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1、盾构法隧道施工风险控制和安全管理,港铁轨道交通深圳有限公司张自太2014年11月（合肥）,2023/11/4,2023/11/4,Page 2,一、风险管理理念,轨道交通建设三步曲,November 4,2023,港铁（深圳）,2023/11/4,Page 3,规划-政府部门（设计）,策划-建设单位（地铁公司、BT方）,计划-施工单位（BT方二级局）,主动改善式风险管控,系统风险管控：采用主动式风险管理方法,November 4,2023,港铁（深圳）,初步风险评估,可研阶段,设计阶段,标书编制,采用低风险,安全优化设计，提交风险清单,按风险等级编制针对性安全技术规范,标准，限制准入条件,招标
2、阶段,安全条件，资格要求，人员及施工经验审查把关,施工阶段,执行风险清单要求，并动态发展补充风险登记册,竣工阶段,安全设施试运验收，并移交遗留风险,运营阶段,管理遗留风险，制订规程，组织落实，内/外部审计，持续提升,反馈/持续改善和提升,系统风险管控：明确各阶段的风险监控要点,2023/11/4,Page 6,（工程所处阶段与风险控制资源投入关系图）,工可研阶段,初步阶段,施工设计,施工阶段,运营阶段,风险遗留管治,人为操作风险控制,技术风险控制,投入,阶 段,系统化风险管理-重视前期，掌握系统性,2023/11/4,Page 7,项目各阶段对建设成本的影响,二、盾构施工的风险点,盾构施工的风
3、险主要有：1、地质与盾构选型风险2、盾构组装与调试风险3、盾构始发与到达作业风险4、盾构掘进施工风险5、特殊地段盾构施工风险6、盾构设备维护保养风险,2013 年 11 月,竺维彬 黄威然,9,盾构设备（机）,管理（人）,工程地质 水文地质（土）,盾构施工三维控制原理,设备是关键（机）,管理是根本（人）,地质是基础（土）,盾构法隧道的一些原则性定义,1.小净距 小于 0.7 D2.浅覆土 小于 D 3.小半径 小于 40 D 4.大坡度 大于 3%5.长距离 大于 45 KM6.大深度 大于 50 M,盾构机三大核心技术:自动控制技术(PLC):计算机技术 液压技术(BHW):油,气,水 密封
4、技术:主轴承密封,铰接密封,盾尾密封盾构机三大核心部件:刀盘:包括各种刀具(滚刀,齿刀,刮刀,超挖刀)管片拼装机螺旋输送机（有轴无轴，直径，双闸门，保压泵）,盾构平衡始发盾构到达接收钢套筒上下重叠隧道施工指出技术各种穿越技术盾构端头地层的水平加固技术盾构空推技术盾构通过复合地层(上软下硬)花岗岩球状风化地层(孤石),盾构施工创新技术,2013 年 11 月,竺维彬 黄威然,15,典型地质剖面与相应的盾构机,2013 年 11 月,竺维彬 黄威然,16,目前全世界最大的泥水平衡盾构机直径17.8米。用于香港屯门隧道,中国地貌、地质类型多样，盾构机厂家和选型众多，配置程度不一，施工队伍多且经验技术
5、参差不齐，线路路况及铺设方式、埋深差异大、方案多种多样、城市对隧道保护办法宽松不同等等，已出的盾构风险事故“千姿百态”且有的重复出现。,但概况起来，有五类：1）地质风险;2）盾构机选型及配置风险;3）人为风险;4）叠加风险（即地质、盾构机、人组合风险）5）隧道保护风险;6）企业风险。上述风险处置不当，还将引发企业生存风险、政治风险和法律风险。,17,1）地域广，地层类型多,建设地铁各城市的地层类别,2）岩土结构、构造和矿物成分复杂,沉积岩,岩浆岩,变质岩,砂卵石与泥岩交互,3）复合地层(Mix face conditions),在隧道开挖断面范围和开挖的延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成
