超大直徑泥水盾構出洞施工風險管理

彭學良

（上海長江隧橋建設發展有限公司，上海 201209）

0 前言

地下工程建設投資大、施工工藝復雜、施工周期長、周邊環境復雜、建筑材料和施工設備繁多，涉及專業工種與人員眾多，具體表現為工程建設的工程地質與水文地質等自然條件的復雜性；工程建設中機械設備、技術人員和技術方案的復雜性；工程建設的決策、管理和組織方案的復雜性；工程建設周邊環境（建筑物、道路、地下管線及周邊區域環境等）的復雜性。

上海長江隧道作為目前國內已建最大直徑盾構隧道，工程建設中諸多施工技術及工藝在國內外首次使用，無類似工程經驗可供借鑒，工程施工難度與潛在風險前所未有。該工程規模宏大，質量要求高，施工難度大，施工風險多，建設管理要求高。其中盾構出洞段施工是上海長江隧道工程施工中的關鍵節點，風險控制點多面廣，風險管理尤為重要。

1 上海長江隧道上行線工程概況

長江隧道工程包括浦東岸邊段、江中段圓隧道和長興島岸邊段三部分，南起浦東五好溝，北至長興島新開港，全長約8893.33 m（K0-175.33～K8+718.00）。其中圓隧道長約7472 m，為雙管盾構法隧道，江中段圓隧道采用兩臺直徑15.43 m的泥水氣泡平衡盾構一次性連續掘進完成。

隧道襯砌外徑為15.0 m，內徑為13.7 m，環寬為2.0 m，管片厚為0.65 m，每環由10塊管片組成，采用通用楔形管片錯縫拼裝。隧道坡度平緩，最大坡度為2.9%，最小平面曲率半徑為4000 m。上行線盾構出洞處隧道軸線中心標高為-11.045 m，隧道頂部覆土約為6.898 m，沿軸線覆土逐漸增加，岸上段最深埋深約為11.1 m。

浦東段防汛大堤距離工作井約50 m，大堤底寬36.31 m（坡腳—坡腳），堤面寬7 m，盾構將從防汛大堤下斜向穿越，大堤尺寸見圖1所示。

圖1 浦東段防汛大堤結構剖面圖

盾構出洞區段將穿越以下土層：③1灰色淤泥質粉質粘土、③2灰色砂質粉土、④1灰色淤泥質粘土、⑤1灰色粘土（見圖 2）。

2 盾構出洞施工特點和難點

（1）平曲線大斷面出洞。盾構出洞后即進入水平R4419.9 m的右曲線和豎向-2.9%的掘進施工，盾構推進軸線方向與洞圈存在90.56°夾角，由于出洞加固區不宜糾偏，為盾構出洞施工軸線控制和洞口止水工作造成較大難度。

（2）盾構機錐形設計對施工的影響。盾構刀盤、切口環直徑為15430 mm、支承環為15400 mm，盾尾環為15370 mm，形成前大后小的倒錐形體，盾構井下就位和試推進參數控制較為困難。

（3）淺覆土施工。由于盾構直徑為15.43 m，隧道頂最小覆土僅為6.898 m，覆土僅為0.447D，屬超淺覆土施工，地面沉降控制難度大大增加，出洞段施工中極易造成隧道“上浮”。

（4）不良地質條件影響。盾構出洞施工將穿越滲透性較強的③2灰色砂質粉土層，該土層在一定動水條件下易產生流砂、管涌等不良地質現象，極可能造成盾尾漏泥、漏砂等事故。

圖2 長江隧道上行線地質剖面圖

（5）穿越浦東段防汛大堤。浦東段防洪大堤為原有海塘護坡結構改造、加固而成，盾構掘進產生的地層損失引起的地面沉降可能對大堤結構產生影響，必須采取措施確保大堤安全。

（6）盾構試推進階段的泥水指標、切口水壓、同步注漿等各項施工參數處于摸索階段，需要在實際施工中收集、分析、總結各項施工參數，為盾構正常推進段施工做好經驗儲備。

（7）盾構穿越的④灰色淤泥質粘土土層中存在淺層氣。對盾構施工產生偏移、切口水壓不穩等不利影響，需在過程中嚴加觀察并及時調整施工參數。

3 工程風險管理

對地下工程實施風險分析和風險管理是國際地下工程界目前通行的做法。作為當今世界上超大型泥水盾構隧道工程，一旦發生事故其經濟損失和社會影響遠大于一般土建工程，因此在施工中必須采用風險管理的科學方法，全過程、全方位地分析、監督、控制、處置各種風險因素，以確保工程安全。

