盾構下穿地下管線施工安全風險評價

1、盾構下穿地下管線施工安全風險評價: Inevitably shield tunnel excavation will disturb the surrounding soil, bringing about soil deformation and displacement. The disturbance will reach ground surface, resulting in ground subsidence. Ground subsidence will then cause the nearby underground pipelines to deform. When the

2、 ground subsidence increases to someextent, the safety and function of the pipelines will be questioned. Therefore, more attention should be paid to the safety of the pipelines during tunnel excavation. In consideration of the geology of water-rich sand layer at Nanchang, analysis on the security ri

3、sks of shield tunnel excavation under the pipeline is conducted, taking an example of shield tunneling from Qingshanhu road station to Gaoxin road station of Nanchang Subway Section 7, Line 1. Security appraisal of the excavation is done and some preventive measures are presented due to the security

4、 risks, which ensures that the shield tunnel construction proceed favorably. The Results can provide a lot of experience for the similar engineering.Keywords: Shield tunnel excavation; undergroundpipeline; risk appraisal1 引言 城市地下管線在現代城市生活、生產中扮演著重要的角色。 城市地下管線肩負著城市給水、排水、供氣、供電、通訊等重要 工作。城市地鐵盾構隧道施工將不可避免地

5、擾動周圍地層， 使周圍 地層發(fā)生變形，導致地表沉降，引起附近地下管線變形。地表沉 降到一定程度，將影響地下管線的安全。因此，盾構隧道施工給 地下管線的安全性帶來極大風險。風險管理是風險的識別、 分析、 評價和處理的一個系統(tǒng)過程1 。自從 EinsteinH.H 教授 (MIT,1970) 首次將風險管理引入隧 道工程以來， 風險管理已在地下工程領域取得了較多成果。 鑒于 南昌地鐵 1 號線七標盾構區(qū)間高富水、 礫砂含量大、 滲透系數高 的地層特殊性， 很有必要對盾構隧道下穿地下管線的風險做出識 別與評價， 提出各種安全風險的控制措施， 從而為盾構隧道施工 期間地下管線的安全風險控制提供有效的工

6、具， 為工程的順利進 行提供參考和保障。2 工程背景2.1 工程概況南昌地鐵1號線七標區(qū)間青山湖大道站高新大道站區(qū)間 長度為850.268m,線路間距13.415.0m,區(qū)間最大坡度為22%。, 區(qū)間隧道覆土厚度在10.0m16.5m。整個盾構區(qū)間處于北京東路正下方。區(qū)間使用兩臺 6260的土壓平衡盾構掘進，盾構隧道采用 裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑6000mm內徑5400mm厚300mm環(huán)寬1.2m，為“ 3+2+T型（3塊標準塊、2塊鄰接塊 和 1 塊封頂塊），拼裝時采用錯縫拼裝、彎曲螺栓連接。管片接 縫采用三元乙丙橡膠遇水膨脹橡膠復合式止水條止水。管片與圍巖之間的環(huán)形間隙采用水泥砂

7、漿同步注漿回填。青山湖大道站高新大道站區(qū)間隧道地質相對較單一， 其中 從青山湖大道站東端頭井向東約150m范圍內區(qū)間主要為中上部的4粗砂層（靠近頂部局部有少許2細砂及4 -j粉質粘土）及中下部5礫砂層；區(qū)間中間大部分為5礫砂層，局部頂部為5-j圓礫層；而在靠近高新大道站的約150m范圍內則全部為5 -j 圓礫層 2 。青山湖大道站高新大道站區(qū)間地下穩(wěn)定水位線在區(qū)間兩 端處于隧道中心線附近位置， 因區(qū)間隧道兩端高中間低， 所以地 下穩(wěn)定水位線從兩端向中間逐漸是由隧道中心線附近抬升至隧 道頂部，其中在區(qū)間最低點位置地下穩(wěn)定水位線距隧道頂最大距 離為2.03m。區(qū)間所在地層的滲透系數為104m/d,

