大口径长距离盾构机风险评估事例

1、大口径长距离盾构机风险评估事例桥本正1管茜檬1朱合华2马险峰2f1地域地盘环境研究所2同济大学地下建筑与工程系)1工程概要上海市沪豢苏越江1程是中国沿海高速公路网络中穿越长江的个重要工程，它南起目浦东五号沟接上海郊区环线，过长江南港水域，经长兴岛再过长江北港水域，止于祟明岛陈家镇，全长25 5公里，图1足崇明越江通道的平面位置图。其中穿越南港水域为盾构隧道计划采用的盾构机直径为15 43m(隧道管片外径150m)，相邻两条隧道的间净距为14 4m，盾构机单机推进长度为7 5公里。施工地层的土质为以粘土(c-410kNm：)为主体的软弱地层，该粘土随着深度的增加而逐渐变硬。由于靠近出海口，地下水

2、含有盐分，地层的沉降要求控制在1020硼范围内。建设总工期为3年|三【内。由十该工程采用的是世界最大的盾构，有必要对餍构机进行风险研究。本研究根据日本的实际旌工经验针对本工程的大口径长距离高速掩工等特点，在率工程的特定制约条件下，对采用世界是大直径的盾构机的可行性进行了分析研究。本次盾构机的可行性研究在中国，在日本都属首次，希望率研究可阻为今后的盾构机设计提供参考。图l祟明越江通道的平面位置图2本工程的技术特点裘1列出了日本与荷兰的施：实例和本工程的基率条件从表中町咀总结得出本工程隧道后构法的关键词为J)大L径，2)长距离，3)大渫度【高水压)，)高速施工，5)管片自动拼装等。针对每个关键词的

3、技术环节在表中均能找到分数的成功应用的实例，但综台应用这5个关键技术的施工实例，世界上尚属首次。表1本工程和施工实例的基本条件对比表；，本工程东京湾横断道路外环放水路涉川贮留石冈隧道关电世博荷兰格林哈特工法o 7泥永式泥水式泥水式泥水式泥水式泥水式泥水式隧道外径币153m巾1414m由1214m由1234由581m由575m由149m大口径ooooo距离=75km1_75km192kin198kin24km65km7Okm长距离：o，7Oo深度一-40m-60m-45m-35m高水压，：，ooO高速施工，一：oooo管片自动拼装ooOo半自动。本工程的问题点在于如何把已经成功运用在大深度掘进的

4、大口径并且具备自动拼装管片功能的盾构机适用于长距离、高速度的施工中去。在设计本项目中使用的盾构机时，针对为了满足这5项技术要求，要求盾构机各种部件必须具有长期耐久性与稳定性。包括刀具、泥水土压平衡舱密封装置及盾尾密封装置要具备较高的耐磨性和耐久性，泥水土压平衡舱密封装置要具备较高的耐压防水性，刀盘面板在偏心荷载下要确保结构的稳定性。为达到高速施工，有必要采用全自动管片拼装机来节省管片拼装的时间。同时还需要对保证安全的管理方法(检测、修理和出现异常时的处理措施等)进行详细地讨论研究。3盾构机关键性能上一节叙述的盾构机的必要性能中，最重要的部分为平衡舱土砂密封装置，刀具以及盾尾的密封装置三个部分。

5、下面对这些部分进行进一步讨论。垩煎丝壁窒塾蕉重O刀盘转速在这里设定本工程的施工速度为50 mmmin，为达到这一速度须使刀盘的切削深度增加，但这会影响刀盘的磨损量。在高速施工时，为维持这一推进速度，有必要提高刀盘的旋转速度。以下对刀盘的切削深度达到25mm时所需的转速进行试算。n=二一=二二一=05rpm(rpm)：刀盘的回转速度。h xn25x4v(cmmin)：推进速度。平衡舱密封装置外径处的线速度为Yah(cm)：t2N深度n：刀具组数(根据东京湾横断道路的经验，采用4组)Ya=X 83mX 05rpm=1303min一般外径为巾1543m的盾构，平衡舱密封装置的外径约需为由830m(中

6、间支持方式)。o本工程平衡舱密封装置的转动摩擦距离L x9lL x=推进距离L推进速度V平衡舱密封装置外径处的线速度V a=7500m+005mrain1303mrain=1954500m=195450km(2500H)根据以上试算可以大致得出平衡舱密封装置的转动摩擦距离约为1960km，与日本盾构机施工的实际业绩基本属于同一范围内。对于平衡舱密封装置来说，现有技术已经能处理现场施工的问题，为了提高安全性，可以在各密封条之间，设计能个别连续补充润滑油脂的机构。为了提高密封性能、耐磨性能(包括密封条及转动面)以及耐热性能，在密封条的转动摩擦面处装备冷却室。同时为提高密封条转动摩擦面的耐磨性能，使

