盾构隧道事故风险分析与识别

吕建乐，吕祎博

（1.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；2.中铁隧道局集团有限公司设备分公司，河南 洛阳 471000)

随着我国经济快速发展和城市化进程加快，盾构法施工技术具有机械化程度高、对周围环境影响小、施工速度快、适用范围广等特点，成为城市轨道交通，尤其是地铁隧道建设的主要施工方法。根据李皓燃、李启明等统计的数据分析，盾构法隧道事故占比较大，而且死亡人数最多[1]。目前国内针对盾构隧道事故风险的分析和识别研究文献较少，因此，本文通过梳理盾构隧道事故的发生特点，分析识别引起盾构隧道垮塌事故的6 类风险，并提出对策建议。

1 盾构隧道事故类型统计

1.1 国内盾构隧道事故类型统计

针对我国近年来地铁大规模建设过程中工程事故和灾害事件、意外事件等多发的现状，一些研究机构对2002～2016 年发生在地铁建设期间的246 起工程事故和意外事件等进行了收集、统计和研究，其中，90 起事故中使用的工法较明确，这90 起事故按照工法统计如图1 所示，死亡人数统计如图2 所示[1]。

图1 地铁事故按施工工法分布

图2 不同工法地铁事故中的累计死亡人数

由图可见，地铁施工中事故最多的工法为盾构法和明挖法，这两类工法发生的事故占比接近60%，事故导致死亡人数也最多。

另外，根据李皓燃等对238 起地铁事故案例分析，还发现盾构法施工的隧道占区间隧道事故总数的62%，其次是明挖法，事故占比21%。对于区间隧道工程，发生事故类型最多的是坍塌，坍塌事故不仅频率高，而且单次死亡人数也最高。

1.2 日本盾构隧道事故类型统计

日本隧道协会安全环境委员会对1987～1991年5 年内的事故及意外事件等进行了调查和分析，5 年内隧道施工事故及意外事件汇总见表1[2]。

表1 事故和意外事件总数 （单位：件)

事故共调查到114件，事故种类统计情况见表2。

表2 事故种类

由表2 可见，3 种施工方法事故所占比例为2 ∶1∶1，盾构法和顶推法事故要占到1/2。盾构法施工的，按施工机械、翻车掉道、飞石掉物顺序所占比例较多，约为总数的1/2，表中“其他”项事故发生比例大的原因是管片及钢模板等运输吊装事故较多。

通过数据分析还发现，盾构法发生在竖井、洞内、洞外及掌子面的事故较多，竖井中的事故多与坠物和施工机械有关，洞内事故与施工机械和设备的翻车掉道有关，掌子面事故以围岩坍塌和施工机械伤害居多，洞外事故主要与施工机械及起重机械伤害有关。

2 盾构隧道重大事故的定义和分类

丁敏等搜集了近15 年的55 个盾构法隧道事故案例[3]，并将其归纳为地面塌陷、涌水涌砂、盾构停机、掘进困难、管片事故、螺旋输送机喷涌、火灾或爆炸、隧道轴线超限、机械伤害、刀盘破裂解体、中毒及物体打击等12 种事故类型如图3 所示。其中，地面塌陷事故主要包括地面沉降超限、坍塌等；盾构停机事故主要包括盾构栽头、盾构故障以及盾构卡壳等造成的停机事故，管片事故则主要包括管片错台、管片上浮及管片破裂等几种情况。

图3 盾构法施工事故类型统计

在55 例案例中，有26 例地面塌陷事故，19例涌水涌砂事故，10 例盾构停机事故，9 例掘进困难事故，这几类事故为盾构法施工中最常见和最多发的类型。其中，有些事故可能在同一个案例中同时发生，如：螺旋输送机喷涌事故同时伴随涌水、涌砂事故，涌水涌砂事故绝大多数都伴随着地面塌陷，超过半数的管片事故伴随地面塌陷，盾构停机事故及掘进困难事故中也有部分伴随地面塌陷。此外，螺旋输送机喷涌事故中，还有一些伴随故障停机，部分伴随掘进困难。

因此，这就涉及如何对事故进行分类的问题。大多数的做法是，参照国标GB 6441-86《企业职工伤亡事故分类》，将事故类别分为20种，见表3。

表3 事故类别

此外，关于事故定义和分类的标准还有《生产安全事故报告和调查处理条例》和国标GB 50652-2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》等。其中，《生产安全事故报告和调查处理条例》根据事故造成的人员伤亡或者直接经济损失，将事故类型分为一般事故、较大事故、重大事故和特别重大事故，盾构隧道坍塌和透水事故往往造成较大人员伤亡和直接经济损失，属于重大灾害事故。

