中铁大连地铁五号线有限公司 辽宁大连 116000
摘要：本文以某城市轨道交通工程盾构区间掘进施工为背景，对施工过程中出现的几个安全风险事件进行总结。本文首先对工程背景、地质水文条件进行概述，然后详细描述几个典型事件，并从地质、设备、技术、人员、管理等多个方面对该盾构区间掘进过程中的问题进行分析论述，最后从管理体系、设备管理、盾构机选项、掘进安全管理等几个方面提出针对性建议。
关键词：盾构；安全事件；案例；管控
Case Analysis and Control Study on Safety Risk Events in Shield Tunneling Section Construction
Absrtact：Based on the shield tunneling construction of a provincial capital urban rail transit project，this paper summarizes several safety risk incidents in the construction process.Firstly，this paper summarizes the engineering background，geological and hydrological conditions，then describes several typical events in detail，and analyses and discusses the problems in the shield tunneling process from the aspects of geology，equipment，technology，personnel，management，etc.Finally，it puts forward some pertinent suggestions from the aspects of management system，equipment management，shield machine options，tunneling safety management，etc.
Key words：shield；safety incidents；cases；control
引言
盾构法施工已广泛应用于城市轨道交通建设中，地铁区间一般位于城市道路下方，一但盾构掘进施工中出现控制不当，很容易引起地表沉陷、隆起等安全事件，同时盾构管理不足及设备自身问题也容易造成盾构机长时间停机、工期延误问题，如何有效提高盾构施工效率，提高安全管理水平，是值得盾构施工工程师们关注的。本文以某工程实例为背景，就掘进过程中出现的问题进行剖析。
1项目概况
1.1工程概况
本工程为中东部某省会城市轨道交通3号线某盾构区间，区间城市市政道路下敷设，区间左线全长1164.780m，最小曲线半径400m，最大坡度22‰，隧道顶部覆土约10.6～18.5m。
1.2工程地质及水文地质
（1）工程地质
区间隧道穿越地层为粉质粘土、粉砂、粉土、全风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩。
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图1区间地质纵断面示意图
（2）特殊性岩土
本工程区域特殊性岩土主要为人工填土、风化岩：
a.人工填土堆积时间短，结构松散，一般厚0.6～6.0m。力学性质差、稳定性差。
b.风化岩，拟建场地内普遍分布基岩为侏罗纪砂岩，土状全风化岩具有弱膨胀性，自由膨胀率（δef）=15～51%，且均匀性较差。
（3）水文地质
1）地表水
