北京地鐵盾構施工風險控制技術研究

宮本福,楊志勇

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068； 2.中國礦業大學(北京),北京 100083)

2000年北京地鐵5號線首次引入土壓平衡盾構進行地鐵隧道施工，隨著5號線、4號線、10號線、機場線、9號線、大興線、6號線、7號線、8號線、亦莊線、14號線等線路的相繼開工建設，盾構施工技術在北京地鐵建設過程中得到了廣泛的應用和發展。在取得成績的同時，也積累了相應的經驗教訓，對這些經驗和教訓進行總結和分析是非常有必要的。以此為基礎對盾構施工安全風險控制技術進行研究，可為規避今后盾構施工風險提供建議。

國內已有學者或以某一具體工程，或以某一類典型工程，或以某一地區，對盾構施工風險分析及評估進行了研究：李發勇針對南京粉細砂地層，對該地質情況下的盾構施工隧道中的風險進行了分析[1]；崔玖江介紹了國內外盾構施工的情況，重點分析了盾構隧道施工中存在的風險，并提出了相應的規避措施[2]；周志強等結合廣州地區地鐵建設過程中存在的技術難點，總結分析了該地區盾構施工中的主要風險及風險控制技術[3]；曹晶珍等以廣州地鐵為工程背景，介紹了盾構隧道穿越江河施工中面臨的主要風險和施工措施[4]；鐘長平等對廣州地鐵盾構隧道施工進行了相關的研究，通過將典型地層進行分類，總結了不同地層中盾構施工中的主要風險，并提出了相應的控制措施[5]。

另外，學者對盾構施工風險評估的方法也進行了相關的研究：鄭俊杰等利用模糊故障樹的相關理論，提出用模糊成本重要度的指標來評價盾構隧道施工中各風險對總成本的影響大小的方法[6]；周建等基于專家調查數據，采用貝葉斯網絡建立了分析風險事故概率等級、概率分布的多態系統[7]；陳自海等基于模糊層次分析法對杭州某地鐵施工進行了風險識別和風險估計，并對結果進行了驗證，證明了方法的可行性[8]。

本文在總結過往北京地鐵盾構施工經驗教訓的基礎上，對北京地區盾構施工安全風險控制技術進行研究，以期為今后盾構施工提供借鑒。

1 北京地鐵盾構施工風險分析

通過對北京地鐵以往盾構施工的總結和分析，盾構施工中的主要風險有：盾構選型風險，盾構設備故障風險，始發、到達施工風險，掘進偏離設計軸線風險，盾構操作風險，管片錯臺、破損風險。這些風險會影響工期，增加工程成本，甚至會導致地表塌陷，建(構)筑物開裂、傾斜。

1.1 盾構選型風險

盾構選型不當會對工程工期、成本造成不利影響，同時也會影響盾構施工的安全，對周邊環境造成危害。北京地鐵盾構穿越的地層主要是土層(黏土、粉質黏土、粉土)、砂層(粉細砂、中砂、粗砂)和卵石層(卵石、礫石)以及這三種地層的混合地層。其中，應著重關注卵石地層中的盾構選型風險，適應性差的刀盤型式、不合理的刀具布置，在卵石地層中會導致刀具甚至刀盤磨損嚴重，地層塌陷等問題。

北京地鐵某區間，隧道穿越地層為卵石層，采用的盾構原本針對硬巖地層設計，刀盤開口率小，土艙內缺少攪拌土體的攪拌棒(不利于土體流塑性改造)，盾構適應性差，導致盾構掘進效率低，平均推進速度為2.8環/d(3.36 m/d)。同時，由于渣土改良效果差，土倉壓力不穩定，導致地表沉降嚴重超標，地表累計沉降在40～60 mm。盾構選型不當導致該區間工期延長，且地表沉降控制困難，給周邊施工環境帶來了極大的安全風險。

1.2 盾構設備故障風險

盾構施工過程中設備突發故障，會給整個工程帶來巨大的風險，嚴重影響工期，造成工程成本的增加，若盾構在下穿重大風險工程過程中出現設備故障，將嚴重威脅風險工程的安全。因此采用有效手段規避盾構設備風險是非常有必要的。

