盾构隧道施工风险与规避对策_崔玖江

盾构隧道施工风险与规避对策

崔玖江

1,2

(1.北京市政府专家顾问团,北京

100744;2.北京轨道交通工程建设指挥部专家委员会,北京100081)

摘要:归纳地铁安全事故的类型及特点,介绍目前国内外盾构隧道情况,尤其是北京盾构隧道情况,分析盾构隧道施工的优点和不足之处,论述盾构隧道施工风险研究的必要性。重点分析盾构隧道施工的11种主要风险,即:地质预报准确性、盾构机适应性和可靠性、盾构进出洞施工、开挖面失稳、盾尾密封失效、软硬不均且差异性较大地层施工、较大的地层损失及不均匀沉降、开挖面有障碍物、隧道上浮、联络通道施工、明挖基础失稳等,并一一提出切实的规避对策。同时对国内外盾构隧道施工事故典型案例的情况及原因进行详细介绍和剖析。可为今后盾构隧道施工风险的分析、预测、防范及规避提供指导。关键词:盾构隧道;施工;风险;规避;对策;地铁;安全事故中图分类号:U 458

文献标志码:C

文章编号:1672-741X (2009)04-0377-20

R i s k s a n dC o u n t e r m e a s u r e s f o r C o n s t r u c t i o no f S h i e l d -b o r e dT u n n e l s

C U I J i u j i a n g

(1.E x p e r t T e a mo f B e i j i n g M u n i c i p a l G o v e r n m e n t ,B e i j i n g 100744;

2.E x p e r t C o m m i t t e e o f C o n s t r u c t i o n H e a d q u a r t e r s o f B e i j i n g M R TP r o j e c t ,B e i j i n g 100081)

A b s t r a c t :T h e a u t h o r s u m m a r i z e s t h e t y p e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f M e t r o w o r k s a c c i d e n t s ,i n t r o d u c e s t h e s t a t e -o f -a r t o f s h i e l d -b o r e d t u n n e l s b o t h i n C h i n a a n d f o r e i g n c o u n t r i e s ,e s p e c i a l l y t h e s t a t e -o f -a r t o f s h i e l d -b o r e d t u n n e l s i n

B e i j i n g ,a n a l y z e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t u n n e l s b o r e d b y s h i e l d m a c h i n e s a n dd i s c u s s e s t h e n e c e s s i t y t o s t u d y o n r i s k s i n c o n s t r u c t i o n o f s h i e l d -b o r e d t u n n e l s .T h e a u t h o r f o c u s e s o n 11m a j o r r i s k s i n c o n s t r u c t i o no f s h i e l d -b o r e d t u n -n e l s ,i .e .,r i s k s i n g e o l o g y f o r e c a s t i n g a c c u r a c y ,r i s k s i n a d a p t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f s h i e l d m a c h i n e s ,r i s k s i n s h i e l d l a u n c h i n g a n d a r r i v i n g ,r i s k s i ni n s t a b i l i t y o f w o r k i n g f a c e ,r i s k s i nt a i l s e a l f a i l u r e ,r i s k s i nb o r i n g i nh e t e r o g e n e o u s g r o u n d ,r i s k s i n s e v e r e g r o u n d l o s s a n d d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t ,r i s k s i n e n c o u n t e r i n g o b s t a c l e s ,r i s k s i n t u n n e l u p l i f t i n g ,

r i s k s i n c o n n e c t i o n t u n n e l c o n s t r u c t i o na n d r i s k s i n i n s t a b i l i t y o f o p e n c u t f o u n d a t i o n s ,a n dp r o v i d e s f e a s i b l e c o u n t e r -m e a s u r e s .B e s i d e s ,h e i n t r o d u c e s a n da n a l y z e s t h e t y p i c a l a c c i d e n t s o c c u r r i n g d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f s h i e l d -b o r e d t u n n e l s b o t h i n C h i n a a n d f o r e i g n c o u n t r i e s .T h i s p a p e r c a np r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e a n a l y s i s ,p r e d i c t i o n ,p r e v e n t i o n a n d e v a d i n g o f r i s k s i n c o n s t r u c t i o n o f s h i e l d -b o r e d t u n n e l s i n t h e f u t u r e .K e y w o r d s :s h i e l d -b o r e d t u n n e l ;c o n s t r u c t i o n ;r i s k ;e v a d i n g ;c o u n t e r m e a s u r e ;M e t r o ;a c c i d e n t

0引言

随着国家为应对金融危机,加大铁路、公路及水利等基础设施工程建设的投入,以及为解决人口在300万以上、G D P 在1000亿以上、地方财政一般预算收入100亿以上的大城市交通拥挤而迫切需要兴建地下铁道客观形势,我国隧道和地下工程建设方兴未艾,工程数量之多、规模之大前所未有。其中:铁路隧道已开工并正在修建的有5000多k m ,马上要开工的还有5000多k m ,10k m 以上的隧道就有67座,最长的约32k m ,

即将开工建设的还有一座34k m 的隧道;城市地铁正

在施工的有21座城市,目前又有22座城市的地铁建设规划获国务院批复;公路隧道也以500k m 左右/年的速度在增长;水利工程中隧道的建设越来越多,而且长度也越来越长。因此,我国隧道与地下工程建设处于大规模建设时期,修建方法除钻爆法外,T B M 和盾构法的应用势必会越来越广泛。盾构在我国应用若干年来,尤其是2000年以来,随着盾构应用的增多,事故时有发生,造成了不小的损失。对盾构隧道施工风

收稿日期:2009-08-01

作者简介:崔玖江,男,现任北京市政府专家顾问、北京轨道交通工程建设指挥部专家委员会专家及安全委员会顾问专家,原任第二炮兵工程设计研究院副总工程师、中国土木工程学会隧道与地下工程分会理事及中国建筑业协会防水专业委员会副理事长,军队专业技术五级高级工程师。从1986年至今,作为北京市政府专家顾问和北京市轨道交通建设指挥部专家参加了北京地铁复兴门折返线工程、复八线工程、八通线工程、十三号线工程及五号线、十号线、四号线等新线工程建设;作为专家组长参与北京地铁新线工程几起重大事故抢险工作。

　第29卷　第4期2009年8月 隧道建设T u n n e l C o n s t r u c t i o n

V o l .29　N o .4

A u g .　2009

险的认识和应对,越来越引起业界的广泛关注,文献[1-4]对盾构隧道施工风险管理系统及软件的开发进行了研究;文献[5-9]分别针对上海、钱江、江海、武汉、成都等具体地区的具体盾构隧道的施工风险进行了分析及评估;文献[10-12]对软土地层盾构施工的风险进行分析或评估;文献[13]对盾构盾尾密封渗漏风险源进行了分析;文献[14]对大型越江盾构隧道施工的安全与风险管理进行了探讨;文献[15]介绍了如何用R=P×C法评价水下盾构隧道施工风险;文献[16]探讨了盾构隧道施工对城市沥青路面影响的风险评估;文献[17]对地铁盾构区间隧道施工风险进行了分析及评价。以上文献基本是针对盾构施工的某具体隧道、或某种地层或某个方面、或某种环境、或用某种方法对其风险进行分析和评价。本文总结多年来国内外盾构施工的经验和教训,对盾构隧道施工的风险进行系统性的阐述,并一一提出规避对策,以期对今后盾构隧道施工的风险应对有一定的指导意义。

1地铁施工安全事故类型及特点

1.1地铁安全事故的影响因素

地铁工程在施工阶段出现的安全事故是由多方面因素引起的,既有内在因素也有外在因素,具体包括地铁结构本身及所处位置的工程及水文地质条件、周围环境现状和安全的要求以及施工工艺和管理、操作水平等。

1.1.1工程地质及水文地质的复杂性

工程所在区域的工程地质、水文地质条件是经过漫长的地质年代形成的,经历了各种各样的自然和人为因素作用,其介质特性表现出很大的随机变异性;同时地层中还存在大量水的活动与作用,如上层滞水、地下潜水和承压水等;由于地质勘探、现场和室内试验等设备条件的限制,只能通过个别测试点的现场试验和若干试样的室内试验对岩土性质和水文参数作近似的量测估计;大量的试验统计结果表明:岩土体的水文地质参数具有很深的离散性和不确定性,具有很高的空间变异性:这些复杂因素的存在给地铁建设带来了巨大的风险。

1.1.2建设队伍、技术人员、机械设备、施工操作技术水平以及管理水平等对工程建设安全的直接影响首先,由于地铁工程施工技术方案与工艺流程复杂,不同的工法又具有不同的适用条件,若贸然采取某种方案、技术和设备,则势必会产生较大安全风险;其次,整个地铁工程的建设周期长、工期短、施工环境条件差,对施工人员容易产生不良影响,导致出现各种意外尤其是人身安全事故;再者,由于管理上的不完善,工程施工计划不科学,盲目追赶工期等,也极容易导致安全事故的发生。1.1.3工程建设周边环境(建筑物、道路和地下管线等)的复杂性

在繁华地带或老城区地带,地铁工程周边的地面建(构)筑物和环境设施十分复杂,体现在:1)地面建(构)筑物的使用年限、结构类型(框架结构、砖混结构、砖结构)、基础类型(如条形基础、桩基等)和文物价值等;2)周边道路、邻近建(构)筑物与地铁工程的空间位置关系,地下管线的类别、年限、材料及施工方法等;3)地层中原有空洞和松散区的分布状况;4)周边生态环境状况和社会群体等。对上述环境条件调查不细,应对措施欠周,将导致环境事故发生,后果难以设想。

1.2　安全事故的分类

在地铁工程的建设过程中,无论采用何种工法和工艺都不可避免地对工程本身及周边环境造成直接影响或一定程度的破坏(包括人员伤亡或其它安全事故)。通过对地铁工程施工中大量出现的安全事故分析,参考现有分类方法,可将地铁施工过程中出现的安全事故按影响对象归纳为以下5类。