6、，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层。各地对此类地层的定义：台湾（复合地层）北京（混合地层、复合地层）深圳（复杂地层）随着地铁线路延伸和埋深加大，即使上海、天津、宁波和苏州等城市都会触及复合地层的隧道建设。,4）不良地质,岩溶、瓦斯、富水断裂带、球状风化体、易液化或高承压水砂层等，甚至是化工药剂污染地层。,瓦斯,富水断裂带,花岗岩球状风化体,盾构遭遇孤石,专利技术：地下隐蔽岩体爆破,“滞排”问题：盾构在沙卵砾石地层和破隧带中掘进，渣土在土（泥水）仓中不能及时排出，导致反复磨损刀具和刀盘。,砂砾卵石和破碎带地层,刀盘严重磨损,滚刀刀圈偏磨,滚刀轴承磨损,5）地下异物
7、,（桩基、流木、沉船等）,广州地铁过桩基群，开仓清除桩基,台北捷运的流木,6)地下水,管片背后的积水从注浆孔喷出,广州地铁三号线大石汉溪区间礼村断裂带地质剖面图,“水”是地下工程第一风险元素或“头号杀手”，是地质认知的最重要环节。尽管盾构工法是密闭施工方法，使水平衡不被打破，但有的地质条件诸如断裂破碎带、溶洞地带等水压力本身有变化，使盾构很难建立动态平衡，势必造成超挖过大甚至坍塌。,25,地下工程占用了地下水的蓄水空间，加重城淹、洪灾；抬高上游水位造成建筑物隆起，降低下游地下水水位导致建筑物下沉；注浆材料选择不当，导致地下水污染。,26,6)地下水,27,盾构设备风险,1 盾构选型风险,2 主
8、轴承和刀盘驱动系统风险,3 三大密封风险,主轴承密封 中折密封 盾尾密封,软土地层 硬岩地层 复合地层,土压平衡式盾构 泥水平衡式盾构,28,盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,（1）掘进过程基本不需要或很少需要换刀（2）掘进过程主要保持掌子面和地面稳定（3）刀盘结构较为简单、刀具配置单一,图1 软土地层刀盘刀具配置示意,软土地层盾构机特点,29,盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,软土地层盾构机特点,（4）软土地层一般塑性土压比较大、刀盘切土的扭矩可全部由土体对盾壳产生的塑性土压平衡，掘进过程较为平稳（5）主轴承寿命一般要求不高（6）对于土压平衡盾构，一般不需配置渣土改良
9、系统（7）对于泥水加压平衡盾构，一般不配置破碎机（8）刀盘、盾壳可选用一般钢材制造（例如Q235）,30,盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（1）掘进过程需要换刀，并需在采用多种稳定掌子面技术措施条件下进行换刀或对刀盘切口环进行补强（2）掘进过程除需保持掌子面和地面稳定外，切土破岩参数的选取还需要与破岩机理相结合,滚刀破岩机理 切刀（刮刀）切土破岩机理 滚刀、切刀联合破岩机理,滚刀与刮刀,31,盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（3）刀盘结构极为复杂，需多种刀具配置形式（4）复合地层塑性土压是变化的，刀盘切土破岩的扭矩可全部由土体
