盾构隧道建设风险分析与控制

盾构隧道建设风险分析与控制中铁隧道集团有限公司潘明亮中国-上海2015--10提纲一、盾构隧道建设中的风险认知二、典型风险案例分析与处置三、风险事故管控原则四、总结与展望当前国内地铁盾构类型土压平衡盾构泥水平衡盾构双模式盾构顶管机TBM盾构的概念盾构，是一种具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在盾壳的掩护下进行隧道土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，从而构筑隧道的构特种施工装备。1.刀盘2.主轴承3.推进油缸4.人舱5.螺旋输送机6.管片安装机7.排土闸门8.管片输送车9.管片吊机10.皮带机泥水平衡盾构盾构的概念盾构是集机、电、液、气为一体，具有掘进、出渣、衬砌等功能的大型复杂装备，边推进边形成隧道，实现了隧道施工的工厂化作业。土压平衡盾构盾构的概念盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对地层进行掘进。这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支护的作用，承受周围地层的水土压力以及将隧道围岩及地下水挡在盾壳外面。•“盾”——“保护”，指盾壳；•“构”——“构筑”，指管片拼装或衬砌。盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接井7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固隧道盾构掘进示意图开挖衬砌出土运输盾构法施工具有施工安全快速、对周边环境及交通影响小等优点，在城市地铁、道路修建中得到了广泛应用。然而，地铁盾构隧道建设事故时有发生，对盾构工程施工风险的认知和风险控制技术有待进一步提高。1、盾构隧道建设风险2、盾构隧道建设风险发生机理风险认知风险后果风险管控3、盾构隧道建设风险因素盾构隧道施工风险的原因可分为环境因素、人为因素和盾构机因素。地铁盾构施工风险环境因素人为因素施工设备4、盾构隧道建设风险分类盾构隧道施工风险可分为管理风险、人工风险、技术与材料风险、设备风险、社会环境风险和自然环境风险六类。技术与材料刀具更换（1）地质与盾构选型匹配性风险（2）盾构组装与调试及拆吊风险（3）盾构始发与到达、过站、平移作业风险（4）盾构上、下穿建(构)筑物风险（5）特殊地层段盾构施工风险（孤石、上软下硬地层、富水砂层、高粘性土层、矿山法隧道盾构空推段等等）（6）盾构机下穿江河水体风险（7）盾构掘进遇障碍物施工风险（8）盾构开仓作业风险盾构施工的风险主要有：（1）地质与盾构选型风险盾构机的选型应依据地质条件；地质条件及开挖面稳定性能；隧道埋深、地下水位；隧道设计断面、路线、线性、坡度；环境条件、沿线场地；管片衬砌类型；工期造价等。所以如果盾构机选型失误，对地质条件不适应，是盾构施工最大的风险。10-410-510-110-210-310-1010-910-810-710-611010-11卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂层中砂层细砂层淤泥质粘土淤泥粘土10-12地层渗透系数m/s土压式、泥水式盾构土压式盾构泥水式盾构盾构机选型原则：综合考虑工程地质条件和水文地质条件，确保盾构设备与地层的适应性，同时确保盾构管片结构自身安全。考虑隧道区间平、纵断面设计，确保盾构满足设计线路要求。重点考虑施工环境条件和相关风险工程及地表变形控制标准，确保环境风险工程安全。1开挖面2刀盘3土舱4主轴承5推进千斤顶6螺旋输送机7管片拼装器8管片12345678土压平衡盾构机土压平衡盾构机工作原理水压+土压=土仓压力水压力+土压力=切口水压主机1.盾构主机由刀盘、前盾、中盾和盾尾等四部分组成，且具备足够的强度和刚度。2.土舱内土压传感器不少于5个，且应该按上、中、下不同区位布置在土舱隔板内（泥水盾构泥水仓压力传感器3个，气垫仓压力传感器2个）。3.