盾構(gòu)法施工在過江隧道中的風(fēng)險及應(yīng)對措施

施瑾偉，王學(xué)軍

(1.中交二航三公司，江蘇南通212000;2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074)

隧道工程與其他工程項(xiàng)目相比，具有隱蔽性、復(fù)雜性和不確定性等突出特點(diǎn)，投資風(fēng)險大，無論是設(shè)計、施工、決策都會遇到很多困難和障礙。尤其是過江隧道，如果不考慮其施工風(fēng)險及對應(yīng)措施，很容易發(fā)生重大事故，從而對社會造成重大損失和負(fù)面影響。

由于我國的隧道工程研究和實(shí)踐時間都比較短，對隧道工程的風(fēng)險分析研究還屬于發(fā)展階段。因此，風(fēng)險分析在隧道工程中的應(yīng)用研究還比較少。但是，隨著我國軌道交通的發(fā)展，以及發(fā)展西部地區(qū)所遇到的隧道建設(shè)問題，使得這一領(lǐng)域受到了前所未有的關(guān)注和發(fā)展。

1 工程概況

1.1 南京長江隧道簡介

南京長江隧道工程盾構(gòu)隧道設(shè)計為雙向6車道，其中左線盾構(gòu)隧道長3 022 m，右線盾構(gòu)隧道全長3 015 m。隧道采用兩臺直徑為14.93 m泥水盾構(gòu)，由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進(jìn)施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越江面寬度約2 600 m，高水位多年平均值8.37 m，最大水深約28.8 m。隧道主要穿越段地質(zhì)分布有:上部為填土和第四系全新統(tǒng)沖淤積流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等，中部為第四系全新統(tǒng)中密～密實(shí)粉細(xì)砂組成，下部為上更新統(tǒng)密實(shí)狀礫砂、圓礫等;部分地段有極少強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖分布。其中穿越礫砂、圓礫地層施工地段占整個隧道長度的43.8%，該地層具有上軟下硬、軟硬不均、透水性強(qiáng)、施工難度大等特點(diǎn)，而粉細(xì)沙層部分地段呈液化狀態(tài)，極易導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，造成塌方，并對同步注漿造成很大困難。

1.3 盾構(gòu)穿越底層情況

盾構(gòu)穿越的礫砂圓礫復(fù)合地層共分4個不同地質(zhì)段落，總長1 325 m(K4+650～K5+975)。

第1段落從K4+650～K5+066，長416 m，該地段包括8層中密粉細(xì)砂(青灰色，飽和，中密，局部密實(shí)，顆粒級配不良，主要礦物成份為石英、長石、云母等，不均勻，石英平均含量達(dá)39.43%，滲透系數(shù)6E-03)和10層礫砂(雜色，飽和，密實(shí)，顆粒級配好，主要礦物成份為石英、長石等，石英平均含量達(dá)67.09%，偶見白色小螺殼，礫石呈亞圓狀～棱角狀，粒徑3～20 mm，局部見少量卵石，一般20～50 mm，少量大于110 mm，多數(shù)地段分布在掘進(jìn)斷面中下部，部分地段為全斷面分布，滲透系數(shù)3E-02，屬于強(qiáng)透水地層)。

第2段落從K5+066～K5+524，長458 m，該地段包括8層中密粉細(xì)砂、10層礫砂和13層圓礫(灰色，密實(shí)，礫石粒徑 1～2 cm。卵石，粒徑一般20～50 mm，少量大于 110 mm，呈次圓狀，含量約10% ～30%，局部達(dá)40%，成分由石英及燧石組成，石英平均含量達(dá)72.67%，充填物為粉細(xì)砂、礫砂等，分布在掘進(jìn)斷面的下部，滲透系數(shù)5E-02，屬于強(qiáng)透水地層);該段落對刀具的磨損非常嚴(yán)重，右線盾構(gòu)機(jī)即是在該地層的掘進(jìn)中刀盤磨損嚴(yán)重而受阻達(dá)6個月。

第3段落從K5+524 ～ K5+630，長106 m，該地段包括8層粉細(xì)砂、10層礫砂、12層粉細(xì)砂、15-1層強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖(已風(fēng)化成密實(shí)砂土狀、碎石狀，分布少量。該地層對掘進(jìn)的影響也很嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為:刀具磨損嚴(yán)重;刀盤容易結(jié)泥餅;泥水管路容易堵塞;篩分效果差;泥水指標(biāo)下降速度快等。