1)工程结构事故主要是指在施工过程中对地铁工程结构本身的破坏。

2)人员安全事故主要是指在施工过程中对施工方及第三方的人员造成伤亡的安全事故。

3)环境安全事故主要是指在施工过程中对地铁周围的环境造成破坏,如地表建筑物沉降、倾斜及裂缝(或出现新的裂缝)超过允许值;道路路面出现坍塌,导致车辆、人员伤亡及财产的损失;地下管线的破坏及其它如桥梁等设施的破坏等。

4)社会影响事故主要是指在施工过程中产生的破坏对社会产生的负面影响,如由于地铁施工导致的交通阻塞,地下管线遭受破坏导致停水、停电、通信中断等社会影响。

5)生态环境事故主要是指在施工过程中对自然环境造成破坏,如改变地下水位及径流、改变河流水位等。2　盾构隧道施工简述及其优缺点

2.1盾构隧道施工简述

盾构隧道施工系指使用盾构机,一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道衬砌,并及时向盾尾后面的开挖隧道周边与衬砌环外围之间的空隙中压注足够的浆液,以防止围岩松驰和地面下沉。在盾构推进中可以从开挖面不断地排出适量的土体。

自1841年世界第一座用盾构法修建的英国泰晤士河水底隧道以来,盾构法迄今已有160余年历史,在世界发达国家美、英、德、前苏联、法国、日本等得到充分发展和广泛应用。

我国自上世纪50年代开始将小型盾构用于下水道工程,1966年开始用盾构法修建穿越黄浦江水下公路隧道工程,自此以后盾构隧道在京、津、沪、穗等城市的地

378　隧道建设 第29卷　

铁中及过江隧道中得到迅速发展;北京地铁自2001年开始采用土压平衡盾构机修建了地铁5号线雍和宫—北新桥站区间试验工程,取得成功后得到推广应用,北京地铁新线工程5号线、10号线一期及奥运支线、4号线、机场线共114k m ,其中用盾构法修建区间隧道达30k m (拥有盾构机18台),即将修建的北京地铁9号线、8号线、10号线二期、大兴线等区间也大部分采用盾构法

修建(初估需用盾构机约90台)。

此外,北京铁路之北京站与北京西站之间的直

径线沿前三门大街下敷设,采用泥水盾构修建,全长9.15k m ,其中盾构法修建长度为5.227k m ,盾构直径11.96m ,盾构隧道内径10.5m 、外径11.6m ,采用0.55m 厚钢筋混凝土管片,这在北京尚属首次。直径线工程平面位置见图1

。

图1北京铁路北京站与北京西站之间的直径线工程平面位置图

F i g .1　P l a n o f r a p i dt r a n s i t l i n e b e t w e e nB e i j i n g r a i l w a y s t a t i o n a n d B e i j i n g w e s t r a i l w a y s t a t i o n

南水北调北京段工程引水至团城湖后,需将引水送至水源九厂,为此需在龙背村至水源九厂修建输水隧道。输水隧道全长8158m ,其中从龙背村进水闸室(0-017)至末端盾构接收井(8+066)长8083m ,采用

盾构法修建,从8+066至末端调头井长102m ,采用浅

埋暗挖法修建内径3.6m 的圆形隧道。盾构法修建系利用北京地铁既有盾构,在钢筋混凝土管片衬砌隧道内又加设防水板和一层现浇混凝土衬砌,盾构隧道外径6.0m ,内径5.4m ,加现浇钢筋混凝土内衬后隧道内径

4.7m ,共投入3台盾构机。输水隧道平面见图2

。

图2龙背村至水源九厂输水隧道平面图

F i g .2　P l a n o f w a t e r -c o n v e y i n g t u n n e l b e t w e e n L o n g b e i c u na n dS h u i y u a n j i u c h a n g

379

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

盾构隧道施工系暗挖施工方法之一,故其没有明挖施工法的诸多缺点。目前已开发的盾构施工法不仅适用于软土地层,而且适用于硬质地层和岩层情况。

2.2盾构隧道施工的优点

1)施工对环境影响小。主要包括:出土量少,场地附近地层扰动沉降小,对周围建筑物影响小;不影响地表交通,无需切段或改移地下管线等各种地下设施,从而节省了大量的工程附加费用;对周围居民生活和出行影响小;无空气、噪声和振动污染等问题。

2)施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制。

3)地表占地面积小,施工占地和征地费用少。

4)适用于大深度、长距离和高水头等恶劣条件下的施工,施工费用可控性好。

5)施工受天气状况和气候条件影响小。

6)施工构筑盾构隧道柔度大,抗震性能好。

7)使用范围广,可广泛适用于软土、砂卵石、软岩直至硬岩等各类地层条件。

2.3盾构隧道施工存在的一些不足之处

1)当隧道曲线半径过小时,施工较为困难,不适合应用于折返线等大断面工程。

2)修建城市隧道时,若隧道覆土太浅则施工难度较大;水下施工时,若覆土太浅将导致施工安全性较低。

3)施工中隧道上方一定范围内的地表沉降难以完全消除,特别是对于饱和含水松驰地层而言,施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范围内。

4)饱和含水地层和水下隧道施工过程中,该施工法所采用的拼装衬砌对达到整体结构防水性的技术要求较高。

5)两盾构隧道之间的联络通道尚需用矿山法人工开挖,存在较大风险。

因此,盾构隧道施工仍存在施工风险,切不可掉以轻心,务必认真对待。

3盾构隧道施工风险研究的必要性

隧道与地下工程与其他工程项目相比,由于具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出的特点,风险大,无论是设计、施工、决策都会遇到很多困难和障碍。尤其是在城市繁华或周围环境复杂的地带,隧道与地下工程的施工和运营要涉及到过多的拆迁、对周围环境及管线的影响,如果决策考虑不周,在其规划、设计施工和运营中均会对社会和国家造成不必要的重大的损失和不可估量的社会负面影响。

例如:在上海地铁四号线2003年7月1日发生的重大工程事故已经给我们敲响了警钟。因此,规避盾构施工风险已经成为亟待解决的核心问题。为解决这一问题,就必然要借助风险评估和决策理论。风险评估可以对这些不确定因素进行系统全面地分析,将不可预见的风险因素转化为定量的指标,并通过计算风险效益来选择风险控制措施,降低各种工程风险,以达到安全、经济、高效的建设目标。

风险评估研究的最终目的是为工程建设领导层的决策提供依据,从领导层的角度来说,其价值可以体现在领导层决策时信心的增强、对工程进展情况的掌控以及对资金流向的有效控制上。而工程风险研究的最高境界应该是实现“工程精算”,即所有的风险子项均可由费用损失来表示。图3为盾构隧道工程风险发生机理分析图

。

图3盾构隧道工程风险发生机理分析图

F i g.3　A n a l y s i s o n r i s k m e c h a n i s m s o f s h i e l d-b o r e dt u n n e l

因此,对领导层来说,风险评估能够把决策变得简单化、准确化以及专业化,进而对风险实行有效地化解、转移或规避。如何对工程风险进行控制,在尽可能安全的情况下获取最大利益,这也需要对风险控制措施的风险效益进行评估。

4盾构隧道施工风险与规避对策

盾构隧道安全风险预测方法与评价,是指安全风险管理中的风险识别与风险评估和评价,将盾构隧道施工中存在的物理危险因素、人为危险因素、心理危险因素及危险事故判定识别出来。在盾构隧道施工中对安全的风险进行识别,通常是根据施工的设计中提到的安全风险项目,以往隧道施工中出现的风险项目、运用先进的仪器设备超前探测出的风险项目。盾构隧道施工风险主要有下述几个方面。

4.1　地质预测预报准确性风险及对策

4.1.1　地质预测预报准确性风险

由于地质勘探的局限性,盾构掘进过程中遇到未预测到的不良地质和地下障碍物的风险较大。

例如:在深圳地铁一期工程2B标段盾构工程(福民站—会展中心站)右线区间盾构推进过程中,就出

380　隧道建设 第29卷　

现了因地质勘探不准而造成盾构机不能正常掘进,刀具及刀盘磨损严重,甚至酿成安全事故。因此,施工前地质勘探力求精细,施工中应通过地质补勘以及超前地质预报等手段对隧道工作面前方地层进一步探明。

2006年1月4日上午,广州市黄埔区大沙地东路地铁五号线大文区间盾构施工路面发生沉陷,沉陷区域直径约6m ,深度为60c m 。发生下陷的路面位于该项目部西侧围墙根下,水泥路面从四周朝路心凹陷,中心处下沉半米多深,路面的围墙受牵引后,墙壁出现大量裂痕(见图4)。专家现场分析认为:该地段为地质条件极为复杂的断裂带,且上部为回填砂土层,沉陷处地下水丰富。为保证安全和确保工程质量,采用了盾构法进行施工,因施工中盾构机扰动了地层,地下水流失而引起路面局部沉陷。

图5为北京地铁黄庄站地层空洞。图6为广州某地下通道施工发现的空洞。

北京地铁M 4线20标颐和园站—北宫门站区间长度1076.3m 。设2个联络通道,其中1个联络通道与泵房合建,区间线路最大纵坡14‰,最小纵坡3‰,线间距为15m ,区间隧道平均覆土厚度12m

。

图4

广州市黄埔区某区间盾构施工发生路面沉陷情况F i g .4　P i c t u r eo f s e t t l e m e n t o c c u r r i n gd u r i n gc o n s t r u c t i o no f a

s h i e l d -b o r e d t u n n e l i n H u a n g p ud i s t r i c t ,G u a n g z h o u c i t

y

图5

北京地铁黄庄站地层空洞

F i g .5　C a v er e v e a l e d d u r i n g c o n s t r u c t i o no f H u a n g z h u a n g s t a t i o n

o f B e i j i n g M e t r

o

图6　广州某地下通道施工发现的空洞

F i g .6　C a v e r e v e a l e dd u r i n g c o n s t r u c t i o no f a nu n d e r g r o u n dp a s -s a g e i n

