南寧地鐵盾構施工風險管理研究

魏燃

[摘 要]針對南寧特殊工程和水文地質特點，從機械、施工操作及對周邊環境影響三方面分析了地鐵盾構施工存在的風險，有針對性地提出盾構施工風險防范的具體措施。

[關鍵詞]南寧地鐵 盾構施工 風險管理

中圖分類號：U231.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0350-02

1 引言

2011年12月29號，隨著南寧地鐵1號線的全線開工建設，南寧地鐵開工建設的序幕正式拉開，此后2號線、3號線陸續開工，南寧市軌道交通快速發展。南寧地鐵穿越位置主要為富水的砂卵石地層，工程和水文地質條件呈現“三高”特點：地下水位高、卵石含量高、地層強度高。由于特殊的地質條件和周邊環境，南寧地鐵采用盾構法施工的區間隧道面臨眾多技術難題，盾構掘進過程中會遇到刀盤刀具磨耗嚴重、地面沉陷、盾構涌泥涌沙、地下管線破壞、地面建筑物破壞等諸多風險。本文根據南寧地鐵盾構隧道施工的實踐經驗，從機械、施工操作及對周邊環境影響三方面分析盾構施工風險，并提出相應對策，為今后地鐵盾構隧道施工的安全進行提供參考。

2 南寧地鐵工程和水文地質條件

南寧地鐵盾構區間隧道通過的地層主要為卵石土，局部位置穿越細砂層和泥巖層，該地層主要有以下特點：

（1）卵石含量高：卵石土地層中卵石含量40%以上，為該地層的骨架成分；

（2）砂含量高：砂卵石中砂含量高，含量約12%-33%，呈透鏡體分布；

（3）顆粒間膠結物：膠結物廣泛分布于砂卵石中；

（4）地下水位高：枯水期水位埋深3m-5m，豐水期水位埋深2m-4m。但由于沿線車站等基坑降水作用，區內地下水位埋深約6m-12m。地下水位年變幅約為1m -2m。

（5）地層透水性：卵石土地層滲透系數高達12.5m/d-48.5m/d，透水性強。

3 南寧地鐵盾構施工的風險分類

3.1 盾構施工機械風險

盾構機械的適應性和使用性能將對工程建設造成重大影響，不僅影響施工效率、工程成本，還關系到隧道能否成功貫通。盾構機械風險包括以下情況：

（1）刀頭磨損

長距離施工導致大刀盤、刀頭磨損較大、無法正常推進；由于地層介質的變化，使得刀頭每間隔一定距離由于高度磨損變平需要更換。

（2）泥漿泵及管路磨損、堵塞

排出泥漿中砂石成分對泥漿泵及排送管路的磨損，致使刀盤切削的土體無法正常排出。

（3）主軸承磨損，密封件防水失效

由于長距離推進導致主軸承磨損，密封件防水失效，密封倉內泥漿向盾構機內滲漏，不能保證工作面土壓力。

（4）盾尾密封失效

盾尾密封系統不可靠或長時間磨損，導致周邊水土流失，盾構機內涌水或沉陷。

（5）鉸結（轉向）

密封鉸結（轉向）密封裝置失效，導致盾構機內漏水、漏砂。

（6）液壓推進系統漏油

液壓推進系統漏油，無法提供正常的推力或導致盾構后退。

（7）注漿管路堵塞

注漿管路由于漿液硬化等原因堵塞，使注漿無法正常進行。

3.2 盾構施工操作風險

（1）工作井的結構和支護不當，將產生過大的變形甚至基坑失穩，土體坍塌，盾構機被掩埋。

（2）盾構始發時姿態控制不良，導致管片拼裝質量不過關。

（3）高水壓下長距離施工及換刀及開倉，掘進中途設備檢修和更換刀具風險極大。

（4）土倉壓力選擇不當，致使前方地表產生較大的隆起或沉陷。

（5）盾構施工過程中，軸線控制不當導致隧道軸線標高偏離設計線路過多或左右偏差過大，影響隧道的使用。隧道距離很長時，如果在推進過程中軸線控制不好，在進洞時，很可能會偏離目標井較大。

（6）盾構在進洞或對接時由于軸線偏差較大，又不具有足夠的糾偏距離，使得盾構機偏離目標井或對接錯位。

（7）更換盾尾密封裝置時防止涌水措施不當導致盾構內水淹或沉陷。

（8）千斤頂的配置不合理使管片容易產生裂縫。

3.3 盾構施工環境風險

盾構施工將引起一定范圍內地層的變形。對于位于影響范圍內的建筑物，由于地基土體的變形而導致其外力條件和支承狀態發生變化，而外力條件的變化又將使已有建筑物發生沉降、傾斜、斷面變形等現象。外力條件的變化類型主要包括：

