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地铁盾构区间隧道施工风险的分析与控制

( 中铁十八局集团轨道交通工程有限公司)

从目前我国的经济发展以现代化建设趋势以及城市建设的总体战略规划而言，地铁的快速、轻型、大运量、低污染等诸多特点已经成为解决城市发展过程中人口剧增引起的交通压力的有效办法．然而，在使用盾构法进行地铁施工的过程中，不可避免的存在诸多潜在风险．针对此问题，本文将从盾构法工艺、风险发生机理与模型以及各类常见盾构风险的辨识与防范等方面展开，力求客观严密的对该问题进行阐述，并予以相关建议。
1 地铁盾构风险及控制研究概述
对于地铁或是隧道盾构法施工方面，学界及工程界众多专家积累了丰硕的成果可资借鉴．其中代表性的有: 学者靳世鹤以兰州地铁建设中盾构法的应用为例，从工程管理的角度入手，使用层次分析的方法对盾构法在兰州地铁应用过程中可能出现的风险进行了详细的拆解，并针对其中的关键性技术问题予以了相应的建议; 学者任强在北京地铁 4 号线的建设过程中，总结盾构施工经验，并通过理论分析建立起以风险矩阵为核心的一套地铁盾构评价体系; 学者宫志群从宏观角度出发，通过归纳方法对地铁区间施工中采用盾构法的风险发生机理、评价原则以及方法原则等做了一般意义上的阐述，使后来的研究者可以从整体上把握盾构法施工的风险及防治概貌; 学者陆征宇针对城市地铁施工中盾构法应用于软土地层时的情景，运用关联函数分析法建立起可拓风险评估模型，并对软土地层应用盾构法时的各类常见风险给出了针对性建议; 学者任建喜等考虑了临近建筑物时，地铁盾构施工中可能遭遇的风险，并使用模糊分析的方法对该风险进行了评估; 学者宋修元对砂卵地层特别是地下水时在该地层应用盾构法进行隧道构筑时的灾害发生机理以及处置措施等进行了详细的阐述; 学者滕丽在分析大量使用盾构法进行隧道建设中所发生的事故后，指出了土体力学特性对灾变发生的重要影响，并以此为基础使用模糊数学、克隆选择、层次分析等理论手段建立了以土体力学性质估测为核心的隧道盾构风险动态评价模型．总体而言，这些宝贵的研究成果为地铁及隧道盾构施工的工程管理以及工艺改进提供了有力的支撑。
2 盾构法施工及其风险辨识
2． 1 盾构施工技术
盾构施工法是指使用特定的盾构机械设备在土体中进行钻掘，并利用盾构外壳及管片对地下土体进行保护的一种隧道暗挖施工方法．随着盾构法在此次工程中的成功运用，一时间围绕着盾构施工的设备及工艺改进等成为热门，关于盾构法的理论如气压盾构等也陆续被建立起来．而我国应用盾构法的时间并不长，直到 2004 年我国才在上海上中路越江隧道中使用盾构法进行施工，此后盾构法在我国的发展呈现出极为迅猛的势头，时至今日我国已经实现了大型盾构设备的国产，摆脱了对昂贵进口设备的依赖．如图 1 所示即为我国济南中铁重工所生产的常用土压平衡盾构机．

2． 1． 1 盾构法特点
就盾构法本身而言，其施工过程中对地层扰动低、沉降小，安全快速等特点都是其优势所在．当然盾构法也存在一些弊端．关于盾构法施工的特点如表 1 所示。
2． 1． 2 盾构法工艺及流程
盾构法根据其对开挖断面的不同支护方式可以划分为多种类型，其中最为常用的有土压力盾构以及复合泥水盾构等．盾构机的工作示意图以及盾构法的工艺流程如图 2、图 3 以及图 4 所示。
2． 2 盾构施工中的风险机理分析及评价模型
2． 2． 1 盾构施工风险产生机理
( 1) 风险的产生环境．风险的产生环境是指，在特定的条件下，灾害或事故的发生几率远高于正常情形的环境．事实上在实际工程中，当在城市地铁建设中使用盾构法进行施工时，特殊的地层地貌、建筑群、河流甚至是埋藏在城市地下的各类管道与线路都会成为引发工程灾害的不利环境因素．然而这些不利的环境因素是客观固有的，绝大多数的地铁施工都难以绕开对这些不利因素的处理．因此，风险环境就是地铁盾构施工风险发生的内因所在．

( 2) 风险的引发因子．风险的引发因子是指能够提高风险发生概率的关键因素．例如在进行盾构法地铁施工时，在地层中遭遇阻碍物，或者掘进机械发生机械故障，或是遭遇溶洞、含水层等意料之外的地质构造等都是导致工程灾害的关键因素．从另一个角度看，风险的产生环境为风险的发生提供了潜在的孕育环境，而风险的引发因子则是直接导致风险发生的因素，因此风险的引发因子是地铁盾构施工风险发生的直接原因。
事实上，对地铁盾构法施工的风险发生机理可以由图 5 归纳得到。