8、屬水量豐富區(qū)。青山湖大道站 - 高新大道站盾構區(qū)間水文地質剖面圖如下：圖 1 青山湖大道站高新大道站區(qū)間水文地質剖面圖Fig.1 Profile of hydrological geology from Qingshanhu road station to Gaoxin road station2.2 管線調查青高區(qū)間風險較大的地下管線有 1600X 1800雨污箱涵及 DN800自來水管，兩條管線均與區(qū)間隧道并行。另有 2根煤氣管 和 1 根自來水管橫穿盾構區(qū)間，風險也較大。管線特征如下表 1 所示：表 1 管線特征表Tab.1 Characteristics of underground

9、pipelines序號 管線類型 材質 規(guī)格 數量 埋深 (m) 管線與隧道位置 關系 距左(或右)線中心距離 (m) 隧底埋深( h)1 自來水 砼 DN800 1 1.55 左線北側，并行 距左線 1.7 9.2m 16.2 22.0m2雨污 片石1600X 1800 1 3.73 左右線中間，并行 距右 線 1.5 5.5m3 煤氣 鑄鐵 DN200 2 1.5 正交4 自來水 鑄鐵 DN300 1 1.8 正交青山湖大道站高新大道站區(qū)間管線與盾構隧道位置關系 如下圖 2 所示：圖 2 管線與盾構隧道位置關系圖Fig.2 Location of underground pipelines

10、 with shield tunnels3 盾構下穿地下管線安全風險源辨識根據本盾構區(qū)間工程施工特點和地質條件， 參照已往各工程的盾構施工經驗，本盾構區(qū)間的風險源如下 3,4 ：3.1 區(qū)間地質風險本標段區(qū)間地質風險等級評估見表 2。表2 地質風險因素及風險等級評估Tab.2 Geology risk factors and risk rank evaluation序號 風險因素 風險情景 風險評估發(fā)生概率 風險后果 風險等級1 礫砂、圓礫地層 地層穩(wěn)定性差，易塌陷。 A高一嚴重 一高2 盾構掘進“噴涌” 區(qū)間地下水豐富，地下水與江水聯(lián)系 密切。地層為強透水層。在盾構掘進過程中，直接造成螺旋輸

11、送 機出土口“噴涌”。 A高一嚴重 一高3.2 盾構機下穿地下管線施工風險 盾構機下穿管線施工容易引起地層沉降進而導致自來水管、 雨污水箱涵、 煤氣管等管線破損事故。 盾構機下穿地下管線施工 風險因素及風險等級評估如表 3。表3 施工風險因素及風險等級評估Tab.3 Risk factors of shield tunnel excavation and risk rank evaluation序號 風險因素 風險情景 風險評估發(fā)生概率 風險后果 風險等級1 土壓平衡掘進 土倉壓力應與開挖面水土壓力相應以保證 工作面的穩(wěn)定。 土壓平衡掘進控制參數設置不當， 容易引起地層 超挖或欠挖，致使地面沉

12、降或隆起，進而引起管線沉降或隆起。 A高一嚴重 一高2 盾構姿態(tài) 盾構掘進過程中，盾構機軸線要與隧道設計軸 線位置偏差超過一定界限， 使得隧道襯砌侵限、 盾尾間隙變小造 成管片局部受力增大， 同時會造成地層損失增大而使地面沉降加 大，進而導致管線沉降。 B較高 二較重 二較高3 同步注漿和二次補漿效果 應確保漿液及時填充盾尾管片 與地層之間的空隙， 否則容易引起地面沉降， 進而導致管線沉降。 B較高 一嚴重 一高4 管片拼裝質量 管片拼裝質量不好，管片容易變形，且盾 尾空隙的實際量增大，盾尾脫出后外壓不均等使襯砌進一步變 形，從而增大地層沉降，進而導致管線沉降。 B較高 二較重 二較高5 地下

13、水流失 管片接頭、壁后注漿孔、盾尾密封等位置漏 水，地下水流失，也會增大地層沉降，進而導致管線沉降。 B較高 二較重 二較高6 地下管線自身狀況 地下管線年久失修，多數管線腐蝕、 破損嚴重。 A高一嚴重 一高3.3 環(huán)境風險本標段所處位置特點：交通繁忙，建筑物眾多且復雜。本標 段區(qū)間主要環(huán)境風險因素及風險等級評估見表 4。表4 環(huán)境風險因素及風險等級評估Tab.4 Environment risk factors and risk rank evaluation序號 風險因素 風險情景 風險評估發(fā)生概率 風險后果 風險等級1 地表環(huán)境 地表重型機械、管片裝運車輛以及大型交通車 輛來回碾壓，易造

