地铁隧道盾构施工中的风险因素及应对策略推荐

1、地铁隧道盾构施工中的风险因素及应对策略以上海13号轨道交通工程为案例【摘要】随着快速推进的城市化进程，盾构法逐渐成为特定地质条件下地铁建设采用较多的施工方法。地铁盾构施工具有施工周期长、受环境制约影响大等特点，且当前的施工风险管理还存在一些问题，因此，重视地铁盾构施工风险管理研究，对地铁工程盾构施工风险进行分析、评价并指导工程实践就显得尤为重要。本文以上海轨道交通13号线为具体案例，探讨了地铁隧道盾构施工中的风险因素。【关键词】地铁施工 隧道 盾构 风险管理1.工程概况与特点上海轨道交通 13 号线工程是上海市的轨道交通线路网中所规划的一条由西北向东南走向的线路，一期正线长为 16.437km

2、，线路分别经过上海市嘉定、普陀、闸北、静安 4 个区域。丰庄站祁连山南路站区间位于嘉定区、普陀区，线路从丰庄站东端头井至祁连山南路西端头井，区间线路沿金沙江路走行，见图 1。图1. 上海轨道交通 13 号线 1 期工程1.1.1 周边环境（1）地形地貌区间隧道沿金沙江西路走行，沿线区域建筑主要为居民住宅楼和临街商铺等，周边环境复杂。金沙江路为上海市的主干道，车流量大。（2）地面建筑物及地下管线概况区间盾构掘进段，施工影响范围内主要建筑有金丰新村 19 号楼以及临街的商铺。临街商铺位于区间上方，下方隧道长约 17m。根据管线调查资料显示，本标段施工范围内管线主要沿金沙江西路布设，管线主要有电力、

3、雨水、上水及通信等管线，施工过程中需加以控制。1.1.2 地质概况本标段盾构进出洞隧道穿越的地层主要为3-1砂质粉土、淤泥质粉质粘土、1-1粘土。区间隧道穿越地层有第层淤泥质粘土、第1-1层粉质粘土、第1-2层粉质粘土。在该工程中，旁通道及泵站均采用矿山法施工，而本文主要研究盾构法施工面临的风险，故这里所分析的风险因素不包括旁通道及泵站施工中的风险因素。1.1.3 工程特点（1）本工程盾构始发、到达端头地层主要为素填土、砂质粉土、淤泥质粘土、粘土，地下水丰富、水位高且具有承压特征，因此，能否圆满的开始和完成掘进工作直接受到盾构机的始发到达到安全程度的影响。（2）地表建构筑物管线众多。盾构掘进段

4、地表环境复杂，建（构）筑物较多，盾构下穿金丰新村 19 号楼房和金丰新村临街商铺，且底线管线繁多，地表沉降要求高。1.1.4 盾构机适应性分析与工作原理上海的地层松软，地下水丰富，根据地层渗透系数等各方面综合比选，应选用封闭式的盾构进行区间隧道施工。在封闭式盾构中，目前最主要的为泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构机。下面就这两种盾构机型式结合上海轨道交通 13 号线的情况，从土质适应情况、施工控制、工期、场地条件、环境保护、成本等方面进行比选，综合比较见表1。表1. 泥水盾构与土压盾构的综合比较与选择序号比较项目泥水盾构土压盾构比较1土质使用情况底层适应范围很广，尤其在全断面砂砾地层中有优势适用于

5、有一定细颗粒含量的底层，但可以通过辅助工法扩大适用范围根据上海土质，土压盾构优于泥水盾构2施工控制施工平稳，扰动性较小施工控制难度大，扰动较大，但可以通过辅助工法实现平稳施工控制均可，泥水盾构占优3工期工期固定，但对工期安排的要求较为严密工期较固定，环节之间相互影响二者差不多4场地情况需要交大的泥水制备与处理场地需要场地较小土压盾构占优5环境保护环境影响大，易产生水污染，影响交通对环境污染小，仅限于很小的范围土压盾构占优6成本设备造价高，成本高造价较低，成本低土压盾构占优根据上海地层情况、场地条件及环境保护的要求，应选用土压平衡盾构机，简称 EPB 盾构，同时配置合理的辅助工法确保重难点地段的