3.1 風險管理目標

在安全可靠、經濟合理、技術可行的前提下，通過風險評估和管理工作，識別并制定有效風險應對措施，規避突發和災難性風險，通過治理消除、降低極高和高度風險，緩和中度風險，合理留存低度風險，將潛在的各類風險控制在可接受范圍，以獲得最大程度的建設安全與優質的工程質量，控制工程建設投資，降低經濟損失或人員傷亡，保障工程建設工期，提高風險管理效益。

3.2 風險管理內容

風險管理流程包括風險界定、風險辨識、風險估計、風險評價和風險控制，具體見圖3所示。

3.3 風險管理策略

風險管理策略的制定應使工程建設參與各方在實施工程風險管理過程中目標一致。具體包括：

（1）制訂工程建設各階段的風險管理目標；

（2）明確工程建設參與各方風險控制責任；

（3）建立工程風險管理方案的實施、監控、完善與評審制度和程序；

（4）建立工程風險管理的溝通與協調機制；

（5）建立科學的、系統的和動態的工程風險管理方案，制定工程風險預防、預報和預警體系，實時更新工程建設信息，動態跟蹤風險發展狀態，及時實施風險控制措施。

3.4 風險處置對策

從工程風險源入手，完成風險辨識與評估后，根據項目建設總體目標，以有利于提高對工程風險的控制能力和降低風險潛在損失為原則，分析并選擇合理的風險管理處置對策。風險規避有四種方式，可選擇一種或多種實施風險控制，具體對策包括風險消除、風險降低、風險轉移、風險自留。

4 盾構出洞施工風險分析

4.1 出洞段土體加固區

盾構出洞地基加固的關鍵在于正確選擇與實施加固的方法。選擇加固方法時要綜合考慮地基土類別、加固深度、環境條件、工期、施工隊伍技術素質與技術條件、設備狀況和經濟指標等因素，堅持技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量的原則合理制定加固方案，以獲得最佳加固效果。

4.2 淺覆土段推進

出洞段最淺覆土為6.898 m，僅為0.447D。泥水平衡盾構對洞口處土體的穩定性要求高，如洞口土體受到擾動和破壞，擾動后的土體難以達到良好的泥膜止水效果，將無法建立正常的泥水平衡體系，甚至會導致泥水冒溢至地面。因此必須制定詳盡有效的技術措施，確保盾構安全穿越淺覆土段。

圖3 工程風險管理流程

4.3 止水密封裝置

盾構始發洞門直徑15.80 m，建筑空隙為18.5 cm（洞門與管片外壁之間的間隙各為20 cm）。洞口密封施工質量不佳，導致滲漏，嚴重者可導致坍方，致使泥水平衡無法建立，進而導致泥水盾構無法正常施工。為防止出洞時泥水大量從洞門外通過此建筑空隙竄入井內，影響開挖面泥水壓力的建立、開挖面土體的穩定，以及工作井和盾構內的施工。設置性能良好的密封止水裝置，確保止水箱體止水密封裝置的有效，是防止泥水回竄外溢，建立開挖正面泥水平衡的關鍵。

4.4 隧道上浮

盾構淺覆土中由于上下受力不均衡，易導致盾構姿態上揚，軸線難以控制。管片脫出盾尾后，因上部壓載及自重無法抵抗隧道上浮力使隧道上浮。在浮力和地基回彈共同作用下，導致上部覆土隆起。若得不到及時有效地控制，覆土層可能產生劈裂縫隙，造成泥漿跑冒，將嚴重影響隧道施工和周邊環境的安全。

4.5 浦東段長江大堤保護

盾構穿越長江大堤時覆土淺且其厚度變化很大，泥水壓力的控制對于大堤的穩定性至關重要。每一環推進前，必須事先準備好保持開挖面穩定性的所有參數，并嚴格執行。同時應考慮正面壓力值隨隧道穿越土質情況的不同而有所改變。大堤坡腳距工作井約46.0 m，工程實施過程中，盾構從長江大堤下穿越，因地層位移而導致長江大堤產生不同程度的沉降變形。因此，必須制定詳盡的施工方案，配套相應資源，精心施工，確保盾構安全穿越大堤。

4.6 地面沉降監測

盾構施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞土層的再固結，是地面沉降的根本原因。施工過程中必須采取有效措施，確保盾構推進參數的合理性，同時加強施工監測，做到信息化施工，根據地面沉降情況，及時采取應對措施，確保地面沉降控制在-40 mm～20 mm。

4.7 盾構設備管理

施工采用泥水平衡盾構，盾構設備存在安裝調試和運行可靠性風險。尤其是盾構的可靠性是影響盾構推進進度和工程安全的關鍵因素。盾構設備吊裝期間存在較多的交叉作業、高空作業和起重吊裝作業，安全管理尤為重要。導致安全事故發生的原因有現場管理混亂、未按圖紙要求安裝、設備吊裝過程中指揮不當、施工人員安全意識淡薄、不按操作規程施工等。

