地铁盾构施工风险管控初探

地铁盾构施工风险管控初探

王志凤

北京市政路桥股份有限公司北京100071

摘要：本文以北京地铁10线二期10标段盾构区间工程为背景，对工程施工风险进行预判分析，并针对分析结果，逐条制定防范措施和应急措施，并在施工过程中得以有效验证，对指导类似工程施工有一定意义。

关键词：地铁；盾构施工；风险分析；措施

引言

随着轨道交通建设的迅猛发展。盾构法施工以其独特的优势逐渐成为城市地铁隧道建设的主流方法。因盾构隧道工程涉及专业广、建设规模大、建设周期长、质量和安全要求高，影响其安全施工的不确定因素较多，可能引发的事故种类繁多，且一旦发生安全事故，其后果相当严重[1]。因此，如何有效进行施工风险管控成为盾构隧道工程施工的首要任务之一。风险管控包括风险辨识、风险分析和风险控制三方面内容，即先辨识施工期间潜在的风险因素，然后分析风险因素可能产生的后果，同时提出预防和降低风险的措施[2]。本文以北京地铁10号线10标段盾构区间为对象，阐述施工风险管控工作的内容。

1背景工程情况

1.1工程基本情况

北京地铁10号线二期工程标段，包含一站三区间。其中盾构区间全长3042.324m,隧道衬砌环直径6000mm，区间隧道埋深在15.25m～22.34m之间。隧道上方为平房居民区及商业区、铁路货场，有较多现况管线。

1.2工程地质情况

盾构区间穿越地层表层以厚度不均的人工堆积的房渣土、素填土为主，人工堆积层以下为新近沉积的粘性土、粉土、砂土及卵砾石层，再以下以第四纪沉积的卵石为主，局部夹薄层砂土。隧道主要穿越地层为卵石-漂石④层，施工范围内无地下水，见图1-1。

图1-1地质剖面图

1.3盾构机型号及性能

盾构区间主要穿越层为卵石地层，可挖性差，粘聚力小，易坍塌，需要加入泡沫和泥浆以获得较好的塑流性。根据以往类似地层施工经验选用加泥式土压平衡盾构机。针对围岩类型，盾构机采用辐条式刀盘。

2盾构施工风险分析

2.1掘进风险

盾构在卵石地层施工，土压平衡难以建立、推进姿态控制困难、掘进速度无法保证，因此掘进风险主要包括开挖面失稳、推进轴线偏离。

2.2机械设备风险

由于卵石地层的特殊性，使得盾构开挖装置、推进机构、注浆系统、出渣系统、盾尾密封系统和拼装系统极易发生故障，比如刀盘刀具及土仓隔板磨损过快、土仓容易结泥饼、螺旋输送机磨损及抱死频发、盾构机推力及刀盘扭矩过大等。

2.3盾构始发与到达突发风险

其风险点主要为封门凿除时土体坍塌、洞门密封圈处漏水漏砂以及盾尾姿态突变。

2.4环境风险

盾构施工过程中不可避免的要对周围环境产生不利影响，沿线建（构）筑物发生沉降、倾斜、开裂甚至倒塌损毁是主要环境风险。

3施工风险预控与应急措施

3.1渣土改良

根据以往经验，在卵石地层掘进单独加泥浆或泡沫都不能达到较好的土体塑流性改良效果，因此本工程选用了具备加泥功能和加泡沫功能的盾构机，能根据地质条件的变化实施单独加泥（或泡沫）、同时加注泥浆和泡沫，使渣土形成理想的膏状。

3.2保持掘进面稳定的措施

为有效的控制地面沉降，必须保持盾构掘进面的稳定。加泥式土压平衡盾构机是通过调节推进速度、螺旋输送机的转速来控制土仓内泥土形成的压力，以平衡掘进面地层的水土压力，同时一边掘进一边出土。

当出土量大于盾构切削泥量时，控制土压的最小值Pmin小于切削面泥水压力F，地面出现沉降；当出土量小于切削泥量时，控制土压的最大值Pmax大于切削面泥水压力F，地面出现隆起；当出土量等于盾构切削泥量时，控制土压值P等于切削面泥水压力F，地面不会出现沉降和隆起。保证掘进面土体的稳定，主要有以下几项措施。

3.2.1土体塑流化改良

为适应卵石地层施工，我们在加泥的基础上同时使用泡沫系统，利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体的渗透性。又因其比重小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而达到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土的目的。加泥、加泡沫的功效主要表现为以下几个方面：

①保持开挖面的稳定；

②增加切削土体的塑性流动性；

③使开挖面土体及切削下的土体具有良好的止水性；

④防止切削土砂粘附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减轻机械负荷，降低刀盘扭矩，同时也提高掘进速度；

⑤对刀盘、螺旋输送机起减磨冷却作用。

3.2.2控制土压

控制土压设定值应足够平衡掘进面地层的水土压力，同时又不会引起过大的地面隆起。一般采用静止土压和被动土压进行计算，取值：被动土压＋地下水压力＞土压设定值（P）＞主动土压＋地下水压力，一般比主动土压大20～30%进行设定；

3.2.3控制每环出土量

环出土量=环掘进切削泥量；

3.2.4控制推进速度

以设备能力的60～80%速度匀速、连续掘进；

3.2.5控制螺旋输送机转速

推进过程中做到：螺旋输送机单位时间的排土量=刀盘单位时间的切削泥量

3.2.6各种停机情况下保证掘进面土体稳定的措施

①管片拼装时，禁止千斤顶全伸全缩。只有拼装位置的千斤顶才能回缩，拼装完后立即顶伸千斤顶，再回缩下一处的千斤顶并拼装管片。

②长时间停止掘进时，土仓内预先保持较高的土压，千斤顶全伸，为防止油压损失造成千斤顶泄力，需在后续管片与盾构机之间加设人工支撑。

保证掘进面土体稳定是盾构掘进控制一项基本内容，必须根据盾构掘进的地层情况、路线情况及地面建筑物和地下障碍物情况，制定相应的掘进参数及控制措施，加强设备的日常维修和保养，严格操作人员的交接班制度，保证盾构掘进施工连续进行。