6、施工。土压平衡盾构机是利用千斤顶与推进油缸的作用使刀盘得以不断切削土体，并通过螺旋输送器将切削下的土体送入土仓，然后对土仓内的土体通过加泥、泡沫等方式进行改良。整个过程的重点是控制螺旋输送机的转速，进而控制出土量，进而使土仓内获得一定的土压，维持开挖面的压力平衡，从而使地面沉降控制在允许范围之内。土压平衡工作原理见图2。图2 压平衡工作原理2.工程施工面临的风险分析2.1.工程风险分析风险分析就是识别项目中存在的各种风险，分析其发生的概率，风险大小及其影响，最后提出规避风险的对策和措施，达到以最小的成本获得最大的安全保障预期效果。风险分析全过程如下图所示：客观统计数据主观判断数据采集数据不确定

7、性模型可能结果的评价概率分布的评价风险影响的评价风险辩识风险是否可能接受继续进行避免、改善或转移图3 风险分析过程2.2工程风险类型分析按照产生风险的各阶段，工程风险及潜在危险分为施工技术风险、结构安全风险、意外事故风险和人员安全风险四类。1 施工技术风险工程是一项在含水软弱地层中采用明挖法施工的深基坑工程，基坑开挖中必然会引起不同程度的土体应力释放和地下水流动，导致围护结构体系和坑周地层的位移，从而造成周围地上地下建（构）筑物、地下管线变形、开裂乃至灾害性破坏。因此深基坑工程与一般工程相比，技术要求高、施工难度大，不确定因素多，存在一定的施工技术风险。其主要表现形式为基坑施工中出现因支护结构

8、体系（包括地下墙，支撑结构及地下墙插入地基中的被动抗力区土体）和基坑整体失稳而发生如下破坏形式：如下图4所示：基坑隆起坑底被承压水顶破基坑整体滑移被动区土体失稳围护墙踢脚失稳基坑稳定性破坏管涌和流土图4.施工技术风险 结构安全风险在深基坑工程施工中，结构安全风险主要表现形式为围护墙和支撑体系发生如下强度破坏：围护墙渗漏支撑压屈围护墙破坏支护结构强度破坏支撑节点或支点滑动失稳支护结构崩溃，基坑坍塌图5 结构安全风险 意外事故风险深基坑工程施工中意外事故风险主要有以下表现形式： 地质报告表示的地基土性质与实际情况有差异，因土质太硬，挖槽机不能挖到设计深度； 成槽地基中有不明暗浜或潜流，致使槽孔坍塌

9、，不能成槽； 地下墙混凝土浇灌施工时，混凝土搅拌站出现意外事故停止供料，致使地下墙混凝土浇灌中断，导致墙体产生夹泥断缝； 基坑开挖过程中突遇暴雨，致使纵向边坡失稳滑坡； 基坑施工中意外断电，致使降水泵停止抽水，承压水压头回升，坑底出现突涌。 人员安全风险对人员安全威胁最大的风险因素通常是施工现场火灾、交通事故和高处意外坠物事故。3. 施工风险管理本工程是一项大型的市政工程。其规模大、涉及范围广、地质和周围环境条件复杂、施工历时长、工期紧、质量要求高，在施工过程中难免有气候骤变和不可预见的因素，影响某项工程的安全，故在施工过程中，除了在现实的工程环境和条件下，很好地满足规定的技术、经济指标外，还

10、必须预测施工风险，并将消除风险放在工程管理的第一位，制定各项应急预案来防范风险，以确保风险相对小，使风险减小到可以控制和承受的程度。为确保工程的安全顺利建设，施工风险管理拟采取以下措施： 认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，工程实施前项经部会同有关单位成立工程施工风险应急领导小组，统一指挥领导本工程的工程施工风险管理。 严格按施工组织设计进行施工，同时加强监测管理，根据“信息化施工管理及工程监测”方案实施，利用监测数据指导施工。 为防止突发事故引起的危害，施工前必须准备好紧急联络一览表（便于同有关方面及时联系），如发生事故，值班人员应立即按紧急联络一览表与相关方面取得联系，并根据情况采取相关