3 盾构隧道事故发生特点和风险识别

3.1 盾构隧道事故发生特点

盾构隧道属地下工程，地质条件复杂多变，地下管线众多、周围环境复杂，技术复杂、施工难度极大，来自施工过程中“人员、机械、材料、工法、环境”方面的风险较多而且复杂。在盾构隧道建设迅猛增长的同时，国内外因地层或隧道结构自身稳定性问题引发的事故不断出现，据不完全统计，仅仅从2016～2017年，全国发生轨道交通生产安全事故53起，死亡72 人。

在国内，2003 年7 月1日，某地铁联络通道施工时，因水土流失引发约274m 隧道垮塌；2007 年11 月20日，某地铁区间盾构进洞时，局部漏水漏砂导致已建区间隧道在短时间内损坏150m；2018年，某市轨道交通工程盾构区间隧道结构垮塌，致使地面道路大范围坍塌，造成巨大人员伤亡和经济损失。

在国外，2012 年2 月7日，日本Kurashiki水下盾构隧道失稳垮塌，导致5 人失踪，施工竖井被水淹没30m，如图4 所示；2017 年8 月12日，德国Rastatt 盾构隧道垮塌，导致铁路线路中断，铁路轨道扭曲，如图5 所示，2 台泥水盾构被埋，研究报告显示，因该事故导致铁路停运造成的经济损失超过20 亿欧元。

图4 隧道失稳垮塌导致竖井被淹

图5 隧道垮塌及地面铁轨损毁情况

综上，国内外盾构隧道事故案例可见，隧道垮塌在盾构隧道中所造成的人员伤亡和经济损失都是巨大的，通过对事故和意外事件中的坍塌、突水、重大环境影响等进行分析，这类事故具有以下特点。

1)后果是灾难性的，隧道结构大范围垮塌。

2)具有突发性。以2018 年某市地铁坍塌重大事故为例，从发现管片冒浆到最后隧道结构坍塌只有短短的2h。

3)事故具有隐蔽性。多数案例的事故调查报告显示，事故的主要教训之一就是“普遍认为盾构施工过程中堵漏是较为常见的情况”，现场管理人员难以识别貌似常见的表象背后的潜在危害，难以做出及时正确的决策。

4)隧道结构垮塌前，隧道周围地层（围岩)状态、力学特性、稳定性等发生改变。

3.2 盾构隧道事故风险识别

一般而言，上述垮塌事故涉及到巨大蕴涵能量不受控制的释放，而且释放过程一旦开始，则很难（或不可能)进行人为控制。盾构隧道施工中以垮塌为破坏特征的事故风险主要有：①隧道结构失稳；②地层失稳；③突水；④爆炸和火灾。

在盾构施工期间，第4 类较为少见，对上述前3 类事故进行分析，按照重大事故发生位置和特点分为以下6 类：①掌子面垮塌；②盾体灾害造成地层变形失控（主要是敏感地带的下穿)；③洞中结构破坏；④洞门土体破坏；⑤联络通道结构破坏；⑥其他：例如洞门突水（结构没有破坏)等水害事件。位置不同，事故发生的触发机理是不一样的，所需要关注的对象也不一样。第1类，需要重点关注掌子面的稳定性；第2类，需要重点关注地层的沉降控制问题；第3类，需要重点关注管片结构的破坏和稳定性；第4类，需要重点关注洞门土体的稳定性问题；第5类，需要重点关注浅埋暗挖法（矿山法)的施工问题；第6类，需要重点关注水稳定问题。不同类别的事故，需要关注的风险点也是不一样的。

3.2.1 掌子面失稳

盾构掘进过程中，掌子面的稳定需要泥水或者开挖土体提供支撑力。由于地层及周边环境的复杂性、设备的局限性以及人为因素等，盾构施工仍可能引起地层较大位移，甚至发生地面塌陷。一旦出现掌子面失稳的问题，常导致地层坍塌、地表塌陷、地中管线以及周边建筑物开裂、倾斜乃至坍塌。引发土压力不平衡的主要风险有：①泥饼引发的土压力不平衡；②喷涌引发的土压力不平衡；③泥饼和喷涌孪生引发的土压力不平衡；④粗放操作引发的土压力不平衡。

