软土地层盾构隧道工程风险管理方法研究

高永琪 董子博 张文萃 陆征宇

【摘要】根据软土地层盾构隧道工程施工技术和管理的特点，结合宁波轨道交通2号线TJ2101标盾构隧道工程实例，针对软土地层盾构施工存在的安全风险大以及管片上浮、盾构姿态不易控制等系列问题，研究总结了盾构施工以“三图四表”管控措施为基础的动态风险管理方法，明确了盾构工程参建各方的职责，分析确定了盾构施工关键参数，建立了以关键参数为过程控制手段的参加各方管理体系，促进了盾构精细化施工管理，可供软土地层盾构隧道类似工程参考。

【关键词】盾构掘进 隧道工程 三图四表 动态管控 关键参数

中图法分类号TU91； 文章标识码 A

1 引 言

在软土地层中进行盾构隧道施工，由于盾构掘进对周围土体造成扰动，引发局部地层水土损失及剪切破环，不可避免的会对工程本体以及周边环境造成影响；并且盾构在饱和软土地层掘进还存在轴线不易控制、管片上浮及成型隧道质量缺陷等系列问题，在安全和质量上均存在一定隐患和风险。为了保障盾构工程顺利进行，有必要采取管理措施，有效规避或控制盾构工程建设的风险和隐患，以降低风险发生概率，减少风险事故损失。

相关学者对基坑“三图四表”管理制度进行了一定的研究，胡雷[1]主要从管理的角度对“三图四表”管理制度在深基坑开挖过程中的应用进行总结。成琨、戴慧丽[2]总结了基坑工程中“三图四表”的基本内容、作用及过程管控应用成效，提出了由被动管理转变为主动落实的管理理念，并建议推广到盾构工程施工项目中。

本文在基坑工程“三图四表”管理制度应用的经验基础上，结合盾构施工技术以及管理特点，研究总结了盾构“三图四表”管控措施，以期更有效的主动规避或控制盾构施工风险，提高盾构工程质量。

2 盾构“三图四表”简介

盾构“三图四表”是由《区间线路总平面图》、《区间线路纵断面图》、《区间隧道管片拼装图》、《盾构施工基本参数表》、《盾构掘进关键参数记录表》、《现场监测分析会记录单》和《现场记录表》组成。

（1）《区间线路总平面图》主要包括：盾构区间总平面图及平曲线要素、监测布置图、周边环境及其平面对应关系、主要风险源要素、隧道环号里程、形象进度等。总平面图动态显示掘进中的影响因素及其位置关系，再结合对应的监测点实测数据，掌握施工影响范围和程度；同时通过分析管片拟合设计轴线的情况，掌握拼装管片理论需要的楔形量，指导管片选点。

（2）《区间线路纵剖面图》类似《施工总平面图》作用，是从纵向和竖向记录分析相应设计要素及施工信息。主要包括区间隧道纵断面图及竖曲线要素、地质水文信息、周边环境及其立面对应关系、隧道环号里程、工程进度、主要风险源要素、拟合竖曲线情况等。

（3）《区间隧道管片拼装图》主要包括管片拼装示意图和技术参数对照表、设计/拟合/实际拼装点位、高偏及平偏表、管片安装环数等。

（4）《盾构施工基本参数表》是用于记录盾构掘进作业的基本参数，包括盾构机类型、电瓶车编组、注浆参数等变化不大的相对固定参数信息。

（5）《盾构掘进关键参数记录表》记录选取的盾构掘进关键施工参数，主要包括盾构机姿态、管片姿态、盾尾间隙、千斤顶行程差等。上述参数重点反映盾构施工“三根轴线”相对关系，即线路设计轴线和盾构轴线、管片实际轴线，管片实际轴线与盾构轴线的的相对位置关系，实时掌握这“三根轴线”相互关系及其对应的关键掘进参数，有利于成型隧道线型控制和管片质量控制。

（6）《现场监测分析会记录单》是施工、监理及第一方监测等单位对现场工况、监测情况、存在问题及处理措施进行记录的表格。

（7）《现场记录表》可分为日常巡检和联合巡检记录表，主要记录内容有：洞內的盾构铰接密封及管片渗漏水、管片错台、盾尾漏浆等状况；地面的建构筑物和地表变形及开裂、管线渗水、地面跑浆及泡沫流失、管线井开裂及积水变化等情况。

