超大直径泥水盾构出洞施工风险管理

彭学良

（上海长江隧桥建设发展有限公司，上海 201209）

0 前言

地下工程建设投资大、施工工艺复杂、施工周期长、周边环境复杂、建筑材料和施工设备繁多，涉及专业工种与人员众多，具体表现为工程建设的工程地质与水文地质等自然条件的复杂性；工程建设中机械设备、技术人员和技术方案的复杂性；工程建设的决策、管理和组织方案的复杂性；工程建设周边环境（建筑物、道路、地下管线及周边区域环境等）的复杂性。

上海长江隧道作为目前国内已建最大直径盾构隧道，工程建设中诸多施工技术及工艺在国内外首次使用，无类似工程经验可供借鉴，工程施工难度与潜在风险前所未有。该工程规模宏大，质量要求高，施工难度大，施工风险多，建设管理要求高。其中盾构出洞段施工是上海长江隧道工程施工中的关键节点，风险控制点多面广，风险管理尤为重要。

1 上海长江隧道上行线工程概况

长江隧道工程包括浦东岸边段、江中段圆隧道和长兴岛岸边段三部分，南起浦东五好沟，北至长兴岛新开港，全长约8893.33 m（K0-175.33～K8+718.00）。其中圆隧道长约7472 m，为双管盾构法隧道，江中段圆隧道采用两台直径15.43 m的泥水气泡平衡盾构一次性连续掘进完成。

隧道衬砌外径为15.0 m，内径为13.7 m，环宽为2.0 m，管片厚为0.65 m，每环由10块管片组成，采用通用楔形管片错缝拼装。隧道坡度平缓，最大坡度为2.9%，最小平面曲率半径为4000 m。上行线盾构出洞处隧道轴线中心标高为-11.045 m，隧道顶部覆土约为6.898 m，沿轴线覆土逐渐增加，岸上段最深埋深约为11.1 m。

浦东段防汛大堤距离工作井约50 m，大堤底宽36.31 m（坡脚—坡脚），堤面宽7 m，盾构将从防汛大堤下斜向穿越，大堤尺寸见图1所示。

图1 浦东段防汛大堤结构剖面图

盾构出洞区段将穿越以下土层：③1灰色淤泥质粉质粘土、③2灰色砂质粉土、④1灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土（见图 2）。

2 盾构出洞施工特点和难点

（1）平曲线大断面出洞。盾构出洞后即进入水平R4419.9 m的右曲线和竖向-2.9%的掘进施工，盾构推进轴线方向与洞圈存在90.56°夹角，由于出洞加固区不宜纠偏，为盾构出洞施工轴线控制和洞口止水工作造成较大难度。

（2）盾构机锥形设计对施工的影响。盾构刀盘、切口环直径为15430 mm、支承环为15400 mm，盾尾环为15370 mm，形成前大后小的倒锥形体，盾构井下就位和试推进参数控制较为困难。

（3）浅覆土施工。由于盾构直径为15.43 m，隧道顶最小覆土仅为6.898 m，覆土仅为0.447D，属超浅覆土施工，地面沉降控制难度大大增加，出洞段施工中极易造成隧道“上浮”。

（4）不良地质条件影响。盾构出洞施工将穿越渗透性较强的③2灰色砂质粉土层，该土层在一定动水条件下易产生流砂、管涌等不良地质现象，极可能造成盾尾漏泥、漏砂等事故。

图2 长江隧道上行线地质剖面图

（5）穿越浦东段防汛大堤。浦东段防洪大堤为原有海塘护坡结构改造、加固而成，盾构掘进产生的地层损失引起的地面沉降可能对大堤结构产生影响，必须采取措施确保大堤安全。

（6）盾构试推进阶段的泥水指标、切口水压、同步注浆等各项施工参数处于摸索阶段，需要在实际施工中收集、分析、总结各项施工参数，为盾构正常推进段施工做好经验储备。

（7）盾构穿越的④灰色淤泥质粘土土层中存在浅层气。对盾构施工产生偏移、切口水压不稳等不利影响，需在过程中严加观察并及时调整施工参数。

3 工程风险管理

对地下工程实施风险分析和风险管理是国际地下工程界目前通行的做法。作为当今世界上超大型泥水盾构隧道工程，一旦发生事故其经济损失和社会影响远大于一般土建工程，因此在施工中必须采用风险管理的科学方法，全过程、全方位地分析、监督、控制、处置各种风险因素，以确保工程安全。