G u a n g z h o u

北宫门站—龙背村盾构接收井区间长度494m ,最小线间距为12m ,最小曲线半径为350m ,区间隧道

平均覆土厚度10m 。

龙背村盾构接收井长14m ,宽29m 。两端边分别与明挖区间和盾构区间相连,专门为盾构机调头设计。

盾构区间平面布置见图7

。

图7北京地铁M 4线20标颐和园站—北宫门站盾构区间平面布置图

F i g .7　P l a no f s h i e l d -b o r e ds e c t i o n b e t w e e nY i h e y u a ns t a t i o na n dB e i g o n g m e n s t a t i o n o nb i ds e c t i o n N o .20o f M 4L i n e o f B e i j i n g M e t r o

381

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

区间穿越工程地质多为粉质黏土、粉砂土及粉土,

局部穿越风化岩石(岩石最高单轴抗压强度为76M P a

左右),个别部位还有砂卵石层侵入隧道断面。

2006年4月1日盾构机掘进至颐和园—北宫门区间盾构左线第598环(K 26+073.75)和第632环(K 26+114.55)处发现硬岩,刀具磨损严重。详见图8。

(a )结核体(石英含量高

)

(b )遇硬岩刀具磨损严重

图8北京地铁M 4线20标颐和园站—北宫门站盾构掘进遇硬岩情况

F i g .8　H a r dr o c ke n c o u n t e r e dd u r i n gs h i e l db o r i n g b e t w e e nY i -h e y u a ns t a t i o na n d B e i g o n g m e n s t a t i o n o nb i ds e c t i o n N o .20o f M 4L i n e o f B e i j i n g M e t r o

北京站到北京西站地下直径线工程盾构在2008年10月29日完成66m 的掘进后在K 6+718处故障停机,经检查发现3、6号保险轴断裂,8号保险轴有裂纹,后予更换。带压进仓人员通过手掌触探及工具检查,发现掌子面地层主要由砂卵石构成,土体结构密实,胶结强度高,自稳性好,后又2次带压开仓检查了开挖仓上部及开挖仓下部,未发现任何异物存在,刀具磨损较严重,七成以上的切刀都存在不同程度的崩齿、磨损,周刮刀及撒裂刀磨损、崩齿现象也非常普遍。从开仓检查及对液压、电气各系统检查、地勘资料的核

实,初步分析造成盾构设备故障、刀具严重磨损的主要原因是由于隧道穿越的地层较原地勘资料变化较大,

呈现为致密的卵石层,使得重型撕裂刀无法松动土层,形成实际上利用切刀松动土体,大部分刀齿受卵石碰撞而崩裂;周边刮刀由刀齿切削地层改为刀座切削地层,刀盘扭矩增大,进一步加剧刀具磨损,增大了掘进扭矩。基于上述情况,施工单位会同业主、盾构机制造厂及有关专家进行研究,决定对盾构机进行改造,以适应工程地层条件,现盾构掘进已进入正常。刀具损坏情况见图9、10、11。

4.1.2　地质预测预报准确性风险对策

1)工程施工前,通过补充地质钻孔和回声测深仪,进一步查清隧道的地质条件和覆土厚度,为盾构机选型、盾构掘进参数的选取及制定相应的辅助措施提供第一手准确资料。

2)盾构机本身具有超前地质钻机及超声波等超前地质探测装置,在施工中进一步对工作面前方地层进行探明,以便早发现、早处理

。

图9崩齿的切刀

F i g .9　D a m a g e dc u t t i n gt o o

l

图10

上部胶结致密的卵石层及撕裂刀崩齿

F i g .10　C o m p a c t c o b b l e l a y e r s a n dd a m a g e dr i p p e r t o o t h

382

　隧道建设 第

29卷　

图11

磨损的撕裂刀

F i g .11　Wo r nr i p p e r t o o t h

4.2　盾构机适应性和可靠性风险及对策4.2.1　盾构机适应性和可靠性风险

盾构机的选择及其施工的可靠性,包括保持开挖

面的稳定、切削刀盘的种类、出土方式、主轴的扭矩、推进能力以及最为关键的盾构机械的密封性能等方面,均应紧密结合工程地质、水文地质等条件认真研究,对选用的盾构机进行详细的比较。盾构机选用正确与否关系到工程成败。

例如:上海合流污水治理9.1标排放口隧道发生的左线隧道断裂、沉陷事故,除了全断面流砂和局部沼气包突然释放等原因之外,选用的小刀盘搅削拖板式前进盾构机机型不对,也是其中的主要原因。该工程选用的盾构机刀盘见图12

。

图12小刀盘搅削拖板式前进盾构机

F i g .12　S h i e l dm a c h i n eu s e df o r b i ds e c t i o nN o .9.1o f s e w a g e

t r e a t m e n t p r o j e c t i nS h a n g h a i

4.2.2　盾构机适应性和可靠性(即盾构选型)风险对策

1)要认真研究工程地质和水文地质条件,根据拟

建工程特点,明确工程施工对盾构机性能和功能的要求,盾构机必须有应付突发事故的设备配置。

2)保证盾构机推进不出现无法现场维修更换的机械故障,要求盾构机主要部件原材料性能优良,无损伤。大轴承在长时间挤压力和扭转力矩负荷的作用下,应基本不变形、无磨损。广州地铁施工,日本产的二手盾构机推进地铁区间隧道时曾发生大轴承断裂,这种事故如果发生在城市中心区交通干道或水下隧道中,则将造成不可弥补的损失。因此,要求盾构大轴承使用周期超过15000h ,液压推进系统品质优良,应具有如下性质:①不可压缩性;②足够的黏性;③物理化

学性能稳定;④可防锈防腐蚀;⑤润滑性能良好;⑥密封性能好;⑦可将水、灰尘等不溶性不纯物分离;⑧千斤顶重量轻,耐压性能好,易于维护更换。

3)配置耐磨性的盘刀和滚刀,防止砂砾复杂地质条件下刀具快速磨损,刀具易于在常压或局部气压下更换。盾构机必须具有满足人员带压进仓的保压装置。

4)测定工作面水土压力传感器及超前地震波探测系统,元件要可靠,能经受振动、潮湿、污染等恶劣条件而不损失其性能。地震探测系统随时向盾构机操作者提供切土刀盘前方20～30m 实时三维反射图像,超声波可以自动检测显示碎石渣,金属废弃物对切土刀盘和盾壳的磨损。

5)视工程具体情况盾构机必须配备多功能超前钻机,可实现全断面帷幕注浆。4.3　盾构进出洞施工风险及对策4.3.1　盾构进出洞施工风险

国内盾构施工经验表明:盾构进出洞安全是盾构法隧道施工的一个重要环节。目前国内盾构法隧道多起事故均发生在盾构进出洞上,主要包括:盾构进出洞端头地层的加固方案、加固范围等,盾构进出洞盾构姿态的控制、良好的土压或泥水平衡的尽快建立等。选择合理可靠的端头地层加固方案、良好可靠的密封止水装置对盾构安全进出洞至关重要。

上海延安东路南线隧道出洞段覆土为6m ,采用深层搅拌桩加固,盾构出洞后发生严重泥水冒浆和加固土体堵塞泥水管道现象,引起掘进施工困难,土体严重坍方,拖延施工期。南京地铁一期工程、深圳地铁一期工程等都先后发生盾构进出洞地面塌陷或盾构上浮

的事故。广州地铁四号线大学城专线某盾构区间,因

端头地层加固缺陷,导致盾构出洞时工作面出现大面积坍方,影响工期近1个月。4.3.2　盾构进出洞施工风险对策

1)认真研究盾构进出洞端头地层条件,借鉴类似工程盾构端头地层加固经验,制定出安全可靠的地层

383

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

加固方案。根据有关工程经验,盾机进出洞端头地层加固长度宜不小于盾构机的长度。

2)洞口打开前,必须对地层的加固效果进行检验,只有符合规定后才能打开。

3)在进行始发台、反力架和首环负环管片的定位时,要严格控制始发台、反力架和负环的安装精度,确保盾构始发姿态与设计线路基本重合。

4)第一环负环管片定位时,管片的后端面应与线路中线垂直,负环管片轴线与线路的切线重合。

5)出洞前应在基座轨道上涂抹油脂,减少盾构推进阻力;在刀头和帘布橡胶板上涂抹油脂,避免推进时刀头损坏洞门帘布橡胶板。

6)在始发阶段,由于盾构机推力较小、地层较软,而盾构始发基座相对不会沉降变形,要特别注意防止盾构机低头。由于盾构与地层间无摩擦力,盾构易旋转,宜加强盾构姿态测量,如发现盾构有较大转角,可以采用刀盘正反转的措施进行调整。始发掘进速度宜缓慢,尽量减少对土体的扰动。

7)在始发阶段由于设备处于磨合阶段,要注意推力、扭矩的控制,同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力以下,同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩。

4.4　开挖面失稳及对策

4.4.1　开挖面失稳

可能造成开挖面失稳的风险因素是开挖中前方遭遇流沙或发生管涌,盾构机将发生磕头或突沉;开挖中前方地层出现空洞,导致盾构机轴线偏移、沉陷以及隧道塌方冒顶;盾构机推进过程中,出现超浅覆土,则导致冒顶;盾构推进中突然遇到涌水,导致盾构机正面发生大面积塌方;由于泥浆性能较差,不能保证开挖面土体稳定,致使地表产生过大变形。

4.4.2　开挖面失稳对策

1)控制推进速度和泥渣排土量及新鲜泥浆补给量。

2)超浅覆土段,一旦出现冒顶、冒浆随时开启气压平衡系统。

3)利用探测装置进行土体崩塌检查。为保证开挖面的稳定,施工中要利用安装在盾构顶部的探测装置定期进行检查,判断盾构前上方的土体有无松动。一般要求检查频率为2～3次/d,并做好探测记录。