（1）地層應力釋放引起的彈塑性變形，導致建筑物地基反力的大小和分布發生變化。主要由開挖面坍塌、盾構蛇行與超挖、盾尾間隙的產生、襯砌變形等引起；

（2）因有效覆土壓力的增大而導致的土體壓密沉降，使建筑物地基的垂直土壓力增大。主要由各種因素導致的水位下降而引起；

（3）因土體負載而導致的彈塑性變形，使建筑物地基的土體壓力增大。這主要由盾構推力過大、盾構與周圍土體間的摩擦、壁后注漿壓力等引起；

（4）因土性變化而導致的彈塑性沉降和蠕變沉降，引起建筑物地基的反力分布發生變化。主要由盾構施工對周圍土體的擾動而使土性發生變化所引起。

4 盾構施工風險防范措施

在對工程項目進行風險識別、風險評價之后，風險管理者應對工程項目存在的各類風險和潛在損失編制切實可行的風險應對計劃，確定既符合實際，又有相應效果的具體應對措施。盡量規避風險、轉移風險，使風險損失降低到可接受的范圍內。

4.1 盾構機械風險防范

機械風險多與不規范、不正確的違章操作有直接關系，所以嚴格操作規范，是避免事故的重要前提。盾構機是一個集液壓、電子、機械等多學科為一體的現代化施工機械，配套設備多，施工牽涉的方面和事故的隱患也多，這就要求現場必須重視機械設備的正常保養維護，加強對盾構機的熟悉和了解。

4.1.1 盾構機刀盤刀具選型風險的控制措施

（1）加大盾構機刀盤開口尺寸及開口率

為減少盾構機刀盤刀具的磨耗和換刀頻率，提高掘進速度。對盾構螺旋輸送機能夠排出的小粒徑卵礫石盡可能地用排出的方式進行解決，只有對通不過的大粒徑卵礫石才采用破碎的方式。刀盤開口尺寸要與能通過螺旋輸送機卵礫石最大粒徑相適應。刀盤周邊開口率及開口尺寸的減小和增大中心部位的開口率，保證前方土體能順暢進入土倉，同時有效防止隧道拱頂部位的碴土塌落不到土倉中。

（2）加大螺旋輸送機的直徑

由于加大盾構機刀盤開口尺寸后，部分砂卵石在盾構前面不被破碎直接進入盾構機，增加螺旋輸送機的直徑，達到可以順利排放砂卵石的目的。

（3）選用具有破碎大粒徑卵礫石能力的盾構機

盾構機要破碎大粒徑卵礫石，刀盤需配備滾刀。雖然刀盤也采用硬巖配刀方案配備滾刀，但硬巖地質的特性和砂卵石地質的特性是有區別的，特別是砂卵石地層不均勻和不連續的特點，決定了兩種地層的破巖機理是有區別的。在砂卵石地層中硬巖滾刀的布設與在純硬巖地段滾刀的布設上可以有區別，即滾刀刃的軌跡間距可以加大，加大的距離可以參照螺旋機能通過的最大粒徑。

（4）提高刀盤面板、刀具、螺旋輸送機系統設備的耐磨性

通過在刀盤面板上焊耐磨塊、耐磨條、耐磨網格提高刀盤的耐磨性；通過選用鑲嵌有耐磨合金塊的軟土刀具、選用硬度較高的滾刀來提高刀具的耐磨性；在螺旋輸送機的進料口處焊耐磨網格、鑲嵌耐磨合金塊提高螺旋機的耐磨性。

4.1.2 對盾構機設備故障風險的控制措施

為控制盾構機設備故障風險，通過改進盾構設計，提高盾構技術性能，以滿足盾構設備在富水砂卵石地層條件下施工的要求。

（1）開挖機械故障風險控制措施

優化刀具的結構，設置合理的刀具組合，選用合理的刀具，設定合理的高差，提高盾構的挖掘能力；向土倉內加入改良劑，對碴土進行改良，減少對盾構刀盤刀具的磨損；定期開倉檢查刀具磨損情況，分析磨損、偏磨原因，優化刀具配置；對沿線地質進行補勘，充分了解沿線地質情況和障礙物，設置合理盾構掘進參數，防止扭矩突變。加大主軸承直徑，提高盾構刀盤抗扭的能力；加強主軸承、密封件等設備保養和維護。

（2）推進系統故障風險控制措施

加強推進千斤頂和液壓系統設備的保養和維護。推進過程中，設定合理的推力。尤其在拼裝管片伸縮千斤頂時，要力求各個千斤頂均勻受力，防止局部千斤頂受力過大或者出現明顯偏壓。

