地鐵盾構施工中預防風險源的有效措施

摘要：盾構施工的安全事故近年來呈現井噴式出現，有效預防地鐵盾構施工中危險源，避免安全事故的發生，已是地鐵盾構施工的當務之急。本文首先分析了地鐵盾構施工的風險源，即廣義自然風險、廣義人為風險和盾構機適應性風險的特點，而后從可預測也可預防的風險、可預測但難以預防的風險和不可預測難以預防的風險三個方面提出避免地鐵盾構施工風險和事故的主要應對策略。

關鍵詞：地鐵盾構施工；風險源；精細化管理

引言

地鐵盾構施工使用就是指在挖掘地鐵時使用暗挖隧道的專用機械一邊隧道掘進、出渣，一邊對開挖的巖面及圍巖及時固定，同時在盾尾內拼裝管片形成襯砌，并及時實施注漿，盡可能不擾動圍巖條件下修建隧道的地鐵施工方法[1]。根據所使用暗挖隧道的專用機械結構特點和開挖方式，盾構施工又分為：手掘式、擠壓式、半機械式和機械式四種。機械式盾構施工是目前最為廣泛使用于地鐵盾構施工的主要方式，而具體的機械式盾構施工又可分為土壓平衡、泥水加壓式、大刀盤式、局部氣壓式等四種[1]。

采用盾構施工具有以下六個優點，分別是[2]：

(1) 盾構施工主要是集中于地面下作業，地面上作業少，隱蔽性好，由工程引起的噪音、振動小，最小限度減少對周邊生活環境和生態環境的破壞；

(2) 運用于地鐵盾構施工的推進設備、擋土設備、出土運輸設備、安裝襯砌設備具備自動化程度高的優點、有效降低了作業人員的勞動強度低、提升施工效率；

(3)用于隧道施工的襯砌有專門的施工方訂制，確保了工程質量；

(4)當隧道穿過河道、鐵路、地面建筑群、地下管線密集的區域或其他構筑物時，周圍受施工影響小；

(5) 地鐵盾構施工生產不受狂風暴雨、冰雪、沙塵暴等極端惡劣的氣候條件的影響，所處的工程地質水文對其影響度也比較低，因此具有較好的技術經濟優越性。對于地質復雜、含水量大、圍巖軟弱的地層可確保施工安全；

(6)盾構施工費用和所運用的技術的受覆土深度影響小。

正是由于地鐵盾構法施工所存在的上述優勢，所以最近幾年來盾構法在地鐵隧道施工中呈現出一種爆炸式的發展。但是，和這種趨勢相伴而生的，除了盾構施工爆炸式發展之外，還有另外一種趨勢，就是基于盾構施工的安全事故也呈現井噴式出現，有些特別重大的安全事故所造成的損失是特別驚人的。例如，僅在盾構開倉檢查更換刀具的過程中所發生的5起意外事故中，就有10名盾構施工人員不幸遇難[3]。這些頻繁的安全事故已經嚴重制約了地鐵盾構施工的良性發展，因此如何有效降低地鐵盾構施工的風險，預防地鐵盾構施工中危險源，已是地鐵盾構施工的當務之急。

1地鐵盾構施工面臨的主要風險源

避免地鐵盾構施工最為主要的核心就是如何有效地對風險源進行預測，基于此，首先要能夠對風險源的種類進行有效的識別。只有準確辨識風險源的種類，才能夠對癥下藥，提出相應的防范措施和解決策略。

地鐵盾構施工體系主要由三大要素構成，分別是地質、盾構機和人。所發生的事故也主要與這三大要素息息相關。因此根據這三大要素，可以將地鐵盾構施工的風險源歸結為三大類別：廣義自然風險、廣義人為風險和盾構機適應性風險。

狹義的風險，主要是由自然界或者人所造成的不可抗拒、不可預知的風險，是施工方無法掌控、無法預測的[4，5]。狹義的自然風險主要是指由自然界不可抗拒的外力，包含嚴重的地質災害和氣象災害對盾構施工所造成的施工風險，比如地震、海嘯、泥石流、火山噴發、颶風對都會嚴重威脅著甚至是破壞地鐵盾構的安全施工。狹義的人為風險則是指戰爭、政變、社會動亂或者恐怖襲擊。