4)地表沉降与信息反馈。地表沉降是反映盾构正面稳定的一个方面,跟踪测量因盾构掘进而引起的地表沉降情况。一般每天需对盾构前10～20m、盾构后30～50m轴线区域内的各沉降点进行监测。开挖面不稳定而产生的地表沉降往往发生在盾构切口前方,这时应检查泥水质量及切口水压。

5)开挖面水压信号检查。在检查开挖面水压时,应注意检查开挖面水压信号传感器,有时会因管路堵塞而影响正常的数据采集。

4.5　盾尾密封失效及对策

4.5.1　盾尾密封失效

盾尾密封主要是防止地下水、泥水和壁后注浆浆液渗入盾壳后部,确保开挖面的稳定和盾构的正常掘进。由于盾尾密封装置随盾构机移动而向前滑动,当其配置不合理或受力后被磨损和撕拉损坏时,就会使密封失效,隧道涌水涌泥,从而造成开挖面失稳引起严重后果,因此,盾尾密封装置的耐久性、密封性能以及能安全方便地更换是盾构施工中一个特殊而重要的问题。

4.5.2　盾尾密封失效对策

1)经常向密封刷注油脂。

2)避免同步注浆浆液对钢丝刷的损害。

3)具备气压保护下更换维修盾尾密封系统。

4)管片应居中拼装,以防盾构与管片之间建筑空隙一边过分增大、一边过分减少,从而可能降低盾尾密封效果。

5)严格按地下工程防水施工验收规范标准要求施工。

6)及时对接缝嵌缝,封堵手孔。

7)针对漏水、渗水、漏泥浆部位集中压注盾尾油脂。

8)配制初凝时间较短的双液浆进行壁后注浆,压浆部位在盾尾后5～10环。

9)对发生漏水、渗水、漏泥浆部位进行注浆堵漏达到允许标准,防止由此引起不均匀沉降。

4.6　软硬不均且差异性较大地层施工及对策

4.6.1　软硬不均且差异性较大地层施工

开挖断面地层均一性差,对盾构掘进方向的控制、掘进速度及盾构刀具的合理配置有一定的难度,从而使盾构在该地层掘进产生一定的风险。

掘进中地层的多变性严重地影响机器的掘进速度和刀头的寿命。推力沿每环的变化,可以看到由土层到风化岩层变化时,推力在发生巨大瞬间变化。韩国B u s a n地铁在S o o y o u n g河下掘进,遇到盾构上半部介质为粉质黏土、砂,下半部为风化岩石的混合地层。从测试的总推力看,在完全土层中几乎在10M N左右,而在混合的地层中推力在20M N左右,几乎增加了1倍。由于地层介质的变化,使得刀头每间隔一定距离由于高度磨损变平需要更换。磨损的刀盘会引起机头(c u t t e r h e a d)因扭矩的增加而停止。工程表明机头由于刀盘磨损其扭矩由200左右增加到400,几乎增加

384　隧道建设 第29卷　

了1倍。在高硬度岩石中,特别是在混合介质情况下,刀头(d i s k c u t t e r)磨损更加严重甚至磨成平的。

研究表明:当刀头在瞬间载荷作用下可以达到平均载荷的10倍左右,也许会产生“冻结承载”(f r o z e n b e a r i n g),引起停止旋转。

深圳地铁一期工程2B标段盾构工程(福民站—会展中心站)右线区间盾构推进过程中,其地层上软下硬,盾构刀具磨损严重,先后9次开仓换刀,至盾构到达接受井后,刀盘已严重磨损,无法修复。

4.6.2　软硬不均且差异性较大地层施工对策

1)对工作面前方地层情况进行探测,及时了解前方岩层分布情况,从而设置合理的盾构推进方案。

2)通过对复合式盾构机滚刀、齿刀互换组合不同的刀具配置形式,以满足该地层的掘进要求。

3)根据地质勘察资料及所收集的掘进参数,选择合理的掘进参数进行施工。

4)对应于围岩软硬部位控制盾构机各组油缸推力,采用硬岩区油缸推力大于软岩区油缸推力进行试推,同时测量相应的偏转量,以调整推进油缸的油压差,直到效果最佳。

5)针对软硬地层差异调节同步注浆对应的注浆压力,使管片获得平衡的支撑,防止管片位移变形。

6)加强人工测量,检核激光自动导向系统,盾构机姿态控制及隧道线型控制;使盾构机轴线、管片成型轴线偏差控制在隧道设计轴线允许偏差范围内。

4.7　较大的地层损失及不均匀沉降及对策

4.7.1　较大的地层损失及不均匀沉降

盾构在粉质黏土和粉细砂层等软弱地层中掘进,由于对同步注浆压力等参数控制不良或盾尾密封处理不当就有可能产生较大的地层损失以及不均匀沉降。

例如:上海延安东路隧道南线隧道部分,开始时使用日方提供的浆液配合比配置浆液进行注浆,由于浆液配比不合适,隧道轴线上方的地面沉降量相当大,平均每环的当前沉降量达到50m m左右,最大的甚至超过100m m。

广州地铁一号线黄沙站—公园前站共4个区间隧道采用2台泥水加压盾构施工:2台盾构均从黄沙始发井出发,1#盾构施工左线,2#盾构施工右线但比1#盾构晚2个月出发,2台盾构均穿过中间车站长寿路站、陈家祠站、西门口站、最后到达公园前站两端的拆卸井拆卸吊出。黄沙—陈家祠区段主要为砂层,隧道主要通过饱和砂层,部分地段通过软土层,工程地质条件差;陈家祠—西门口站区间隧道主要通过残积土层和基岩强风化带,部分地段通过中等风化带,地质构造较复杂;西门口—公园前站区间隧道主要通过基岩强风化带,部分地段洞顶通过残积土层。2#盾构机掘进至华贵路130#房下面时,地面沉降增大,导致130#和132#2幢3层砖木房倒塌。

这次事故有2方面的原因。客观原因是此处的地质条件复杂———隧道穿过的断面基本上是砂、黏土和强风化岩层各占1/3,此处的黏土不是普通黏土,而是泥质粉砂岩、含砾砂岩的风化残积土,硬塑,手捏不动,此种黏土易堵塞刀盘面板进土口、排泥管出口和排泥泵之前的过滤箱,致使切削仓内泥水压力忽高忽低、泥压传感器失灵并降低掘进速度,引发隧道上部断面的粗、砾砂超量进入切削仓,积少成多,量变到质变,酿成坍房事故。主观原因在于施工人员思想麻痹和操作不当:事故发生前,1#盾构机刚刚顺利穿越类似地层,致使从上到下思想放松,异常情况发生时,操作人员应对不当,如堵管处理不及时、频繁关停盾构机、时常空转以及接管、修泵时切削面压力维持不好等。

4.7.2　较大的地层损失及不均匀沉降施工对策

1)在盾构机试掘进段,通过信息化施工积累盾构机掘进参数,使盾构机正常掘进时掘进参数达到最优化,并通过信息反馈对盾构泥水仓压力进行调整。

2)加强盾构设备的保养与维修,避免盾构发生故障。

3)严格盾构纠偏量等姿态控制,使盾构均衡匀速施工,减少泥水压力波动对地层的影响。

4)通过同步注浆及时充填盾尾建筑空隙,严格同步注浆量、注浆压力和注浆质量的控制,减少施工过程土体变形。

5)根据地表的变形情况和监测结果及时通过管片预留注浆孔进行二次注浆。

6)若地面沉降过大,二次注浆改为双液浆。

7)做好盾尾油脂的压注,确保盾尾密封效果。

8)制定监控量测方案,施工中加强对周围道路、管线和临近建筑物的监测,并及时反馈信息,据此调整和优化施工技术参数,做到信息化施工。

9)事先在需要保护的关键建筑物四周布置跟踪注浆监测孔,盾构穿越时根据监控量测结果,必要时通过跟踪注浆孔进行跟踪注浆。

4.8　开挖面有障碍物及对策

4.8.1　开挖面有障碍物

由于地下工程地质条件的复杂性以及地质勘探的局限性,隧道穿越的地层不可能一一查明,盾构推进工作面前方可能会出现各类障碍物,如废弃钢筋混凝土桩、旧桥台、人防工事等,造成盾构机较大破损甚至无法正常推进。

例如:南京地铁一期工程T A15标盾构许府巷—玄武门区间在推进过程中,发现了未经探明的废弃的房屋基础桩,对盾构机刀具造成一定的损害。

385

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

4.8.2　开挖面有障碍物的施工对策

1)对开挖面前方20m实行超声波障碍物探测,及时查出大石块、废桩等;附设从密封舱隔板中向工作面延伸的钻机,对障碍物破除。

2)设气压进出闸门,局部气压下进入密封舱排障,对刀盘维修。

3)设置石块破碎机,将块石破碎到粒径10m m以下,以便泥浆泵排出。渣土分离排放系统满足泥水处理及环保要求。

4.9　隧道上浮及对策

4.9.1　隧道上浮

泥水盾构在建立泥水压力开始正常掘进时,具有一定压力的泥水会从开挖面沿着盾壳窜至盾尾,甚至窜到已建成的隧道衬砌外。实际施工发现,泥水会从开挖面沿着盾壳窜至盾尾后约30m处,已建成的隧道就会处于泥水的包裹中而产生上浮的风险,同时,浆液参数及配比的适应与否,也会是盾构隧道产生上浮的风险。

上海延安东路隧道南线隧道部分,开始时使用日方提供的浆液配合比配置浆液进行注浆,虽然每环壁后注浆量为建筑空隙的100%～250%,已建隧道的轴线上浮量达到80m m,后经对浆液配比进行调整,隧道才不再上浮;上海大连路隧道为防止隧道上浮,曾每隔10m在隧道外周利用双液浆打环箍;南京地铁一期工程某盾构隧道也曾因注浆而使隧道不同程度的有3～5c m的上浮。