5 工程風險應對措施

5.1 加強施工方案和專項安全方案的編制和評審

在盾構出洞前，根據工程風險辨識和分析成果，編制各項施工風險管理專項實施細則，如《上行線盾構出洞及100 m岸上段試推進方案及應急預案》、《施工臨時用電施組》、《盾構穿越海塘設計方案》、《盾構穿越海塘防汛影響分析報告》等施工組織設計、安全專項方案和應急預案的編制、報審，并先后委托市政局科技委、水務局科技委對主要施工組織設計和方案進行評審。

5.2 建立風險預報、預警、預案體系

貫徹以人為本、關愛生命、安全第一、預防為主的現代安全管理理念，結合工程和組織機構特點，建立健全工程安全管理制度，形成高效有力的現場指揮部、施工單位、設計單位和監理單位四位一體的現場風險管理組織管理網絡，強化落實管理人員責任，落實重點工序和關鍵部位人員值守制度，建設單位、監理和施工單位平行管理施工現場，全程參與風險管理，對施工過程進行詳實記錄，收集第一手信息，及時發現、解決問題，第一時間反饋至工程指揮部，全方位確保施工全過程的風險可控。

5.3 工程風險管理監督

由于工程采用超大直徑盾構，同時出洞段施工為淺覆土段，要確保安全可靠施工，必須加強施工過程風險管理監督。

監督原則：安全監督從盾構出洞相關設計和方案編制和評審入手。設計及施工方案的不完善和不合理是造成安全事故的關鍵因素。

監督標準：以國家、地方相關技術規范如《建筑工程安全檢查標準》（JGJ59-99）、《施工現場施工臨時用電安全技術規范》（JGJ46-2005）和《盾構法隧道工程施工及驗收規范》（DGJ08-233-1999）等為依據。

監督實施：（1）施工前的風險監督。對施工單位資質和專業人員的核查，這是杜絕出洞段施工出現重大安全隱患的根本措施；核查盾構出洞條件，對出洞段土體加固效果的檢查，如進行加固土體取芯、打設降水井、降水方案實施效果評估等；實施全工序安全檢查，重點從盾構推進、管片拼裝、后支撐體系建立、臨邊圍護、腳手架搭設、安全用電、吊裝作業等方面著手，做到逐一落實。（2）施工過程中的風險監督。對重大危險源和安全監控重點部位進行交底，使現場施工人員掌握安全操作規程和注意事項，樹立風險意識。對各類重大危險源部位和工序實施全過程、全方位監控，從地面和大堤沉降速率、土體變形位移量、洞門漏水觀測記錄，以及規范崗位操作等方面入手，做到詳盡記錄監控情況，并及時對安全隱患和事故進行分析。（3）施工后的風險監督。檢查日?，F場施工和監控記錄，對安全隱患和事故險兆進行分析總結，明確后續安全監督和監控工作重點。

5.4 工程技術應對措施

5.4.1 出洞段土體加固效果驗證及穩定性檢查

盾構出洞段土體采用三軸攪拌樁加固。洞門直徑達到15.8 m，土體加固質量的好壞直接影響到盾構的安全出洞。為確保加固體與工作井之間不產生滲漏，待工作井內部結構完成后，在加固體與地下連續墻之間補一排旋噴樁補充加固。

出洞前，對出洞段加固體進行斜孔和垂直孔取芯。根據芯體的連續性和破碎程度，結合地質情況判斷，采取以下加固體補加固措施：（1）在13.5 m外側加一排RJP法旋噴樁確保正面止水；（2）在加固體范圍外補6口降承壓水井；（3）沿洞門周圈打設2.8 m45°斜孔補壓漿，以阻斷滲水通道。三項措施聯合應用后取得了較好效果。抽水試驗驗證了水平孔的滲漏水為地下潛水，洞圈補壓漿后止水效果顯著。

5.4.2 淺覆土段推進

隧道穩定性控制和抗浮措施：

（2）加強同步注漿管理，合理設置同步注漿壓力和壓注量，控制漿液材料質量指標，確保間隙能充分填充，阻止泥水后竄。

（3）盾構機頭進入止水密封裝置后，在泥水中增加堵漏劑，防止泥水后竄，及時建立泥水壓力平衡。

（4）控制推進速度，減少對土體擾動，速度控制在15～30 mm/min，并確保盾構連續推進，避免有較長時間耽擱。

（5）嚴格控制隧道軸線，每環均勻糾偏，減少對土體的擾動。

（6）確保每環管片緊密連接，在管片脫出盾尾后重新擰緊所有縱、環向螺栓。沿隧道縱向在管片內側另預埋一定數量的鋼板，必要時將隧道環縫用鋼板局部焊接，以進一步提高隧道結構整體性能。