3.1 风险管理目标

在安全可靠、经济合理、技术可行的前提下，通过风险评估和管理工作，识别并制定有效风险应对措施，规避突发和灾难性风险，通过治理消除、降低极高和高度风险，缓和中度风险，合理留存低度风险，将潜在的各类风险控制在可接受范围，以获得最大程度的建设安全与优质的工程质量，控制工程建设投资，降低经济损失或人员伤亡，保障工程建设工期，提高风险管理效益。

3.2 风险管理内容

风险管理流程包括风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制，具体见图3所示。

3.3 风险管理策略

风险管理策略的制定应使工程建设参与各方在实施工程风险管理过程中目标一致。具体包括：

（1）制订工程建设各阶段的风险管理目标；

（2）明确工程建设参与各方风险控制责任；

（3）建立工程风险管理方案的实施、监控、完善与评审制度和程序；

（4）建立工程风险管理的沟通与协调机制；

（5）建立科学的、系统的和动态的工程风险管理方案，制定工程风险预防、预报和预警体系，实时更新工程建设信息，动态跟踪风险发展状态，及时实施风险控制措施。

3.4 风险处置对策

从工程风险源入手，完成风险辨识与评估后，根据项目建设总体目标，以有利于提高对工程风险的控制能力和降低风险潜在损失为原则，分析并选择合理的风险管理处置对策。风险规避有四种方式，可选择一种或多种实施风险控制，具体对策包括风险消除、风险降低、风险转移、风险自留。

4 盾构出洞施工风险分析

4.1 出洞段土体加固区

盾构出洞地基加固的关键在于正确选择与实施加固的方法。选择加固方法时要综合考虑地基土类别、加固深度、环境条件、工期、施工队伍技术素质与技术条件、设备状况和经济指标等因素，坚持技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的原则合理制定加固方案，以获得最佳加固效果。

4.2 浅覆土段推进

出洞段最浅覆土为6.898 m，仅为0.447D。泥水平衡盾构对洞口处土体的稳定性要求高，如洞口土体受到扰动和破坏，扰动后的土体难以达到良好的泥膜止水效果，将无法建立正常的泥水平衡体系，甚至会导致泥水冒溢至地面。因此必须制定详尽有效的技术措施，确保盾构安全穿越浅覆土段。

图3 工程风险管理流程

4.3 止水密封装置

盾构始发洞门直径15.80 m，建筑空隙为18.5 cm（洞门与管片外壁之间的间隙各为20 cm）。洞口密封施工质量不佳，导致渗漏，严重者可导致坍方，致使泥水平衡无法建立，进而导致泥水盾构无法正常施工。为防止出洞时泥水大量从洞门外通过此建筑空隙窜入井内，影响开挖面泥水压力的建立、开挖面土体的稳定，以及工作井和盾构内的施工。设置性能良好的密封止水装置，确保止水箱体止水密封装置的有效，是防止泥水回窜外溢，建立开挖正面泥水平衡的关键。

4.4 隧道上浮

盾构浅覆土中由于上下受力不均衡，易导致盾构姿态上扬，轴线难以控制。管片脱出盾尾后，因上部压载及自重无法抵抗隧道上浮力使隧道上浮。在浮力和地基回弹共同作用下，导致上部覆土隆起。若得不到及时有效地控制，覆土层可能产生劈裂缝隙，造成泥浆跑冒，将严重影响隧道施工和周边环境的安全。

4.5 浦东段长江大堤保护

盾构穿越长江大堤时覆土浅且其厚度变化很大，泥水压力的控制对于大堤的稳定性至关重要。每一环推进前，必须事先准备好保持开挖面稳定性的所有参数，并严格执行。同时应考虑正面压力值随隧道穿越土质情况的不同而有所改变。大堤坡脚距工作井约46.0 m，工程实施过程中，盾构从长江大堤下穿越，因地层位移而导致长江大堤产生不同程度的沉降变形。因此，必须制定详尽的施工方案，配套相应资源，精心施工，确保盾构安全穿越大堤。

4.6 地面沉降监测

盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏土层的再固结，是地面沉降的根本原因。施工过程中必须采取有效措施，确保盾构推进参数的合理性，同时加强施工监测，做到信息化施工，根据地面沉降情况，及时采取应对措施，确保地面沉降控制在-40 mm～20 mm。

4.7 盾构设备管理

施工采用泥水平衡盾构，盾构设备存在安装调试和运行可靠性风险。尤其是盾构的可靠性是影响盾构推进进度和工程安全的关键因素。盾构设备吊装期间存在较多的交叉作业、高空作业和起重吊装作业，安全管理尤为重要。导致安全事故发生的原因有现场管理混乱、未按图纸要求安装、设备吊装过程中指挥不当、施工人员安全意识淡薄、不按操作规程施工等。