7、用高强度钢材。刀具磨损量磨损量(mm)=磨损系数(衄b)孤刀盘面板外径(m)表2磨损系数单位(mmkm)回转速度(rpm)掘进距离(kin)掘进速度土质E 3型号(mmin)=O0012314155X05x75005=44mm淤泥粘土00012一般情况下刀具的容许磨损量为20mm前后，因此施工砂00060中不需要进行刀具更换，万一的情况下可以通过人孔进行 砂砾 O015更换。盾屋窒堑苤量盾尾密封装置必须具有承受高水压力以及注浆压力的能力，同时考虑到施工时的磨损以及损伤等，其材料的质地及形状都有一定的要求。选定材料时必须考虑长距离推进及含盐地下水的影响，建议采用耐久性优越的不锈钢材料，见表3。考

8、虑到在尾部有可能发生大量漏水以及要更换盾尾密封装置的情况，有必要在密封条之间设置一段紧急止水装置(管式)，见图一2。表3耐久性材料表具有耐久性的材料目前普遍使用的材料素线弹簧用不锈钢钢丝硬钢钢丝A型(SUS304B型)(SWRH72A)金属网不锈钢不锈钢弹簧板弹簧用不锈钢钢带炭素钢材U字钢一般结构用的压延钢材一般结构用的压延钢材(ss400)(ss400)图一2装有紧急止水装置的密封装置4长距离高速施工的制约条件本工程有长距离施工的制约条件。根据日本已有的施工经验，长距离施工与一般情况相比不需增加设备，但必须提高性能：损耗相应增加，整体的相对费用(每公里的费用)则随着距离的增长而降低，但是，对

9、于一定数量的土砂或建材来说，长距离搬运的情况下，搬运设备耪电力的使用量增加，与短距离搬运同样重量的建材时相比费用会有所提高。可以认必尽管工程条件会套种种差异，建设较长距离的盾构法隧遴时存在一个最佳的单机推进施工距离，结合试算例，类似予本工程的情况下最经济的(单机)施工距离可定为5-7公里。本工程的推进长度为75公里，可以认为用台盾构机进行施工是可行的。另外，本工程有昼夜施工可能的条件下在3年以内建设完成的制约条件。在高速施工的情况下，总的工期虽然缩短，毽麸费耀上来讲，存在着陡之节省熬费焉帮随之增加的费用蘸个方嚣。节省的费用主要为，以人工劳务费为主体的次衬砌的施工费用和隧道内作业费用，基坑内的设

10、备费用和水电费用等。增加的费用主要为盾构机费用，泥水处理设备的费用，搬运费用等。随着日推进距离的增加，设备本身的容量须随之增加，导致造价及祝械损耗费用也得潋增加，而使整个工程的造价提高。考虑到以上困素，根据日本已有的直缀56m豹泥水詹构法隧道工程实际经验，对管片推进的循环周期，每班的工作时间进行了试算，得出臼平均推进180m为最合适的施工速度。旦垩塑蕉遘遁查趁迁笺。掘进的循环周麓以推进速度50mmmin，管片环宽2Ore来计算，每环所需的推进对阅为40min。管片组装速度从已有的施工经验来看，日本东京湾横断道路隧道施工时管片的拼装速度为lOOmin环，外环放水隧道为50min环。现有的技术条件

11、下，建议采用拼装速度快的快速嵌合式接头。在这里以50min环来计算，荐加上推进准备、送泥、泥、稳定时闯等其他对闻约lOmin，共计约lOOmin。O每班的工作时间表(以施工至隧道的巾间段3750m处为试算基准)，如表4所示。每天45R班X2班2OmR=18m月推进速度为：18m日X 19日月=342m月(每个月按19个全工作日计算)即胃推进量为：342m兰整丝盐笺表4每班的王作时闽表(7，500m一160m(初始推进)硬曩射阕(Ein)备考+342mfl+初期推进以及正式推进前报道点黧10竖井的上下交通10的设备更换安装竖并至叠佟舞蠹鳃往返453750=：lOl【蠡珏(往遨)=215胃+50月

12、=265月根据以上的计算，对于3年内完工作前的检查推进准备10雄逶餐慧接装4504。5R100=in休息60艇理完工检查20合计605成此工程可以认为是可行的。5风险评估匝险透篮的友法某个事件的风险水平值R可以表示为该对象事件发生的频度(概率)P与该事件发生后造成灾害的大小C的乘积，R=PC。对一般的土建结构物来说，超过正常值荷载所引起的破坏概率可以由该荷载的概率和结构物本身承载性能(强度)的偏差值来定量地计算出来。但本研究项目处于在尚没有各种具体数据时对工程进行事先评估的阶段，在这种情况下，与上述的通过结构计算的定量分析方法不同，而采用定性分析方法，即结合客观评价(收集同类型的盾构机已有的施

