復雜地質盾構隧道安全管理與風險防范對策

楊秀權

(中鐵隧道集團有限公司武漢指揮部，武漢 430062)

0 引言

自從1843年世界第1座用盾構法修建的英國泰晤士河水底隧道建成以來，盾構法在世界范圍內得到了快速發展，尤其是隨著現代盾構裝備技術的長足進步，長距離、大直徑、大埋深、復雜斷面、快速掘進、高度自動化的盾構施工技術不斷發展和成熟，盾構法在地層條件差、地質情況復雜、地下水位高的跨江越海通道工程中得到了大量應用［1］。

盾構施工體系由3大部分組成，即施工環境(主要是地質環境)、盾構和人(主要是施工管理)。這3部分的關系為:地質是基礎、盾構是關鍵、人是根本。但由于地質勘察的不準確性、地層條件和周圍環境的不確定性、盾構適應性限制等不同原因，加之管理不到位、部分操作人員素質不高等因素，在建設中存在著一些不容忽視的問題和安全隱患。通過對已發生的盾構工程安全事故統計分析，勘察因素和施工因素共占事故因素總數的84%。盾構施工安全管理及風險防范貫穿于工程建設土建實施階段的全過程，應著力抓好施工準備期和施工過程的安全和風險管理。文獻［2］提出了盾構施工過程中地質、設備、人三大風險源的概念，并對典型事故進行了研究;文獻［3-5］結合實際工程對盾構施工風險進行了個例分析評估;文獻［6］歸納了地鐵安全事故的類型和特點，重點分析盾構隧道施工的11種風險，并提出了針對性規避對策。本文結合武漢市軌道交通二號線越江隧道工程實踐，針對復雜地質盾構隧道施工確定了安全監管的重點，并較全面系統地闡述了盾構施工風險的防范對策。

1 工程概況

武漢市軌道交通二號線越江隧道工程盾構區間隧道總長6 183.20單線米(右線長3 084.97 m，左線長3 098.23 m)。盾構隧道在積玉橋站始發段約350 m穿越的地層主要為〈3-2a〉淤泥質黏土、〈3-2〉粉質黏土，隨后穿越約300 m的〈3-5〉粉質黏土、粉土、粉砂互層后，進入粉細砂層至江漢路站，江中約80 m底部切削中風化泥質粉砂巖，最大切削厚度為1.2 m。

盾構段最大水壓達0.60 MPa，穿越地層富含承壓水，地下水和江水有著密切的水力聯系通道，其滲透系數約6×10-3cm/s。

為了滿足區間防災和排水的要求，區間設聯絡通道5座，臨江設超深風井，其中2座聯絡通道設在風井內，2座位于江中(其中1座設泵站)，1座位于武昌側。聯絡通道開挖寬度為3.8 m，開挖高度為3.8 m;泵站開挖尺寸為5.3 m(長)×3.5 m(寬)×3 m(高)。武昌風井深達46 m，漢口風井深達38 m，武昌風井為武漢主城區第一深基坑。工程平面圖如圖1所示。

圖1 工程平面圖Fig.1 Plan layout of the river-crossing shield-bored tunnel

2 地質工作和環境調查

工程地質工作是技術人員應掌握并熟練運用的基本功。盾構選型、刀盤及刀具設計、盾構輔助功能的配置(如黏性地層防“泥餅”裝置、特殊地段換刀、防噴涌裝置)、盾構始發與到達端頭地層加固(旋噴、攪拌、凍結)、聯絡通道施工、泥水分離處理等都與地質工作密不可分。項目實施前必須取得較詳細的地質資料，盾構隧道沿線地層土質狀況(分層狀況、剖面圖、平面圖、鉆孔柱狀圖、物探報告的分析與研究，并形成報告)和沿線的水文地質狀況，必要時須補勘，盾構推進中及時掌握分析掘進工作面的工程地質情況，通過掘進參數和渣土狀態來判斷。主要施工影響因素有:地層的滲透系數、巖性、巖土層的顆粒分布與組分、巖石的強度、巖石質量指標RQD和地質構造。

工程環境調查包括地面重要建 (構)筑物和地下重要構筑物統計與調查。內容為:范圍的確定，調查范圍和可能的影響范圍，重要性分級，建 (構)筑物的建設質量和使用狀況等，重要建 (構)筑物的現況分析與評價，必要時請有關權威部門辦理，形成分析報告。