5 工程风险应对措施

5.1 加强施工方案和专项安全方案的编制和评审

在盾构出洞前，根据工程风险辨识和分析成果，编制各项施工风险管理专项实施细则，如《上行线盾构出洞及100 m岸上段试推进方案及应急预案》、《施工临时用电施组》、《盾构穿越海塘设计方案》、《盾构穿越海塘防汛影响分析报告》等施工组织设计、安全专项方案和应急预案的编制、报审，并先后委托市政局科技委、水务局科技委对主要施工组织设计和方案进行评审。

5.2 建立风险预报、预警、预案体系

贯彻以人为本、关爱生命、安全第一、预防为主的现代安全管理理念，结合工程和组织机构特点，建立健全工程安全管理制度，形成高效有力的现场指挥部、施工单位、设计单位和监理单位四位一体的现场风险管理组织管理网络，强化落实管理人员责任，落实重点工序和关键部位人员值守制度，建设单位、监理和施工单位平行管理施工现场，全程参与风险管理，对施工过程进行详实记录，收集第一手信息，及时发现、解决问题，第一时间反馈至工程指挥部，全方位确保施工全过程的风险可控。

5.3 工程风险管理监督

由于工程采用超大直径盾构，同时出洞段施工为浅覆土段，要确保安全可靠施工，必须加强施工过程风险管理监督。

监督原则：安全监督从盾构出洞相关设计和方案编制和评审入手。设计及施工方案的不完善和不合理是造成安全事故的关键因素。

监督标准：以国家、地方相关技术规范如《建筑工程安全检查标准》（JGJ59-99）、《施工现场施工临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）和《盾构法隧道工程施工及验收规范》（DGJ08-233-1999）等为依据。

监督实施：（1）施工前的风险监督。对施工单位资质和专业人员的核查，这是杜绝出洞段施工出现重大安全隐患的根本措施；核查盾构出洞条件，对出洞段土体加固效果的检查，如进行加固土体取芯、打设降水井、降水方案实施效果评估等；实施全工序安全检查，重点从盾构推进、管片拼装、后支撑体系建立、临边围护、脚手架搭设、安全用电、吊装作业等方面着手，做到逐一落实。（2）施工过程中的风险监督。对重大危险源和安全监控重点部位进行交底，使现场施工人员掌握安全操作规程和注意事项，树立风险意识。对各类重大危险源部位和工序实施全过程、全方位监控，从地面和大堤沉降速率、土体变形位移量、洞门漏水观测记录，以及规范岗位操作等方面入手，做到详尽记录监控情况，并及时对安全隐患和事故进行分析。（3）施工后的风险监督。检查日常现场施工和监控记录，对安全隐患和事故险兆进行分析总结，明确后续安全监督和监控工作重点。

5.4 工程技术应对措施

5.4.1 出洞段土体加固效果验证及稳定性检查

盾构出洞段土体采用三轴搅拌桩加固。洞门直径达到15.8 m，土体加固质量的好坏直接影响到盾构的安全出洞。为确保加固体与工作井之间不产生渗漏，待工作井内部结构完成后，在加固体与地下连续墙之间补一排旋喷桩补充加固。

出洞前，对出洞段加固体进行斜孔和垂直孔取芯。根据芯体的连续性和破碎程度，结合地质情况判断，采取以下加固体补加固措施：（1）在13.5 m外侧加一排RJP法旋喷桩确保正面止水；（2）在加固体范围外补6口降承压水井；（3）沿洞门周圈打设2.8 m45°斜孔补压浆，以阻断渗水通道。三项措施联合应用后取得了较好效果。抽水试验验证了水平孔的渗漏水为地下潜水，洞圈补压浆后止水效果显著。

5.4.2 浅覆土段推进

隧道稳定性控制和抗浮措施：

（2）加强同步注浆管理，合理设置同步注浆压力和压注量，控制浆液材料质量指标，确保间隙能充分填充，阻止泥水后窜。

（3）盾构机头进入止水密封装置后，在泥水中增加堵漏剂，防止泥水后窜，及时建立泥水压力平衡。

（4）控制推进速度，减少对土体扰动，速度控制在15～30 mm/min，并确保盾构连续推进，避免有较长时间耽搁。

（5）严格控制隧道轴线，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动。

（6）确保每环管片紧密连接，在管片脱出盾尾后重新拧紧所有纵、环向螺栓。沿隧道纵向在管片内侧另预埋一定数量的钢板，必要时将隧道环缝用钢板局部焊接，以进一步提高隧道结构整体性能。