北京地鐵某盾構區間右線，盾構推進18環后主驅動大齒圈約有一半齒輪根部出現裂紋(圖1)，此時盾構位于繁忙道路下方，不具備從地表開挖豎井更換主驅動的條件，因此盾構帶病推進至117環，從地面開挖豎井對主驅動進行了更換，增加了工程成本。

圖1 大齒圈齒輪根部裂紋

1.3 始發、到達施工風險

盾構始發、到達發生的風險事故主要有：始發端土體失穩、到達端土體被推出、到達端地表塌陷、到達端涌水涌砂等。

通過對事故的總結，分析誘發盾構始發、到達施工事故的因素主要有以下幾種：

(1)端頭土體加固范圍不合理，加固效果質量差；

(2)盾構始發、到達施工參數控制不合理(土壓、注漿壓力、推力等)；

(3)洞門密封(橡膠簾布、扇形壓板)質量差，或安裝方法有誤，或不安裝。

1.4 掘進偏離設計軸線風險

在盾構隧道施工過程中，應盡最大努力保證開挖隧道軸線符合設計軸線。當盾構施工偏離設計軸線后，為了保證實際施工軸線符合設計軸線，盾構在接下來的施工中必須采用相應的糾偏措施來進行姿態的調整。糾偏措施如果制定的不合理或者執行的不到位，很可能引起隧道管片的受力不均，進而引起管片的破損。另外，當隧道軸線與設計軸線偏差無法通過盾構的糾偏進行彌補時，就需進行線路的調整，這種調整對于隧道后期的運營存在較大的影響(列車降速、乘客乘坐感受差等)；對于偏差較大無法進行調線的隧道，只能采取其他措施進行處理(如：采用明挖工法對已有隧道進行破除，重新修建)。

總結以往工程中引起盾構姿態變差的原因主要可分為以下4個方面：測量原因、盾構操作原因、盾構設備原因、地質原因。實際施工中，盾構偏離設計軸線，是一個由小到大，逐漸累積直到無可挽回的過程。細究其原因往往不是一種，而是前述多種因素的疊加效應。所以，如果想要避免這種情況的發生，使盾構一直能保持在一個理想的姿態掘進，就必須從多方面著手，防微杜漸。

1.5 盾構操作風險

盾構操作風險是指由于盾構現場施工人員經驗欠缺，在盾構施工參數控制方面出現問題，導致安全風險事故的發生，主要表現為地表塌陷、臨近構筑物發生破壞等。

北京地鐵某區間盾構在推進過程中發生了塌陷事故，通過對推進過程中土壓力變化的分析，事故的主要原因為土壓力控制偏低。導致出土量增大，地層損失，引起地表塌陷。盾構推進過程土壓力曲線見圖2。

圖2 盾構推進過程土壓力曲線

1.6 管片錯臺、破損風險

管片錯臺、破損對于隧道整體的性能存在較大的影響，主要影響隧道的防水及整體結構受力。管片發生錯臺后，兩塊管片之間的橡膠止水密封條貼合面積減少，甚至錯開(圖3)，導致隧道防水性能降低或失效；管片發生破損后，管片內的鋼筋裸露，影響結構的整體性，必須對破損處進行修補。

圖3 管片錯臺(單位：cm)

2 盾構施工風險控制技術

通過對北京地鐵盾構施工風險的分析，可以得出導致風險的發生主要有以下幾個方面的因素：

(1)盾構設備因素，主要表現在盾構選型不當，盾構設備質量存在問題，導致掘進過程中出現設備故障；

(2)盾構始發、到達因素，主要表現在盾構始發、到達引起的地表塌陷、洞門土體塌方等事故；

(3)施工過程控制因素，主要表現在盾構掘進過程中參數控制不合理，同步注漿漿液質量不佳或注漿量不足導致地表塌陷或沉降超限；

(4)施工質量因素，主要表現在盾構偏離設計軸線，管片破損和錯臺。

2.1 盾構設備

2.1.1 盾構設備適應性評估

盾構選型應與工程水文地質條件相適應，同時應滿足施工環境和自身工程特點(如隧道轉彎半徑、管片環寬等)的要求。設備選型應包含以下幾方面內容：盾構類型、刀盤開口型式、刀盤開口率、刀具類型、刀具布置、設備功率、推進油缸及鉸接類型、同步注漿孔位置、土體改良系統、螺旋輸送機參數等。對特殊的地質條件應額外增加相應的部件，如：對于磨蝕性較高的地層，需在刀盤、刀具和螺旋輸送機筒壁上配置耐磨層。