4.9.2　防止隧道上浮对策

1)施工期间严格控制隧道轴线,使盾构尽量沿着设计轴线推进,每环均匀纠偏,减少对土体的扰动。

2)同步注浆采用水硬性浆,注入量一般为盾构和管片外径之间建筑空隙的200%～250%,实际注入量要根据施工过程中地表沉降观测的监测资料进行调整,同步注浆的注入速度必须与盾构的实际掘进速度相匹配,避免注入过多导致浆液前窜或地面隆起,或注入量过少导致泥水后窜,隧道上浮甚至地面产生沉降。

3)为防止正面泥水后窜至盾尾,造成成环隧道上浮,应每隔10m在隧道外周利用双液浆打环箍,必要时采用聚氨酯浆液。

4)当发现隧道上浮量较大,且波及范围较远时应立即采取对已建隧道进行补压浆措施,割断泥水继续流失的途径。补压浆要均匀,压浆后浆液成环状,补压浆采用双液浆与聚氨酯浆液相结合的注浆方法,注浆范围为5～10环。

5)加强隧道纵向变形的监测,并根据监测的结果进行针对性的注浆纠正,如调整注浆部位及注浆量,配置快凝及提高早期强度的浆液。

6)为正确观测隧道纵向变形,消除潮汐对隧道的影响,正确判断隧道是否稳定,采用连通管进行纵向变形监测。

4.10　联络通道施工及对策

4.10.1　联络通道施工

隧道联络通道施工选择合理的地层加固方案和施工方案,意义重大,稍有不慎,就有可能酿成严重后果。上海轨道交通四号线联络通道事故有着深刻的教训。

2003年7月1日轨道交通4号线(浦东南路至南浦大桥)区间隧道浦西联络通道发现渗水,随后出现大量流沙涌入,致使地面发生沉降,引起隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降,造成3幢楼房严重倾斜、下沉,直接经济损失约为1.5亿元。由于报警及时,所有人员都已提前撤出,因而无人员伤亡。图13为事故发生时的地面情况

。

图13上海轨道交通四号线联络通道事故发生时地面情况

F i g.13　P i c t u r e o f a c c i d e n t o c c u r r i n g d u r i n g c o n s t r u c t i o no f c o n-

n e c t i o n t u n n e l o nN o.4L i n e o f S h a n g h a i M R Ts y s t e m 4.10.2　联络通道施工风险对策

1)根据联络通道所处地层的特性及水文地质条件,宜采用冻结法或注浆法加固地层,在确保加固效果良好的前提下,打开管片进行联络通道施工。

2)加强施工管理,严格按照冻结法或注浆加固地层的程序进行施工,在保证强度的情况下才能进行

386　隧道建设 第29卷　

开挖。

3)在旁通道两侧设置防护门,一旦出现管涌,及时用砂袋等进行封堵,如封堵无效,封闭防护门,并对内注水或注浆充填,避免更大事故的发生。

4)为减小冻胀对隧道及地层的影响,在对侧隧道管片内侧敷设冷冻管和保温层,减小冻结孔与对侧隧道管片的距离;并采用小开孔距、较低盐水温度、较大盐水流量等措施,以加快冻结速度,并在适当部位布设卸压孔,以减小土层冻胀对隧道的影响。

5)通过测温孔和泄压孔,监测冻土帷幕的形成过程和形成状况,特别监测冻土帷幕与对面隧道管片的胶结情况。

6)根据联络通道冻结孔施工的成功经验,用金刚石取芯钻开孔,跟管钻进法下冻结管。冻结孔开孔前,在布孔范围内打若干小孔径钻孔,探测地层稳定情况;如发现有严重漏水冒砂现象,先进行水泥-水玻璃双液壁后注浆或采用化学浆液,以提高孔口附近地层稳定性,然后再钻进冻结孔。

7)加强冻结过程检测。在冻土帷幕内布置测温孔和压力释放的观测孔,以便正确判断冻土帷幕是否交圈和测定冻土帷幕厚度。对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个冻土帷幕安全的关键,为此,在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周安装测温孔,以全面监测冻土帷幕的形成过程。

8)由于联络通道的开挖和支护施工时间很短,比冻土帷幕的化冻时间要短得多,根据矿山井筒冻结工程实践,偶然停冻对开挖安全不会产生大的影响;但是,为了进一步提高施工安全性,还将采取以下措施:①选用可靠的冻结施工机械;②安装足够的备用设备;

③加强停冻时的冻土帷幕监测;④尽快施工衬砌,必要时用堆土法密闭开挖工作面。

9)在整个施工过程中,严密监测隧道变形,确保隧道安全。在冻土帷幕关键部位,多布置测温孔,监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。

10)为尽快消除融沉对横通道结构影响,可利用冻结孔对称间隔人工解冻,有序分批进行,在解冻区进行注浆。解冻和注浆过程中,不间断检测通道及地表变形情况。

4.11　盾构始发和接收井明挖基坑失稳的风险及对策4.11.1　明挖基坑失稳的风险

基坑稳定性破坏往往具有突发性、灾难性的特点,且难以补救。基坑失稳的主要形式有:整体失稳破坏、承载力不足导致的破坏、基底滑动破坏、基底潜蚀与管涌、渗流、支挡结构破坏、被动土压区被动土压力丧失等。在施工过程中发生事故的主要原因有:一是施工方法不当,二是施工质量欠佳,三是对施工风险认识不足。

4.11.2　明挖基坑失稳的风险对策

1)做好基坑降水

降水施工应遵循:围护结构施工先行完成后再降水,降水随开挖区域安排分区进行,降深随开挖深度分段到位。

加强降水管理。井点的抽水工作安排专门班组负责,昼夜值班,确保降水工作的持续进行。

2)土方开挖与支护措施

当基坑开挖前的准备工作已经就绪,地下连续墙混凝土已经达到要求强度,基坑土体加固,降水已经达到预期效果,基坑才可正式按照施工设计开挖。

在开挖过程中严格按照“时空效应”理论,掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”5个要点,遵循“竖向分层、纵向分区分段、先支后挖”的施工原则。

钢管横撑的设置时间必须严格按设计工况条件掌握,土方开挖时应分段分层,严格控制安装横撑所需的基坑开挖深度。

所有支撑连接处,均应垫紧贴密,防止钢管支撑偏心受压。

端头斜撑处钢围囹及斜撑支座,必须严格按设计尺寸和角度加工焊接、安装,保证支撑为轴心受力。 内支撑体系的拆除:拆除时应避免瞬间预加应力释放过大而导致结构局部变形、开裂;利用主体结构换撑时,主体结构的楼板或底板混凝土强度应达到设计强度。

基坑开挖过程中要防止挖土机械碰撞支撑体系,特别是竖向支撑,以防支撑失稳,造成事故。

施工时加强监测,对基坑回弹导致竖向支撑位移而产生的横向支撑竖向挠曲变形在接近允许值时,必须及时松弛横梁,释放横向支撑的竖向应力,保证钢支撑受力稳定,确保基坑安全。

圈梁施工时预埋铁环,第一道支撑架设完成后用钢丝绳将其端部与预埋铁环连接,防止第一道钢支撑移动脱落。

3)基坑开挖过程中地连墙或钻孔灌注桩围护结构渗漏处理措施

在基坑开挖过程中,若发现地连墙、钻孔灌注桩围护结构以及其接缝处有渗漏水现象,要及时进行封堵,具体方法可根据渗漏情况采用不同方法进行处理。

对渗漏较为严重,出现线流甚至夹砂等现象的,可以在地连墙或钻孔灌注桩围护结构渗水处的基坑外侧即迎土面采用压密注浆(双液注浆)进行堵漏,在地墙外侧形成一道止水帷幕;同时基坑内侧对渗漏处可采用引流措施,并涂刷聚合物或水泥基渗透结晶防水涂料。

387

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

对于轻微渗漏水的,则可采取直接在基坑内渗漏

处进行引流、压注化学浆液如聚氨脂等进行防渗堵漏。

4)加强监控量测,实现信息化施工

施工过程中应建立严格的监测网,对施工全过程进行监测监控,以达到确保安全、指导施工、积累资料、改进设计的目的。

施工监测项目包括:围护结构水平位移、顶部沉降、坑周地表沉降、地下水位、钢支撑轴力、立柱隆沉、周围建筑物沉降和倾斜、周围地下管线位移、地下墙内力、坑外土压力等。发现情况异常,及时报警,据此采取相应施工措施如复加轴力、跟踪注浆等,施工过程实现信息化施工管理,确保基坑的稳定与安全。

5国内盾构隧道施工事故案例

5.1　上海5.1.1上海地基土层概述

上海地处长江三角洲冲积平原,第四纪松散堆积物厚达300m 左右。75m 以上浅土层有3个海相软土层,含水量高、孔隙比大、压缩性高。上海地区地下水埋深在1m 范围内,微承压含水层承压水头一般距地表3～6m ,深层承压水头一般距地表6～11m ,深可达25m 左右。5.1.2地下工程施工

1)施工时盾构一般在深度10～25m 间掘进。该深度范围土层属高塑性、高灵敏度的饱和软土,蠕变量大,易产生流砂、管涌、坍塌等地质灾害。

2)车站底板埋深约在13～18m ,个别车站埋深达30m ,基坑支护支撑十分重要。

5.1.3

事故案例分析

5.1.3.1上海轨道交通4号线事故情况

2003年7月1日凌晨,上海轨道交通4号线在越江隧道区间连接上下行线的安全联络通道施工作业面内(7-1层粉性土、粉砂),因大量水及流砂涌入,引起坍塌事故。造成:3栋建筑物严重倾斜黄浦江防汛防汛墙局部围堰塌陷并引起管涌,由于报警及时,没有造成伤亡;直接经济损失初步估算为1.5亿元,原地修复需要7亿元。图14表示事故发生地理位置。图15为事故情况示意图。5.1.3.2

