盾构施工过程风险分析与控制

曹 越 杨红军

盾构施工过程风险分析与控制

曹 越 杨红军

通过对盾构隧道施工的概述,就地铁盾构隧道施工过程中每个环节存在的风险进行了分析,并提出相应的风险控制措施,从而将盾构施工过程中风险降到最低。

盾构施工,风险,控制

1 概述

在现代城市建设中,地下空间的开发利用已成为一个重要的组成部分,而盾构法隧道,由于其先进的施工工艺和不断完善的施工技术,被越来越多地应用于城市地铁、上下水道以及地下共同沟等隧道工程建设中。盾构法隧道施工是一种在地面下暗挖建造隧道的施工方法,利用盾构作为开挖地下土体及支护土体和拼装隧道衬砌的机具,掘进1环,拼装1环,循环工作,直至完成整条隧道。然而在盾构施工过程中,由于盾构施工的特点决定了盾构施工在不同的地方有不同的特点;同时由于盾构施工对技术管理等方面的要求比较高,而各个施工单位施工量大,造成技术力量薄弱、管理出现漏洞;还有部分城市是首次采用盾构施工,对该处地层、盾构的适用性还在探索阶段等原因,造成盾构施工出现了越来越多的事故。因此,本文从盾构施工的每个环节对盾构施工过程中存在的风险进行再次分析,并提出部分控制措施。

2 盾构施工风险分析及控制

2.1 盾构运输、吊装

1)盾构机运输。由于一般用于地铁施工的盾构机的直径在6m左右,部分生产厂家生产的盾构机为了减少盾构运输到施工场地后组装工作量,盾构机的刀盘(罗瓦特盾构机刀盘需要到工地分块组装)、中前体、盾尾(小松盾构需要到工地二次组装)等都没有进行二次分割,盾构运输过程中,公路运输超宽,而地铁施工一般都在城市的繁华地段,运输过程中的风险比较大,一般都需要与当地非常专业运输公司合作完成。

2)盾构机吊装。盾构机一般的部件相对较重,部分盾构机的最重部件在 60 t左右,且为圆形结构,吊装下井后还需要螺栓孔对位,对吊耳的焊接对位等要求非常高;一般吊装的盾构机采用250 t履带吊,其自重在 200 t左右,对地面承载能力要求也比较高,因此需要有资质的专业吊装公司吊装,专业技术人员焊接吊耳,专业人员对吊装区域的地基承载力进行计算复核。

2.2 盾构始发

1)始发台定位。盾构机施工是在一个三维空间内完成;盾构机在离开始发台之前不能调向;同时车站预埋的钢环位置一般情况都有所偏差;一般盾构机都为锥形(为了便于盾构掘进),前后直径相差约 50mm,这些因素在盾构始发台定位时均需要综合考虑,如果有一点考虑不充分,就可能导致盾构机始发后出现偏差和进洞后无法调向导致超限等。2)反力架加固。由于盾构始发时需要借助反力架提供的支撑力向前掘进,一般这个力到达 800 t以上,而一般情况反力架一半支撑在施工完成的车站内,一半要用斜撑通过底板上的预埋钢板来提供反力,很多时候由于车站施工和盾构区间施工的不是同一个单位,或者由于预埋件的位置不准确以及支撑不牢固,导致反力架局部受力,反力架被挤压变形,影响盾构施工。3)洞门破除。洞门破除的过程中,常常会由于加固体的均一性、强度不好,出现突泥涌水等问题,影响盾构施工的安全,甚至于出现施工人员人身安全事故。因此需要在洞门破除前对加固效果进行严格的检查(取芯、水平探孔),并且做好充足的预案,确保洞门破除过程中的安全。4)始发推进。在盾构始发推进过程中,经常会出现始发台定位不准偏离轴线,折叶板翻转,帘布橡胶板破损,推力过大反力架变形,推力小负环管片掉落,反力架加固不牢固,盾构机刀盘离开始发台后叩头,刀具贯入度过大刀具损伤、卡刀盘,盾尾离开帘布橡胶板后因密封问题导致突泥、涌水,加固土体强度过大掘进困难等问题;以上的种种问题都需要在盾构始发推进前就要充分的考虑(地层不同,盾构机的类型等不同,遇到的问题就不同),严格按照程序进行始发前的验收工作,逐条确认,并做好预案,确保始发推进。