区间于里程DK18+730附近下穿河流水体，河道断面呈U形，岸坡采用自然植物护坡，边坡比例约 1：3。水面宽约为21.30m，最大水深为1.77m，河底高程最低8.28m。
2）地下水
场区内地下水主要为第四系孔隙潜水、微承压水及基岩裂隙水。微承压含水资源较贫乏，单井出水量一般50-100m3/d；基岩裂隙水总体贫乏，地下水不发育。
1.3周边建构筑物及管线情况
区间沿道路敷设，无重要市政管线，距离周边建筑物较远。
2主要风险事件描述
区间左线共775环，平均掘进速度小于2环/天。区间盾构施工过程中多次地表塌陷以及因掘进困难开仓换刀，区间左、右线地质情况基本一致，发生的风险事件类似，以左线较为严重，本文以左线作为研究对象进行分析，施工过程中发生的主要风险事件概述如下：
2.1事件一：地面沉陷
事件一：2017年5月13日上午，区间左线135环至153环隧道正上方地面出现大面积沉陷，沉陷深度约可达50cm，施工单位及时封闭围挡采取地表注浆的方式予以处置，同时降低掘进速度，至2017年5月22日上午区间左线掘进至190环处，河渠护坡局部位置塌方。
针对此次地表塌陷，施工单位对本区域进行了地质补勘，补勘结果显示：DK18+488～DK18+745里程段深度2.1～5.5m土体松散，局部存在空洞，大小不一、不连续。
2.2事件二：地面塌方
事件二：2017年7月24日左线盾构掘进至216环处，河堤处出现小范围塌方，四里渠西路封闭交通；至7月30日推进至234环时，四里渠西路沉降量开始加大，施工单位钻注浆孔，钻孔过程中发现地表下方9m，深度范围内土质较松散。8月1日晚17：10，四里渠西路（临泉路与四里渠西路交口）沥青局部下沉、人行道及西侧空地塌陷，至19时，坍陷面积逐步扩大，呈3*3m、深度约2m深坑。下沉位置位于左线盾体正上方，坍陷区域东侧边缘距离盾尾约1.5m。
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图2地表沉降情况
此次塌陷至2017年9月19日，盾构机位于四里渠西路西侧林绿化带正下方，施工单位对刀盘前方、盾构上方、盾尾处同时进行注浆加固，注浆、停机时间持续一月有余，导致盾体被卡死，后强行脱困。
2.3滚刀磨损
事件三：2017年9月21日左线盾构掘进至325环处，推进困难、无速度，开始地层注浆加固，准备开仓换刀事宜；于11月8日～11月12日进仓作业，第一次开仓换刀，共计更换滚刀18把，周边刀7把，所更换刀具偏磨较严重。第二次带压开仓情况与第一次开仓换刀情况基本一致，滚刀偏磨严重。
2.4事件四：路面隆起
事件四：2017年7月14日，区间左线盾构掘进至516环处，掘进过程中渣土变稀，土仓压力出现波动由原1.7bar上涨到2.15bar，且居高不下。7月15日上午9时许第515环右侧主车道与辅道绿化带树根处有泥浆冒出，10时起第509环隧道右侧主道路面发生隆起，最大处约20cm。
3施工进度缓慢原因分析
3.1盾构机存在一定程度的老化，施工能力不足
区间左线选用某品牌土压盾构机，刀盘结构为面板式，刀盘开口率为41％，开口率大，土体容易进入土仓；配置单刃滚刀25把，盾构机总推力4000T；刀盘开口率、刀具配置、盾构总推力能够适应区间隧道的地质、水文和工程条件，可满足施工的要求。
但该盾构机于2010年2月制造，设计使用里程为10km，在四～临区间施工前累计已掘进里程达6.3km，该盾构机使用时间、里程量均较长，可能与原始盾构机设计工况、刀盘刀具设计存在偏差，及主要零部件老化严重或者更换后匹配性不足，导致整机性能下降明显，盾构机施工能力不足。
3.2地质勘查不尽细致，设计未给出超前加固措施