14、成道路地面沉降，進而引起管線沉降損壞。 B 較高 二較重 二較高3.4 技術管理風險盾構掘進工序繁多， 所涉及各工種人員眾多。 本標段區(qū)間主 要技術管理風險因素及風險等級評估見表 5。表5 技術管理風險因素及風險等級評估Tab.5 Risk factors of technical management and riskrank evaluation序號 風險因素 風險情景 風險評估發(fā)生概率 風險后果 風險等級1 盾構下穿管線掘進管理 盾構掘進管理主要有渣土改良管 理、土壓平衡管理、 出土量管理、 管片拼裝管理、 同步注漿管理、 盾構密封管理、 管片質量和供應管理、 內外協(xié)調管理和進度和質 量

15、管理、安全和文明生產管理等。各種管理要有章可循，否則相 應風險即可來到。 B較高 二較重 二較高4 盾構下穿地下管線安全風險評價4.1 區(qū)間地質風險評價 本標段區(qū)間工程地質條件屬較復雜類型， 主要以圓礫、 礫砂 層為主，地層不穩(wěn)定，盾構施工過程中易發(fā)生坍塌。區(qū)段水文地 質條件同樣屬較復雜類型，地下水豐富，補給源多，盾構施工過 程中易發(fā)生涌水涌砂。 對盾構施工安全存在一定的影響。 區(qū)間地 質風險評價是：風險發(fā)生概率高，風險等級高，后果嚴重。4.2 盾構下穿地下管線施工風險的評價 盾構施工風險與地質條件風險相關， 盾構施工風險與地質條 件風險評價類似， 盾構下穿地下管線施工風險評價是： 風險發(fā)生

16、概率較高，風險等級高且后果嚴重。4.3 環(huán)境風險評價重型吊機進場組裝盾構機， 施工時重型吊機和管片裝運車輛 等重型機械來回碾壓， 勢必造成區(qū)間道路地面沉降嚴重， 地下管 線因此受損。后果較嚴重。環(huán)境風險評價是： 本標段區(qū)間環(huán)境風險發(fā)生概率較高， 風險 等級較高且后果較嚴重。4.4 技術管理風險評價盾構下穿管線掘進工序繁多， 所涉及各工種人員眾多。 盾構 掘進管理與盾構施工風險十分緊密，任何一個管理環(huán)節(jié)的失誤， 都會嚴重影響工程質量和安全問題， 都會造成管線受損。 技術管 理風險評價是： 本標段區(qū)間技術管理風險發(fā)生概率較高， 風險等 級較高且后果較嚴重。綜上所述， 盾構下穿地下管線安全風險總體評

17、價是： 風險發(fā) 生概率較高，風險等級高且后果嚴重。5 工程安全風險的控制措施5.1 地質風險控制措施青高區(qū)間工程地質主要以礫砂、 圓礫層為主，地層不穩(wěn)定， 盾構施工過程中容易被盾構刀盤切削擾動而造成超挖和地表下 沉，且區(qū)間地下水豐富， 與江水聯(lián)系密切， 砂質地層為強透水層， 容易出現涌水和流砂現象，從而引起開挖面失穩(wěn)和地表下沉。在盾構掘進過程中， 當水量很大時， 還易直接造成螺旋輸送 機出土口“噴涌”，進而引起地表下沉。主要原因是：（1）盾構掘進掌子面前未建立有效的土倉壓力來平衡前方 的水土壓力。（2）掘進不連續(xù)，停機時間過長，造成土倉大量積水。（3）管片背后拱頂填充不實，拱頂形成水流通道，盾

18、構機 下坡掘進時， 造成已成隧道后大面積匯水并沿通道和盾殼流入土 倉。針對上述現象及原因分析，擬采用以下措施來有效解決：（1）盾構掘進時確定合理的土倉壓力來平衡前方的水土壓力。（2）掘進過程中維保好機械設備和加強施工各環(huán)節(jié)的管理， 防止不必要的臨時停機，以保持連續(xù)掘進。（3）加強同步注漿管理，有效控制注漿壓力，適當增加注 漿量，使實際注漿量略大于理論注漿量， 以保證管片背后填充密 實.（4）及時進行二次補漿，封堵管片背后空洞及水流通道， 防止管片背后匯水流入土倉。（5）適當加入膨潤土和泡沫劑以改良渣土的密水性，防止 地下水穿透改良的渣土造成噴涌。（6）密切、認真進行地表監(jiān)測，及時反饋地表變形信