11、措施，在第一时间及时控制事态。 施工风险处理的一般对策为确保工程的安全顺利建设，针对风险环节必须制定详细和周密的技术方案，关键环节还必须在实施前制定应急预案。4. 施工风险应急预案 认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，工程实施前项经部会同有关单位成立工程施工风险应急领导小组，统一指挥领导本工程的工程施工风险管理。 防止突发事故引起的危害，施工前必须准备好紧急联络一览表（便于同有关方面及时联系），如发生事故，值班人员应立即按紧急联络一览表与相关方面取得联系，并根据情况采取相关措施，在第一时间及时控制事态。 各级领导（负责人）必须高度重视工程施工风险管理工作，把工程施工风险管理工作放在重要议事日

12、程，在施工前必须做好组织、思想、措施三落实工作。 工程施工前配备足够的应急物资设备。加强应急设备管理、保养，明确专人（应急物资设备专管员）负责。确保危险期正常使用。应急物资设备严禁挪作它用。 库房钥匙分别由值班人员和料库保管员保管，并放于明显处作好标示。并进行定期检查，清点器材，做好保养措施。 项目组除正常值班外，要安排防汛期、关键施工期的警戒值班，遇到高水位、暴雨，组长上岗值班。 值班员上岗值班，必须立即向应急领导小组汇报本工地施工情况、管线变形情况、物资、设备、抢险队伍人数情况。 监测单位联络员应及时将管线变形情况向各相关联络员通报。项经部现场联络员应及时将领导小组决定的应急措施及事后情况

13、向各相关联络员通报。5. 基坑施工风险应急措施针对基坑施工中可能出现的施工风险，实施下表所列应急措施：表1基坑开挖施工风险应急措施表序号应 急 对 策1地下墙接头缝渗漏与流砂风险因素2地下墙结构破坏在地下墙外侧注浆加固，在钢筋笼切割宽度不大的情况下，可先在地下墙外侧进行注浆加固，待基坑开挖时，再在地下墙内侧修补没有钢筋的墙体。在钢筋笼切割宽度很大的情况下，可在地下墙外侧增补钻孔灌注桩。在钢筋笼切割宽度很大的情况下，可在地下墙外侧增补一幅地下墙，再在地下墙两侧进行高压旋喷注浆，使之形成隔水帷幕，待基坑开挖时，再在地下墙内侧修补没有钢筋的墙体。3坑底出现流砂停止开挖基坑；回填土方压住流砂；分析原因

14、，制订进一步对策：采取坑内降水补救措施，降低地下水位，阻止流砂的发生；将板桩紧贴围护墙打入坑底，增大围护墙入土深度，减小动水压力，阻止流砂发生；坑内灌水，水下挖土，消除基坑内外水压差，阻止流砂发生。4坑底承压水突涌在施工现场或施工现场附近储备一定数量的砂及蛇皮袋，当基坑出现突涌时迅速用蛇皮袋装砂回填，然后在基坑开挖面以下采用灌浆等处理措施，处理妥当后再开挖；若出现严重的突涌现象可将基坑回填或向坑内灌水压重，先阻止突涌发生，再进行下一步的分析与施工； 分析原因，制订进一步对策：增补承压水降水（减压）井措施，疏干或降低承压水压力，阻止突涌发生；用快凝压力注浆或灌注快凝混凝土堵住涌口；如果突涌原因是

15、承压水含水层下面没隔水层，承压水有抽降不下的补给来源，可采用在基坑周围设置竖向落底式隔渗帷幕与深井降水相结合的方法，也可采用周底隔渗帷幕（竖向落底式隔渗帷幕和水平封底隔渗层相结合）与深井降水相结合的的方法疏干或降低承压水压力，阻止突涌发生；如果工期或场地不允许设置隔渗帷幕，则采用坑内灌水，水下挖土，水中封底的的施工方法。5基坑纵向边坡失稳滑坡如边坡坡度太陡，修复边坡时应放缓边坡；清除坡顶堆载，禁止工程车辆和工程机械在坡顶行驶或作业；采取有效措施阻止地面水侵入基坑；采取坑内降水的补救措施；修复塌方或滑坡的边坡前，先在坡脚外作临时性的支护（如堆砌装土草袋、坡脚打桩等），再按安全坡度放坡修复边坡。6

