隧道掘进机安全设计与应用风险评估

彭乃思，张 杰，周小磊，吴 昊，龚彭真

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

随着施工对机械化换人、智能化施工的要求越来越高，目前在铁路、轨道交通、水电水利、煤矿巷道等领域对隧道掘进机的需求量逐步增长。作为地下空间隧道开挖的利器，隧道掘进机的安全设计及应用安全越来越为现场管理人员所需要。

1 掘进机安全性分析

目前，针对掘进机的安全研究主要集中在隧道结构安全、地面构筑物安全、人员安全等方面。伍天华[1]针对掘进机施工中的扰动对既有桩基性能的影响进行了技术研究；阮俊安[2]采用概率统计的方法对水下隧道结构的健康进行了安全预警值的研究；叶扬春[3]就掘进机穿越岩溶地层邻近建筑物的施工风险进行了评估及控制。

根据GB/T 34560-2017《全断面隧道掘进机 盾构机安全要求》，盾构中设置的安全装置，应满足防护、警示要求，对超过设定值可能发生的危险零部件，应装设保险装置，对动作顺序有要求的装置应设计连锁功能，同时安全适应性需要满足GB 要求。

1.1 从人员安全考虑

JTGF60-2009《公路隧道施工技术规范》中明确规定：当隧道超过150m，严禁使用自然通风，必须要采用机械通风的方式。在隧道内进行通风，降低隧道内的有毒有害气体和烟尘浓度，使隧道内的空气达到安全的标准[4]。在设计选取中，可以选取呼吸及电焊风量、最低风速风量、消除瓦斯积聚风量等所需要满足各类施工条件的最大值，同时结合风管的漏风因素进行考虑，后配套拖车尾端回风风速不能低于0.3m/s的要求。

根据GB/T 24555-2009《200m 氦氧饱和潜水作业要求》、JJ217-2014《盾构法开仓及气压作业技术规范》及BS EN 12110：2014 《隧道掘进机气闸安全要求Tunnelling machines Air locks Safety requirements》要求，需要配置符合标准规定的人舱等相关加减压设施。

掘进机的设计中，各类型的掘进机均配置有固定式及可移动的气体检测装置如图1 所示。

图1 气体检测装置图

在检测到危险气体或其他气体含量异常时，可通过上位机报警提示，如果气体含量继续升高，则会采取断电等安全动作。掘进机在不同浓度瓦斯下的处理方法，见表1。同时，各个系统的设计均考虑了紧急情况下可以保证人员安全的各类紧急动作，比如：泥水盾构中的泥浆循环的球阀可以在紧急情况下自动关闭、土压盾构中的螺旋输送机后闸门在紧急情况下可以自动关闭等[5]。

表1 瓦斯浓度定值及处理方法

在对人员安全要求更高的掘进机上，可以进行避险舱配置，在紧急情况下，作业人员可以进入避险舱，通过舱内的紧急通讯、环境保障系统和生存维持设施进行必要的救援等待。

随着掘进机技术越来越成熟，目前的使用单位更强调人性化设计：涂装上，针对不同功能分区进行不同颜色区分，人员通道采用绿色、拼装/吊装区域黄黑相间提醒色，见图2。功能上，对人员操作区域的可到达性和安全性要求也日趋具体，对元器件维护和更换过程中人员的安全也提出了具体的设计要求。

图2 走道绿色涂装图和活动区域提醒色效果

1.2 从设备安全考虑

随着地下空间的开发利用越来越广泛，针对瓦斯地层隧道的需求量也越来越大，为了应对瓦斯隧道，设计时采用了阻燃电缆、风电闭锁、瓦电闭锁、防爆照明等设计。同时，针对施工的通风措施配置实时风速监测装置，通过各类有效设计，配合现场的安全管理，为设备提供健康又安全的运行环境。

隧道施工中，水平运输机车会出现溜车现象，如果发生此类情况，对运输机车和施工人员安全均会产生很大的危险。为此，除了加强运输车的自动和机械制动措施外，在掘进机后配套拖车合适位置设置曼彻斯特门，防止溜车事故对掘进机设备造成更大的损失，也日渐为行业所使用。

作为一个自动化程度极高的特殊施工机械，掘进机上具有温度报警、烟雾报警、水幕喷淋等一系列安全配置，同时具备自动检测及灭火功能、手动消防功能。当报警装置发出消防警报时，掘进机的控制系统将控制水幕消防启动，同时可以通过上位机进行手动启动，即使信号传输出现问题，仍然可以人工控制消防水幕启动。

对掘进机的主轴承等关键部件，在选型最初就考虑了元器件的使用寿命。在掘进时，掘进机会挖掘不同地层，此时其承受载荷也不同，在不同的载荷下，根据Lundberg-Palmgren 法则：当轴承在Si下作用Ni次至材料破坏，有公式如下。

其中，Li为当应力为Si时主驱动被破坏循环的次数。主轴承寿命计算时，将不同地层看作独立条件i，对应的主轴承疲劳寿命为Li，在该条件下轴承运转了Ni，且Ni＜Li。