10、对盾壳产生的塑性土压平衡，或由部分土体对盾壳产生的塑性土压和推进油缸压力垫与管片环端面摩擦力共同作用平衡，掘进过程受力工况复杂，稳定性较差,图2 复合地层盾构机刀盘刀具布置,图3 复合地层盾构机推进油缸的结构图,32,盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（5）主轴承寿命一般要求较高（6）对于土压平衡盾构，一般需配置渣土改良系统（7）对于泥水加压平衡盾构，一般需配置破碎机（8）刀盘、盾壳要选用较好的钢材制造（如Q345）,33,盾构选型风险,土压平衡与泥水加压式盾构机,（1）在富水破碎复合地层或水下隧道通常选用泥水加压式盾构或气垫式泥水盾构，在复合地层掘进气垫式泥水
11、加压盾构一般在气压舱安置破碎机，目前破碎机存在工效低（5次/min）、可靠性差的缺陷。某水下工程采用气垫式泥水加压盾构施工，在穿越岸上一港口时因破碎机失效，堵管、泥浆循环不畅，造成地面塌陷。,图5 破碎机在气垫式泥水盾构机中的配置示意图,34,盾构选型风险,土压平衡与泥水加压式盾构机,（2）地下水渗透系数低的复合地层一般选用土压平衡盾构，对于抗压强度较高的岩层，目前选型存在两种不同观点，一种观点是应选用土压平衡盾构，方便更换刀具；另一种观点是考虑到泥浆对刀具的刀刃起到润滑作用，减少刀具磨损，应优先选用泥水加压是盾构。有待于工程实践作进一步论证。,（3）为了更好控制掌子面和地面稳定应选用气垫式泥
12、水盾构，但目前在国内还未真正了解其作用机理，所以未能更好发挥其控制沉降作用。,35,主轴承和刀盘驱动系统风险,主轴承风险,（1）当主轴承出现不可处理的破损，对于硬岩全断面联合掘进机，可在自稳围岩中扩洞更换，而在软土和复合地层中盾构难以遇到自稳围岩，加固土体扩洞代价甚大，难以更换主轴承。（2）对于盾构主轴承可否参照硬岩TBM（全断面联合掘进机）按半荷载设计原则进行选型，尽量选用高寿命轴承和高扭矩和耐冲击的传动系统，从而降低主轴承风险。,36,主轴承和刀盘驱动系统风险,刀盘驱动系统风险,（1）刀盘驱动系统破坏在施工过程时有发生，某工程发生八台驱动装置行星齿轮减速器太阳齿轮同时破坏，停工年多等待更换
13、。（2）对复合地层盾构刀盘驱动系统末级传动副，行星齿轮减速器的输出端小齿轮如能采用简支结构，可减少悬臂结构带来风险。,图6 行星齿轮减速器输出端简支结构的小齿轮,37,三大密封风险,主轴承密,主轴承密封失效，主轴承就会先损坏 合适的多道耐磨密封形式、功能完善可靠的润滑和冷却系统是降低主轴承密封风险的重要因素。主轴承密封寿命要高于主轴承寿命,图7 主轴承密封示意图,38,三大密封风险,中折密封,在设置中折装置的盾构中，中折密封是否可靠，关系到砂水是否涌进盾构机内，在高水压软弱地层显得特别重要 中折装置及其密封设计必须适应盾构机在曲线隧道掘进要求 进一步解决充气临时密封止水带可靠工作问题,图8 中
14、折密封示意图,39,三大密封风险,盾尾密封,盾尾密封是否可靠，亦关系到砂水是否涌进盾构机内，同时亦确保盾尾同步注浆及管片环二次注浆质量及浆液是否涌入盾构机内 多道密封形式设计应合理，密封刷应耐磨工作可靠，进一步解决充气临时密封止水带可靠工作问题，使其有助于更换密封刷,图9 盾尾密封示意图,选型不当实例,某刀盘刚度不足，中心部位凹陷,结构、功能、刀具、开口率等。,某刀盘强度不足，局部碎裂,人、机、地质等风险叠加,泥饼；喷涌；姿态失控明挖法修复盾构隧道；压力平衡失控（高土压、欠土压、“拉风箱式”）；,刀盘面板结泥饼,明挖法修复超限盾构隧道,喷涌,人、机、地质等风险叠加,滞排；铁板沙；,42,南京长