第4段落從K5+630 ～ K5+975，長345 m，該地段包括8層粉細(xì)砂、10層礫砂、12層粉細(xì)砂、13層圓礫。

2 盾構(gòu)法施工在過江隧道中風(fēng)險分析

本工程采用的泥水盾構(gòu)直徑達(dá)到14.96 m，為目前世界上特大的盾構(gòu)隧道之一;場區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件差，水頭壓力高;江中河床在沖刷線處存在著淺埋的情況;江北盾構(gòu)區(qū)間江岸岸堤處有鐵道線路這樣的變形敏感地物等這樣的復(fù)雜條件。這些都是本工程所必須面對的較易發(fā)生事故的風(fēng)險源。因此很有必要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險分析。

2.1 盾構(gòu)進(jìn)出工作井施工風(fēng)險

盾構(gòu)進(jìn)出工作井階段的風(fēng)險主要包括:盾構(gòu)機(jī)械的吊裝和拼裝、盾構(gòu)出發(fā)、盾構(gòu)到達(dá)和臨時工程和設(shè)備等4部分風(fēng)險事故。盾構(gòu)進(jìn)出工作井風(fēng)險事故及可能原因分析如下。

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)械的吊裝和拼裝事故

由于采用大直徑盾構(gòu)，機(jī)械只能分塊吊裝后在工作井內(nèi)拼裝，且拼裝需要相當(dāng)一段時間。由于拼裝時間較長，在此階段可能遭遇暴雨或特大暴雨等災(zāi)害性天氣，同時未做好工作井的排水工作造成事故的發(fā)生。南京地鐵施工時曾發(fā)生過類似案例。

發(fā)生此類事故的原因還可能是現(xiàn)場管理混亂，未按圖紙要求安裝，設(shè)備吊裝過程中指揮不當(dāng)，施工人員安全意識淡薄等。

2.1.2 盾構(gòu)出發(fā)事故

在鑿開工作面時，可能由于凍結(jié)失效引起工作面漏漿，泥水進(jìn)洞;由于采用大直徑盾構(gòu)，工作面鑿開后土壓力非常大。盾構(gòu)機(jī)械可能由于土壓力過大而無法正常推進(jìn)，甚至可能由于逆向推力過大導(dǎo)致盾構(gòu)后退，引起事故的發(fā)生;在盾構(gòu)機(jī)械進(jìn)去到一定程度以后，由于采用大直徑盾構(gòu)，開挖土體量非常大，開挖土體量大于上覆土體量時盾構(gòu)隧道可能上浮。

分析發(fā)生此類事故的原因可能是臨時擋土墻拆除不當(dāng)，地層加固不當(dāng)、止水帷幕失效，導(dǎo)口墊圈密封失效，反力裝置施工質(zhì)量差，盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)和軸線控制不當(dāng)。

2.1.3 盾構(gòu)到達(dá)事故

發(fā)生此類事故的主要原因是臨時擋土墻拆除不當(dāng)，地層加固不當(dāng)、止水帷幕失效，盾構(gòu)到達(dá)時推力和掘進(jìn)速度不當(dāng)，盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)和軸線控制不當(dāng)?shù)取?/p>

2.1.4 臨時工程和設(shè)備的拆除事故

發(fā)生此事故的原因大多是現(xiàn)場管理混亂，施工工序不當(dāng)，施工人員安全意識淡薄等。

2.2 盾構(gòu)穿越江中段風(fēng)險

江底隧道覆土厚度淺，北線隧道局部覆土厚度只有0.6D，盾構(gòu)穿越江中段風(fēng)險主要包括:主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物;淺覆土，高水壓，粉砂層產(chǎn)生開挖面冒頂事故;盾尾注漿冒漿密封失效引起涌水涌砂事故;隧道整體上浮;高水壓管片接縫的滲漏水事故。盾構(gòu)穿越江中段風(fēng)險事故及可能原因分析如下。

2.2.1 盾構(gòu)機(jī)前方遇有主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物事故

由于地質(zhì)以及歷史等等原因，盾構(gòu)機(jī)穿越江中段時，前方有可能遇有主航道有沉船，孤石，啞炮(彈)不明障礙物。地下障礙物的存在會給盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)帶來不利影響:首先導(dǎo)致可能引起刀盤磨損，從而不能正常開挖，影響工期。而更換刀盤不僅耗費(fèi)不必要的資金，而且由于地下隧道特殊的條件，使刀盤更換難度增加，耗費(fèi)不少時間;其次，障礙物可能致使扭矩突然增大，導(dǎo)致主軸承斷裂，機(jī)器癱瘓。地下障礙物主要有沉船、透鏡體、木樁、拋石、防洪堤、管線等。發(fā)生此類事故的原因可能是地質(zhì)勘探不完全反映穿越地層以及歷史上的資料收集不完整等。