16、坑底隆起坑底回弹隆起变形量的大小与地质条件、开挖深度、基坑面积大小、围护结构插入土体的深度、坑内有无积水、基坑暴露时间、开挖顺序、开挖深度以及开挖机械等有关。对一般小量的回弹变形可忽略不计，但对较大的基坑回弹隆起现象，一定要分析原因，制订对策：坑外卸载，挖去一定范围内土体；坑内加载或坑内周沿插入板桩防止坑外土向坑内挤压；坑内按实际情况作坑底地基土加固,然后挖至标高。7支撑体系失稳分析支撑体系失稳原因，采取针对性措施：如是支撑长细比过大，可设置中间立柱桩和取系杆来稳定支撑；如是支撑与围檩或墙面不垂直，则拆除支撑重新安装，使其垂直后再固定；如是支撑不水平，应拆除重新安装；如是支撑直线度差，立即调用

17、经过检测符合直线度要求的支撑；如是支撑端头板与支撑面不密贴，可采用楔形垫纠正；如果围护墙与围檩不密贴，可在围护墙与围檩之间的空隙用砂浆或砼填充密实；如是斜撑钢牛腿焊接质量差，可根据焊缝实际质量及钢牛腿破坏情况作补强处理；如是预应力值未达到设计值或预应力衰退,应重新施加预应力确保其值达到设计要求。预应力衰退8基坑围护结构位移过大周围建构筑物过量沉降立即停止开挖，在薄弱部位紧贴土面设置临时支撑，控制围护结构继续位移；对周围建构筑物进行跟踪注浆保护；根据监测报告和位移情况，找出围护结构位移原因，制订具体对策：等到坑内井点预降水达到规定天数、坑内外地基加固土体达到龄期或设计强度时再开挖基坑；严格执行分

18、段、分层、分块，限时开挖完成、限时支撑到位的基坑开挖原则；根据找到的原因，实施支撑体系失稳、坑底隆起、围护墙渗漏流土、坑底流砂和坑底承压水突涌等应急对策。6. 施工过程中其他相关风险及预案（1）在本机电安装工程中需安装大型设备，如轴流风机、消声器、射流风机、变压器、高低压柜等多样设备，其中各别设备重达几吨，机电安装项目组在吊装这些设备前，首先编写吊装方案报监理及业主审批，并严格安装审批的施工方案施工。（2）本工程绝大多数设备安装在地下，由于地下环境潮湿，对电器设备的安装十分不利，因此在施工过程中严密检测施工现场环境条件，当空气湿度达到设备最大允许值时，将采取特被措施（如增加除湿机或机械通风装置

19、）。（3）由于机电安装施工工期短，这就要求设备材料的进场时间相对集中，这就牵涉到现场设备的保管，本机电设备安装项目组根据不同设备材料的特性和工程需要的时间分类堆放，对不能堆放在露天的设备材料，在现场搭临时工棚，并在设备材料的底部适当垫高，以确保设备的可靠性。（4）设置专职用电管理员，督察施工现像用电安全，一发现用电隐患，立即停工整改，并作适当记录。（5）本机电设备安装项目组在汛期成立防汛防台工作小组，配备人员、车辆及防汛防台物资，严密注意隧道水情，以防隧道被淹。（6） 在隧道施工期间有需要动火处部位，摆放灭火装置。参考文献：1 钱七虎,戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议J.

20、岩石力学与工程学报,2008,27(4):650.2 张博.地铁盾构法施工风险管理与应用研究D.长沙:中南大学,2009.3 田华军,宋艺宏.地铁盾构隧道施工安全及事故分析J.现代城市轨道交通,2009,22(5):53.4 Duddeck H. Challenges to Tunneling Engineers J. Tunneling and Underground SpaceTechnology, 1996, 11(l):5-10.5 Eskesen, S.D. , Tengborg P , Kampann J. Guidelines for Tunneling Risk Managem

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