区间左线原地勘资料显示区间隧道顶埋深10.2～17.95m，无上覆地层松散范围的描述。地表沉降后施工单位进行补勘，补勘结果显示：DK18+488～DK18+745里程段深度2.1～5.5m范围松散，局部存在空洞，大小不一、不连续，盾构穿越此类异常区域时易造成原有土体平衡破坏，地层发生沉降。原地质勘察报告指出回填土力学性质差、稳定性差，但未细化里程标号[1-3]，设计单位对河流两岸填土层较厚区段未给出超前加固措施，致使河流两岸以及后续施工过程中出现多次塌陷耽搁施工进度。施工单位依据补勘资料多次停机寻求设计变更，两次停机时间长达3个月，不仅浪费了宝贵的施工时间，且变更未果导致施工单位消极怠工，后续施工过程中存在一定的抵触情绪。
3.3盾体卡死，强行脱困造成机械损伤
2017年7月24日，盾构机掘进至216环处时，地表上方对应道路西侧行道处发生塌陷，地表回灌后向前掘进，进入市政园林绿化带后盾构上方沉降继续，施工单位停机加固，刀盘前方采用超前注浆管、盾体上方地表注浆、盾尾处二次注浆予以加固，加固目的可简单概括为：（1）针对在河岸东侧出现的掘进困难进行开仓检查；（2）防止景观绿化带被毁，园林部门索赔；（3）与业主单位协商地表注浆加固变更事宜。此次加固及停机时间较长（2017年8月5日至2017年9月19日），复掘进过程中刀盘可正常转动，但盾构机无法推进，盾体被注浆加固浆液“卡死”，强行脱困，过程中被动铰接油缸存在一定程度的拉伤，可导致后续施工过程中盾构机姿态控制困难，尤其在转弯段；另盾构机周边可粘连水泥浆，造成推进过程中与地层的摩擦力增大，导致推进力较大但掘进速度较低，因盾体处于中风化泥质砂岩中，随着掘进水泥浆液被 “卡掉”，复推一段距离后可消除该因素。另根据重庆地铁施工过程类似砂岩、页岩地层中曾出现过注浆浆液粘附于盾壳上，增大了盾壳与围岩间的摩擦力，导致盾构机被困。这次强行脱困后，盾构机推力较大、掘进速度缓慢，强行脱困造成的机械伤害需重点考虑。
另外，本工程区局部地层存在膨胀性，而且本市地铁建设过程中也有类似膨胀地层盾构机掘进困难[4-5]、土仓压力波动大、扭矩变化过大的问题。盾构机如在膨胀地层长时间停机，可能会出现地层膨胀后对盾体包裹性增大[6-7]、摩擦阻力增大。造成卡盾的可能性。
3.4未根据地层变化改良盾构渣土，频繁开仓耽误施工进度
根据地勘报告显示，区间DK17+976～DK18+410里程段为上软下硬的复合地层，施工单位未能根据地层变化做好渣土改良工作。根据开仓情况揭示，该区间3次开仓换刀，刀具均偏磨严重，可证明渣土改良工作不到位。全风化泥质砂岩层，遇水软化，包裹滚刀，造成滚动能力下降、破岩能力降低，随之需加大盾构推力，刀盘与岩面由滚动摩擦变为滑动摩擦，急剧升温，造成泥饼烧结，促使进入刀盘结泥饼进入逐步严重的恶性循环，直至刀盘全部被糊死，无掘进速度，这也是造成多次开仓换刀，严重影响盾构进度的主要原因。
刀盘结泥饼后会造成盾构机掘进推力增大但掘进速度低的问题，掘进时间较长引发单环地下水汇入土仓量增大[8]、螺旋输送机喷涌[9]的问题，直接后果是掘进困难和出土量增大[10-12]，进而地表容易产生沉降过大。
3.5掘进过程中打气加压，推进压力增大，掘进速度较低
左线盾构220环至600环掘进过程中推力较大，掘进速度较低，刀盘不停的转动，施工扰动大，对上覆软弱地层极易形成超挖，施工单位为减小地表沉降量盾构掘进过程中仍打气加压，这也可作为盾构机推力大的原因，且土仓内压力超高，遇到软弱地层，地层薄弱地段可形成泄压途径，就会造成地表会隆起、冒浆，其中代表就有：2018年7月14日区间左线盾构掘进至516环处，右侧主车道与辅道绿化带树根处有泥浆冒出，主道路面发生隆起，最大处约20cm。
3.6施工单位对分包单位管控不严，安全管理力量不足
（1）总包单位疏于对分包单位的管控，日常检查过程总包单位部分主管人员对施工现场不尽了解，对施工现场的进度抑或是发生的异常均需多次电话了解后才能掌握大概；对施工现场的技术把关不严，盾构掘进过程中进气阀门长开，导致地表冒浆。