2.2.2 淺覆土，高水壓，粉砂層產(chǎn)生開挖面冒頂事故

一般來說，越江盾構(gòu)隧道在江中段時，覆土較淺，水壓較大，碰到不良地質(zhì)條件如支護(hù)壓力設(shè)置不當(dāng)，極易發(fā)生開挖面的失穩(wěn)事故。

2.2.3 隧道整體上浮

越江盾構(gòu)隧道在江中段時，覆土較淺，水壓較大，根據(jù)上海以往越江隧道的建筑經(jīng)驗(yàn)來看，隧道整體上浮的可能性較大，因此要防止上浮量過大。

2.2.4 盾尾注漿冒漿密封失效引起涌水涌砂事故

盾構(gòu)穿越江中段時，如盾尾注漿壓力不足，注漿量過少時，易發(fā)生上覆土坍塌，引起涌水涌砂事故;反之，如果注漿壓力過大，也可能發(fā)生冒漿密封失效引起涌水涌砂事故。

2.2.5 高水壓管片接縫的滲漏水事故

盾構(gòu)穿越江中段時，若管片接縫的防水施工質(zhì)量不良，易發(fā)生滲漏水事故。

2.3 超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風(fēng)險

超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風(fēng)險主要包括:泥水壓力過小引起的開挖面坍塌失穩(wěn)和泥水壓力過大引起開挖面隆起失穩(wěn)。其風(fēng)險事故及可能原因分析如下:

1)支護(hù)壓力過小導(dǎo)致開挖面前方土體大量進(jìn)入泥水艙，引起地基發(fā)生過大沉降，甚至地表坍塌。

2)支護(hù)壓力過大，則容易產(chǎn)生地表隆起，如果處于江底，開挖面土體失穩(wěn)有可能產(chǎn)生溝通隧道與江水的水力通道，造成江水回灌和淹沒隧道。

2.4 管片密封事故風(fēng)險

管片密封事故風(fēng)險主要是管片密封失效，其事故及可能原因分析為:管片密封失效致使管片接頭處漏水漏漿，在承壓水作用下，將導(dǎo)致隧道內(nèi)突然涌水，及引起過大的地表沉陷。

2.5 施工中地層移動風(fēng)險

施工中地層移動風(fēng)險事故及可能原因分析如下。

2.5.1 盾構(gòu)到達(dá)前的變位

在盾構(gòu)的掘進(jìn)過程中，由于開挖面涌水、管片拼裝不良等種種原因引起地下水位降低，從而引起開挖斷面之前相當(dāng)距離的觀測點(diǎn)的沉降。

2.5.2 盾構(gòu)到達(dá)時的地層變位

這種地層變位是在開挖面靠近觀測點(diǎn)并達(dá)到觀測點(diǎn)下方這個過程中所產(chǎn)生的沉降或隆起現(xiàn)象，是因?yàn)橥馏w的應(yīng)力釋放或盾構(gòu)開挖面的反向土壓力、盾構(gòu)機(jī)周圍的摩擦力等作用產(chǎn)生的地層變位。

2.5.3 盾構(gòu)通過時的地層變位

這種地層變位是因?yàn)橛捎诙軜?gòu)機(jī)的通過破壞了原來的土體的狀態(tài)，造成了土體的擾動所致。

2.5.4 盾尾通過后瞬間的地層變位

由于盾尾間隙的存在，上方及周圍土體應(yīng)力釋放，引發(fā)了土體的塑形變形，從而產(chǎn)生了較大的地層變位。

2.5.5 地層后期固結(jié)變位

在軟土地區(qū)，相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)過后擾動的土體將繼續(xù)發(fā)生固結(jié)沉降及蠕變沉降，產(chǎn)生了后期變位。

2.6 盾尾凍結(jié)法施工風(fēng)險

盾尾凍結(jié)法施工風(fēng)險事故及可能原因分析如下:

2.6.1 造成盾構(gòu)機(jī)變位

凍結(jié)過程中盾構(gòu)機(jī)受凍土力的作用，可能會發(fā)生盾構(gòu)機(jī)的變形從而造成隧道橫向斷面變形，從而影響隧道的橢圓度。

2.6.2 造成管片環(huán)開裂

凍結(jié)過程中盾構(gòu)機(jī)受凍土力的作用，由于隧道橫向斷面變形，隧道管片受壓過大可能發(fā)生開裂情況。

2.6.3 凍結(jié)儀器故障造成凍結(jié)效果降低

可能發(fā)生突然斷電、冷凍液斷貨或備料不足、冷凍液質(zhì)量問題及溫度表失靈等。

2.6.4 解凍階段施工風(fēng)險

一方面，解凍會引起地基變形，造成地面沉降和地下管線受損。另一方面，隧道會在凍漲之后發(fā)生回縮變形從而導(dǎo)致滲漏水。

3 風(fēng)險應(yīng)對措施

3.1 盾構(gòu)進(jìn)出工作井施工風(fēng)險應(yīng)對措施

1)嚴(yán)格按地下工程防水施工驗(yàn)收規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求施工。