2.3 盾构掘进

1)不明障碍物。由于地铁施工地段大多都位于城市繁华地段,城市在新旧交替改造的过程中,很容易出现一些不明障碍物,影响盾构施工,甚至给盾构施工造成巨大损失,如老楼的桩基、地质勘查时不小心掉下的钻杆、条石、原来格构柱等等。施工前需要对盾构通过区域进行详细的、地毯式的普查(详细走访调查和辅助设备检查),检查出的提前处理,没有检查出来也要做好相应的预案。2)地层沉降超限。在盾构掘进过程中,由于地层的不确定性,常常会出现如下特殊情况：上软下硬地层,孤石,厚砂层,塑性粘土,溶、土洞,地面特殊状况(地面上有建(构)筑物或对沉降要求严格的地段);在这些地层中掘进常常会因为掘进控制难而造成地面沉降超限,给人和社会等造成很大的影响。因此在施工前,首先要根据盾构区间进行详细的地质勘查,一般区间的详勘间距在 50m左右,补勘的间距根据地层不同,一般在 20m左右,特殊地段甚至可以加密到 5m;同时有条件的地段根据地质情况采用物探的方法再次普查,对特殊地段的地层进行尽可能详细的了解,将施工风险降到最低,同时针对各种特殊地层做好应急预案,以备不时之需。3)垂直、水平运输。盾构施工一般是从竖井中开始,所有的材料、碴土等需要通过门吊系统进行垂直运输,在垂直运输的过程中常会有很多风险;盾构施工的水平运输一般采用有轨的电瓶编组列车,会出现溜车等风险;这些风向造成的损失非常的大。因此运输(垂直、水平)过程中,严格按照相关的规章制度操作、保养、检查、维修运输设备,确保施工安全。4)管片安装。管片安装过程中由于单块管片重量大,机械手安装,很容易造成机械伤害、管片挤伤、砸伤;管片内弧面光滑,施工时有水、泥等,湿滑,容易造成现场施工人员滑倒、摔伤;在安装管片螺栓时风动扳手同样容易造成机械伤害。因此在管片安装过程中要严格,要正确的使用劳保用品,严格按照规范操作管片安装机,在管片安装过程中禁止不相关人员进入安装区域。5)开仓。盾构机在施工过程中,为了检查、更换刀具,需要进行开仓,一般开仓分两种情况：一种是掌子面稳定,常压开仓;另一种是掌子面不稳定时的带压进仓。常压开仓首先是要对仓内进行通风降温和置换新鲜空气,同时检查掌子面的稳定,在确保仓内气体对人体无害和掌子面稳定的前提下进行;带压进仓要严格按照程序执行：对进仓人员提前体检和培训,严格按照带压进仓程序升、降压,并做好应急预案,防止压力突变。6)特殊气体。由于盾构施工过程,地层中可能出现不明气体(甲烷等)、煤层瓦斯等,或者由于隧道内通风不好、温度上升,导致隧道内空气污浊、人员缺氧等,一般要在盾构机上安装特殊的气体检测仪器定期检测,严格控制隧道内的空气质量。7)电。盾构施工采用 10 kV高压电,在盾构机上经过变压器后变成需要的各种电压：36 V,280 V,360 V等;隧道内照明用 380V;无论高压、低压电,用电都要严格按照用电规程,执行三相五线制、“一机、一箱、一闸、一漏保”,确保用电安全。8)高压液体。部分盾构是采用液压马达驱动;同时盾构机的推进机构采用的液压,有高压到数十兆帕的高压油;高压水、高压泡沫剂,同步注浆的砂浆等,均有可能造成高压液体伤人;需要严格执行相关的规章制度和操作规程。9)机械运转机构。盾构施工的过程中,管片安装机、皮带运输机、管片运输小车、砂浆车、螺旋输送机舱门等转动机构,均需要严格按照相关的操作规范执行,避免机械伤害。10)其他。在施工的过程中还存在一定电焊、氧割、切割、打磨、注双液浆等施工,需要按照相关的操作规范进行以预防施工风险。

2.4 盾构到达

1)方向偏差。盾构到达端时由于区间施工完成,对隧道的测量要求比较高,需要从洞内、外分别独立测量,并联测,必要的时候采用陀螺仪,甚至区间长时采用隧道内打孔吊钢丝的形式,确保盾构机能够在三维的空间中准确出洞。2)到达端推进。盾构到达时,为了确保洞门尽量晚破坏,尽量的多出土,确保盾构掘进的方向,一般都减小推力、减慢推进速度,这些有可能导致最后几环管片由于推力不足对止水条挤压不足产生漏水、隧道失圆、盾构方向不好控制等问题;同时盾构推出洞后帘布橡胶板和盾构机、管片之间漏水、漏浆等;或端头加固不好,导致洞门破除的瞬间出现突泥涌水。在盾构到达段推进的过程中,与盾构始发要求相同的进行加固地层的垂直取芯、水平探孔检查,并对最后 15环左右的管片用 18号“C”型钢连接,对管片螺栓进行二次、三次复紧;在到达端10环左右向管片壁后注双液浆,将隧道后部的水封堵等方式将盾构到达时的施工风险控制在一定范围内。

3 综述

盾构施工过程是一个标准化、工厂化、反复循环的施工过程,前期的施工规划、筹备至关重要,直接决定着项目的成败;同时由于地下工程的特殊性,项目的唯一性、不可复制性,加上人认知的局限性、责任性、方案和措施的不合理性以及现场管理的缺失,对盾构施工过程中存在的风险认识深度、宽度不够,而盾构施工过程中涉及的安全风险点多、面广、跨度大,有时候由于部分小的风险的叠加,可能会给项目造成很大的损失,因此需要对盾构施工过程中的每个施工工序中存在的风险有个全面、清晰的了解,才能够做到有的放矢,制定严格制度、详实的操作规程,做好现场落实、控制工作,并总结归纳经验、教训,将盾构施工过程的风险控制在一定范围内。

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[2] 张凤详,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社,2004.

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[5] 项兆池,楼如岳,傅德明.最新泥水盾构技术[Z].上海：上海隧道股份施工技术研究所科技情报室,2009.

On risk analysis in shielding construction and its control

CAO Yue YANG Hong-jun

According to the survey of the shielding tunnel construction,the paper analyzes the risks in every step in the construction process of the subway shielding tunnel,and points out respective controlmeasures,so as to reduce the risks to them inimum in the shielding construction process.

shielding construction,risks,control

U 445.4

A

1009-6825(2011)09-0185-02

2010-12-06

曹 越(1968-),男,工程师,中铁隧道股份有限公司,河南郑州 450000

杨红军(1979-),男,工程师,中铁隧道股份有限公司,河南郑州 450000