3 盾構選型及細節功能設計

工欲善其事必先利其器，盾構是根據工程特點“量身定做”的，盾構的性能及其與地質條件、工程條件的適應性是盾構隧道施工成敗的關鍵，因此必須按照可靠性第一，技術先進性第二，經濟性第三的原則，綜合考慮施工區段的地層條件、地面情況、隧道尺寸、隧道長度、隧道線路、工期、安全 、質量、環保、文明施工、成本等因素，通過專家論證、工程類比等方法，不僅要準確選擇盾構類型，更要注重推力、扭矩、尾刷、刀具等主要技術參數的設計，保證盾構施工的安全、可靠［7-9］。

武漢市軌道交通二號線越江隧道盾構選型技術難度大，需滿足高水壓(0.6 MPa)強透水地層條件下工作面穩定性、密封安全性、長距離掘進3.2 km的耐久性和安全快速掘進要求;刀盤刀具要能適應復雜多變地層，特別是縱向(要直接掘進穿越地下連續墻及低標號砂漿回填層)和橫向軟硬不均地層掘進的要求，線路最小曲線半徑為350 m，盾構需有較強的轉彎能力。

在盾構選型過程中不能僅僅依靠盾構制造商，施工單位具有較豐富的施工經驗和對該地區地質較準確的認知，因此，在進行盾構選型和設計時，要發揮制造商和施工單位各自的優勢。武漢越江隧道項目部根據類似工程武漢長江公路隧道的施工經驗，通過專家論證、國內外招標采購對盾構進行設計，采用氣墊式復合泥水盾構，該類型盾構通過壓力泥漿和氣壓綜合作用原理穩定工作面及防止涌水。

1)盾構對砂土地層的適應性。具有完善的泥水平衡功能，穩定的壓力保持系統，保壓系統在斷電1 h內依然能保持掌子面穩定，配合雙回路電源及備用內燃空壓機，可隨時保持掌子面穩定;盾構最大推力為42 570 kN，額定扭矩為4 340 kN·m，脫困扭矩為5 210 kN·m，可提供足夠的刀盤驅動扭矩和盾構推力;刀盤開口率為35%，對稱多個長條孔，其中8條開口較大并貼近中心，利于中心部位渣土的流動。

2)盾構對長距離掘進、復雜地層的適應性。刀盤為面板型鋼結構，刀具配置采取雙層切刀結合重型撕裂刀的形式(重型撕裂刀與滾刀可互換)，重型撕裂刀運行軌跡無盲區，可有效保護切刀，既可適應砂質土和黏土開挖，也適應硬巖切削。盾構刀盤、刀具配置按一次性完成本工程區間掘進進行耐磨設計。

3)高水壓的適應性要求。盾構需承受最高水壓力為0.6 MPa，盾尾密封采取的是4道盾尾密封刷+1道緊急密封氣囊，氣囊在緊急情況能起到臨時止水的作用，并可更換第1道盾尾刷;鉸接密封設2道，1道備用;主軸承4道主密封和2道內密封，以上盾尾、鉸接和主軸承密封均能承壓0.6 MPa。

4)盾構對350 m小半徑掘進的適應性。工程平面最小曲線半徑為350 m，盾構中體與盾尾之間采用鉸接式連接，設計階段考慮小半徑轉彎需要，設計轉彎半徑為250 m。

5)掘進速度滿足工期進度要求。盾構最大掘進能力為60 mm/min，掘進速度應能滿足工期進度的需求。

6)盾構配置有應付突發事故的設備(超前注漿和帶壓作業人倉)。

7)盾構配置的碎石機采取擠壓破碎的方式，可破除450 mm以下的混凝土塊，保證循環管路通暢。

8)盾構整機設計能力有富余量(扭矩、推力、密封、切削巖石范圍等)。

在盾構設備制造、工廠調試階段派專人進行監控，確保設備制造質量。

在實際盾構施工過程中，盾構轉彎時，雖然設計盾構最小轉彎半徑為250 m，但由于鉸接拉力不夠，必須多次依靠輔助液壓千斤頂才能掘進，最多時增加8個千斤頂，嚴重影響了施工進度和安全。由此可見，盾構的細節設計也必須引起注意，必須對相關技術參數進行復核設計。