2)加強(qiáng)工作井的降水、排水措施。

3)在洞口及進(jìn)洞一定范圍內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)加固，保證凍結(jié)質(zhì)量。

4)施工時，以車站結(jié)構(gòu)中的兩端頭井作為盾構(gòu)的出發(fā)井及接收井，推進(jìn)前需設(shè)置可靠的臨時支座來承受盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏?，盾?gòu)進(jìn)出工作井時應(yīng)采用地基加固等可靠的輔助措施;

5)盾構(gòu)機(jī)要有可靠的軸線定位系統(tǒng)，如:激光導(dǎo)向，陀螺儀定位系統(tǒng)?？煽康牡孛嫒蔷W(wǎng)及井下引進(jìn)導(dǎo)線系統(tǒng)，每隔一定距離設(shè)吊架(欄)對軸線跟進(jìn)測量。每環(huán)襯砌測量與設(shè)計軸線的偏差。發(fā)現(xiàn)偏差及時緩慢糾偏。測量儀器有全站儀和水準(zhǔn)儀，特點(diǎn)是精度高，需要經(jīng)常校驗(yàn)。

3.2 盾構(gòu)穿越江中段風(fēng)險應(yīng)對措施

1)加強(qiáng)地質(zhì)勘探，盡量反映地層的復(fù)雜性。

2)加強(qiáng)泥水倉壓力的監(jiān)測，確保開挖面穩(wěn)定。

3)確保管片拼裝質(zhì)量，保證防水良好。

4)保證同步注漿質(zhì)量，確定合理的注漿壓力與注漿量。

3.3 超大盾構(gòu)工作面失穩(wěn)風(fēng)險應(yīng)對措施

1)加強(qiáng)泥水質(zhì)量管理。

2)加強(qiáng)泥水倉壓力的監(jiān)測，確保開挖面穩(wěn)定。

3)對不同地質(zhì)條件，及時調(diào)整泥水壓力。

4)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下的泥水管理。

3.4 管片密封事故風(fēng)險應(yīng)對措施

1)管片拼裝人員必須經(jīng)過資質(zhì)培訓(xùn)，持證上崗。

2)隧道襯砌拼裝成環(huán)應(yīng)按施工組織設(shè)計要求自下而上逐塊安裝，對底塊的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)有明確指令或圖表。

3)管片拼裝過程中，重點(diǎn)防止止水橡膠脫膠發(fā)生移位，應(yīng)采取有效措施加以防范，正確就位，必須執(zhí)行止水條不在位不拼裝要求。

4)對管片內(nèi)弧面上有剝落和開裂的砼，要求施工單位派專人及時加以修補(bǔ)。管片中注漿孔上“管堵”，不允許漏裝，在注漿施工完成后，也必須裝上，以避免“噴射”泥水。

3.5 盾尾凍結(jié)法施工風(fēng)險應(yīng)對措施

1)根據(jù)不同的地質(zhì)條件設(shè)置合適的泥水支護(hù)壓力，確保開挖面的穩(wěn)定。

2)注漿及二次注漿可有效改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì);同時，土顆粒間的孔隙水壓密排出，空隙被漿液充分填充，土體抗剪強(qiáng)度及壓縮模量得到較大的提高。保證注漿及二次注漿質(zhì)量不僅可以控制累積沉降量，而且抑止地表沉降速率，使得地層變形很快趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

過江隧道在施工過程中本身就有著較高的施工風(fēng)險，所以很有必要對此類隧道進(jìn)行風(fēng)險分析，通過風(fēng)險分析，從本質(zhì)上了解風(fēng)險產(chǎn)生的原因及可能造成的后果，從而進(jìn)行風(fēng)險的控制。

筆者根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件、施工工藝以及隧道穿越底層的情況，總結(jié)歸納相應(yīng)的風(fēng)險，在風(fēng)險分析中，根據(jù)風(fēng)險可能發(fā)生的事故，分析其發(fā)生的原因，最后進(jìn)行風(fēng)險對應(yīng)措施分析。通過對南京過江隧道的風(fēng)險及對應(yīng)措施分析，對以后類似工程的風(fēng)險分析及控制有著重要的借鑒意義。

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