在掘进机的设计中，为了设备安全设置了诸多安全装置。为了防止盾体的异常翻滚，盾体内部设置有倾角传感器，见图3。当掘进机盾体倾角异常时，会触发上位机报警，提醒操作人员进行姿态控制，如果超过极限设定，会立即停机，防止造成更大的设备故障；六自由度的管片拼装机作为掘进机中的一个关键设备，一般设置有电气限位和机械限位两种功能，电气限位对拼装机的回转设置1 个角度（一般为±190°），防止拼装机继续旋转造成管路和电缆出现受拉的情况，机械限位对回转角度的设置为（±200°），当电气限位失效时，通过机械限位防止拼装机旋转超过此极限角度，见图4；螺旋输送机/主机皮带机的工作状态，也关系到掘进机的正常运行，一般情况下，位置开关的信号作为检测各执行机构是否动作到位的关键点，只有其功能正常，设备才能良好运行，如果执行机构未到达指定位置，上位机/操作台界面则会出现异常色，提醒操作人员注意。管片运输装置动作过程中会进行声光报警、皮带机启动运行时进行声光提醒、拼装机旋转时声光报警同时启动……诸如此类的安全装置，都在为了保障设备的稳定运转。

图3 盾体倾角仪

图4 拼装机限位装置

如果出现电源突然切断的情况，控制室的应急电源会立即启动，防止控制系统失效，同时设备设置的诸多蓄能器，会对需要紧急关闭的阀门进行关闭，应急发电机立刻启动，进行应急供电，从而进一步的保证设备、人员和地层的安全。

1.3 从施工安全考虑

在掘进机掘进工作时，对出渣量的控制是掘进工艺参数控制的重要一环，如果对出渣量把握不好，将会直接影响到掘进机的工作效率，出渣过多会造成渣土超方[6]，进而影响土建的安全，其中佛山地铁2 号线施工时，因超挖造成了十余人死亡的重大责任事故。为此，各施工项目，采用了不同的方式对出渣进行实时监控[7]。在各类机型设计过程中，开挖渣石体积的自动测量系统，也日益成为一个标准的配置需求。

注浆是将浆液注入地层中，浆液凝固后对松散的土质或裂隙岩层进行填充。作为一个最常用的辅助方法，注浆效果的好坏，直接决定了施工质量和施工安全。由于掘进机的施工不同于其他工程设备，其工作介质为未知的前方地层，由于地质勘探的局限性，其不能完全准确地预报地质，如果遇到断层破碎带、岩溶等地质，会引发涌水、坍塌、建筑倾覆等重大事故。为此，注浆率的自动检测和超前地质预报系统，目前也是相关科研院所的技术更新方向。

从施工安全角度来说，尤其是在带压作业的时候，土舱压力值的设置是进舱作业的关键，土舱气压值既要满足规定，还要根据工程实际进行专业分析，可以按照以下公式进行计算，即舱内压力为

式中P——工作气压值，bar；

K——实际注浆效果；

γ水——地层含水量的重度，kN/m3；

h水——带压进舱的实际压点高度，m。

在进行计算后，得到可以安全工作的气压，之后借助压缩空气法进行相关的带压作业。

在掘进机智能控制和数据融合越来越为行业普遍接受的今天，为了减少人员操作对掘进的影响，有些掘进机配置了“一键启动”功能、辅助转向功能、自动注浆量控制、泥水平衡自动控制、盾尾间隙测量、开挖仓可视化等功能，通过设备的自动控制，来有效地保证掘进机姿态及各参数维持在合理区间。同时，越来越多的掘进机也通过配置智能运维系统提高设备的维护率，降低设备维保工作对人员的要求[8]。

2 掘进机施工安全风险评估

掘进机施工的特点明显，工艺点繁多，涉及的风险因素多，且很多具有极强的隐蔽性，因此需要进行掘进机施工安全风险评估[9]。

按照风险核对表的做法，对掘进机施工中的安全风险按照违规操作、设计问题、保养过失、管理过失、设备损坏、施工工艺等方面进行分类归纳。同时按照风险因素分类，将各风险因素进行分类整理，见表2。

表2 掘进机施工安全风险因素

为了更准确地对各风险因素进行权重的计算和分析，本文通过发放调查问卷的方式对掘进机行业的一线施工人员、资深设计人员和长期在现场从事掘进机服务的人员进行了调研，调研发放问卷30 份，回收30 份。调查问卷的设计如表3 所示。

表3 掘进机施工安全风险调查问卷

通过对问卷进行统计，取每一项赋值的平均值作为风险评价依据，如表4所示，得到风险重要相对性评判矩阵。

表4 掘进机施工安全风险重要性评判矩阵

根据层次分析方法，进行和积法进行风险权重计算。

整理得风险指标权重见表5。

表5 各类指标权重值

3 结论

掘进机施工的安全风险，最大的来源是操作风险，这说明施工中需要严格注意操作司机和其他作业人员操作的规范性，现场需要加强培训及人员管理，同时在掘进机设计中，需要注意加强自动化系统配置，最大程度减少人为因素对设备安全风险的影响。

对掘进机的设计来说，设计问题引起的安全风险仅低于违规操作的权重，掘进机设计师应紧密贴合现场实际需要，通过加强安全、人性化、标准化等设计因素评审，减少无效的设计，通过设计水平的提高，极大可能地避免掘进机施工中的安全风险。

保养问题和管理过失对掘进机的安全施工来说，也是一个较为重要的影响因素，为此需要按照设备的设计要求按时定期的保养，同时可以针对性的配置智能运维系统，来降低保养和管理失误造成的掘进机安全风险。

设备损坏和施工工艺因素造成的风险权重，属于安全施工中可接受的影响范围，需要在日常工作中加强备品备件管理，保证备品备件及时供应，同时加强施工工艺的指定审查和全面交底，加强监控管理，完善完备各类紧急安全情况的预警方案。