（7）根据实时监测数据，调整盾构施工参数，实现信息化施工。

5.4.3 长江大堤保护

播种后，分别记载各品种的出苗期，并在出苗后观察统计各生长阶段的生长势、病虫害发生情况和倒伏情况；在大麦成熟后，每小区随机抽选10株进行考种，测量并记载其株高、穗长、小穗数、穗粒数等性状，同时将每个小区分开，单收、单脱、单计产，并折算产量。试验数据采用Excel2003和SPSS统计软件进行分析处理。

盾构穿越长江大堤时采取的技术措施有：

（1）以照片、文字形式对大堤上原有变形缝、裂缝、地形地貌等进行采集，作为原始资料。同时在大堤上布置共155个监测点，并进行了初始观测。

（2）严格保持开挖面的泥水平衡压力，减小压力的波动范围，减少对土体的扰动。不超挖或欠挖，并防止过大的纠偏。

（3）采用单液浆同步注浆（浆液比重大、控制隧道上浮性能好、流动性好），及时充填盾尾间隙，控制地面后期沉降。

（4）加密大堤施工监测频次，及时反馈大堤变形、沉降等信息，以便及时采取二次注浆、大堤底部注浆等技术措施。

上述措施的实施，确保了浦东侧长江大堤沉降控制在设计范围内，满足大堤保护要求。

5.4.4 地面沉降监测

（1）沿隧道推进方向距工作井井壁30 m范围内沿隧道中心线每3 m布置1个沉降监测点。在出洞段30 m～100 m范围（出洞段布置至浦东长江大堤）内沿隧道中心线每4 m布置1个沉降监测点。在100 m以后范围内沿隧道中心线每5 m布置1个沉降监测点。

（2）距井壁6 m、15 m和30 m处各布置1条沉降监测断面，此断面在轴线左右各布4点，间距分别为距离隧道轴线2 m、5 m、9 m、15 m；距井壁50 m、75 m处各布置1条沉降监测断面。

（3）监测频率：正常情况下为2次/d，若有异常或突变则增加频次。距洞口100 m范围内，在盾构推进过程中，需加密监测频次，及时提供监测数据，优化施工参数。每点从盾构切口到达前45 m开始监测，盾尾脱离该点后7d并连续3次测量沉降量小于0.2 mm/d后，半年内每1个月复测1次，之后每3个月复测1次。

6 结语

上海长江隧道上行线盾构出洞段施工通过落实各项风险管理措施，制定严密的施工方案和风险应对对策，加强施工过程的信息化管理，盾构于2007年9月23日顺利出洞，并经过52 d的推进，盾构顺利构穿越浅覆土段和长江大堤。总结长江隧道工程上行线盾构出洞施工风险管理工作，有以下体会，可供同类工程参考。

（1）风险管理制度保障到位。

参建各方重视风险管理工作，在盾构出洞施工中认真贯彻落实现代风险管理理念，结合工程和组织机构特点，全面形成风险预报、预警、预案管理体系，建立健全高效有力的现场指挥部、施工单位、设计单位和监理单位四位一体的现场风险管理组织管理网络，强化落实管理人员职责，落实重点工序和关键部位人员值守制度，确保盾构出洞施工安全可靠。

（2）风险管理理论与施工技术保障相结合。

盾构施工风险具有不可预见和突发性，在施工准备阶段对工程所涉及的风险源做到细致辨识和分析，从源头把关，在形成施工组织设计和施工方案时细致详实辨识和分析工程风险点，形成有针对性的技术措施，编制专项安全方案和应急预案，严格执行施工现场安全保证体系，妥善安排施工现场配套资源，做到防患于未然。

（3）实施信息化施工，实现动态管理。

建设、监理和施工单位平行管理施工现场，全过程动态地参与风险管理，对施工过程进行详实记录，收集第一手信息，加强施工参数、设备运行参数和环境监测数据的采集、整理和分析，及时发现、解决问题，第一时间反馈信息至工程指挥部和盾构施工工作面，全方位确保施工全过程的风险可控，真正做到信息化施工，实现动态指导施工。

[1]中华人民共和国建设部编.地铁及地下工程建设风险管理指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]周文波.盾构隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]周文波，傅德明.大直径泥水盾构进出洞施工的风险和措施［A］.地下工程施工与风险防范技术——第三届上海国际隧道工程研讨会文集［C］.上海：同济大学出版社，2007.

[4]金龙哲，杨继星.安全学原理［M］.北京：冶金工业出版社，2010.