15、江隧道，采用饱和气压作业法进仓修复盾构刀盘刀具。,人、机、地质等风险叠加,盾构机被卡（卡刀盘、卡盾体）；螺旋机卡死，螺杆断裂等，处理螺旋机故障措施失当，甚至导致盾构机被埋；油脂等化学类产品裂解。,盾构在硬岩中卡死,螺杆断裂,地质与选型风险,盾构机的选型依据是：地质条件；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。所以如果地质条件错误、选型失误，是盾构施工最大的风险。,盾构地质选型,盾构组装、调试风险盾构机进场的运输,盾构吊装调试现场作业，主要风险有超宽超高运输风险，超大超重吊装风险，超大型设备协调配合调试风险。,盾构吊装,盾
16、构合龙调试,始发到达作业风险 盾构施工过程中，始发与到达的风险最大，主要有：盾构基座变形；反力架位移或变形；破除洞门时涌水涌砂涌土；洞门密封失效或漏水；姿态突变；轴线偏离等。,盾构始发,盾构到达,施工风险刀盘卡死：前方卵石堆积；刀具磨损；岩石太硬；盾构密封失效：主轴承密封、盾体铰接处密封、盾尾钢丝刷密封。盾构机后退（千斤顶单向阀故障）。掌子面塌方和地面沉降过大隧道管片上浮（常见）。管片错台、碎裂（常见）。,盾构掘进,浅覆土地段；管线密布地段（污水管断裂）；临近桩基础、建筑物地段；有孤石、障碍物地段；采用压气维修作业地段；软硬不均地段；煤层或有瓦斯地段(杭州地铁)。,掘进时遇到孤石图,特殊地段施
17、工风险,设备管理维护保养风险维修保养作业风险，如开仓检查换刀；维修保养不善造成机器故障频繁：主轴承故障、减速箱故障、轨道事故等。十字保养法：清洁、润滑、紧固、调整、防腐。预防维修法：定期保养；状态监测；按需维修。,三、盾构施工的风险控制措施,贯彻科学发展观，以人为本，重视技术人才和搭配使用、技术研究、技术创新。根据工程特点和地质条件正确选型、科学配套设备。人与机械的和谐相处，爱护盾构机设备就像战士爱护武器一样。对各种风险超前考虑、制定专项施工方案和应急预案，并进行专家论证。施工前必须对设计方案和图纸进行熟悉吃透和审查。建立一支对机器熟悉、操作熟练、各工种配套的优秀作业队伍。,盾构施工的“四要素
18、”：开挖控制、一次衬砌、线型控制和注浆。1、开挖控制：其根本目的是确保盾构工作面稳定。土 压盾构与泥水盾构的开挖控制内容不同，土压盾构，以土压和塑流性改良控控制为主；泥水盾构的开挖以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。2、一次衬砌：管片错缝拼装，先紧固环向螺栓，后紧固轴向螺栓，紧固力取决于螺栓的直径与强度。,盾构施工安全技术管理的重点,3、线型控制：线型控制的主要任务是通过控制盾构姿态，使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑，且位于偏离设计中心线的容许误差范围内。其中我们重点监控的项目有:掘进测量和方向控制.,盾构测量VMT系统,4、注浆控制：（1）注浆目的：管片拼装完成后，随着盾构的推进，
19、管片与洞体之间出现空隙。如不及时充填，地层应力得以释放，而产生变形。其结果发生地面沉降，邻近建（构）筑物沉降、变形或破坏等。注浆的主要目的就是防止地层变形。采用活性浆液，保证地面沉降在10mm以内，从而确保地下管线安全。,（2）一次注浆一次注浆分为同步注浆、即时注浆和后方注浆三种方式，要根据地质条件、盾构直径、环境条件、注浆设备的维护控制、开挖断面的制约与盾尾构造等充分研究确定。,（3）二次注浆二次注浆是以弥补一次注浆缺陷为目的进行的注浆。具体作用如下：a 补足一次注浆未充填的部分；b 补充由浆体收缩引起的体积减小；c 以防止周围地层松弛范围扩大为目的的补充。以上述a、b为目的的二次注浆，多采
