地鐵隧道盾構(gòu)施工中的風險因素及應對策略推薦

1、地鐵隧道盾構(gòu)施工中的風險因素及應對策略以上海13號軌道交通工程為案例【摘要】隨著快速推進的城市化進程，盾構(gòu)法逐漸成為特定地質(zhì)條件下地鐵建設采用較多的施工方法。地鐵盾構(gòu)施工具有施工周期長、受環(huán)境制約影響大等特點，且當前的施工風險管理還存在一些問題，因此，重視地鐵盾構(gòu)施工風險管理研究，對地鐵工程盾構(gòu)施工風險進行分析、評價并指導工程實踐就顯得尤為重要。本文以上海軌道交通13號線為具體案例，探討了地鐵隧道盾構(gòu)施工中的風險因素?！娟P(guān)鍵詞】地鐵施工 隧道 盾構(gòu) 風險管理1.工程概況與特點上海軌道交通 13 號線工程是上海市的軌道交通線路網(wǎng)中所規(guī)劃的一條由西北向東南走向的線路，一期正線長為 16.437km

2、，線路分別經(jīng)過上海市嘉定、普陀、閘北、靜安 4 個區(qū)域。豐莊站祁連山南路站區(qū)間位于嘉定區(qū)、普陀區(qū)，線路從豐莊站東端頭井至祁連山南路西端頭井，區(qū)間線路沿金沙江路走行，見圖 1。圖1. 上海軌道交通 13 號線 1 期工程1.1.1 周邊環(huán)境（1）地形地貌區(qū)間隧道沿金沙江西路走行，沿線區(qū)域建筑主要為居民住宅樓和臨街商鋪等，周邊環(huán)境復雜。金沙江路為上海市的主干道，車流量大。（2）地面建筑物及地下管線概況區(qū)間盾構(gòu)掘進段，施工影響范圍內(nèi)主要建筑有金豐新村 19 號樓以及臨街的商鋪。臨街商鋪位于區(qū)間上方，下方隧道長約 17m。根據(jù)管線調(diào)查資料顯示，本標段施工范圍內(nèi)管線主要沿金沙江西路布設，管線主要有電力、

3、雨水、上水及通信等管線，施工過程中需加以控制。1.1.2 地質(zhì)概況本標段盾構(gòu)進出洞隧道穿越的地層主要為3-1砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、1-1粘土。區(qū)間隧道穿越地層有第層淤泥質(zhì)粘土、第1-1層粉質(zhì)粘土、第1-2層粉質(zhì)粘土。在該工程中，旁通道及泵站均采用礦山法施工，而本文主要研究盾構(gòu)法施工面臨的風險，故這里所分析的風險因素不包括旁通道及泵站施工中的風險因素。1.1.3 工程特點（1）本工程盾構(gòu)始發(fā)、到達端頭地層主要為素填土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土、粘土，地下水豐富、水位高且具有承壓特征，因此，能否圓滿的開始和完成掘進工作直接受到盾構(gòu)機的始發(fā)到達到安全程度的影響。（2）地表建構(gòu)筑物管線眾多。盾構(gòu)掘進段

4、地表環(huán)境復雜，建（構(gòu)）筑物較多，盾構(gòu)下穿金豐新村 19 號樓房和金豐新村臨街商鋪，且底線管線繁多，地表沉降要求高。1.1.4 盾構(gòu)機適應性分析與工作原理上海的地層松軟，地下水豐富，根據(jù)地層滲透系數(shù)等各方面綜合比選，應選用封閉式的盾構(gòu)進行區(qū)間隧道施工。在封閉式盾構(gòu)中，目前最主要的為泥水平衡式盾構(gòu)和土壓平衡式盾構(gòu)機。下面就這兩種盾構(gòu)機型式結(jié)合上海軌道交通 13 號線的情況，從土質(zhì)適應情況、施工控制、工期、場地條件、環(huán)境保護、成本等方面進行比選，綜合比較見表1。表1. 泥水盾構(gòu)與土壓盾構(gòu)的綜合比較與選擇序號比較項目泥水盾構(gòu)土壓盾構(gòu)比較1土質(zhì)使用情況底層適應范圍很廣，尤其在全斷面砂礫地層中有優(yōu)勢適用于