从其中可以看到，在风险环境与风险因子的共同作用下导致施工事故的发生，而这些事故按照作用对象的差别可以进一步进行归类划分，主要有: 盾构隧道、建筑物、路面系统、地下管线、已建成隧道、特定的社会群体、自然环境以及施工人员等八大部分．若再将这八个主要受影响的对象按照损失的内容进行分类则可以分为七大类，主要有: 工期损失、耐久性损失、直接经济损失、环境影响损失、社会影响损失、生态环境损失、人员安全损失等．将这七大方面综合在一起就是风险发生所导致的总体损失。
2． 2． 2 盾构施工风险的评价模型
在生活或是工程实践中，对于风险发生的概率或是预计造成的影响，人们往往倾向于使用“大概”“可能”“极有可能”“应该”等感性化或者说不确定性的词汇．由于语言本身的含糊性以及不同接受对象之间的差异，导致这种感性判断不具备普适性和传递性．因此，为了更加科学、准确、系统、有效的评价盾构施工的风险发生概率，需要借助模糊数学的方法来建立其风险评价模型．这一过程可以按步骤描述为:
( 1) 以层次分析法确定盾构施工的指标体系;
( 2) 通过 9 度标记法赋予各指标相应的权重;
( 3) 将风险因素从工程系统中提取出;
( 4) 通过专家系统法对各风险因素予以风险初估计;
( 5) 建立风险矩阵 P 以及风险级别范围矩阵 C;
( 6) 计算处理矩阵 P、C 得到风险评价指标Ｒ，其中Ｒ = P × C;
( 7) 对Ｒ中的各风险指标进行加权处理;
( 8) 建立风险指标与各因素之间的对应关系并最终划分风险等级．
按此方法所建立的风险评价模型如表 2 所示。

3 盾构法施工机械风险及控制措施
3． 1 盾构机选型风险及控制
使用盾构法进行地铁作业时最主要的机械故障来自于盾构机的刀盘，因此为了降低这一施工风险，在进行盾构施工时应选择合适的刀盘．盾构机的刀盘选型原则总体上应当考虑设计要求、安全要求、经济要求、工期要求以及环境要求等五个主要部分．具体而言刀盘的选型原则可由表 3 归纳。

3． 2 盾构机进出洞土体稳定及控制
对于盾构法施工时的土体风险而言，除特殊地层的特殊工程特性的土外，最主要的影响来自盾构机进出洞周围的土体稳定，若该部分土体出现不稳定甚至垮塌都会造成盾构机被埋或是卡洞等事故发生．对于该部分土体的稳定，特别是存在地下水时，一般可采用高压旋喷注浆工艺对其进行加固．该工艺的施工流程如图 6 所示。

3． 3 盾构穿越建筑风险及控制
对于使用盾构法进行地铁作业特别是在城市段作业时而言，各类建筑物构筑物是盾构施工所必须面对的一项难题，在整个施工建设期间必须要保证建筑物的稳定性，避免因其发生扰动或是沉降而导致的事故．对于盾构穿越建筑物，其施工要点包括:
( 1) 做好盾构前的准备工作，特别是要注意对在施工区域内的建筑物，调查其基础情况以及基础所在处的地质情况;
( 2) 根据先期的基础及地质调研结果，确定恰当的掘进参数;
( 3) 在掘进的同时，应当对基础及地层进行同步的注浆加固，必要时可采取二次注浆加固;
( 4) 在盾构掘进过程中，应时刻注意盾构掘进机的姿态保持，以避免对土体的过度扰动;
( 5) 对建筑物做好施工期间的沉降监测．
3． 4 盾构穿越道路风险及控制
使用盾构法进行地铁作业对道路的影响主要集中在 3 个方面: 首先，盾构掘进可能造成路面的不均匀沉降，从而导致路基路面的损坏; 其次，地铁掘进施工可能会引起路面的塌陷; 最后，在掘进的注浆过程中如果不注意选取合理的注浆参数，有时会造成浆液沿路面裂缝涌出的冒浆现象．对于盾构穿越道路，要避免这些事故发生，其施工要点包括:
( 1) 将盾构机的工作压力控制在合理的范围内，避免开挖面出现大的扰动;
( 2) 选择恰当的注浆参数、位置以及时机保证注浆的连续、有效、合理;
( 3) 强化监测质量以及监测频率，特别是盾构施工期间，监测频率应保持 2 次/ d，甚至更高。
3． 5 盾构穿越地下管线风险及控制
使用盾构法进行地铁作业对地下管线的影响主要包括两个部分: 一是盾构施工可能造成管线的沉降; 二是施工时可能会对管线造成破坏．为避免这些事故的发生，当盾构穿越地下管线时，其施工要点包括:
( 1) 时刻调整机械正面的压力平衡，避免对土层的大范围扰动;
( 2) 在盾构掘进的过程中不宜推进过快，并应严格执行纠偏．
3． 6 盾构穿越河流风险及控制
使用盾构法进行地铁作业时，遭遇河流也是施工过程中的一大难点．为了顺利穿越河流，在盾构施工的过程中应当:
( 1) 选择合适的推进速度以及出土量等掘进参数;
( 2) 确定合适的注浆量以及注浆压力;
( 3) 加强施工期间的监测，特别是对防汛墙的沉降监测;
( 4) 控制好机械的作业姿态，并在盾构机尾部以油脂进行润滑辅助;
( 5) 若河流水量过大时，可采取在河流上游截流的方式，以使掘进顺利完成．
4 结论
盾构法是地铁施工中十分倚重的一项工法，然而不可忽视的是，由于岩土体本身的复杂性以及地铁施工中不可避免的涉及各种施工环境，这些都在很大程度上对盾构法施工的工艺水平以及风险管理水平提出了严峻的考验．面对这一问题，文章在总结已有研究成果的基础上，通过对盾构法的原理以及工艺流程解析切入，在详细阐述工程灾变风险发生机理的基础上，建立了相关风险评价模型; 针对地铁盾构施工时可能遭遇的风险进行逐点拆析，并在最后给出了相应的风险控制建议．
文章来源：（中国知网）

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