針對狹義風險，地鐵的建設者自然最為關注的是可以預見和可以控制的廣義風險。

不良地質風險是構成廣義自然風險的主體。經過多年相關技術發展，大部分的不良地質都是可以探測的，因此，在地鐵盾構施工只要采取合理的防范措施，廣義的自然風險是可以預防和控制的。

施工風險是構成廣義人為風險的主體。除此之外，廣義人為風險還包括決策風險、設計風險、技術風險、財務風險、環境風險、合同風險和政治風險等。與廣義自然風險相同，只要措施得當，大部分的人為風險都是可以規避的。

推進設備、擋土設備、出土運輸設備、安裝襯砌設備是地鐵盾構施工中不可或缺，不可替代的工具。而當這些設備出現損壞，往往會影響到施工進度，甚至造成安全事故。比如任何的地鐵盾構施工都會有一個連續使用時間界限，當設備到達使用界限后，就處于疲勞運行的狀態。由于地鐵盾構施工所處的工作環境和條件較為惡劣，推進設備中的葉片受力情況復雜，承受著較大的沖擊載荷，很快就達到疲勞極限狀態，如果設備維護不當，葉片斷裂事故較常發生，不但延緩了工程的進展，而且對操作人員的生命健康造成了嚴重的威脅。所以，在研究盾構機的廣義自然風險和廣義人為風險之外，還必須研究與地鐵盾構施工安全緊密相關的第三級，即盾構機適應性風險。

2避免盾構施工風險和事故的應對策略

3.1 可預測也可預防的風險

正如上文所述，大部分的廣義自然風險、廣義人為風險和盾構機適應性風險都是可以預測也可預防的。

在廣義自然風險中，最常遇到的安全問題就是由于盾構機的施工對周圍的土質層的破壞所引起的地面沉降，甚至是地面的塌陷。而在此類事故中，尤其以刀盤結泥餅所造成的地面沉降事故和螺旋輸送機噴涌造成的地面沉降事故最為常見。

在黏性土層中如何解決刀盤結泥餅所造成的地面沉降，甚至是塌陷事故，曾經被視為一個世界性的難題。泥餅是指棄土中的粉粒和黏粒及盾構刀盤切削下來的巖石細小顆粒，在密封艙內和刀盤面板上，在壓力和溫度等的作用下，重新聚集成的半固結或固結的塊狀體。在黏性土層盾構施工中，由于掘進速度慢，掘進時間長，對土層擾動大，容易造成柱位不均勻沉降。另外出土量不易控制，造成個別環出土量偏大。對應策略采用注漿搶險加固的方法。具體措施為立即停掘，進行盾尾注漿，注漿以充填和擠密為主，一方面充填地層中的空硐，另一方面，提高建筑物樁基樁周摩擦力，并對受影響較大的柱、梁進行臨時支頂。

另一種情況，當螺旋輸送機施工遇到沙礫層，就會產生由于噴涌所造成的地面沉降，這也是地鐵盾構施工一個十分棘手的安全問題，對應策略就是采用三重螺旋對原鉆孔樁進行加固和再注漿加固的二次加固方法，可以有效避免由于噴涌的發生，所造成的地面沉降的安全事故。

在廣義人為風險中，盾構機進站所造成的塌方事故是比較常見的。對應策略首先采用水泥袋封堵塌方區，而后填充注漿，抑制塌陷事故的進一步擴展，在此通過聚氨酯注入，填充混凝土澆筑后形成的滲流間隙，最后隧道內注水回填，以維持隧道內的穩定。

及時地對盾構機進行維護和安檢，是避免盾構機適應性風險的最為有效的安全技術手段。刀盤是盾構機上的主要部件。盾構始發完成后，在施工環境允許的前提條件下，有必要進行第一次刀盤（刀具）檢查。此后，則必須按規定的時間間隔進行檢查。檢查內容包括：

(1)定期進入土倉檢查刀盤各部分的磨損情況，檢查耐磨條和耐磨格柵是否過度磨損，必要時可進行補焊。

(2)檢查刀盤內攪拌棒的磨損情況，以及攪拌棒上的泡沫孔是否堵塞。

(3)在有條件的情況下檢查刀盤面板、各焊接部位是否有裂紋產生。

刀盤上的刀具是易損件，因此必須進行定期檢查和維護保養，確保刀盤及刀具始終保持良好狀態。在進行刀盤維修保養時，需認真徹底，損壞的刀具應該及時更換。盾構機在復合地層施工時，往往不具備開倉換刀具的條件。在這種施工情況下，刀具的適應性差，入口磨損快，壽命減短。因此，更應該建立起嚴格、完整的刀具檢查、更換制度。如采取刀具磨損檢測裝置、帶壓進倉、事先加固等措施保證刀具檢查和更換制度的執行。從源頭避免未能及時更換刀具造成刀盤磨損而停機的事故。具體可以采取以下措施：