盾構選型的風險主要通過技術管理來進行規避，盾構設備進場至少3個月前，施工單位應根據盾構穿越隧道地層條件和施工環境條件對盾構設備進行適應性自評估并形成評估報告，報監理單位審核，監理單位審核通過后組織專家對盾構適應性評估報告進行論證。

2.1.2 盾構設備驗收

盾構設備故障風險通過規范設備驗收流程和加強管理來規避，制定的盾構設備適應性評估與進場驗收流程詳見圖4。

圖4 盾構進場驗收流程

盾構設備適應性評估報告專家論證通過后，監理單位組織專家及施工、建設單位相關管理人員前往盾構存儲基地或設備制造場地進行盾構工廠驗收，驗收內容為評估報告所涉及的全部內容，并應特別注意以下事項：

(1)現場盾構設備與適應性評估報告中的盾構設備主要技術參數是否相符；

(2)非新生產盾構主驅動應拆卸進行檢查驗收，主要驗收主驅動密封和大小齒圈是否完好；

(3)刀具安裝和焊接是否完好，刀具高差是否滿足適用性評估報告的要求，對于砂卵石地層，刀盤刀具是否具有耐磨層；

(4)螺旋輸送機葉片焊接完成后是否進行過探傷(需提供探傷報告)，對于砂卵石地層螺旋輸送機筒壁與相關葉片是否具有耐磨層。

盾構設備存儲基地驗收通過后(且盾構吊裝方案審核通過后)，盾構設備方可進場組裝，組裝過程中，施工單位需對盾構設備進行驗收，并形成驗收報告。監理單位負責對盾構設備及驗收報告進行核查，核查通過后盾構方可始發。

2.2 盾構始發、到達

根據地質勘察資料對盾構始發端及到達端的土體進行加固，保證盾構施工始發階段及到達階段的安全。在進行端頭加固方案確定時，應包含以下幾方面的內容：加固范圍、加固施工方法、加固后土體強度等。在端頭加固施工完成之后，應及時對加固效果進行驗收，只有在加固效果滿足原定方案要求時，才可進行下步工序；若加固效果不滿足原定方案，應繼續進行加固施工，直至加固效果滿足施工方案。在滿足端頭加固條件后，尚需在始發、到達端安裝扇形壓板及橡膠簾布，在安裝完成后方可進行盾構的始發、到達。

作為盾構掘進過程中較為重要的關鍵工序，盾構始發、到達段，應對其參數著重控制。由于端頭土體的特殊性，在確定掘進參數時應根據土體的加固效果進行，同時在盾構推出始發加固段土體時，應確保土艙內壓力已建立，保證未加固段土體的穩定性，確保盾構出加固區后不發生地表塌陷事故。

2.3 盾構施工過程控制

2.3.1 參數控制

盾構施工過程中參數控制的好壞，對于隧道施工的順利、安全有決定性的影響，因此加強對盾構施工參數控制情況的監控是非常有必要的。北京地鐵盾構施工2007年開始采用自主研發的盾構施工實時監控系統對全網所有盾構施工參數控制情況進行實時監控(圖5)，該系統能夠實時顯示盾構施工參數并自動進行預警[10]，能夠及時發現盾構施工過程中的問題，并采取措施進行處理防止風險事故的發生。

圖5 盾構參數監控

盾構工程開始前應結合地層條件、施工環境和設備情況，對盾構施工參數控制范圍進行設定。文獻[9]中提出的組段劃分方法可較好地應用于盾構施工參數的確定，盾構施工參數主要包括以下幾方面：土壓力、刀盤扭矩、總推力、推進速度、刀盤轉速、同步注漿量、同步注漿壓力等。然后將設定好的參數控制范圍輸入盾構施工實時監控系統中，當參數控制超過控制范圍時，系統會自動預警，及時提醒相關技術及管理人員參數發生異常。