事故原因分析

1)设计因素。调整后的冻结方案降低要求:降低了对冻土平均温度的要求,从原方案的-10℃减少到-8℃;旁通道处垂直冻结管数量减少,从原方案的24根减少到22根;原先为25m 深的7根垂直冻结管,其中4根被缩短到14.25m ,3根被缩短到16m ,造成旁通道与下行线隧道腰线以下交汇部冻土薄弱,导致冻结效果不足以抵御相应部位的水土压力。

这份未按程序审定、存在诸多缺陷的方案调整,增加了事故发生的必然性。施工方案决策欠慎重,施工组织设计不周全,对施工中各种工况下冻土结构的受力分析和计算不完善。

2)施工因素。2003年6月28日上午隧道下行线小型制冷机发生故障,停止供冷7.5h (只有1台制冷机)。施工人员在下行线隧道内安装水文观测孔,发现一直有压力水漏出,尽管采取了用木板封堵掘进面等一定措施,但效果不佳

。

图14上海市轨道交通明珠线二期工程线路示意图

F i g .14　R o u t e o f s e c o n d p h a s e p r o j e c t o f M i n g z h uL i n e o f S h a n g h a i M R Ts y s t e m

388

　隧道建设 第

29卷　

图15上海轨道交通4号线事故情况示意图

F i g.15　S i t u a t i o no f a c c i d e n t o c c u r r i n g d u r i n gc o n s t r u c t i o no f N o.4L i n e o f S h a n g h a i M R Ts y s t e m

29日凌晨,水阀处测出的水压接近外部第七层承压水水压。险情初露征兆,但现场没有任何人将这一情况向总承包及监理公司汇报,导致险情逐步加剧。

在此危险情况下,7月1日零时许,中煤上海分公司项目某经理在明知通道冻土结构存在严重隐患、工程已停工的情况下,竟擅自指挥当班班长,执意安排施工人员拆除冻土前掘进面部分封板,用风镐凿出直径0.2m的孔洞,准备安装混凝土输送管。但水砂从此孔洞及掘进面的右下角和侧墙不断涌出,以致封堵无效,最终酿成事故。

3)管理因素。虽然新的冻结方案经过施工方总工程师批准,但没有按程序规定,正式送交工程总承包方审批、工程监理公司审定;而作为总承包公司和监理公司,有关当事人明知施工方案被调整,却没有履行职责要求施工方报送调整后的施工方案,更没有编制相应调整的施工组织设计。总包单位现场管理失控,监理单位现场监理失职。

图16为事故造成的地面危害情况照片。5.2广州

5.2.1地形地貌

广州地处珠江三角洲冲积平原,以稠密的河网与平原中的残丘为主。

5.2.2工程地质

广州地质构造复杂,岩层较为破碎,断层较多。各类基岩自稳性较强,但强风化岩带和破碎带强度降低,自稳性较差。地表主要为残积土层、冲洪积粉土、粉质黏土及淤泥质砂土等,呈流塑—软塑状,砂层和淤泥层自稳能力低,为不良地层。

5.2.3地质灾害

易产生隧道塌方、突水、突泥、涌砂,基坑边坡失稳和突涌。

5.2.4工程施工

广州珠江三角洲软土和硬土混杂,施工技术从软土层施工到硬岩层施工再到软硬间杂土层施工,使用复合地质的土压平衡盾构机及矿山法结合施工。

389

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

图16上海轨道交通4号线事故造成的地面危害情况照片

F i g.16　P i c t u r e s o f g r o u n dd a m a g e c a u s e db ya c c i d e n t o c c u r r i n g

d u r i n g c o n s t r u c t i o n o f N o.4L i n eo f S h a n g h a i M R Ts y s-

t e m

5.2.5事故案例分析

5.2.5.1盾构施工中开挖面的失稳

广州地铁三号线某平行双洞盾构隧道区间,隧道内径5.4m,采用2台土压平衡式盾构机分左右线掘进施工,隧道衬砌采用直径6m的预制钢筋混凝土管片。隧道最小覆土厚度6m,最大覆土厚度27m。区间地质情况:人工填土、淤泥质土、粉质黏土、淤泥质黏土、泥质砂岩。左线盾构机掘进到180环,掘进速度极其缓慢,基本保持2～8m m/m i n,出土量非常大,3d完成该环推进后发生地表塌陷,沉陷范围大约为长5m,宽5m,深0.6m。尽管盾构机推进速度非常缓慢,但盾构机刀盘仍然处于转动状态,刀盘扭矩没有减小,而且千斤顶推力在180环推进中明显偏大。盾构推进参数见表1。该隧道纵断面示意见图17。

事故发生后,对开挖面前方3m进行地层补充钻探,钻孔芯样及初探地质报告表明隧道拱顶以上覆土情况:<1>地表土(1.0～1.5m),<2>淤泥或淤泥质土、砂层(1.0～3.0m),<3-2>冲-洪积中、细含水砂层(4.0～8.0m),<6>全风化泥岩层(1.0m);隧道上覆土缺失<4>黏土隔水层、<5>残积黏土隔水层。根据现场渣土土质分析,含砂量已经达到47%以上,推测盾构机已经在砂层、全风化泥岩及强风化泥岩多层地基中掘进。

表1　盾构掘进参数

T a b l e1　S h i e l db o r i n g p a r a m e t e r s

环号

千斤顶

推力/k N

刀盘扭矩/

(k N·m)

刀盘转速/

(r/m i n)

掘进速度/

(m m/m i n) 175114522411.395

1761100824251.4412

1771057721561.396

178958629261.4222

179987825841.456

1801312024271.36

3

图17广州地铁三号线某盾构隧道纵断面示意图

F i g.17　P r o f i l e o f a s h i e l d-b o r e dt u n n e l o n N o.3L i n e o f

G u a n g z h o uM e t r o

通过数值计算,开挖面发生坍塌原因归结为:①开

挖面上部软土地层受到开挖面支护压力不足是发生开

挖面失稳的主要原因;②由推进速度及千斤顶推力可

知,开挖面底部硬质土层为开挖带来困难,导致盾构机

掘进速度缓慢,为局部失稳地层变形的不断发展创造

了条件。

5.2.5.2泥水式盾构刀盘开裂和解体事故

1)事故概况

盾构机依靠刀盘开挖土体,刀盘失效将导致盾

构工程陷于停顿,因此,盾构制造商都会将刀盘设计390　隧道建设 第29卷　

成盾构机上结构刚度最强的构件。尽管施工中的刀盘磨损事故偶有发生,但在江底施工的盾构刀盘严重损坏却未见文献记载。2005年,广州某盾构工程(以下简称A 工程)正在珠江底施工的2台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故,其中1个刀盘近1/3结构性解体———1根辐条及其旁边的2块辐板折断并脱落。

A 工程为平行双隧道工程,分为A 1、A 2两个区间,两次过珠江水系平面图见图18。该工程采用2台泥水盾构(分别为T l 和T 2号),两机基本相同进行施工。刀盘形状为轮辐挡板平面直角式,采用中间式支撑(大齿轮外直径约为3.15m ),6个支撑腿(牛腿),外径6280m m ,厚493m m ,开口率26%,全重约28t 。该刀盘的特点是:中间4个较大开口,最大尺寸为450m m×700m m ;刀盘周边设置3个大型的搅动棒;刀具分为先行刀和齿刀。先行刀按照高度分为140m m 和90m m 2个层次,齿刀高60m m

。

图18

工程平面图

F i g .18　P l a n o f t u n n e l w o r k s

T 2号盾构刀盘解体事故发生于南珠江主航道底下,刀盘里程11+877.739。该处隧道拱顶埋深13m ,水深8～9.5m ,属侵蚀河谷地貌。隧道通过地段为<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩,局部为<6>全风化层。<8>岩层极限抗压强度不超过30M P a ,岩面裂隙发育但整体仍算完整,无断裂破碎构造。隧道上覆地层为<4-1>硬塑粉质黏土、<3-2>饱和中粗砂及<2-2>淤泥质沙。砂层富水性强,基岩裂隙水与江水联系较密切。事故处地质剖面见图19。

2005年5月31日,T 1号盾构顺利贯通累计3000m 的隧道;T 2号盾构还剩390m ,此时正处于珠江主航道底。当日夜班,刀盘扭矩突然攀升并造成机器自锁,操控人员反复正反转动刀盘未果,在反复启动过程中听到土仓内有异响。

进入土仓(进仓)直接观察刀盘本体是最直接的故障判断方法,但珠江下开挖面不稳定时此举具有安全风险。也可首先在不开仓情况下通过尝试转动刀盘进行判断,但转动刀盘可能会进一步损坏刀盘。既要控制风险,防止进一步损坏机器,又要有效判断和处置,对此,一般程序为:先进行机内判断,如未果,再实

施高风险的入仓作业。刀盘无法转动的原因可分为内因(表2中的1)和外因(表2中的2～6):内因即驱动系统故障;外因为硬物卡死刀盘。事故原因须用排除

法逐一推断

。

图19事故处地质剖面简图

F i g .19

G e o l o g i c a l p r o f i l e o f a c c i d e n t -o c c u r r i n g a r e a

为判断原因6,盾构机制造厂商退后盾构30c m ,尝试正反转动刀盘。此时站在齿轮仓后聆听的盾构机厂商工程师发现:异响声音低沉,且发声位随刀盘

旋转而变化。为此初步断定事故为钻杆所致。但很快由地质报告发现,被怀疑的钻孔取芯完整,故钻杆导致故障的可能性排除。最后的怀疑点就是刀盘自身发生问题并卡死。对此有2种处理方法:①保守法,用刀盘左右旋转将障碍物破坏;②积极法,开仓探明情况,人工清除障碍物。考虑江底开仓的风险,先实施保守法。反复尝试过程中,刀盘可旋转范围在扩大。这种尝试持续了近12h ,直至排土中发现一把完整的齿刀(连同刀座一起)。再结合排浆中发现大量类似被刨下的铁屑,故判断刀盘结构出现严重问题。然后,在确认开挖面稳定前提下,立即实施开仓作业。