通过上述信息收集和记录，掌握盾构施工动态情况并进行分析，进而制定相应对策，实时进行盾构施工管控。

3 盾构“三图四表”过程管控及参建方职责

在对基坑“三图四表”应用总结的基础上，宁波轨道交通指挥部组织参加方对盾构“三图四表”管控措施进行了针对性改进和完善，建立了以远程监控系统为信息平台，以监控管理中心和现场分中心为两级管理架构，以盾构掘进关键参数管理为重点的盾构隧道工程安全风险管理体系，并进一步规范了施工方项目管理层和作业层的职责和流程，加强了盾构工程管理体系的指令下达与信息反馈。

3.1 相关管理层

建设方：负责“三图四表”管理办法制定，统筹监控管理中心、现场分中心的建立，督导“三图四表”的应用，对参见方监控管理工作进行检查考核。

风险咨询单位：评估“三图四表”相关管控体系运行情况；配合建设方督察监控分中心的工作，参加联合巡检；根据工况、监测数据、周边环境情况等相关信息对盾构施工作出安全评估。

第三方监测单位：负责协调推进监控分中心的工作，审查“三图四表”尤其是监测数据的真实有效性，负责分析总结监测成果；牵头组织工点联合巡检并将联合巡检记录表上传信息平台。

监控管理中心：负责盾构“三图四表”管控措施的管理、推进、更新、展现、成果分析应用等工作。

3.2 现场执行层

总监总体负责现场监控分中心的工作开展和措施落实，每天和每周组织召开施工方、监理方、第一方监测参加的盾构施工分析会，当施工异常或监测数据超标时，进行预警，召集相关单位的负责人召开专题会或预警分析会，研究制定相关措施并督导落实。

图1监测监控管理中心组织机构

Figure. 1 Monitoring and control management center organization

图2 盾构现场分中心组织机构

Figure. 2 Shield site sub-center organization

监理单位：由总监总体负责，盾构专监负责具体工作。负责对施工方当日数据的审核；组织施工方、第一方监测单位进行日周巡检并召开盾构施工分析会；负责上报《每日/ 周现场监测分析会记录单》和《日常/联合巡检现场记录表》至信息平台。

施工单位：由项目总工负责工作统筹，专业工程师负责具体工作。施工期间每日更新上报盾构“三图四表”；参加现场现场巡检和联合巡检及其分析会；结合各方要求制定具体施工措施并落实。

图3 施工指令下达与施工信息反馈流程

Figure. 3 Construction instructions andconstruction ofinformation feedback process

第一方监测单位：设专人总体负责，专业工程师负责具体工作。按照监测方案布点并及时更新监测点布置图，负责监测点维保；负责日常监测及分析并报第三方监测单位审核；参加现场巡检、联合巡检及其分析会，落实会议相关要求和措施。

4 工程实例

以下结合宁波轨道交通2号线TJ-2101标机场站～栎社站盾构区间（简称“机～栎”区间）隧道施工实例，介绍盾构“三图四表”管控措施在施工中的实际应用情况。

4.1 工程概况

宁波处于典型的海相饱和软土地区，大面积高应变厚层软土分布对盾构隧道工程的建设带来一系列岩土工程问题，主要表现为高流变、稳定性差、强度低，在荷载作用下固结时间长，易产生不均匀沉降和变形大等问题。机～栎区间（如图5）主要穿越淤泥和淤泥质土、粉砂、粉质粘土，各地层分布有潜水及微承压水，且盾构多处下穿河流。

机～栎区间（如图4、5）长2203米，最小平曲线半径600m，线间距13～15m，区间隧道最小埋深6.2m，最大埋深19.6m，线路最大纵坡为22‰，隧道外径6.2m，管片厚度350mm，环宽1200mm。

4.2 “三图四表”管控流程

施工现场成立监控分中心，施工方每日10点前将“三图四表”更新并上传信息平台，由总监召开盾构施工专题会，研判盾构施工情况并对施工方、第一方监测单位提出动态管控要求。监控管理中心风险咨询单位、第三方监测单位通过信息平台和联合巡检掌握盾构施工情况，提出施工要求与建议。施工方、第一方监测单位结合工程进展情况和各方要求与建议制定相关措施并落实。通过以上“三图四表”管控措施的运转实施，参建各方职责更加清晰，管理效能大幅提高，促进了盾构精细化管理，高效优质的完成了区间施工。

4.3 盾构关键参数

盾构在软土地层中施工通常存在管片上浮、地面沉降、轴线偏差不易控制等问题，经反复研究论证选取盾尾间隙（δ）、管片与设计轴线偏差（σ）、管片面法线与盾构机轴线夹角（β）三个参数作为盾构掘进控制关键参数，并在 “盾构掘进关键参数记录表”中对上述参数分三级设置了控制标准以指导施工。

