盾构施工风险控制和安全管理讲诉

盾构法隧道施工风险控制和安全管理港铁轨道交通深圳有限公司张自太2014年11月（合肥）2020/3/172020/3/17Page2一、风险管理理念轨道交通建设三步曲March17,2020港铁（深圳）2020/3/17Page3规划-----政府部门（设计）策划-----建设单位（地铁公司、BT方）计划-----施工单位（BT方二级局）系统风险管控：采用主动式风险管理方法March17,2020港铁（深圳）初步风险评估1.可研阶段2.设计阶段3.标书编制采用低风险,安全优化设计，提交风险清单按风险等级编制针对性安全技术规范,标准，限制准入条件4.招标阶段安全条件，资格要求，人员及施工经验审查把关．5.施工阶段执行风险清单要求，并动态发展＼补充风险登记册．6.竣工阶段安全设施试运验收，并移交遗留风险7.运营阶段管理遗留风险，制订规程，组织落实，内/外部审计，持续提升反馈/持续改善和提升系统风险管控：明确各阶段的风险监控要点2020/3/17Page6（工程所处阶段与风险控制资源投入关系图）工可研阶段初步阶段施工设计施工阶段运营阶段风险遗留管治人为操作风险控制技术风险控制投入阶段•系统化风险管理-重视前期，掌握系统性2020/3/17Page7项目各阶段对建设成本的影响二、盾构施工的风险点盾构施工的风险主要有：1、地质与盾构选型风险2、盾构组装与调试风险3、盾构始发与到达作业风险4、盾构掘进施工风险5、特殊地段盾构施工风险6、盾构设备维护保养风险2013年11月竺维彬黄威然9盾构施工三维控制原理盾构法隧道的一些原则性定义1.小净距小于0.7D2.浅覆土小于D3.小半径小于40D4.大坡度大于3%5.长距离大于4~5KM6.大深度大于50M盾构机三大核心技术:自动控制技术(PLC):计算机技术液压技术(BHW):油,气,水密封技术:主轴承密封,铰接密封,盾尾密封盾构机三大核心部件:刀盘:包括各种刀具(滚刀,齿刀,刮刀,超挖刀)管片拼装机螺旋输送机（有轴无轴，直径，双闸门，保压泵）盾构平衡始发盾构到达接收钢套筒上下重叠隧道施工指出技术各种穿越技术盾构端头地层的水平加固技术盾构空推技术盾构通过复合地层(上软下硬)花岗岩球状风化地层(孤石)盾构施工创新技术2013年11月竺维彬黄威然15典型地质剖面与相应的盾构机2013年11月竺维彬黄威然16目前全世界最大的泥水平衡盾构机—直径17.8米。用于香港屯门隧道地质风险中国地貌、地质类型多样，盾构机厂家和选型众多，配置程度不一，施工队伍多且经验技术参差不齐，线路路况及铺设方式、埋深差异大、方案多种多样、城市对隧道保护办法宽松不同等等，已出的盾构风险事故“千姿百态”且有的重复出现。。盾构机选型及配置风险人为风险叠加风险隧道保护风险但概况起来，有五类：1）地质风险;2）盾构机选型及配置风险;3）人为风险;4）叠加风险（即地质、盾构机、人组合风险）5）隧道保护风险;6）企业风险。上述风险处置不当，还将引发企业生存风险、政治风险和法律风险。17政治风险、法律风险、企业风险1）地域广，地层类型多地质年代（单位：百万年）(millionyears)城市淤泥、粘土、砂土各大城市第四纪（1.8～今）Quaternary砂卵石北京、沈阳、南宁、西安、郑州、成都、南宁、台北、高雄、广州、南昌等新生代第三纪（65～1.8）Tertiary北京、广州、武汉、昆明、南昌、南宁、南京、重庆等白垩纪（145～65）Cretaceous侏罗纪（213～145）Jurassic燕山期花岗岩（205～66±2）广州、武汉、杭州、大连、南京、重庆、长沙、福州、南宁、南昌、青岛、香港等中生代三叠纪（248～213）Triassic武汉、汕头古生代二叠纪～寒武纪（544～248）问广州、武汉、大连、深圳、昆明、长沙等前寒武纪（地球起源～544）Sinian广州、福州、武汉、大连、昆明、南昌等地质风险建设地铁各城市的地层类别2）岩土结构、构造和矿物成分复杂沉积岩岩浆岩变质岩砂卵石与泥岩交互地质风险3）复合地层(Mixfaceconditions)1Qml49HC1ds53-11jJC1ds4-29c-26c-1F3-25-1897767F878H84-18K2d14-2Qal+pl464-25-27F8c-24-13-1地质风险在隧道开挖断面范围和开挖的延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层。