19、息以 指導盾構掘進，實現信息化施工。（7）針對本標段區(qū)間工程和水文地質條件特點，選擇合理 的掘進參數，以保證盾構掘進處于良好狀態(tài)。5.2 盾構下穿地下管線施工風險控制措施1）土壓平衡掘進參數控制根據盾構區(qū)間埋深、 地質條件和地下水狀態(tài)， 合理確定土倉 壓力值。 通過調整推進速度和螺旋輸送器的轉速， 并加強渣土改 良技術的控制， 使土倉壓力與開挖面水土壓力相應以保證工作面 的穩(wěn)定。掘進中嚴格控制出土量，防止超挖和欠挖，掘進過程中 派專人 24 小時進行地面巡視檢查，發(fā)現異常情況，及時反饋。 及時根據監(jiān)測數據分析盾構掘進引起地表沉降的主要原因， 根據 分析結果及時信息反饋指導施工，及時調整優(yōu)化盾構

20、掘進參數， 如土倉壓力、總推力、掘進速度、注漿量、注漿壓力等。2）盾構姿態(tài)控制盾構掘進時以適應設計線形為主， 應保持盾構姿態(tài)穩(wěn)定， 減 少盾構偏轉、橫向偏移及栽頭等，防止蛇行發(fā)生。盾構掘進過程 中，盾構機及管片糾偏時需嚴格遵守“少量多次”的糾偏原則， 要適時適量糾偏，切忌過急過猛。3）保證同步注漿和二次補漿質量 盾構掘進時嚴格控制同步注漿， 確保漿液填充盾尾管片與土 體間的建筑空隙， 嚴格執(zhí)行“掘進與注漿同步、 不注漿不掘進” 的原則，加強設備管理，確保同步注漿不間斷進行，保證注漿量 及稠度滿足要求。 期間加強地表變形監(jiān)測， 根據監(jiān)測數據反饋及 時調整、優(yōu)化注漿參數，嚴防注漿量過大引起地表隆起

21、。及時進行二次補漿。 二次補漿采用雙液漿， 二次補漿根據設 定壓力達到 0.3MPa 穩(wěn)定時即停注。經過補漿后，地層沉降速度 變緩，補漿頻率適當減小直至地層沉降變形穩(wěn)定。4）防止管片變形嚴格控制管片拼裝質量。 拼裝管片時接頭螺栓應緊固。 管片 脫出盾尾后螺栓應進行二次擰緊防止管片變形。管片拼裝時盡量用足千斤頂， 決不允許可用千斤頂閑置。 在 盾構推進結束后回縮的千斤頂應盡可能的少，滿足管片拼裝即 可，以減少千斤頂回縮造成盾構機的后退， 而造成地面及管線沉 降。5）防止地下水流失嚴格控制盾尾密封處、 管片接頭、 壁后注漿孔等位置漏水情 況發(fā)生。盾尾密封、 管片安裝和防水按施工要求進行， 保證質量

22、。 同時，掘進過程中在土倉內注入膨潤土、泡沫等措施，改善渣土 性能來控制地下水的流失。6）管線保護聯(lián)系地下管線產權單位， 對管線與盾構區(qū)間位置關系以及管 線現有狀況進行詳細的調查確認， 對重要的、 施工風險較大的管 線做好標記，以利盾構掘進施工中的保護。5.3 環(huán)境風險控制措施（1）重型吊機進場組裝盾構機，施工時重型吊機和管片裝 運車輛等重型機械走行盡量避開盾構區(qū)間掘進地段。 以防路面被 碾壓沉降導致地下管線受損。（2）對幾根橫跨區(qū)間的管線上方地表進行鋼板鋪蓋加固處 理，減少路面車輛來回碾壓引起的地面沉降。 對與盾構隧道平行 走向的雨污箱涵和自來水管上方地表采用移動水碼圍擋， 即隨著 盾構施工的進度，盾構