（3）注漿系統故障風險控制措施

加強注漿系統設備的保養和維護。注漿完畢后，及時清洗注漿管道，防止注漿管道堵塞。加強漿液管理，選用合格的注漿材料，適當的配比，避免不合格材料堵塞管道。

（4）出碴系統故障風險控制措施

向土倉內、螺旋輸送機內加入改良劑，對碴土進行改良，減少對螺旋輸送機，輸送皮帶的磨損。已對螺旋輸送機耐磨性進行優化設計，在螺旋輸送機加焊耐磨層，增強輸送機的抗耐磨性能。通過小半徑曲線時，減小皮帶傳速，避免皮帶跑偏。

（5）提高盾構機防水密封性的控制措施

盾尾密封選用三排鋼絲止水密封刷；鉸接密封采用唇形橡膠鉸接密封和充氣式緊急密封，構成可靠的鉸接密封體系；主軸承外密封采用三重唇形橡膠密封，并在迷宮式防水密封的通道處同時采用了HBW密封脂密封，為主軸承的防水密封提供了雙重保險。

4.2 盾構施工操作失誤風險防范

4.2.1開挖和頂進控制失誤風險控制

（1）加強盾構設備操作技術員工的技能培訓，提高業務素質，盡量減少操作失誤。

（2）對隧道線路進行補充地質勘察，充分認識沿線工程地質情況，根據地質情況設置合理的盾構掘進參數。

（3）正確地計算選擇合理的平衡土壓，確保開挖面的穩定性。

（4）合理的開動分組千斤頂的工作狀態，推進時千斤頂的壓力均勻作用在盾尾管片側端，避免管片碎裂。

4.2.2軸線控制不當風險控制

加強施工測量，確保盾構機有可靠的軸線定位，如：激光導向；可靠的地面三角網及井下引進導線系統，每50m設吊架（欄）對軸線跟進測量；每環襯砌測量與設計軸線的偏差；并要求全站儀，水準儀，精度高，且經常校驗。發現偏差時，要求勤糾偏，緩慢糾偏。

4.2.3注漿控制不當風險控制

（1）漿液要求符合設計要求。漿液配比、和易性、流動性配比要適當。

（2）嚴格控制注漿壓力與注漿量，保證及時注漿。

（3）防止同步注漿管路堵塞、擠扁失效，并應設置備用管；注漿結束后，及時清洗注漿管路和漿液罐，對注漿管路定時檢修維護。

4.2.4密封防水失誤風險控制

盾尾設三排密封刷，在鋼彈簧板和鋼絲刷上涂氟樹脂防銹劑。推進過程中及時注入盾尾油脂，每次過站檢修密封刷；要求采用優質潤滑油脂。

4.3 盾構穿越地面建筑物的風險防范

根據南寧地質的特性，盾構施工引起的沉降主要在施工階段，后期沉降很少。因此施工中須采取有效措施，將盾構對土體擾動減少到最小，以確保地面建（構）物的安全。

（1）嚴格土量管理

嚴格控制出土量在55m3/環以內，同時合理控制與出土量有關的施工參數，最大限度減少超挖、欠挖，盡量降低盾構穿越帶來的影響。

（2）嚴格控制盾構的推進速度及推力

正常推進時速度控制在2～3cm/min，土倉壓力保持穩定，其波動值控制在0.02Mpa內；總推力適當降低，控制在15000kN以內。同時盡量做到均衡施工，減少對周圍土體的擾動。

（3）嚴格控制盾構糾偏量

在確保盾構正面沉降控制良好的情況下，使盾構均衡勻速施工，盾構姿態變化不可過大過頻。每環檢查管片的超前量，隧道軸線和折角變化不能超過0.4%。注意觀察管片與盾殼的間隙，控制一次糾偏量，減少對土體的擾動，并為管片拼裝創造良好條件。

（4）嚴格控制同步注漿量和漿液質量

及時足量進行同步注漿，注漿量為理論值的180%- 220%，即每環7m3以上。調整同步注漿的配合比，提高漿液的早期強度。根據建筑物及地面沉降監測情況，采用二次注漿甚至多次注漿來控制地面的后期沉降量，漿液采用快凝的水泥一水玻璃雙液漿。

（5）加強碴土改良

改善碴土的止水性和流動性，使得土倉內碴土處于塑性狀態而確保工作面穩定。

（6）實行信息化反饋

在梁、墻等結構上設置沉降觀測點和測斜點，兩小時一次跟蹤測量，并進行信息分析，及時調整掘進施工參數。

5 結語

本文對南寧地鐵盾構施工的風險管理問題進行了探討，在施工過程中，要充分做好施工組織管理，針對潛在風險定期進行安全生產專項檢查和安全生產重大隱患排查，確定可能影響項目的施工風險，編制風險分析清單，保證安全與風險管理的及時性，并適時對方案和檢查進行調整，參建施工、建設、監理、社會安全監督機構及專業分包各方負責人均要予以重視，共同參與，保障項目施工安全順利地進行。

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