13、工经验数据进行评价)和主观评价(根据多位专家技术人员的经验进行评价)对发生概率P和造成灾害的大小C进行定性的评价，在此基础上计算出风险水平值。下面给出定性评价时对发生概率P，灾害程度c，风险水平值R进行分级的表格。表5发生概率P&灾害程度C等级发生概率P灾害程度C施工方法的适用性物的损害人身损害1基本上不会发生极小没有没有问题2很少发生小没有没有问题有时会发生中轻微的人需要合适的事前预防措3(对工期、费用产生影响)身伤害施及施工时的管理发生的频率较大大重伤事故采用该工法时需要设置4(对工期、费用有较大的影响)限制条件并集中管理发生频繁或者几极大死亡事故不能采用5乎肯定可以发生(施工停止)P表6

14、风险水平值的计算12345、1R 1R 1R2R 2R32R 1R2R2R3R43R2R3R3R4R44R3R4R4R5R55R4R5R5R5R 5表7风险水平值的评价风险的大小内容R l基本上可以不予考虑：可接受风险R2轻度风险：通过设计上的注意及施工时的日常管理可以消除中度风险：设计上必须充分考虑，施工时需要制订周详的管理计R3划重度风险：明确设计时的条件，施工时进行限制。同时施工时须R4进行集中管理。极大灾难性的风险：一旦发生将会对整个工程的产生重大影响。R5不能采用导致该结果的施工方法匝险迁鱼结墨通过比较施工实例和本工程的基本条件，明确了盾构机设计的性能要求后，根据专家(具有直径14米

15、以上盾构机施工经验)的意见设置了51项风险评估项目，对各项目风险进行分析定级，得到R1：l项，R2：7项，R3：30项，R4：13项的结果。没有出现否定盾构法施工的R5的评价，所以认为本工程采用盾构法施工是可行的。但是，要实现安全和合理的施工，必须对风险项目进行讨论研究，明确施工方针，制定对应措施，降低风险。评估结果为R3的风险项目一般如果在设计阶段充分考虑的话，有相当一部分是可以防止发生的。但是，要注意不要过大的设计，否则会因设备过大而降低了操作性，影响施工进度。评估结果为R4的风险项目，根据发生概率P和损害程度C的不同组合，对应措施的考虑方法有所不同(表7)。表8列出评估结果R4的风险项目

16、和对应措施，在采取对应措施后的评估结果可以降至R3。6结论本研究根据日本的实际施工经验，针对上海市沪崇苏越江隧道工程的大口径长距离高速施工等特点，在本工程的特定制约条件下，对采用世界最大直径的盾构机的可行性进行了分析研究，得出了以下结论。(1)根据本工程具有大口径、长距离、大深度(高水压)的特点，要求盾构机各种机能具有长期耐久性、安定性与耐压防水性。同时为达到高速施工，有必要采用管片自动拼装技术。(2)类似于本工程的情况下最经济的(单机)掘进距离一般可定为57公里，本工程的推进长度为75公里，可以认为用一台詹构枫进行施工是霹行的。表8 R4风险项目的对应措施的思路PC影响程度对应措施的思路基本

17、上不会发生，设计时充分考虑以使发生概率降至最小，同时制定控l5儇是一整发生影响制损失降至最小程度的处理措旄。要注意费用闯题，非常大。不要为了降低损失面投入过大的设备，影响合理性。很少发生，一旦发设计时充分考虑以使发生概率降至最小，明确设计条24生对工程费用影响件的适用限度和不定因素，在施工上彻底严格管理。大。还需箭定控制损失降至最小程度的处理措施。发生的频率较大，通过设计时的充分考虑以降低发生概率，对设计无法对工程费用影响43考虑蓟的不定因素在施工上彻底严格管理。大。频繁发生，对工程风险的原因非常明确，讨论降低发生概率的措旄，以53费用有影响。降低风险。(3)施工速度以日平均推进距离18Om来

18、计算，工期约为265月，可以满足3年内完成的要求。(4)对盾构机设计时的5l项风险项糟迸行了分析评级，在风险评价中没有出现否定詹构法施工的评价，可以谈为本工程采用泥求平衡着构枫施工是可行的。但是，要实现安全和合理的施工，必须对风险项蜀进行详细讨论研究，明确施工方针，制定对应措施，以降低风险。(5)本研究抽出和定性分析了盾构机的风险项髓，对明确盾构机的设计方针及施工时的对应方针是檄有意义的。表9评估结果R4的风险项目和对应措施N0项目1盾构机各部位的耐久性2密封装置的性能检查34盾尾钢壳的异常变形5管片自动拼装机的必要性能6注浆设备，浆液性能以及注浆孔78确保推进速度以及千斤顶的功率及数量风险内容异物的混入(木片等)而导致排泥管的堵塞。盾尾密封装置破损以及更换时涌水防止措施不当导致盾构内淹水或沉陷。盾尾密封装置润滑油的加入不当导致止水性能及耐久性下降。设计时荷载条件的设定不当或计算方法的不完善，以及施工时的操作不当导致异常变形。由于拼装机高速运转，会导致工作人员的人身伤害事故。注浆材料选择不当时导致材料离析，丧失流动性，体积减少，强度不足，防水性和止水性的降低以及在管道内的硬化。地面