4 方案制定和優化

在項目施工前期，要認真閱讀圖紙，根據自身施工水平，對設計方案中可能出現的工期、技術、質量、安全等問題進行分析，以制定合理科學的施工方案，并對工程項目人力、機械、材料等生產要素合理組合，避免因設計、施工方案選擇不當造成安全隱患或引發安全事故，從源頭降低施工風險。

武漢越江盾構隧道需要在高水壓條件下穿越超深風井，且線路位于350 m的曲線上，若按常規在風井內采取盾構到達和始發穿越施工方案，由于水壓高且空間狹小，緊鄰長江大堤，施工組織難度大和風險很高，難以把控，一旦發生涌水事故后果不堪設想。采取“回填式盾構過風井”方案，采用旋噴+冷凍加固確保安全鑿除風井圍護結構地下連續墻，用塑性混凝土回填風井底部，盾構在塑性混凝土內完成進出洞過程，有效防止了施工中的涌水漏砂現象，保證同步注漿及二次注漿質量，確保后期管片拆除安全。

5 風險管理

由于復雜地質盾構隧道自身特點決定了工程施工難度和風險均比較大，應結合工程特殊的地理位置、工程地質及水文等條件，參考國內外穿江越海隧道施工經驗，對施工過程中的風險因素進行分析，制定有效措施降低各種施工風險，并對可能發生的風險制定應急預案，最大限度地降低事故的損害程度。

風險大體上可分為3種:

1)可預測也可預防的風險。這是風險中的大部分，是人們心智模型內可控的風險，可根據人們以往的經驗和教訓進行處理。規避這些風險的途徑主要是事先研究和預測每一個具體問題，并找出相應的解決措施，如盾構始發與到達的安全和技術問題、刀具的選擇和地下換刀問題、隧道上浮問題、上軟下硬地層掘進過程中盾構姿態的控制問題、過江段掘進問題等。

2)可預測難以預防的風險。這是風險中的一小部分，是人們心智模型內可預測的風險，但限于人們目前掌握的技術手段，難以完全避免或控制事故的發生。如復合地層的多變性使人們很難掌握地層變化的規律，施工措施不能適應地質環境變化，出現問題或風險;又如淤泥地層中遇巨大堅硬的人工拋石、盾構推進過程中掘進面前方地層中遇鋼性障礙物，目前除了以工期和投資為代價，用人工的方法事先處理之外，尚無更好方法。越江隧道左線盾構掘進至武昌端江岸第562環時遇2根直徑200 mm、壁厚10 mm的鋼管，侵入掘進面1～1.5 m，致盾構停機，采用“垂直鉆孔利用液氮循環凍結加固掌子面周邊，帶壓進倉切割”的施工方案，歷時2個月，增加鉆孔、冷凍、切割處理等直接費用約650萬元，清除障礙物后恢復掘進。

3)不可預測也難以預防的風險。這是特殊風險，是人們心智模型內無法控制的風險，要通過施工過程中的精細化管理來達到風險和事故預防的目的。精細化管理包括:確立施工管理或風險分析的指導思想;完善制度以保障風險分析的落實;提高施工團隊的專業和技術水平;將地質、盾構和施工操作作為一個系統來分析控制;高度重視全過程風險評估、方案審查、現場督察等工作，做到動態控制。越江隧道項目部以標準化作業和關鍵節點驗收為手段抓好工程質量管理，以優質保安全;傾力抓好安全基礎管理工作，特別重視風險應急管理。編制了《重大危險源管理和應急救援預案》，先由公司、指揮部、集團公司三級審核，再由國內知名專家和院士組成的專家組進行評審，最后根據專家意見，對預案進一步補充優化。施工現場設置重大危險源安全警示牌，對重大危險源進行重點監控，每天填寫監控記錄，實行動態管控。成立應急救援領導小組，對各責任人員進行了明確的職責分工。根據施工進展制訂應急預案演練計劃，并嚴格實施。將項目部應急體系納入公司、指揮部、集團公司應急體系，建立溝通渠道，統一對外接口。

6 標準化作業

標準化作業的重要作用是使管理規范化、程序化、具體化，有效提高安全質量管理水平。結合盾構隧道項目的特點，把鐵路項目標準化管理的“四化標準”和“四個支撐”理念全面引入且不低于鐵路項目的要求。在規章制度標準化方面，重點完善盾構隧道項目的管理標準和作業標準;在人員配備標準化方面，重點抓好專業隊伍配置、專業人員配備及其能力素質培訓和考核;在現場管理及過程控制標準化方面，落實“四個支撐”的要求。