3.2.2 盾体事故

盾体事故主要是盾尾泄漏问题。盾尾泄漏对盾构掘进影响很大，尤其是在复杂和较高压力地层中掘进，要求盾尾具有良好的密封性能。一旦发生因盾尾失效而引起的泄漏，泥水舱的泥浆和地下水将通过盾尾大量涌入隧道内，轻则造成工期延误，重则造成盾构淹没、隧道报废以及人员伤亡等事故。盾尾泄漏的主要风险点包括：①盾尾刷安装不规范；②始发时油脂涂抹不到位；③盾构姿态不理想；④管片外环面不平整；⑤管片外环面纵缝间隙过大；⑥同步注浆管理失控（较常见的问题是注浆压力过高，砂浆直接击穿盾尾)；⑦盾尾密封油脂注入管理失控；⑧长距离掘进的磨损等。

3.2.3 盾构下穿敏感工程

随着地下工程建设规模的扩大和盾构法应用的日益增多，盾构下穿既有运营地铁、铁路、机场跑道、高铁等敏感工程日趋增多。以早期北京地铁建设为例，截至2017年，北京地铁施工已经完成穿越铁路13 处、地铁既有线18处，重要桥梁13处，河湖10处，重要房屋（群)20 处。下穿工程施工将引起地层变形，会对既有结构产生不利影响，包括结构物承载能力下降，结构变形、甚至过大侵入净空，甚至造成周边建（构)筑物破损或不能正常使用等。尤其是下穿铁路、地铁、机场跑道、高铁等目标工程时，这些工程的控制标准要求极其严格，稍有不慎，极易酿成重大事故。

3.2.4 盾构始发、到达段事故

盾构始发、到达阶段，掌子面压力平衡建立困难，易发生涌水、涌砂、上覆土体坍塌等事故，是盾构施工中重大风险点之一。据统计，盾构法施工的地下工程建设中，有70%以上的事故发生在盾构始发和到达段，所以盾构始发和到达段所暗藏的风险也最大。

3.2.5 联络通道坍塌

联络通道施工多采用矿山法（浅埋暗挖法)施工，且需要在修筑好的管片上钻孔、切割等，是盾构隧道施工中风险较大的关键工程，也是事故多发段。联络通道施工时为保证施工段管片及联络通道开挖面不渗水等，多采用超前管棚、搅拌桩加固、注浆、冷冻法、降水等辅助工法或采用顶管法施工等手段来保证施工安全，但实际上常因各种原因导致注浆、降水等辅助工法失败，从而发生安全事故，塌方和涌水是联络通道施工中最常见事故类型。

3.2.6 洞内管片破坏和失稳

盾构隧道管片衬砌结构破坏失稳事故相对较少，但其后果却非常严重。如2015年，在某隧道区间右线掘进过程中出现管片漏水情况，刚开始漏水点漏出的是同步注浆的浆液，随后逐步带有泥砂。之后立即采用海绵、棉被等进行封堵，并注双液浆，同时加强地面变形检测。因水压较大，30min 未见效果，接着整环管片在2 点位置出现了约20～30cm 的错台，随后环缝螺栓发生断裂，进一步发展成为涌水、涌砂的透水险情。

事后分析认为，在漏水事故前掘进过程中，因盾构出现机械故障，停止施工2 天。在恢复掘进后，发现盾构姿态垂直偏差过大，故障前后相差约-120mm，在纠偏时采用强制纠偏，导致管片角部应力集中，出现破裂，作业人员未能及时发现和正确应对，导致透水险情进一步扩大。

4 对策和建议

1)要重视地质研判和盾构适应性研究，编制盾构施工风险专项方案，合理选择掘进参数，严格按照施工规范操作，避免出现事故苗头。

2)要通过模型试验和理论解析方法，对盾构隧道开挖面失稳型式及破坏机制进行研究，建立盾构隧道开挖面失稳抢险技术体系，有效避免开挖面坍塌风险。

3)要具体分析盾构隧道管片结构垮塌反应发展规律、不同阶段灾变特征及其成因，分析事故各环节对事故历程及其发展的影响规律，建立盾构隧道结构突发性破坏事故的主动预防措施。

4)要研制盾构管片结构智能支撑装备，盾构隧道涌水涌砂快速堵漏装备等，研制轻便的隧道内带压取芯设备，移动、集成式应急抢险设备，在事故发生时可以实现快速抢险。

5)要建立完善的预警体系和应急抢险体系，依托监控量测、视频监控及信息平台等手段，建立多方参与的安全预警机制，建立应急预案，开展日常应急演练，提高预警和应急反应能力。