20、用与一次注浆相同的浆液；若以c为目的，多采用化学浆液。,（一)盾构机的吊装,施工特点：盾构机及其后配套设备总重1000吨左右，最大单件重量为100吨左右，由于盾构机最大单件重量较重，吊装下井深度较深，为保证组装工程安全，按照250t履带吊（主吊车）和90t汽车吊（配合吊车）配合进行方案设计，顺利完成盾构吊装。采取措施：在盾构机吊装前，项目部组织有关人员进行了安全技术交底，在吊运过程中由现场值班人员和专职安全员进行全过程旁站。,施工主要风险：（1）物体打击；（2）机械伤害；（3）高空坠落：（4）火灾；（5）触电。,三 盾构施工工序的安全管理和控制,吊装作业时，设专人指挥信号,编制安全合理的吊装方
21、案，使用先进的吊装设备和有安全资质的吊装队伍进行施工，保证了盾构机吊装施工的安全。,（二)盾构始发,施工特点：1.始发竖井一般比较深，地下水压大始发竖井深度为20m左右，地下水压高达1.5bar左右，且始发洞门断面地质复杂多变，极易出现涌水涌砂现象。2.洞门凿除危险系数高洞门凿除施工面积大，工期长，易出现土体坍塌、涌水涌砂等事故。,施工主要风险：（1）涌水涌砂（2）掌子面失稳（3）洞门密封失效,在盾构进出洞前方采用高压旋喷或搅拌桩加固，近洞口侧井外土体加固深度超过隧道底3m，加固体高为超过隧道顶3m，长一般为6m，宽为隧道直径加两边外各3m。,对盾构进出洞区进行地基加固,保证盾构始发的施工技术
22、,1.洞口外侧安装两道帘布橡胶板止水密封装置。2.在洞门钢环内安装三道钢丝刷，并在钢丝刷之间沿外圈均匀布置注浆孔。3.盾构出洞时在三道钢丝刷上及中间涂满油脂，保证钢丝刷与盾构外壳保持良好的密封接触，达到良好止水效果。4.在帘布橡胶板及盾壳外表面涂抹黄油，保证盾构出洞穿过时止水装置不被破坏，处于良好工作状态。,特殊情况采用强化洞门密封,保证盾构始发的施工技术,洞门强化密封,19m,2.5m,地下水位标高20.32m，隧道洞身范围内硬塑状残积砂质粘土层渗透系数平均0.4m/d。,梅上区间与四号线剖面位置关系,上梅林站,采用始发钢套筒技术,下盖,上盖,与预埋钢板过渡环（洞门处密封）,下盖,上盖,加强
23、环梁,（三)盾构掘进,施工特点：隧道盾构法施工是一项风险性较大的施工方法，建设部将隧道施工评估为高风险的行业，盾构施工人机交错的特征十分明显，起重伤害、电机车伤人、机械伤害、高处坠落等多种事故发生的可能始终贯穿着施工的全过程。机械设备高频率运转等客观因素注定了安全管理监控具有较高的难度。盾构施工工序流程达到十几个，覆盖面相当广，其中有多个部位被列为安全重点部位。垂直运输、水平运输、管片拼装都是人机交错、危险性很高的工序,且属于长时间的连续作业，一旦轻视、疏忽就会发生重大安全事故。,施工主要风险：,隧道盾构施工重要风险部位流程,管片堆场,垂直运输,水平运输,车架段交叉作业,管片拼装,盾构施工工序复杂，安全问题突出，在管理部位施工过程中，必须由安全终端责任人和专职安全员进行旁站、监控。,杭州地铁盾构到达安全事故,杭州地铁盾构到达安全事故,杭州地铁盾构到达安全事故,杭州地铁盾构到达安全事故,杭州地铁盾构到达安全事故,照片3 钢套筒后端盖图片,后端盖,谢谢大家,