（2）项目部安全管理力量薄弱，结合对该单位的日常巡视，该标段的重大隐患数量，发生频次均靠前，对施工现场的安全质量管理亟待提高。2017年9月份以后，项目部安全总监与1号线3期项目安全总监进行互换，新到岗安全总监与项目经理就安全岗位职责划分、管理理念向左导致消极怠工，对现场诸多问题视而不见，使得原本就薄弱的管理力量有相当部分损于内耗。
3.7项目部未落实日常巡视制度，应急管理不到位
区间出现地表塌陷由第三方监测单位发现并上报，地表隆起、冒浆由巡视交警发现并上报，说明施工单位未能落实日常的巡视制度，安排专人对地表进行巡视；施工单位了解险情后未能按照轨道公司相关管理办法逐级上报，多由市级相关部门通知到业主单位，导致事件处理相对被动。
事故现场应急处理措施不到位，不论风险事件大小，施工单位随即安排人员对临泉路快车道进行围挡封闭，未能选择合理的时间进行处理，封路造成的市民恐慌远大于风险事件本身。
4盾构施工管理建议
（1）管理体系方面
①加强对项目部层面设备管理系统的帮扶。利用项目策划会、管理交底、专项检查的契机，加强集团和子分公司各类管理制度宣贯。
②走出去，引进来。对标先进施工企业，学习先进设备管理理念，优化完善集团公司各类管理制度和办法，促使各类管理文 件更接地气、更易执行。
（2）现场设备管理方面
①强化设备维保，杜绝重设备使用、轻设备管控的现象。
②落实专项方案和技术交底的编制和审批程序，并严格执行。
（3）盾构机选型方面
①新上盾构项目必须履行设备进场前的选型和适应性分析论证工作，提升设备选型的科学性，管控前移，规避盾构、TBM施工进度、质量和安全风险。
②明确施工单位各层级公司、主管部门的管理及指导责任，严禁将相关责任推卸至工程项目部。
（4）盾构掘进安全管理方面
①明确何类专项方案需对应的技术交底，督导项目部严格按照技术 交底要求进行施工。
②做好盾构主司机、管片拼装手、进仓作业人员等关键岗位人员的技术培训和安全教育，提升业务水平、紧急事件的处理能力。
③做好设备检测体系、盾构大数据平台应用。切实开展盾构等大型专用设备状态监测，消除潜在的设备故障隐患。
5总结
通过对盾构区间施工案例进行分析总结，从施工管理的各点进行全面分析，以便为后续工程施工给出解决及注意事项，为类似工程提供施工经验。
参考文献：
[1]田开洋，谈金忠，施烨辉，王卫国.地铁隧道盾构施工中的地质风险管理研究[J].上海建设科技，2015（02）：32-34.
[2]赵忠胜.五里墩立交桥A2匝道盾构施工对桩基的风险分析[D].安徽建筑大学，2017.
[3]林志，陈文，陈思.基于场景分析的跨海隧道运营风险评估方法研究[J].工程建设，2018，50（09）：5-11.
[4]钱朝晖.深圳地铁七号线施工安全风险管理与对策研究[D].西南科技大学，2017.
[5]黄俐，梁鹏.北京地铁六号线盾构施工风险分析[J].科学技术与工程，2016，16（06）：238-243.
[6]孙长军.北京地铁近接施工安全风险控制技术及应用研究[D].北京交通大学，2017.
[7]汪青葆，卢浩，张静，李集，施烨辉.基于案例推理的地铁盾构风险评估方法[J].都市快轨交通，2015，28（02）：75-79.
[8]何梦超.地铁盾构法隧道工程安全风险评估研究[D].福建工程学院，2017.
[9]杜梅.多种影响因素耦合作用下水下隧道施工进度风险评价[D].重庆交通大学，2017.
[10]刘大鹏.长春地铁2号线西延线施工风险管理研究[D].吉林大学，2017.
[11]王飞.深圳地铁某项目盾构隧道施工安全风险管理研究[D].北京交通大学，2018.
[12]林志，陈文，陈思.基于场景分析的跨海隧道运营风险评估方法研究[J].工程建设，2018，50（09）：5-11.