5、有一定細顆粒含量的底層，但可以通過輔助工法擴大適用范圍根據(jù)上海土質(zhì)，土壓盾構(gòu)優(yōu)于泥水盾構(gòu)2施工控制施工平穩(wěn)，擾動性較小施工控制難度大，擾動較大，但可以通過輔助工法實現(xiàn)平穩(wěn)施工控制均可，泥水盾構(gòu)占優(yōu)3工期工期固定，但對工期安排的要求較為嚴密工期較固定，環(huán)節(jié)之間相互影響二者差不多4場地情況需要交大的泥水制備與處理場地需要場地較小土壓盾構(gòu)占優(yōu)5環(huán)境保護環(huán)境影響大，易產(chǎn)生水污染，影響交通對環(huán)境污染小，僅限于很小的范圍土壓盾構(gòu)占優(yōu)6成本設備造價高，成本高造價較低，成本低土壓盾構(gòu)占優(yōu)根據(jù)上海地層情況、場地條件及環(huán)境保護的要求，應選用土壓平衡盾構(gòu)機，簡稱 EPB 盾構(gòu)，同時配置合理的輔助工法確保重難點地段的

6、施工。土壓平衡盾構(gòu)機是利用千斤頂與推進油缸的作用使刀盤得以不斷切削土體，并通過螺旋輸送器將切削下的土體送入土倉，然后對土倉內(nèi)的土體通過加泥、泡沫等方式進行改良。整個過程的重點是控制螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，進而控制出土量，進而使土倉內(nèi)獲得一定的土壓，維持開挖面的壓力平衡，從而使地面沉降控制在允許范圍之內(nèi)。土壓平衡工作原理見圖2。圖2 壓平衡工作原理2.工程施工面臨的風險分析2.1.工程風險分析風險分析就是識別項目中存在的各種風險，分析其發(fā)生的概率，風險大小及其影響，最后提出規(guī)避風險的對策和措施，達到以最小的成本獲得最大的安全保障預期效果。風險分析全過程如下圖所示：客觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)主觀判斷數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)不確定

7、性模型可能結(jié)果的評價概率分布的評價風險影響的評價風險辯識風險是否可能接受繼續(xù)進行避免、改善或轉(zhuǎn)移圖3 風險分析過程2.2工程風險類型分析按照產(chǎn)生風險的各階段，工程風險及潛在危險分為施工技術(shù)風險、結(jié)構(gòu)安全風險、意外事故風險和人員安全風險四類。1 施工技術(shù)風險工程是一項在含水軟弱地層中采用明挖法施工的深基坑工程，基坑開挖中必然會引起不同程度的土體應力釋放和地下水流動，導致圍護結(jié)構(gòu)體系和坑周地層的位移，從而造成周圍地上地下建（構(gòu)）筑物、地下管線變形、開裂乃至災害性破壞。因此深基坑工程與一般工程相比，技術(shù)要求高、施工難度大，不確定因素多，存在一定的施工技術(shù)風險。其主要表現(xiàn)形式為基坑施工中出現(xiàn)因支護結(jié)構(gòu)

8、體系（包括地下墻，支撐結(jié)構(gòu)及地下墻插入地基中的被動抗力區(qū)土體）和基坑整體失穩(wěn)而發(fā)生如下破壞形式：如下圖4所示：基坑隆起坑底被承壓水頂破基坑整體滑移被動區(qū)土體失穩(wěn)圍護墻踢腳失穩(wěn)基坑穩(wěn)定性破壞管涌和流土圖4.施工技術(shù)風險 結(jié)構(gòu)安全風險在深基坑工程施工中，結(jié)構(gòu)安全風險主要表現(xiàn)形式為圍護墻和支撐體系發(fā)生如下強度破壞：圍護墻滲漏支撐壓屈圍護墻破壞支護結(jié)構(gòu)強度破壞支撐節(jié)點或支點滑動失穩(wěn)支護結(jié)構(gòu)崩潰，基坑坍塌圖5 結(jié)構(gòu)安全風險 意外事故風險深基坑工程施工中意外事故風險主要有以下表現(xiàn)形式： 地質(zhì)報告表示的地基土性質(zhì)與實際情況有差異，因土質(zhì)太硬，挖槽機不能挖到設計深度； 成槽地基中有不明暗浜或潛流，致使槽孔坍塌