各地对此类地层的定义：台湾（复合地层）北京（混合地层、复合地层）深圳（复杂地层）随着地铁线路延伸和埋深加大，即使上海、天津、宁波和苏州等城市都会触及复合地层的隧道建设。4）不良地质岩溶、瓦斯、富水断裂带、球状风化体、易液化或高承压水砂层等，甚至是化工药剂污染地层。瓦斯富水断裂带地质风险花岗岩球状风化体地质风险盾构遭遇孤石专利技术：地下隐蔽岩体爆破地面需爆破基岩孤石堵塞隧道底面超深炸药隧道顶面“滞排”问题：盾构在沙卵砾石地层和破隧带中掘进，渣土在土（泥水）仓中不能及时排出，导致反复磨损刀具和刀盘。砂砾卵石和破碎带地层刀盘严重磨损滚刀刀圈偏磨滚刀轴承磨损5）地下异物（桩基、流木、沉船等）广州地铁过桩基群，开仓清除桩基台北捷运的流木地质风险6)地下水管片背后的积水从注浆孔喷出广州地铁三号线大石—汉溪区间礼村断裂带地质剖面图“水”是地下工程第一风险元素或“头号杀手”，是地质认知的最重要环节。尽管盾构工法是密闭施工方法，使水平衡不被打破，但有的地质条件诸如断裂破碎带、溶洞地带等水压力本身有变化，使盾构很难建立动态平衡，势必造成超挖过大甚至坍塌。25地质风险1.地下工程占用了地下水的蓄水空间，加重城淹、洪灾；2.抬高上游水位造成建筑物隆起，降低下游地下水水位导致建筑物下沉；3.注浆材料选择不当，导致地下水污染。266)地下水地质风险27盾构设备风险1盾构选型风险2主轴承和刀盘驱动系统风险3三大密封风险•主轴承密封•中折密封•盾尾密封•软土地层•硬岩地层•复合地层•土压平衡式盾构•泥水平衡式盾构28盾构选型风险软土地层盾构机与复合地层盾构机（1）掘进过程基本不需要或很少需要换刀（2）掘进过程主要保持掌子面和地面稳定（3）刀盘结构较为简单、刀具配置单一图1软土地层刀盘刀具配置示意软土地层盾构机特点29盾构选型风险软土地层盾构机与复合地层盾构机软土地层盾构机特点（4）软土地层一般塑性土压比较大、刀盘切土的扭矩可全部由土体对盾壳产生的塑性土压平衡，掘进过程较为平稳（5）主轴承寿命一般要求不高（6）对于土压平衡盾构，一般不需配置渣土改良系统（7）对于泥水加压平衡盾构，一般不配置破碎机（8）刀盘、盾壳可选用一般钢材制造（例如Q235）30盾构选型风险软土地层盾构机与复合地层盾构机复合地层盾构机特点（1）掘进过程需要换刀，并需在采用多种稳定掌子面技术措施条件下进行换刀或对刀盘切口环进行补强（2）掘进过程除需保持掌子面和地面稳定外，切土破岩参数的选取还需要与破岩机理相结合•滚刀破岩机理•切刀（刮刀）切土破岩机理•滚刀、切刀联合破岩机理滚刀与刮刀31盾构选型风险软土地层盾构机与复合地层盾构机复合地层盾构机特点（3）刀盘结构极为复杂，需多种刀具配置形式（4）复合地层塑性土压是变化的，刀盘切土破岩的扭矩可全部由土体对盾壳产生的塑性土压平衡，或由部分土体对盾壳产生的塑性土压和推进油缸压力垫与管片环端面摩擦力共同作用平衡，掘进过程受力工况复杂，稳定性较差图2复合地层盾构机刀盘刀具布置图3复合地层盾构机推进油缸的结构图32盾构选型风险软土地层盾构机与复合地层盾构机复合地层盾构机特点（5）主轴承寿命一般要求较高（6）对于土压平衡盾构，一般需配置渣土改良系统（7）对于泥水加压平衡盾构，一般需配置破碎机（8）刀盘、盾壳要选用较好的钢材制造（如Q345）33盾构选型风险土压平衡与泥水加压式盾构机（1）在富水破碎复合地层或水下隧道通常选用泥水加压式盾构或气垫式泥水盾构，在复合地层掘进气垫式泥水加压盾构一般在气压舱安置破碎机，目前破碎机存在工效低（5次/min）、可靠性差的缺陷。