盾尾间隙是盾构机推进和管片拼装的基本保证，如果盾尾间隙过小将造成选点及其拼装困难，严重时导致管片无法拼装或管片破碎。管片与设计轴线偏差是用于控制成型隧道与设计轴线拟合的重要控制指标。管片面法线与盾构机轴线夹角它与油缸行程差有密切联系，是控制管片不破碎的重要指标。上述三个空间角度的提出，更有利于提高盾构施工人员对盾构推进和管片拼装的空间概念。

4.4 盾构“三图四表”在应用中存在的问题

盾构“三图四表”管控措施在工程实践中已取得了明显成效，但根据现场应用情况，还需总结研究解决以下问题：

（1）滞后性：盾构施工过程中风险无时无处不在，当穿越重大风險源时需随时动态掌握现场施工情况，目前监控分中心运作时效性还有待提高。

（2）精确性。关于盾构3个关键参数等级的划分，虽然给出了预警、正常、良好相对应的三个级别，但根据对机～栎区间上行线1550环的3个关键参数进行统计后发现，管片面法线与盾构机轴线夹角（β）>0.39°的管片大约占总环数的三分之一，预定的划分标准导致了预警的频繁，不利于指导施工，所以对于这3个关键参数控制标准参数的划分有待改进。更精确的关键参数控制标准设置将更有利于对管片拼装质量的控制。

5 结 论

（1）盾构“三图四表”管控措施研究总结了软土地层盾构施工关键参数，总结建立了以远程监控系统为信息平台，以监控管理中心和现场分中心为两级管理架构，以盾构掘进关键参数管理为重点的盾构隧道工程安全风险管理体系，促进了盾构精细化施工管理，并已在宁波轨道交通2号线一期工程中得到广泛应用。

图6 β数据统计柱状图

Figure. 6 β Histogram statistics

（2）盾构“三图四表”已成为盾构施工的风险管控的有效措施，提升了盾构施工管理水平。

图4 盾构栎社国际机场站～栎社新村站区间施工平面图

Figure. 4 Shield interval Lishe International Airport Station to Lishe Village Station construction plan

图5 盾构栎社国际机场站～栎社站区间下行线施工纵断面图

Figure. 5 Shield interval Lishe International Airport Station to Lishe Village Station downlink construction skiagraph

（3）从现代风险管理的角度来看，盾构“三图四表”管理制度对盾构施工的信息处理相对滞后，还不能完全满足盾构隧道施工的需求，若能与其它相关的动态风险管理软件（如盾构管控系统）相结合，它将在盾构施工中发挥更大的功效。

總体来说，以“三图四表”管控措施为基础的动态风险管理方法经过基坑和盾构隧道工程的应用，已充分证明了该制度在施工安全管理中的合理性和科学性，能有效的控制工程建设的风险。

参考文献

[1] 胡雷.软土地区深基坑土方开挖管理措施探讨[J]. 建筑知识， 2010（12）： 120

Hu L.On the management of earth excavation of deep foundation in soft soil area[J]. Architectural Knowledge， 2010（12）：120

[2] 成琨， 戴慧丽.“三图四表” 管理制度在轨交基坑施工中的应用[J].地下工程与隧道， 2012（4）， 16-19

Cheng K， Dai H L.Application“3 figures 4 tables” management system in rail transport construction pit[J].Underground Engineering and Tunnels， 2012（4）， 16-19

[3] 祝迪飞等.2008奥运场馆建设风险管理工具--风险表的建立[J].土木工程学报， 2006， 39（12）： 119-123

Zhu D F etal.On risk register for construction of 2008 Olympic venues[J]. China Civil Engineering Journal， 2006， 39（12）：119-123

Study on Shild Tunneling Risk Management Approach in Soft Soil

Gao Yong-qi1，Dong Zi-bo2，Lu Zheng-yu 3，Zhang Wen-cui3，

（1. Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd. of China Railway First Group Co.， Ltd.， Xian 710054， China； 2.Ningbo Rail Transit Group Co.， Ltd.，Ningbo 315010， China；3. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055， China）

[Abstract] According to the features of shield tunneling construction technologies and management， and based on the execution of the tunneling works of Package TJ2102 of Ningbo Metro Line 2 Phase I， the Paper studies the problems of the easily uplifting precast segment and the naughty TBM postures during the shield tunneling works through soft soil strata， studies and concludes the approaches of the dynamic risk management based on the reference of “ 3 Drawings and 4 Tables ”， defines the obligations of all the parties concerned in the constructions， analyzes the key parameters for the shield tunneling works， and establishes the management systems severally for each party based on the process control of the key parameters， which helps realize the meticulous management in the shield tunneling works， and can be taken as references for similar shield tunneling works through soft soil strata.

[Key words] Shield tunneling works， tunneling works， 3 Drawings and 4 Tables， dynamic management， key parameter， etc.