开仓检查发现:盾构刀盘4号与6号辐条之间除牛腿外其余部分几乎全部缺失,土仓内堆积了大量刀盘构件残骸;土仓胴体变形外卷:10～2点范围最大变形达10c m ,8～10点位置外卷达到12c m ,6点位置外卷达到4.5c m 。几乎同时,刚刚完成掘进的T 1号机也被发现刀盘边缘多处出现贯穿裂缝,T 1刀盘接近解体状态。2台盾构类似的问题使事故原因明朗化,即刀盘首先在边缘开裂并变形直至解体,最终刀盘被解体的构件卡死。图20为T 2刀盘解体概况。图21为T 1刀盘开裂及变形情况。

391

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

表2　刀盘无法转动故障判断推理表

T a b l e2　R e a s o n i n g f o r c u t t e r h e a d b l o c k i n g

序号可能原因 推理判断判断结果

1　驱动系统问题　该盾构为液压驱动,初步推断可能是油马达的齿牙脱落卡死大齿圈。如广州地铁1号线

采用内齿圈大齿轮的土压盾构,在工程最后阶段油马达齿牙脱落并卡死大齿圈。T2号盾

构为外齿圈大齿轮,油马达齿轮牙脱落后卡死大齿轮圈的可能性相对较小。另外,液压油

油样检验合格

排除

2　刀具脱落卡死刀盘　本刀盘采用了3根大型动搅动棒,其与土仓壳体间隙为100m m,脱落的刀具可能卡刀盘,

但可通过正反转刀盘使卡死的刀具松动。一旦刀具跌落到土仓底部排泥口,可由排泥管排

出。类似情况已经多次遇到

排除

3　边缘刀具严重损坏　事故发生前各参数稳定,基至在事故前一刻,仍然保持了1c m/m i n的掘进速度排除

4　原地层过于坚硬　根据事故处地质情况和掘进情况,以盾构6327k N·m的脱困扭矩和先行刀具配置足以

应对。事故发生前扭矩一直平稳,且相邻的T1号盾构已顺利通过该地层

排除

5　其他基础工程　事故地处512宽的珠江主航道的中心。此处有其他地基加固或桩基的可能性不大。经

与航道局核实,无任何该类工程

排除

6　高强度的钢构件卡死刀盘　由于钻孔平面图可见,在盾构机头附近有一地质钻孔。地质钻一般采用直径108m m钢套管。广州曾发生钢套管断裂进入土仓事故

怀疑

图20T2刀盘解体概况

F i g.20　D i s a s s e m b l y o f T2c u t t e r h e a

d

图21T1刀盘开裂变形情况

F i g.21　B r e a k i n g a n d d e f o r m a t i o n o f T1c u t t e r h e a d

2)刀盘解体原因分析

①结构设计。刀盘在切削土体的过程中处于三维

应力状态中,其传力过程为:岩土层—刀具—刀盘钢构

件—牛腿—盾构驱动系统。主要受力分析见表2。在

复杂的三维应力状态下,应避免应力集中;为此,刀盘

的结构设计应满足:受力关键部件的辐条应连续贯穿

整个刀盘;在辐条和辐板间增加加劲肋板,这些肋板应

闭合成加劲圆箍;应为中心对称结构。但为了满足切

削掘进功能,刀具布置和开口率等因素又造成刀盘结

构不对称。如何在结构强度和使用功效间寻找平衡点

是刀盘设计的一个关键点。然而,本刀盘为了避免中

心结泥饼,开了4个较大开口;且4个口两两对称,对

结构不利:a)使得2号和5号辐条不连续,好比一条梁

一分为二,成为两条独脚梁,且独脚梁的脚(支撑架)

不在独脚梁中间,而是偏于一偶;b)支撑面板的内圈

加劲肋板不在一个闭合圆上,没有形成中心对称结构,

刀盘整体受力不均衡;c)大型搅动有搅动棒的面板受

力大,5号辐条两边的面板一个有搅动棒,一个没有,5

号辐条受力不均衡。盾构厂商所作有限元分析结果中

可见应力集中引起的应变:2号和5号辐条外圈与面

板连接部位为应力最大处,也是开裂处(前面荷重0.8

N/m m2)。T1刀盘开裂正是在这些区域。

②刀盘钢结构制造质量。本刀盘为国内制造,在

钢号选择时有一个换算问题。根据一般惯例,日本设

计选用S S400,对应套用国内的Q235,但其强度指标

略有差异;然而,日本的结构计算富裕度都较小,因此,

钢材细微的差异不容忽视(表3)。本盾构的选材厚度

为:面板厚40m m,加劲肋板和外圈钢板为70m m(厚)

×250m m。而欧洲某土压盾构厚度为120m m。此外,

在掘进施工中,多次发现刀盘的焊接质量问题如刀具

的漏焊、虚焊,以及刀盘钢结构的焊缝开裂等。钢材标

号的降低以及令人堪忧的焊接质量,进一步削弱了刀

盘的性能。

392　隧道建设 第29卷　

表3　中日钢号对比

T a b l e3　C o m p a r i s o n b e t w e e nC h i n e s e s t e e l g r a d e s a n d J a p a n e s e s t e e l g r a d e s

国家标准号 牌号 屈服强度/M P a 极限抗拉强度/M P a

中国G B700

G B/T1591

B712

Q235A/B

Q295/Q345

A、B级船板

235

295/345

235

375～500

470～630

G B6654

G B3273

16M n

R16M n L

305～345

345～355

t≤16,510～600;16

25

50

日本J I S3101S S400Z45400～510 J I S G3125

J I S G3135S M490A490～610

③地质因素。A工程的黏土类地层占70%以上,其中的粉砂质泥岩大多为膨润土矿物的集合,黏土矿物含量超过60%。微风化、中风化的原状岩石强度可达30M P a,其软化系数和弹性模量较小,在水环境下易软化、易变形、不易挤压碎裂,多被刀具辗磨成粉末。土仓内泥浆水温大多数情况下超过50℃,又促使这类矿物吸水膨胀并显示出很强的黏结性,黏结于刀盘中部和土仓内除搅动棒涉足的以外位置,形成泥饼;土仓的可供进土储有量仅剩下实际容积的1/2,甚至更少,其后果是增加了盾构掘进的荷载。推进中,盾构荷载常处于1500k N·m以上;在中风化泥岩中常处于2000k N,甚至到3000k N以上。

④施工控制。a)泥水参数控制不到位。在以前的多次开仓中发现土仓内泥饼严重,证明泥浆参数选择有待改进。b)刀具改装不当。为减轻刀具磨损,土建承包商在刀盘的某些区域内采用了多把刀密集重复安装。刀具过密会造成辐条受力不均并使应力集中,积聚泥饼;泥饼反之又加剧了刀盘受力不均。c)原计划过江前的盾构检修未实施。广州地铁多次穿越珠江水系,其成功经验之一为过江前全面检修盾构,包括开仓检查刀盘。T2盾构因为T1盾构(过江前实施了检修)已成功越江而没有进行检查,错过了在岸上发现事故隐患的机会。

5.3南京———土压平衡盾构在富水饱和粉细砂层中掘进中事故分析

南京地铁T A15标段(盾构三标)位于玄武门站—许府巷站—南京站站区间,穿越在建的玄武湖公路隧道、金川河、古城墙、玄武湖及多处房屋建筑群,单线推进4.57k m,由2台德国海瑞克公司生产的盾构施工。该工程盾构机设计最大埋深为18m,最大爬坡为35‰,最小转弯半径为300m;盾构最大推力为356M N,由16对千斤顶组成;盾构外径为6340m m,总长度为60m;刀盘开口度为40%。该标许府巷站—南京站站区间右线隧道K12+745～+765段,覆土厚9～11m。

隧道主要穿越淤泥质粉质黏土、粉砂夹细砂、粉土等地层,其中:②-26为淤泥质粉质黏土,具有高压缩性、高灵敏度、易变形的特点,易产生土体流动、开挖面不稳等现象;②-2c为粉土、②-2d粉砂夹细砂,含水量丰富,透水性强,极易产生涌水、涌沙等开挖面不稳现象。上覆地层中:②-1c为中—稍密粉土,②-1d为松散—稍密粉砂夹细砂均为可液化土层,该段尤为严重液化区。隧道所通过的主要含水地层为饱和粉土和松散粉砂夹细砂,地下水非常丰富,预计隧道总涌水量为2万m3/d。地下水对混凝土无侵蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。为了增强盾构施工的灵活性,使其能在转弯半径小的情况下正常掘进,通常把长6～8m的盾壳分作2或3段,每两段之间用铰接油缸连接,并设密封圈以阻止泥水涌人;另外,还设置紧急充气密封圈以防前者失效。铰接装置示意图见图22

。

图22盾壳段间铰接装置

F i g.22　A r t i c u l a t i o nb e t w e e ns h i e l ds e c t i o n s

2003年1月12日10:00,盾构掘进至箭头所示位置(见图23),各项参数设置为:土仓内顶部土压0.19～0.20M P a,中间土压0.21～0.25M P a,注浆压力0.25～0.30M P a,掘进速度40m m/m i n。

由于盾壳顶部某段密封圈失效导致砂水混合物涌人盾壳内,值班人员遂做停机处理。至13:00,涌入流沙累计近3m3,工程师打开紧急充气密封圈止住了流沙。此时,有居民反映中央路343号房屋出现多条裂缝,监测数据表明:在距7:00监测后6h内,地表最大沉降在里程K12+754处(即y59点),达28.3 m m;房屋13-B4-1测点(里程为K12+754)沉降达-24.4m m,不均匀沉降差非常明显,达-42m m,该建筑二楼外墙面与一楼内墙上出现多条裂缝。