刀盘面板和土舱内土体改良剂注入口均不少于4个，且应合理分散布置在刀盘面板和土舱隔板上的相应位置（泥水盾构无土体改良注入口，在泥水管道上有2路膨润土注入口）。4.主机长度及其铰接设计应满足隧道设计最小转弯半径的要求，且应满足线路半径为200m曲线的要求，特殊情况下应满足线路半径为150m曲线的要求（泥水盾构无铰接）。5.盾尾至少具备三道密封刷构成两道油脂密封腔且能够承受土压、水压及同步注浆产生的压力，不低于0.5MPa。6.每道盾尾密封舱密封油脂注入口不少于6个，且应能监测到每个注入口油脂注入压力，及总油脂注入量。选型技术要求刀盘1.刀盘开口率应根据开挖地层的特点来确定，以保证渣土顺利进入土舱内，适应快速掘进和建立土压的要求。2.刀盘上刀具布置应充分考虑地质条件并具有一定高差，层次感强，且为满足正反方向旋转的要求，对于磨蚀性较强的砂卵石地层和砂层，刀具应增加耐磨性。3.刀盘前方土体改良剂注入口不少于4个，应合理分散布置，且刀盘中心须至少设置一个注入口。4.配备扭矩应根据开挖地层的特点来确定，对于砂卵石地层，直径为6280mm刀盘额定扭矩不低于5000kN•m，脱困扭矩不低于6500kN•m。5.刀盘背面应设置搅拌棒，通过刀盘的旋转带动搅拌棒对渣土进行搅拌改良。6.应充分考虑地层对刀盘的磨蚀性（尤其是砂卵石地层和砂层），刀盘正面及侧面应具有足够的耐磨性。选型技术要求带滚刀复合式面板式刀盘推进系统1.推进系统提供的最大推力应根据地层条件和管片强度综合考虑，应能克服盾构推进过程中所遇到的最大阻力。2.推进油缸行程应根据管片的环宽和K块管片插入的长度来综合确定。3.推进系统提供的最大推进速度达80mm/min。4.推进油缸撑靴在与管片接触时能保证推力缓和均匀地作用在管片上，并保证密封止水橡胶条的完好。选型技术要求（2）盾构运输、组装、调试与拆吊风险盾构机进、出场的运输,盾构吊装调试现场作业，主要风险有超重超宽超高风险，对地上地下管线及结构物细致调查保护风险，大型起重吊装风险，超大型设备协调配合调试风险等等。盾构始发(出洞)阶段盾构始发三大钢结构件:1.洞门钢环2.始发接收托架3.反力架1、吊装前对吊装环境进行验收。吊装场地地面硬化及吊装设备承重处地面承载力情况，当承载力不满足要求时，应采取铺垫钢板、施工承载桩等措施来解决；2、吊装前对盾构设备吊环进行探伤，确保吊环满足要求，台车应采取吊装保护措施。3、吊装前对吊装设备吊索进行安全检查，对吊装设备操作等人员的操作证书进行核查。4、吊件起升过程中，操作必须平稳，速度均匀，避免吊索受冲击力。5、根据盾构各个部件的重量、尺寸、场地条件和吊装设备性能，制定完善的吊装方案。6、吊装过程中应派专人看守，尤其重点巡视吊装设备承重处地面情况。盾构机吊装应对措施（3）盾构始发与到达、过站及平移风险浆液和泡沫沿洞门密封处涌出盾构始发与到达是盾构施工中风险较大的环节之一，极易发生安全质量事故。（3）盾构始发与到达、过站及平移风险端头加固方法及质量存在问题；盾构始发/到达施工参数控制不合理（土压、注浆压力、推力等）；洞门密封质量差，或安装方法有误，导致密封渗漏；洞门破除过早。始发与到达、过站及平移风险原因安全风险分析端头加固质量不能满足施工需要1.端头加固工法选择不合理（旋喷桩、搅拌桩、袖阀管、冷冻法）2.端头加固范围不够。主要体现在加固长度、深度上。3.端头加固质量未能达到设计要求。①加固体本身强度不够，难以满足抗滑移或剪切的要求。②加固体不连续，局部出现渗漏。③加固节点处理不好，特别是围护结构与加固体之间的间隙处理、不同工法之间的界面处理。安全风险分析洞门密封渗漏（1）洞门密封钢环脱落或开裂，造成密封失效。（2）洞门帘布橡胶板开裂或未拉紧造成密封失效。（3）盾构机始发姿态偏差过大造成密封失效。为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时需安装洞门临时密封装置，临时密封装置由帘布橡胶、压板、垫片、螺栓和钢丝绳等组成。锁紧用钢丝绳扇形压板安全风险分析反力架加固不能提供足够的反力，造成反力架失稳（1）反力架结构强度不够（2）反力架加固不牢固。（3）始发台加固不牢固，未做好有效的防扭和抗浮措施。