盾构隧道建设风险分析与控制

1、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,一、盾构隧道建设中的风险认知,当前国内地铁盾构类型,盾构的概念,盾构的概念,盾构的概念,盾构法主要施工程序,8、盾构进入接井,7、接收井洞口土体加固,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。,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 （

2、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。,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,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,泥水平衡盾构机工作原理,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

3、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、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5000kNm，脱困扭矩不低于6500kNm。 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,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,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

5、生安全质量事故。,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。 加固体本身强度不够，难以满足抗滑移或剪切的要求。 加固体不连续，局部出现渗漏。 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。,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。,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。,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

6、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。,既有运营线事故,中心刀磨损破坏严重,土仓内的孤石,刀具更换,卵石层施工风险,极端情况：长沙地铁二号线浅埋过砂卵石地层，地面为400米密集棚户区坍塌。,盾构刀盘面板和刀具布置图,未使用的螺旋输送机耐磨块情况,断裂破碎段施工风险,图8-2 硅化角砾岩岩块,过矿山法空推段施工风险,主要为矿山法施工断面侵限，未及时断面测量，导致盾构通过时卡盾，在空推段容易造成盾构抬头、推力突然增大、姿态突变、管片错台、上浮及渗漏等,由于地下工程地质条件的复杂性以及地质勘探的局限性，隧道穿越的地层不可能一一查明，盾构推进工作面前方可能会出现各类障碍物，如废弃钢筋混凝土桩、旧桥台、人防工事、降水井等，造成盾构机较大破损甚至无法正常推进。,遇障碍物施工风险,2008年4月15日广州地铁六号线开仓作业过程气体爆燃事故及气体监测。,深圳地铁开仓作业过程中仓内掌子面坍塌。,2015年6月26日 ，深圳地铁开仓作业过程中导致地面坍塌。,应急柴油空压机和氧气仓,掌子面地质情况勘察,仓内气体检测,掌子面制

7、作的泥膜,二、典型风险案例分析与处置,风险事故情况,某地铁盾构隧道建设过程中发生了两起险情。两事故均是在高水压粉土粉砂地质条件下，一起是盾构接收到达时水土进入工作井内，另一起是在盾构接收后洞门密封失效，管片外侧水土进入工作井内，好在都没有造成人员伤亡。属于盾构建设过程中高风险的盾构接收阶段风险，具有一定的典型性。,（一）案例1,该区间长度只有约380m，最小平曲线半径800m，埋深1114m,但右线隧道位于河床底部。,概况,接收阶段主要穿越52、7层粉土或夹淤泥土层,1、概况,地铁右线隧道位于河床下，距离河床约8m,1、概况,透水时盾构位置，距离连续墙约1.2m，离成功只一步之遥。,1、概况,2、事故发生前采取的措施,盾构进洞采取的安全措施,在端头井设置1道500mm厚砼隔墙隔墙使盾构接收井都变成密闭空间,2、事故发生前采取的措施,安全气囊通过充气方法使其膨胀，使气囊填满整个盾体与钢环间的断面，堵住漏水，从而达到无渗水的目的。,2、事故发生前采取的措施,外圈冷冻加固长度11.4m（土体长度），外圈帷幕厚度1.6m，内圈冷冻加固长度2.5m（土体长度）。,11.4m,2.5m,1.6m,

8、2、事故发生前采取的措施,洞门圈外冻结孔增长1m，确保303环、304环注浆孔在盾尾与冷冻加固之间，保证冷冻“杯口”处环箍质量，阻断涌水涌砂通道。,2、事故发生前采取的措施,围堰平面图,2、事故发生前采取的措施,水平注浆加强止水,2、事故发生前采取的措施,3、事故经过,拔除内圈冻结管后，盾构开始恢复掘进。304环掘进约18cm时螺旋机出现喷涌，土压力升高。随即采取防喷涌措施，同时在盾尾300303环继续进行双液浆环箍，并利用尾盾和前盾的12个径向注浆孔注聚氨酯环箍（约80方双液浆和1.2T聚氨酯）。,双液浆和聚氨酯环箍施工,3、事故经过,上述险情处置后经对冻结体分析评估，盾构进洞及维护冻结期间，通过对冻结体测温孔、去回盐水温度数据分析，土体温度处于稳定下降的态势，冻结壁应是完好的，对双液浆和聚氨酯环箍进行全面排查，未发现有渗流水沙现象。但还是按专家意见组织了对洞门进行混凝土回筑，混凝土浇筑约2m时，洞门出现漏水，此后约4小时后发生河水倒灌险情。,3、事故经过,分析表明：该盾构接收措施是完备合适的，该处经过多次反复施工，存在大量抛石、建筑垃圾，地质情况极其复杂，对冷冻及注浆效果存在不利影

9、响，盾构上部可能存在地下不明渗漏水通道。 同时回筑混凝土慢了点，且未见及时启动降水措施。,4、事故原因分析,5、事故处置,险情发生后，及时启动应急抢险措施，在泥水中盾构恢复推进，及时进入接收井，避免了盾构机下沉、成形隧道大幅变形破坏的风险。,地面采取的主要措施： 1、对盾构机前方地质进行了钻探取样和雷达物理探测； 2、在地面塌陷部位进行土方回填； 3、对地面河床下注浆加固； 4、对盾构端头井隔墙进行加固； 5、对新塘河导流管施工。,隧道内采取的主要措施： 1、盾尾后部30环管片用槽钢进行加固； 2、对成型隧道和盾构机姿态进行24h加密监测； 3、前盾径向注浆孔压注聚氨酯； 4、尾盾压注惰性浆液； 5、盾尾后部管片注浆加固。,（二）案例2,该地铁盾构隧道为过长江区间隧道右线全长3003.39m，左线全长2993.859m，隧道最小转弯半径500m，最大坡度28。,1、到达端头的工程地质概况,到达端头隧道顶部埋深17.1m。上部为杂填土、粉质粘土，隧道穿越地层为3-5粉质粘土、粉土、粉砂互层以及4-2粉细砂层。,北侧医院放射中心、精神病院，南侧8层居民楼、7层电信大楼。,2、周边建筑物,左线,右线,2层,8层,7层,层4,洞门凿除完成推进盾构刀盘推1991环至洞门口，洞门右下角位置出现小的涌水，在掘进过程中因接收姿态较差洞门帘幕橡胶拉断，涌水涌砂时经在盾尾5环管片范围内大量压注了聚氨酯顺利完成盾构接收； 在盾构机吊出后，底部渗漏水，在用堵漏王对底部渗水处进行封堵及压注聚氨酯、水泥、沙袋压填，上部采用混凝土回填后涌水止住，涌砂量较前次加大。 后移盾构后配套拖车过程中，左线隧道内进行管片“环框+内支撑”安装时，1986-1988环突发管片错台，并带有管片破损声音，同时有渗水。2分钟后渗水停止。随后进行抢险，对19861988环进行木支撑加固，险情得以控制。,3、左线多次险情过程,险情发生后，及时启动了应急抢险措施，并对部分管片进行了补强处理。,堵漏处理,环纵缝、手孔处理,裂缝、错台及破损处理,安装钢圈,环氧树脂充填,管片壁后补充注浆,三、风险事故管控原则,1、人为因素控制,要坚决摒弃施工过程中的侥幸决策心理！在安全及经济间一

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