某水下工程采用气垫式泥水加压盾构施工，在穿越岸上一港口时因破碎机失效，堵管、泥浆循环不畅，造成地面塌陷。图5破碎机在气垫式泥水盾构机中的配置示意图34盾构选型风险土压平衡与泥水加压式盾构机（2）地下水渗透系数低的复合地层一般选用土压平衡盾构，对于抗压强度较高的岩层，目前选型存在两种不同观点，一种观点是应选用土压平衡盾构，方便更换刀具；另一种观点是考虑到泥浆对刀具的刀刃起到润滑作用，减少刀具磨损，应优先选用泥水加压是盾构。有待于工程实践作进一步论证。（3）为了更好控制掌子面和地面稳定应选用气垫式泥水盾构，但目前在国内还未真正了解其作用机理，所以未能更好发挥其控制沉降作用。35主轴承和刀盘驱动系统风险主轴承风险（1）当主轴承出现不可处理的破损，对于硬岩全断面联合掘进机，可在自稳围岩中扩洞更换，而在软土和复合地层中盾构难以遇到自稳围岩，加固土体扩洞代价甚大，难以更换主轴承。（2）对于盾构主轴承可否参照硬岩TBM（全断面联合掘进机）按半荷载设计原则进行选型，尽量选用高寿命轴承和高扭矩和耐冲击的传动系统，从而降低主轴承风险。36主轴承和刀盘驱动系统风险刀盘驱动系统风险（1）刀盘驱动系统破坏在施工过程时有发生，某工程发生八台驱动装置行星齿轮减速器太阳齿轮同时破坏，停工年多等待更换。（2）对复合地层盾构刀盘驱动系统末级传动副，行星齿轮减速器的输出端小齿轮如能采用简支结构，可减少悬臂结构带来风险。图6行星齿轮减速器输出端简支结构的小齿轮37三大密封风险主轴承密•主轴承密封失效，主轴承就会先损坏•合适的多道耐磨密封形式、功能完善可靠的润滑和冷却系统是降低主轴承密封风险的重要因素。主轴承密封寿命要高于主轴承寿命图7主轴承密封示意图38三大密封风险中折密封•在设置中折装置的盾构中，中折密封是否可靠，关系到砂水是否涌进盾构机内，在高水压软弱地层显得特别重要•中折装置及其密封设计必须适应盾构机在曲线隧道掘进要求•进一步解决充气临时密封止水带可靠工作问题图8中折密封示意图39三大密封风险盾尾密封•盾尾密封是否可靠，亦关系到砂水是否涌进盾构机内，同时亦确保盾尾同步注浆及管片环二次注浆质量及浆液是否涌入盾构机内•多道密封形式设计应合理，密封刷应耐磨工作可靠，进一步解决充气临时密封止水带可靠工作问题，使其有助于更换密封刷图9盾尾密封示意图选型不当实例某刀盘刚度不足，中心部位凹陷－结构、功能、刀具、开口率等。某刀盘强度不足，局部碎裂盾构机选型和配置风险人、机、地质等风险叠加1.泥饼；2.喷涌；3.姿态失控－明挖法修复盾构隧道；4.压力平衡失控（高土压、欠土压、“拉风箱式”）；叠加风险刀盘面板结泥饼明挖法修复超限盾构隧道喷涌人、机、地质等风险叠加4.滞排；5.铁板沙；叠加风险42南京长江隧道，采用饱和气压作业法进仓修复盾构刀盘刀具。人、机、地质等风险叠加7.盾构机被卡（卡刀盘、卡盾体）；8.螺旋机卡死，螺杆断裂等，处理螺旋机故障措施失当，甚至导致盾构机被埋；9.油脂等化学类产品裂解。叠加风险盾构在硬岩中卡死螺杆断裂地质与选型风险盾构机的选型依据是：地质条件；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。所以如果地质条件错误、选型失误，是盾构施工最大的风险。盾构地质选型盾构组装、调试风险盾构机进场的运输,盾构吊装调试现场作业，主要风险有超宽超高运输风险，超大超重吊装风险，超大型设备协调配合调试风险。盾构吊装盾构合龙调试始发到达作业风险盾构施工过程中，始发与到达的风险最大，主要有：盾构基座变形；反力架位移或变形；破除洞门时涌水涌砂涌土；洞门密封失效或漏水；姿态突变；轴线偏离等。盾构始发盾构到达施工风险刀盘卡死：前方卵石堆积；刀具磨损；岩石太硬；盾构密封失效：主轴承密