9、，不能成槽； 地下墻混凝土澆灌施工時，混凝土攪拌站出現(xiàn)意外事故停止供料，致使地下墻混凝土澆灌中斷，導致墻體產(chǎn)生夾泥斷縫； 基坑開挖過程中突遇暴雨，致使縱向邊坡失穩(wěn)滑坡； 基坑施工中意外斷電，致使降水泵停止抽水，承壓水壓頭回升，坑底出現(xiàn)突涌。 人員安全風險對人員安全威脅最大的風險因素通常是施工現(xiàn)場火災、交通事故和高處意外墜物事故。3. 施工風險管理本工程是一項大型的市政工程。其規(guī)模大、涉及范圍廣、地質(zhì)和周圍環(huán)境條件復雜、施工歷時長、工期緊、質(zhì)量要求高，在施工過程中難免有氣候驟變和不可預見的因素，影響某項工程的安全，故在施工過程中，除了在現(xiàn)實的工程環(huán)境和條件下，很好地滿足規(guī)定的技術(shù)、經(jīng)濟指標外，還

10、必須預測施工風險，并將消除風險放在工程管理的第一位，制定各項應急預案來防范風險，以確保風險相對小，使風險減小到可以控制和承受的程度。為確保工程的安全順利建設，施工風險管理擬采取以下措施： 認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，工程實施前項經(jīng)部會同有關(guān)單位成立工程施工風險應急領(lǐng)導小組，統(tǒng)一指揮領(lǐng)導本工程的工程施工風險管理。 嚴格按施工組織設計進行施工，同時加強監(jiān)測管理，根據(jù)“信息化施工管理及工程監(jiān)測”方案實施，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工。 為防止突發(fā)事故引起的危害，施工前必須準備好緊急聯(lián)絡一覽表（便于同有關(guān)方面及時聯(lián)系），如發(fā)生事故，值班人員應立即按緊急聯(lián)絡一覽表與相關(guān)方面取得聯(lián)系，并根據(jù)情況采取相關(guān)

11、措施，在第一時間及時控制事態(tài)。 施工風險處理的一般對策為確保工程的安全順利建設，針對風險環(huán)節(jié)必須制定詳細和周密的技術(shù)方案，關(guān)鍵環(huán)節(jié)還必須在實施前制定應急預案。4. 施工風險應急預案 認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，工程實施前項經(jīng)部會同有關(guān)單位成立工程施工風險應急領(lǐng)導小組，統(tǒng)一指揮領(lǐng)導本工程的工程施工風險管理。 防止突發(fā)事故引起的危害，施工前必須準備好緊急聯(lián)絡一覽表（便于同有關(guān)方面及時聯(lián)系），如發(fā)生事故，值班人員應立即按緊急聯(lián)絡一覽表與相關(guān)方面取得聯(lián)系，并根據(jù)情況采取相關(guān)措施，在第一時間及時控制事態(tài)。 各級領(lǐng)導（負責人）必須高度重視工程施工風險管理工作，把工程施工風險管理工作放在重要議事日

12、程，在施工前必須做好組織、思想、措施三落實工作。 工程施工前配備足夠的應急物資設備。加強應急設備管理、保養(yǎng)，明確專人（應急物資設備專管員）負責。確保危險期正常使用。應急物資設備嚴禁挪作它用。 庫房鑰匙分別由值班人員和料庫保管員保管，并放于明顯處作好標示。并進行定期檢查，清點器材，做好保養(yǎng)措施。 項目組除正常值班外，要安排防汛期、關(guān)鍵施工期的警戒值班，遇到高水位、暴雨，組長上崗值班。 值班員上崗值班，必須立即向應急領(lǐng)導小組匯報本工地施工情況、管線變形情況、物資、設備、搶險隊伍人數(shù)情況。 監(jiān)測單位聯(lián)絡員應及時將管線變形情況向各相關(guān)聯(lián)絡員通報。項經(jīng)部現(xiàn)場聯(lián)絡員應及時將領(lǐng)導小組決定的應急措施及事后情況