3.3盾构设备的维护

3.3.1盾构刀盘、刀具磨损预防措施

①控制好推进速度，尽量保持匀速，同时前方土压也要保持恒定，这时刀盘的转速会比较均匀，可以更好的把加入的造泥材料与土体进行均匀搅拌，减少刀盘与土体的干摩擦；

②视土质情况、是否含有地下水等情况确定加入浆液的数量与浓度，如砂卵层则应加大浆液浓度及注入数量，使切割下来渣土进入土仓的流动性好，同时也给刀具降温，防止刀具因切割岩石的高温而降低硬度及耐磨性。

③在刀盘上增加膨润土浆液的注入口，让浆液更好的扩散渗透至前方土体中，使土体的泥化效果更好；

④添加泡沫，使土体变得疏松。

⑤在土仓隔板处巡视触听土仓中的异常声响，及时发现并尽早清除土仓中的异物。

3.3.2盾构刀具更换

①刀具更换时间和地点的确定

根据盾构掘进的速度、刀具的磨损程度、地面环境情况和地层条件等因素来决定刀具的更换时间和更换地点。

②刀具磨损量的预测

在刀具上加装刀具磨损自动监测装置，以便于随时掌握刀具磨损情况。

3.4地面异常沉降（隆起）预防措施及解决方法

3.4.1优化盾构掘进施工参数

初始掘进阶段，根据现况的实际土质、盾构覆土厚度及地下含水情况以及以往经验初步制定如土压推进速度、注浆及二次补注浆的压力数量与次数、加泥量等工艺参数。在盾构掘进阶段随时观测地面及各地层的反应情况，对盾构掘进的技术工艺参数及时进行修正。

3.4.2保证注浆效果

保证注浆数量不小于1.5～1.8倍理论空隙，必要时要进行二次补注浆。在盾构常规段同步注浆采用注浆量控制即可满足地面沉降要求，在穿越建（构）筑物时同步注浆时采用双控措施，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅，确保浆液的饱满。对已完成结构外侧二次补注浆进行加强补浆，控制地面的后期沉降。

3.4.3严格控制土仓压力

严格控制推进的速度，推进时稳定推进速度、螺旋输送机的转速及加泥加泡沫的量，通过这几个方面的协调控制可以把土压控制在一个较为稳定的范围内。

3.4.4合理的管片拼装方式

在管片拼装时，应采取拼哪片收哪片部位的千斤顶，拼装完成后及时将千斤顶顶紧，然后再拼下一片；另外，盾构长时间停顿时，盾构机机头在自身重量和上部土体压力作用下会产生下沉或后缩，导致前方土压降低而发生地面沉降（因机头头部较重且尾部有衬砌环支撑），此时采用将盾构自身千斤顶全部顶紧于后部衬砌上或另加设千斤顶支撑于盾构下半部和后部衬砌管片上，以此来平衡盾构机前方、上方的土压。

3.4.5保证线性准确

盾构机在曲线段推进时，严格控制盾构机的姿态，并正确纠偏修正蛇行，以免产生过大的地层损失而引起地层变形；正确地选用左右转弯环管片及其转弯环管片的拼装方向；受盾构刀盘自重的影响，盾构也有低头的现象，引起竖向偏差，要及时进行纠正。

3.4.6保持施工的连续性

盾构施工较长时间停机时，土仓压力不易保持，容易造成地面沉降过大，因此在盾构施工开始后尽量杜绝非正常停机，减少停机时间，必须停机时选好停机位置，做好安全保障和地面监测工作。

3.5不明障碍物处理

遇见地下不明障碍物时，应根据盾构施工参数的变化，判断该不明障碍物的类型，采取相应的措施。

3.6管片上浮处理措施

3.6.1选择合适的浆液性能

盾构隧道衬背注浆的浆液配比应进行动态管理，依据不同地质、水文、隧道埋深等情况的变化而不断调整浆液性能，以控制地表的沉降和保证管片的稳定。

3.6.2选择合适的注浆参数

提高注浆与盾构掘进同步，保证每环注浆量不小于2.5m3，注浆压力控制在0.2～0.45mPa。

3.6.3控制盾构机姿态

盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面不均的过程。所以要求盾构机掘进过程中必须控制好盾构机的姿态，尽可能的沿隧道轴线作小量的蛇形运动。发现偏差时应及时逐步纠正，不得过急、过猛纠正偏差，人为造成管片环面受力严重不均。由于管片外径与开挖直径在理论上存在140mm间隙，使管片有一个较大的浮动空间，必要时在管片上浮比较严重的区段，可将盾构机的掘进轴心线调至隧道设计轴心线以下20mm～50mm掘进。

4结语

本工程于2008年12月开工，2012年底正式建成使用。由于在施工前期做了大量的施工风险分析和预控工作，本工程盾构区间在施工过程中未发生质量、安全事故，圆满完成了工程的建设任务。

参考文献：

[1]汪秀峰.市轨道交通工程建设安全风险控制研究[J].山西建筑，2011（21）：236—238.

[2]崔阳，陈勇强，徐冰冰.工程项目风险管理研究现状与前景展望[J].工程管理学报，2015（2）：76—80.

作者简介：

王志凤，女，北京市人，工程师，学士，主要从事隧道施工、轨道交通工程施工管理工作。