（7）根據實時監測數據，調整盾構施工參數，實現信息化施工。

5.4.3 長江大堤保護

播種后，分別記載各品種的出苗期，并在出苗后觀察統計各生長階段的生長勢、病蟲害發生情況和倒伏情況；在大麥成熟后，每小區隨機抽選10株進行考種，測量并記載其株高、穗長、小穗數、穗粒數等性狀，同時將每個小區分開，單收、單脫、單計產，并折算產量。試驗數據采用Excel2003和SPSS統計軟件進行分析處理。

盾構穿越長江大堤時采取的技術措施有：

（1）以照片、文字形式對大堤上原有變形縫、裂縫、地形地貌等進行采集，作為原始資料。同時在大堤上布置共155個監測點，并進行了初始觀測。

（2）嚴格保持開挖面的泥水平衡壓力，減小壓力的波動范圍，減少對土體的擾動。不超挖或欠挖，并防止過大的糾偏。

（3）采用單液漿同步注漿（漿液比重大、控制隧道上浮性能好、流動性好），及時充填盾尾間隙，控制地面后期沉降。

（4）加密大堤施工監測頻次，及時反饋大堤變形、沉降等信息，以便及時采取二次注漿、大堤底部注漿等技術措施。

上述措施的實施，確保了浦東側長江大堤沉降控制在設計范圍內，滿足大堤保護要求。

5.4.4 地面沉降監測

（1）沿隧道推進方向距工作井井壁30 m范圍內沿隧道中心線每3 m布置1個沉降監測點。在出洞段30 m～100 m范圍（出洞段布置至浦東長江大堤）內沿隧道中心線每4 m布置1個沉降監測點。在100 m以后范圍內沿隧道中心線每5 m布置1個沉降監測點。

（2）距井壁6 m、15 m和30 m處各布置1條沉降監測斷面，此斷面在軸線左右各布4點，間距分別為距離隧道軸線2 m、5 m、9 m、15 m；距井壁50 m、75 m處各布置1條沉降監測斷面。

（3）監測頻率：正常情況下為2次/d，若有異?；蛲蛔儎t增加頻次。距洞口100 m范圍內，在盾構推進過程中，需加密監測頻次，及時提供監測數據，優化施工參數。每點從盾構切口到達前45 m開始監測，盾尾脫離該點后7d并連續3次測量沉降量小于0.2 mm/d后，半年內每1個月復測1次，之后每3個月復測1次。

6 結語

上海長江隧道上行線盾構出洞段施工通過落實各項風險管理措施，制定嚴密的施工方案和風險應對對策，加強施工過程的信息化管理，盾構于2007年9月23日順利出洞，并經過52 d的推進，盾構順利構穿越淺覆土段和長江大堤?？偨Y長江隧道工程上行線盾構出洞施工風險管理工作，有以下體會，可供同類工程參考。

（1）風險管理制度保障到位。

參建各方重視風險管理工作，在盾構出洞施工中認真貫徹落實現代風險管理理念，結合工程和組織機構特點，全面形成風險預報、預警、預案管理體系，建立健全高效有力的現場指揮部、施工單位、設計單位和監理單位四位一體的現場風險管理組織管理網絡，強化落實管理人員職責，落實重點工序和關鍵部位人員值守制度，確保盾構出洞施工安全可靠。

（2）風險管理理論與施工技術保障相結合。

盾構施工風險具有不可預見和突發性，在施工準備階段對工程所涉及的風險源做到細致辨識和分析，從源頭把關，在形成施工組織設計和施工方案時細致詳實辨識和分析工程風險點，形成有針對性的技術措施，編制專項安全方案和應急預案，嚴格執行施工現場安全保證體系，妥善安排施工現場配套資源，做到防患于未然。

（3）實施信息化施工，實現動態管理。

建設、監理和施工單位平行管理施工現場，全過程動態地參與風險管理，對施工過程進行詳實記錄，收集第一手信息，加強施工參數、設備運行參數和環境監測數據的采集、整理和分析，及時發現、解決問題，第一時間反饋信息至工程指揮部和盾構施工工作面，全方位確保施工全過程的風險可控，真正做到信息化施工，實現動態指導施工。

[1]中華人民共和國建設部編.地鐵及地下工程建設風險管理指南［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]周文波.盾構隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]周文波，傅德明.大直徑泥水盾構進出洞施工的風險和措施［A］.地下工程施工與風險防范技術——第三屆上海國際隧道工程研討會文集［C］.上海：同濟大學出版社，2007.

[4]金龍哲，楊繼星.安全學原理［M］.北京：冶金工業出版社，2010.