393

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

图23

监测点布设图

F i g .23　L a y o u t o f m o n i t o r i n g p o i n t s

21:30监测数据反映:y 59测点沉降-15.6m m ,累计沉降可达-62m m ;房屋13-B 4-1测点沉降-13.1m m ,累计沉降-62.7m m ,不均匀沉降差近-55m m ;墙上裂缝增多且原有裂缝增宽,危及安全使

用,遂对居民进行转移,另外,在隧道内对事故发生处进行二次补浆。13日6:30监测数据表明各主要沉降点的沉降值均控制在-3m m 以内,说明注浆对控制沉降起了作用,于是盾构恢复掘进。从12日晨至13日晨24h 内,地表最大沉降-45m m (y 59测点),房屋最大沉降-40m m (13-B 4-1测点)。

至13日21:00,由于盾尾通过产生的正常沉降为:y 59测点-10m m ;13-B 4-1测点-6m m 。14日及之后监测数据反映:y 59点和13-B 4-1点进入稳定状态,最终沉降值分别为-93.5m m 、-88.5m m 。典型监测点沉降-时间曲线见图24

。

图24典型监测点沉降-时间曲线图

F i g .24　T i m e -d e p e n d e n t s e t t l e m e n t c u r v e sm e a s u r e da t t y p i c a l

m o n i t o r i n gp o i n t s

5.4　北京———盾构隧道中线出现严重偏差事故5.4.1　情况

北京地铁新线工程某标段,采用盾构法修建,盾构

段全长1162m 。在盾构机掘进过程中,由于施工人员粗心大意、操作失误造成第10～173环(每环宽1.2m )隧道结构中线出现偏差,最大偏差达2.16m ,线路不能满足原设计要求。通过线路设计人员对已施工完成隧道结构中线进行线路拟合,需对125m 长盾构法修建的圆形隧道改为明挖法修建的矩形隧道。此事故造成损失近千万元,影响颇坏。5.4.2　对策

1)加强对盾构施工每个细节的管理,对施工纪录进行认真检查,发现有误应立即纠正。

2)加强对第一线操作人员的教育,提高其事业心、责任感和专业技能,确保盾构施工的安全和质量。

6国外盾构隧道施工事故案例———日本东京都水道局盾构隧道瓦斯爆炸事故

6.1

工程概况

工程从水元供水站起,向南穿过东京的东部地

区并经丰住供水站至临海地区,是输水管干线(东

南干线)完备工程中的一工程区间,敷设输水管(直径2000m m )的隧道采用盾构法施工。

上游工区(丰住供水站一端)的隧道由在江东区冬木3号修建的2个进洞竖井进行掘进。1992年4月开工,11月完成。事故发生的下游工区(临海地区一端)包括在江东区盐洪一段居民区附近已修建好的隧道和地下接合段,总延长1428.5m ,1992年2月开始建造。该工程概要如下:

1)丰住供水站—江东区盐洪一段居民区附近间输水管(直径2000m m )的新设2个工程,地点丰住供水站(江东区东阳镇六段一号)—江东区盐洪一段二号。隧道长为:上游端1016.5m ,下游端1428.5m 。盾构外径为3190m m ,内径为3110m m 。事故处的覆盖层厚度为34m 。工程及事故位置见图25

。

图25工程及事故位置图

F i g .25　L o c a t i o n s o f p r o j e c t a n da c c i d e n t

2)地层概要。该工程位于荒川与隅田川之间填

394

　隧道建设 第

29卷　

海造成的东京低洼地带。地层构成方面:自地表面起为填土层、上部有乐叮层、下部有乐叮层;其下为洪积层,上部埋设亚黏土层、台地砾层;再往下便是江户川砾质岩层。东京低洼地带的地底分布有被称之为东京汽田的水溶性天然气,在该工区以东约1k m 的东北和东侧方向使用深约400～1600m 的气水井,从1951—1972年抽取含水溶性天然气的地下水。为了防止地层下沉东京都取得了矿产权,于1973年之后不再抽水。6.2

事故概要

1993年2月1日晚11时30分,在东京都江东区

越中岛三段五号居民区附近地下约34m 的正在掘进中的盾构隧道里,发生了瓦斯爆炸事故,5名作业人员受灾(死亡4名,受伤1名)。

盾构作业编为两班(白班、夜班)进行。事故发生时,夜班的5名作业人员正在距洞口约1325m 的掌子面附近作业。晚上11时15分进入洞内的施工联营体职员,在进到距洞口约400m 的地方听到“砰”的巨响声,并伴随有尘土飞扬,知道出事了。获得转包的工作人员戴上氧气罩等救援设备,再次进入洞内救援,下午

4时到5时又救出最后2名(死亡)。6.3

事故前的状况

该工程的施工方法采用全封闭式的泥土加压盾构,瓦斯不可能从盾构前面侵入,管片接头密封和衬背注浆情况良好。然而在事故前的1月25日和1月29日从盾构的尾部有地下水及泥砂渗入;为此在尾部的刷形密封垫(间隔34c m 于2处设置)间注入了油腻子,进行了尾部密封的补强。

通风采用压入式,风管(尼龙防水布)直径400m m ,风管送风口的位置在隧道的右上部。事故当天作业开始时风口距掌子面16m ,在作业将近结束而发生事故时可能距约26m ;另外,风管前端的送风口用铰接线固定在管片上,出风口断面积是实际断面积的1/3,出口风速为11～12m /s ,估计隧道内向洞口吹去的风速为9～1m /s 。

在盾构附近有1台瓦斯检测器,隧道内有2台,检测到的瓦斯浓度在监视室里被自动记录下来,在监视室里设置了报警器。

盾构设备的配置见图26

。

图26盾构设备的配置图

F i g .26　E q u i p m e n t a n dd e v i c e s o f s h i e l d m a c h i n e

最低爆炸界限定为25%L E L (体积分数为1.25%),在监视室里红灯一闪烁,蜂鸣器就要发出警报。关于警报连络,则采用电话或对讲机方式通知洞内作业人员。事故现场附近的检测器位在螺旋输送机的端部,估计距隧道拱顶约90c m ,距掌子面约7m 。其余检测器设置在距洞口70m 和461m 处附近。 图27为通风模拟示意图。

6.4设备的破坏情况

对隧道主体的钢筋混凝土管片的净空、漏水地点进行了调查,对隧道主体的强度进行了测定,

未发现异

图27

通风模拟示意图

F i g .27　S k e t c ho f v e n t i l a t i o ns i m u l a t i o n

395

　第4期 崔玖江:　盾构隧道施工风险与规避对策　

常情况。至于火灾的影响程度,通过目测观察表面颜色和裂纹,没有发现有特别的变化。还对螺栓的强度进行了试验,没有异常现象。盾构机械主体用试验锤检查,其结果没有特别异常的情况,但螺旋输送机和连接P o泵排泥管接头部分脱落。后面的台车部分,从掌子面向洞口方向17m处的P o泵的电源设备及距有77 m的注水台车的钢罩有变形。事故前风管的前端距掌子面26m,由于爆炸冲击波和火灾的影响在洞口端228m处风管掉了下来。另外,距掌子面66m安放的油冷却器的钢盖飞到距洞口80m的地方。从掌子面到洞口端约125m范围之内,洞内照明用日光灯的灯管都损坏了,灯具的反射板变了形,还有在距洞口约5 m范围的灯具和反射板掉了下来;除此之外,洞口的灯具不曾损坏。

6.5事故原因分析

在事故现场附近前后约200m的范围内地层构造有着微妙的变化,在盾构下面埋设台地砾层的上端在缓缓地向盾构位置接近。而且地层中有承压游离可燃性瓦斯和水溶性可燃瓦斯的存在,它们的体积分数分别为78%～79%和25%～70%。工程前的地质调查大约以100m一处,瓦斯调查以200m一处进行。因为是一般性的调查,所以不能发现局部砂砾层逐渐向上的走势和瓦斯的存在。根据收集的情报和事前的调查作出了可燃性瓦斯溢出的可能性很小的判断。

事故当天从16时开始夜班,洞内有5人作业。不久,检测器的指针开始摆动,说明瓦斯的溢出在增加。这样少量的瓦斯溢出的现象一直持续着,23时10—20分之间,位于螺旋输送机的前端距隧道拱顶约90c m,距掌子面7m的瓦斯检测器显示已达100%L E L。

至于地层状况和盾构位置的关系,事故当天从18—20时,盾构下部已达到了逐渐上升的埋设台地砾层,在这个地层积存的承压游离瓦斯从盾构尾部开始少量地不断溢出,22—23时溢出的速度加快,到23时30分不知不觉地到达了爆炸极限。在清晨开始施工时风管的送风口在距掌子面16m的位置处,随着隧道向前掘进,风管位置退到了距掌子面26m处,这样溢出的瓦斯不能得到充分扩散稀释。

根据推测,检测器的位置离隧道拱顶90c m,在初期没有检测出瓦斯浓度的上升,因警报器只在监视室里,既使管理值超过25%L E L,在隧道内安装管片的作业人员也不能立即觉察出异常情况。

当天作业最后完成第1629环的掘进,等待1～2 m i n后,为了安装该环的管片进行吊装第一片作业,此时推测在23时30分,由于掌子面附近的电器火花与达到爆炸极限的瓦斯接触而发生了爆炸。

7结束语

通过前述分析,可以得出以下几点:

1)盾构隧道施工由于具有隐蔽性、复杂性和不确定性等特点,施工存在风险。

2)许多事故是由于多种危险因素聚积链接形成的。

3)只要认真对待,提前做好认真细致的评估和预测,提出切实可行的规避对策,在施工过程中对每个环节做好过程控制,不放过任何细节(尤其是事故征兆),事故应该是可以避免的。

4)前述对盾构施工的主要风险及对策进行归纳,期望对今后盾构施工的风险分析和规避起到一定作用。

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396　隧道建设 第29卷