13、向各相關(guān)聯(lián)絡員通報。5. 基坑施工風險應急措施針對基坑施工中可能出現(xiàn)的施工風險，實施下表所列應急措施：表1基坑開挖施工風險應急措施表序號應 急 對 策1地下墻接頭縫滲漏與流砂風險因素2地下墻結(jié)構(gòu)破壞在地下墻外側(cè)注漿加固，在鋼筋籠切割寬度不大的情況下，可先在地下墻外側(cè)進行注漿加固，待基坑開挖時，再在地下墻內(nèi)側(cè)修補沒有鋼筋的墻體。在鋼筋籠切割寬度很大的情況下，可在地下墻外側(cè)增補鉆孔灌注樁。在鋼筋籠切割寬度很大的情況下，可在地下墻外側(cè)增補一幅地下墻，再在地下墻兩側(cè)進行高壓旋噴注漿，使之形成隔水帷幕，待基坑開挖時，再在地下墻內(nèi)側(cè)修補沒有鋼筋的墻體。3坑底出現(xiàn)流砂停止開挖基坑；回填土方壓住流砂；分析原因

14、，制訂進一步對策：采取坑內(nèi)降水補救措施，降低地下水位，阻止流砂的發(fā)生；將板樁緊貼圍護墻打入坑底，增大圍護墻入土深度，減小動水壓力，阻止流砂發(fā)生；坑內(nèi)灌水，水下挖土，消除基坑內(nèi)外水壓差，阻止流砂發(fā)生。4坑底承壓水突涌在施工現(xiàn)場或施工現(xiàn)場附近儲備一定數(shù)量的砂及蛇皮袋，當基坑出現(xiàn)突涌時迅速用蛇皮袋裝砂回填，然后在基坑開挖面以下采用灌漿等處理措施，處理妥當后再開挖；若出現(xiàn)嚴重的突涌現(xiàn)象可將基坑回填或向坑內(nèi)灌水壓重，先阻止突涌發(fā)生，再進行下一步的分析與施工； 分析原因，制訂進一步對策：增補承壓水降水（減壓）井措施，疏干或降低承壓水壓力，阻止突涌發(fā)生；用快凝壓力注漿或灌注快凝混凝土堵住涌口；如果突涌原因是

15、承壓水含水層下面沒隔水層，承壓水有抽降不下的補給來源，可采用在基坑周圍設置豎向落底式隔滲帷幕與深井降水相結(jié)合的方法，也可采用周底隔滲帷幕（豎向落底式隔滲帷幕和水平封底隔滲層相結(jié)合）與深井降水相結(jié)合的的方法疏干或降低承壓水壓力，阻止突涌發(fā)生；如果工期或場地不允許設置隔滲帷幕，則采用坑內(nèi)灌水，水下挖土，水中封底的的施工方法。5基坑縱向邊坡失穩(wěn)滑坡如邊坡坡度太陡，修復邊坡時應放緩邊坡；清除坡頂堆載，禁止工程車輛和工程機械在坡頂行駛或作業(yè)；采取有效措施阻止地面水侵入基坑；采取坑內(nèi)降水的補救措施；修復塌方或滑坡的邊坡前，先在坡腳外作臨時性的支護（如堆砌裝土草袋、坡腳打樁等），再按安全坡度放坡修復邊坡。6

16、坑底隆起坑底回彈隆起變形量的大小與地質(zhì)條件、開挖深度、基坑面積大小、圍護結(jié)構(gòu)插入土體的深度、坑內(nèi)有無積水、基坑暴露時間、開挖順序、開挖深度以及開挖機械等有關(guān)。對一般小量的回彈變形可忽略不計，但對較大的基坑回彈隆起現(xiàn)象，一定要分析原因，制訂對策：坑外卸載，挖去一定范圍內(nèi)土體；坑內(nèi)加載或坑內(nèi)周沿插入板樁防止坑外土向坑內(nèi)擠壓；坑內(nèi)按實際情況作坑底地基土加固,然后挖至標高。7支撐體系失穩(wěn)分析支撐體系失穩(wěn)原因，采取針對性措施：如是支撐長細比過大，可設置中間立柱樁和取系桿來穩(wěn)定支撐；如是支撐與圍檁或墻面不垂直，則拆除支撐重新安裝，使其垂直后再固定；如是支撐不水平，應拆除重新安裝；如是支撐直線度差，立即調(diào)用