2.3.2 同步注漿

同步注漿風險控制主要包括注漿壓力、注漿量及漿液質量，同步注漿壓力和同步注漿量可以通過盾構施工實時監控系統來進行監控，某些同步注漿量不足的環應及時進行二次補漿，對于同步注漿壓力低，同步注漿量持續增大的情況應充分重視，有可能是地層存在空洞。

同步注漿漿液質量對于控制沉降也非常重要，必須加強對同步注漿漿液質量的檢查，監理單位每天或每20環對同步注漿漿液取樣抽查不少于1次，發現漿液質量不合要求，應督促立即整改。

2.4 施工質量

2.4.1 軸線偏差

軸線偏差的控制技術主要有以下幾點：

(1)通過盾構施工實時監控系統對盾構偏差情況進行實時監控并自動預警，發現盾構姿態有變差的趨勢及時提醒現場施工注意糾偏；

(2)加強現場換站測量的管理，對換站前后盾構姿態數據進行對比，盾構姿態差值超過15 mm時，施工單位應立即組織人員復測復核，確認無誤后，方可恢復施工；為防止管片移動對測量的影響，施工單位應在換站測量后的第一天(或15環)對后視棱鏡和全站儀坐標進行復核；

(3)對地面和地下測量控制點進行復核測量，并加強測點的保護。

2.4.2 管片錯臺和破損

管片發生錯臺及破損的主要原因有：管片運輸過程中損壞；管片拼裝操作不規范；盾構糾偏量超標等。控制措施主要有以下幾點：

(1)運輸過程中加強對管片的保護，加強管片進場的驗收，避免不合格產品進場；

(2)通過盾構施工實時監控系統，對盾構姿態的監控，并監控每一環管片的糾偏量，糾偏量超標的要及

時進行預警，避免盾構糾偏量過大；

(3)加強對管片操作手的培訓，施工過程中加強對管片拼裝質量的檢查。

3 結語

通過對北京地鐵近年來盾構施工事故的總結和分析，得出北京地鐵盾構施工的主要風險有以下幾部分：盾構選型風險；盾構設備風險；始發、到達施工風險；掘進偏離設計軸線風險；盾構操作風險；管片錯臺、破損風險。

同時，結合相關案例對事故發生的原因及帶來的不良后果進行了分析。導致北京地鐵盾構施工風險發生的主要風險因素為盾構設備，盾構始發、到達，施工過程控制，施工質量。并針對風險因素提出了北京地鐵盾構施工風險控制技術，為今后北京地鐵盾構施工提供借鑒和參考，以規避施工風險。

[1] 李發勇.粉細砂地層盾構施工風險分析與應對措施[J].隧道建設，2009(6)：668-673.

[2] 崔玖江.盾構隧道施工風險與規避對策[J].隧道建設，2009(4)：377-396.

[3] 周志強，鐘顯奇，宋金良，等.廣州地區盾構施工風險及控制技術要點[J].隧道建設，2010(5)：608-611.

[4] 曹晶珍，李俊偉.過江隧道盾構法施工風險分析及控制[J].地下空間與工程學報，2012(S2)：1777-1781.

[5] 鐘長平,竺維彬，周翠英.花崗巖風化地層中盾構施工風險和對策研究[J].現代隧道技術，2013(3)：17-23.

[6] 鄭俊杰，林池峰，趙冬安，等.基于模糊故障樹的盾構隧道施工成本風險評估[J].巖土工程學報，2011(4)：501-508.

[7] 周健，王紅衛，吳邵海.盾構法施工風險的多態貝葉斯網絡模型分析[J].同濟大學學報(自然科學版)，2013(2)：186-190.

[8] 陳自海，陳建軍，楊建輝.基于模糊層次分析法的盾構隧道施工風險分析[J].地下空間與工程學報，2013(6)：1427-1432.

[9] 楊志勇，江玉生，江華，等.北京地鐵盾構隧道安全風險組段劃分方法研究[J].鐵道標準設計，2012(3)：65-68.

[10] 江玉生，楊志勇，矯偉剛，等.基于BS構架下的盾構施工安全風險監控系統的研發與應用[C].2015年中國城市科學研究會數字城市專業委員會軌道交通學組年會論文集，沈陽：2015.