實現專業化，打造一支優秀的盾構施工團隊是實現安全生產的根本。重點抓好確保關鍵卡控崗位的人員由本單位員工擔任，組織長期從事同一工種的勞務人員進行相對穩定的專業化作業，研究探索并實行適合盾構隧道施工的“架子隊”管理模式。

信息化是當今社會發展的一大趨勢，是提高管理水平和效率的重要手段。建立信息室、門禁系統、有毒有害氣體檢測報警系統，對盾構掘進參數在地面進行監控，并對下井出入口和重點作業區域進行24 h視頻監控，結合第三方監測、業主監測及預警系統等信息化施工手段，做到安全監管“無盲區、無盲點、無空檔、無縫隙”。

過程控制標準化，重點是確保關鍵工序、高風險工序的全程監控，嚴格堅持技術交底制度、專業技術人員旁站制度，嚴格按作業指導書、作業要點卡片、安全操作規程作業，確保全過程記錄監控。

7 關鍵工序節點驗收和內控

實踐證明，安全事故絕大多數是因為落實方案不力或違規作業造成的，而落實方案不力的本質也是違規施工。實行關鍵工序節點驗收體現了管理的精細化，是落實方案和標準、加強施工過程控制、保證工程質量和安全的必要和有效手段。

關鍵工序節點驗收的一般內容和要求為驗收節點內容工作量全部完成，相關資料完成(附驗收記錄及相關檢測報告);施工單位自檢，內部專家論證評估，監理復查確認;驗收小組現場踏勘并檢查內業資料，進行技術評估，提出驗收意見，列出整改項目清單，填寫驗收記錄;整改銷項。

武漢越江隧道施工關鍵工序節點驗收包括盾構進出洞條件節點驗收、盾構穿越長江及防洪大堤前節點驗收、武昌風井深基坑開挖前節點驗收、冷凍法聯絡通道開挖條件節點驗收。

聯絡通道施工采用“水平孔凍結加固土體，隧道內開挖構筑”的施工方案。在隧道內利用水平孔凍結加固地層，使橫通道外圍土體凍結，形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，然后采用礦山法進行橫通道的開挖構筑施工。

凍結法施工難度與風險很大，凍結效果好壞關系到工程成敗，關鍵工序節點驗收項目:1)選擇冷凍設計參數，制定詳細的設計方案，進行設計論證;2)凍結孔實際開孔孔位、凍結管下入底層深度、供液管的材質規格接頭方式、凍結管耐壓、凍結孔成孔間距的驗收;3)根據測溫孔實測溫度計算的凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、凍結壁與隧道管片界面溫度均應滿足設計要求。

8 體會

武漢市軌道交通二號線越江隧道的實踐，通過采取以上安全管理和風險防范對策，確保了工程安全優質按期建成，取得了較好成效，其成功的經驗可為類似工程提供一定的借鑒作用。作者有以下幾點體會:

1)做好技術管理是搞好安全管理的前提。地質工作和環境調查、設計施工方案的制定與優化、盾構的選型及細節功能設計等是技術管理的重要內容，為開展安全管理提供保障。此外，科研也是技術管理的重要內容之一。復雜地質越江隧道施工存在諸多技術難題，沒有成功的經驗可借鑒，必須進行科研攻關，為項目順利實施提供技術支撐。

2)風險管理的關鍵是對各種風險進行準確辨識和分類，據此制定針對性的防范措施和應急預案，防止管理中出現百密一疏;施工過程中的風險并不是一成不變的，所以風險識別是一種動態管理過程。

3)安全生產責任制、安全教育和培訓、重大危險源及應急救援管理、安全隱患排查和監控等安全管理基礎工作，與標準化作業、關鍵工序節點驗收和內控是一致的，并通過這些更明確具體的工作來實現，只是對安全管理和質量管理的側重有所不同。

4)精細化管理決定安全。對管理的過程、細節和標準進行把控要通過實行標準化作業、關鍵工序驗收才能實現，而人(施工團隊、管理者、作業工人)在管理中起著主導和決定性的作用。

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