(1)使用專用盤刀磨損量檢測板檢查圓盤滾刀的滾動情況和刀圈的磨損量。

(2)在換裝刀具過程中檢查盤刀緊固螺栓的扭矩。

(3)檢查切刀的數量和磨損情況，如有丟失、脫落須立即補齊。

(4)檢查齒刀的切削齒是否有剝落或過度磨損。必要時更換。

3.2 可預測但難以預防的風險

地鐵盾構施工固然有諸多的優越性，但不可否認，也有其局限性。最為明顯的缺陷就是盾構機在推進過程中必然會造成周圍地質層的松動。如，曾經有某一區段的地鐵施工中，盾構機在推進時對處于流塑狀的淤泥層的地面上建筑產生了擾動和震動，誘發了用于支撐房屋的松木樁在流塑狀的地層中的下沉。在類似的工程當中，盾構機的適應性不存在任何大的問題，然而，對于處于流塑狀的淤泥層的地面上建筑而言，無論采用任何地基的加固方法，都會存在著由于盾構機工作時的震動而產生擾動淤泥層的問題，都直接威脅著，甚至是破壞房子的穩定性。唯一的辦法就是讓住戶搬遷。最終當該工程結束，盾構機順利通過后，發現房子產生了5%的傾斜。

在復合地層中刀盤刀具配置的不確定性。地層的變化肯定要求刀具配置的變化，問題在于面對地層的變化，施工人員不是想換刀就是能夠換刀，特別是松散地層中是無法在常壓條件下開艙換刀。而采用氣壓作業手段，又會受到地層氣密性、地面和地下建筑物的條件的限制。對于多變的地質層結構，只能是不斷預測探測地質層結構，根據地質層結構的變化，預先更換刀具，而這將嚴重延緩施工的進展。

上述問題的不確定性，必然帶來施工的風險，包括地面沉降、盾構機刀盤刀具的過量磨損等問題。

3.3 不可預測難以預防的風險

這一類的風險的發生是隨機的，沒有規律可循的。針對這一類風險，只能采取精細化管理的手段來盡可能規避風險。

(1)精細化管理要求施工人員頭腦中有一個固定的思維模式，即刀具的前方是什么、刀具的施工參數如何確定等。

(2)系統控制和系統指揮。盾構施工技術是多學科、多專業的的系統工程，因此必須有一個總的負責人站在這個系統的高度來指揮施工。也就是說，它要能將地質問題、盾構機施工工藝和盾構機的原理等綜合性問題作為一個系統來分析，以便綜合判斷，并給出統一的指令。

(3)除了建立高水平的專業施工隊伍之外，通過各種方法提升盾構施工人員的理論水平和專業施工技術水平之外，精細化管理還必須高度重視施工全過程的的風險評估、方案審查、現場監督等工作，做到動態控制。

3結語

地質環境的復雜性幾乎是無法讓人們隨時隨地的了解的盾構機前面的實際特點和狀態，因此地鐵盾構施工要做到絕對的“萬無一失”是不可能的，不現實的，也是極為不科學的。這就要求地鐵盾構施工的從業人員秉持“動態預測，精細管理”的態度。唯有這樣，才能控制事先可預測的風險，降低事先不可預測的風險。

參考文獻

[1]張冰. 地鐵盾構施工 [M]. 北京:人民交通出版社， 2011

[2]周文波. 盾構法隧道施工技術及應用[M]. 北京:中國建筑出版社， 2004

[3]竺維彬， 鞠世健.地鐵盾構施工風險源及典型事故的研究[M]. 廣州: 暨南大學出版社， 2009

[4]任強. 北京地鐵盾構施工風險評價與控制技術研究[D]. 中國地質大學博士學位論文， 2010.05

[5]趙格義. 地鐵盾構施工風險辨識與評估研究[M]. 南京林業大學碩士學位論文， 2011.05