始发施工对策应对端头加固效果进行检验；①竖直抽芯过程：孔位、深度、连续性判断抽芯孔封堵的效果②水平抽芯孔的确定，检查、及时封堵采用竖直抽芯和水平探孔相结合的方式检查洞门加固效果。在洞门处安装止水橡胶帘布和扇形压板；密封装置安装前应对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度等进行检查，对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查。盾构机进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免盾构机刀盘挂破帘布橡胶板影响密封效果。盾构推进中注意观察、防止刀盘周边损伤橡胶带；洞圈扇形钢板要及时调整，提高密封圈的密封性；备好注浆堵漏及承压水井点的施工条件，以应洞口涌水时急用。应合理选择围护结构的破除时机，确保破除过程中端头处土体的稳定；对盾构机始发姿态进行人工复测,确保盾构机始发姿态满足施工要求。盾构始发前，从刀盘开口向盾构土仓内填塞土坯（基本充填满土仓），可使盾构机在切入掌子面时就可建立一定的土压，防止始发时掌子面发生大面积坍塌。盾构始发（或到达）施工前始发施工对策洞门破除后应立即推进盾构；盾构在加固区内的施工，土压建立前应严格控制出土量，正确使用加固土体松散系数；盾构始发在快出加固区时应将土压建立到略高于正常值，以确保在盾构出加固区后不会因土压过低而造成地表塌陷事故；总推力和扭矩控制在反力架及始发基座所能承受的范围内。盾构始发施工过程中到达施工对策控制好盾构姿态，在保证出碴量正常、同步注浆回填密实的前提下，尽量快速完成盾构的接收。盾构到达进入加固区后应逐步减小土压直至降为0，同时降低总推力,降低推进速度，缓慢向洞门推进，同时严格控制出土量；盾构贯通时，对进洞口段至少10~15环管片进行纵向拉紧作业。盾构机贯通后,应及时拉紧帘幕橡胶板钢丝绳,使帘幕橡胶板包紧盾构机前体,确保洞门密封，防止洞口处涌水涌沙，同时保证同步注浆砂浆不流失。做好同步注浆，保证管片壁后注浆，控制地表沉降。盾构到达施工过程中运营地铁隧道、越江公路隧道及立交桥、高速铁路、房屋等重要构筑物的变形要求极其严格。在盾构的穿越施工过程中稍有不慎，易对高灵敏度软土产生相对较大的扰动，从而引起较大的地层损失率，导致被穿越的重要建造物产生过大不均匀的变形，严重威胁人民生命财产，对社会产生较严重的后果。（4）盾构上、下穿建筑物风险（4）盾构上、下穿建筑物风险既有运营线事故出渣量过多；土仓压力设置偏低；同步注浆量不足；二次补充注浆不及时；地质条件差；盾构机其它掘进参数和掘进控制不合理。安全风险分析下穿前100m，设定为试验段；采用超土压掘进模式，保证刀盘通过时地面有微隆起，并保持土压稳定性；掘进参数：以“超土压、控出渣、饱注浆、勤监测、动态调整”的思路，制定掘进参数，保证连续推进。严格控制出渣量，防止超挖；加大同步注浆压力及注浆量，控制既有线沉降；现场成立信息化反馈联动机制，根据监测数据实时调整掘进参数，做到信息化施工；及时进行管片壁后二次补强注浆；盾构机上储备足量的膨润土，以备意外停机，向土仓内注入。穿越期间执行项目领导现场带班制，24小时地面巡视。施工对策（5）特殊地段盾构施工风险软硬不均地层全断面硬岩地层孤石段地层（球状风化体）富水厚砂层高黏土层砂卵石层断裂破碎段穿越水底浅覆土层不良地质（5）特殊地段盾构施工风险地层上软下硬，软硬不均现象明显，在这类地层中掘进效率低，刀具磨损严重、刀座变形、更换困难;刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大、易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨、线路偏移等，处理起来速度比较慢，严重影响施工进度，有时甚至因施工无法进展而不得不变更设计，花费成本较高，经济效益差。软硬不均、硬岩段地层风险中心刀磨损破坏严重盾构掘进参数的制定主要是从刀具保护角度来选择，掘进参数以“低速度、低转速、控扭矩、适推力、勤检查、控出渣”的思路进行制定，控制岩石对刀具的