題，并采取措施進(jìn)行處理防止風(fēng)險事故的發(fā)生。

圖5 盾構(gòu)參數(shù)監(jiān)控

盾構(gòu)工程開始前應(yīng)結(jié)合地層條件、施工環(huán)境和設(shè)備情況，對盾構(gòu)施工參數(shù)控制范圍進(jìn)行設(shè)定。文獻(xiàn)[9]中提出的組段劃分方法可較好地應(yīng)用于盾構(gòu)施工參數(shù)的確定，盾構(gòu)施工參數(shù)主要包括以下幾方面：土壓力、刀盤扭矩、總推力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、同步注漿量、同步注漿壓力等。然后將設(shè)定好的參數(shù)控制范圍輸入盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)參數(shù)控制超過控制范圍時，系統(tǒng)會自動預(yù)警，及時提醒相關(guān)技術(shù)及管理人員參數(shù)發(fā)生異常。

2.3.2 同步注漿

同步注漿風(fēng)險控制主要包括注漿壓力、注漿量及漿液質(zhì)量，同步注漿壓力和同步注漿量可以通過盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)控，某些同步注漿量不足的環(huán)應(yīng)及時進(jìn)行二次補(bǔ)漿，對于同步注漿壓力低，同步注漿量持續(xù)增大的情況應(yīng)充分重視，有可能是地層存在空洞。

同步注漿漿液質(zhì)量對于控制沉降也非常重要，必須加強(qiáng)對同步注漿漿液質(zhì)量的檢查，監(jiān)理單位每天或每20環(huán)對同步注漿漿液取樣抽查不少于1次，發(fā)現(xiàn)漿液質(zhì)量不合要求，應(yīng)督促立即整改。

2.4 施工質(zhì)量

2.4.1 軸線偏差

軸線偏差的控制技術(shù)主要有以下幾點：

(1)通過盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)對盾構(gòu)偏差情況進(jìn)行實時監(jiān)控并自動預(yù)警，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)有變差的趨勢及時提醒現(xiàn)場施工注意糾偏；

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場換站測量的管理，對換站前后盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，盾構(gòu)姿態(tài)差值超過15 mm時，施工單位應(yīng)立即組織人員復(fù)測復(fù)核，確認(rèn)無誤后，方可恢復(fù)施工；為防止管片移動對測量的影響，施工單位應(yīng)在換站測量后的第一天(或15環(huán))對后視棱鏡和全站儀坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核；

(3)對地面和地下測量控制點進(jìn)行復(fù)核測量，并加強(qiáng)測點的保護(hù)。

2.4.2 管片錯臺和破損

管片發(fā)生錯臺及破損的主要原因有：管片運輸過程中損壞；管片拼裝操作不規(guī)范；盾構(gòu)糾偏量超標(biāo)等?？刂拼胧┲饕幸韵聨c：

(1)運輸過程中加強(qiáng)對管片的保護(hù)，加強(qiáng)管片進(jìn)場的驗收，避免不合格產(chǎn)品進(jìn)場；

(2)通過盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)，對盾構(gòu)姿態(tài)的監(jiān)控，并監(jiān)控每一環(huán)管片的糾偏量，糾偏量超標(biāo)的要及

時進(jìn)行預(yù)警，避免盾構(gòu)糾偏量過大；

(3)加強(qiáng)對管片操作手的培訓(xùn)，施工過程中加強(qiáng)對管片拼裝質(zhì)量的檢查。

3 結(jié)語

通過對北京地鐵近年來盾構(gòu)施工事故的總結(jié)和分析，得出北京地鐵盾構(gòu)施工的主要風(fēng)險有以下幾部分：盾構(gòu)選型風(fēng)險；盾構(gòu)設(shè)備風(fēng)險；始發(fā)、到達(dá)施工風(fēng)險；掘進(jìn)偏離設(shè)計軸線風(fēng)險；盾構(gòu)操作風(fēng)險；管片錯臺、破損風(fēng)險。

同時，結(jié)合相關(guān)案例對事故發(fā)生的原因及帶來的不良后果進(jìn)行了分析。導(dǎo)致北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險發(fā)生的主要風(fēng)險因素為盾構(gòu)設(shè)備，盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)，施工過程控制，施工質(zhì)量。并針對風(fēng)險因素提出了北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險控制技術(shù)，為今后北京地鐵盾構(gòu)施工提供借鑒和參考，以規(guī)避施工風(fēng)險。

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