17、經(jīng)過檢測符合直線度要求的支撐；如是支撐端頭板與支撐面不密貼，可采用楔形墊糾正；如果圍護墻與圍檁不密貼，可在圍護墻與圍檁之間的空隙用砂漿或砼填充密實；如是斜撐鋼牛腿焊接質(zhì)量差，可根據(jù)焊縫實際質(zhì)量及鋼牛腿破壞情況作補強處理；如是預應力值未達到設計值或預應力衰退,應重新施加預應力確保其值達到設計要求。預應力衰退8基坑圍護結(jié)構(gòu)位移過大周圍建構(gòu)筑物過量沉降立即停止開挖，在薄弱部位緊貼土面設置臨時支撐，控制圍護結(jié)構(gòu)繼續(xù)位移；對周圍建構(gòu)筑物進行跟蹤注漿保護；根據(jù)監(jiān)測報告和位移情況，找出圍護結(jié)構(gòu)位移原因，制訂具體對策：等到坑內(nèi)井點預降水達到規(guī)定天數(shù)、坑內(nèi)外地基加固土體達到齡期或設計強度時再開挖基坑；嚴格執(zhí)行分

18、段、分層、分塊，限時開挖完成、限時支撐到位的基坑開挖原則；根據(jù)找到的原因，實施支撐體系失穩(wěn)、坑底隆起、圍護墻滲漏流土、坑底流砂和坑底承壓水突涌等應急對策。6. 施工過程中其他相關(guān)風險及預案（1）在本機電安裝工程中需安裝大型設備，如軸流風機、消聲器、射流風機、變壓器、高低壓柜等多樣設備，其中各別設備重達幾噸，機電安裝項目組在吊裝這些設備前，首先編寫吊裝方案報監(jiān)理及業(yè)主審批，并嚴格安裝審批的施工方案施工。（2）本工程絕大多數(shù)設備安裝在地下，由于地下環(huán)境潮濕，對電器設備的安裝十分不利，因此在施工過程中嚴密檢測施工現(xiàn)場環(huán)境條件，當空氣濕度達到設備最大允許值時，將采取特被措施（如增加除濕機或機械通風裝置

19、）。（3）由于機電安裝施工工期短，這就要求設備材料的進場時間相對集中，這就牽涉到現(xiàn)場設備的保管，本機電設備安裝項目組根據(jù)不同設備材料的特性和工程需要的時間分類堆放，對不能堆放在露天的設備材料，在現(xiàn)場搭臨時工棚，并在設備材料的底部適當墊高，以確保設備的可靠性。（4）設置專職用電管理員，督察施工現(xiàn)像用電安全，一發(fā)現(xiàn)用電隱患，立即停工整改，并作適當記錄。（5）本機電設備安裝項目組在汛期成立防汛防臺工作小組，配備人員、車輛及防汛防臺物資，嚴密注意隧道水情，以防隧道被淹。（6） 在隧道施工期間有需要動火處部位，擺放滅火裝置。參考文獻：1 錢七虎,戎曉力.中國地下工程安全風險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議J.

20、巖石力學與工程學報,2008,27(4):650.2 張博.地鐵盾構(gòu)法施工風險管理與應用研究D.長沙:中南大學,2009.3 田華軍,宋藝宏.地鐵盾構(gòu)隧道施工安全及事故分析J.現(xiàn)代城市軌道交通,2009,22(5):53.4 Duddeck H. Challenges to Tunneling Engineers J. Tunneling and Underground SpaceTechnology, 1996, 11(l):5-10.5 Eskesen, S.D. , Tengborg P , Kampann J. Guidelines for Tunneling Risk Managem

21、entJ.Tunneling and Underground Space Technolog, 2004(19): 217-237.6 The British Tunneling Society. The Association of British Insurers: Joint Code of Practice for Risk Assessment of Tunnel Works in the UK-09 S. The British Tunneling Society,2003.7 The International Tunneling Insurance Group. A Code of Practice for Risk Management of Tunnel Works S. 2006.8 Reilly J.J. Management Process for Complex Underground and Tunneling Projeets J.Tunneling and Underground Space Technology, 2000, (17): 31-44.9 Einstein H.H, V