杨秀权

(中铁隧道集团有限公司武汉指挥部，武汉 430062)

0 引言

自从1843年世界第1座用盾构法修建的英国泰晤士河水底隧道建成以来，盾构法在世界范围内得到了快速发展，尤其是随着现代盾构装备技术的长足进步，长距离、大直径、大埋深、复杂断面、快速掘进、高度自动化的盾构施工技术不断发展和成熟，盾构法在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高的跨江越海通道工程中得到了大量应用［1］。

盾构施工体系由3大部分组成，即施工环境(主要是地质环境)、盾构和人(主要是施工管理)。这3部分的关系为:地质是基础、盾构是关键、人是根本。但由于地质勘察的不准确性、地层条件和周围环境的不确定性、盾构适应性限制等不同原因，加之管理不到位、部分操作人员素质不高等因素，在建设中存在着一些不容忽视的问题和安全隐患。通过对已发生的盾构工程安全事故统计分析，勘察因素和施工因素共占事故因素总数的84%。盾构施工安全管理及风险防范贯穿于工程建设土建实施阶段的全过程，应着力抓好施工准备期和施工过程的安全和风险管理。文献［2］提出了盾构施工过程中地质、设备、人三大风险源的概念，并对典型事故进行了研究;文献［3-5］结合实际工程对盾构施工风险进行了个例分析评估;文献［6］归纳了地铁安全事故的类型和特点，重点分析盾构隧道施工的11种风险，并提出了针对性规避对策。本文结合武汉市轨道交通二号线越江隧道工程实践，针对复杂地质盾构隧道施工确定了安全监管的重点，并较全面系统地阐述了盾构施工风险的防范对策。

1 工程概况

武汉市轨道交通二号线越江隧道工程盾构区间隧道总长6 183.20单线米(右线长3 084.97 m，左线长3 098.23 m)。盾构隧道在积玉桥站始发段约350 m穿越的地层主要为〈3-2a〉淤泥质黏土、〈3-2〉粉质黏土，随后穿越约300 m的〈3-5〉粉质黏土、粉土、粉砂互层后，进入粉细砂层至江汉路站，江中约80 m底部切削中风化泥质粉砂岩，最大切削厚度为1.2 m。

盾构段最大水压达0.60 MPa，穿越地层富含承压水，地下水和江水有着密切的水力联系通道，其渗透系数约6×10-3cm/s。

为了满足区间防灾和排水的要求，区间设联络通道5座，临江设超深风井，其中2座联络通道设在风井内，2座位于江中(其中1座设泵站)，1座位于武昌侧。联络通道开挖宽度为3.8 m，开挖高度为3.8 m;泵站开挖尺寸为5.3 m(长)×3.5 m(宽)×3 m(高)。武昌风井深达46 m，汉口风井深达38 m，武昌风井为武汉主城区第一深基坑。工程平面图如图1所示。

图1 工程平面图Fig.1 Plan layout of the river-crossing shield-bored tunnel

2 地质工作和环境调查

工程地质工作是技术人员应掌握并熟练运用的基本功。盾构选型、刀盘及刀具设计、盾构辅助功能的配置(如黏性地层防“泥饼”装置、特殊地段换刀、防喷涌装置)、盾构始发与到达端头地层加固(旋喷、搅拌、冻结)、联络通道施工、泥水分离处理等都与地质工作密不可分。项目实施前必须取得较详细的地质资料，盾构隧道沿线地层土质状况(分层状况、剖面图、平面图、钻孔柱状图、物探报告的分析与研究，并形成报告)和沿线的水文地质状况，必要时须补勘，盾构推进中及时掌握分析掘进工作面的工程地质情况，通过掘进参数和渣土状态来判断。主要施工影响因素有:地层的渗透系数、岩性、岩土层的颗粒分布与组分、岩石的强度、岩石质量指标RQD和地质构造。

工程环境调查包括地面重要建 (构)筑物和地下重要构筑物统计与调查。内容为:范围的确定，调查范围和可能的影响范围，重要性分级，建 (构)筑物的建设质量和使用状况等，重要建 (构)筑物的现况分析与评价，必要时请有关权威部门办理，形成分析报告。

3 盾构选型及细节功能设计

工欲善其事必先利其器，盾构是根据工程特点“量身定做”的，盾构的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，因此必须按照可靠性第一，技术先进性第二，经济性第三的原则，综合考虑施工区段的地层条件、地面情况、隧道尺寸、隧道长度、隧道线路、工期、安全 、质量、环保、文明施工、成本等因素，通过专家论证、工程类比等方法，不仅要准确选择盾构类型，更要注重推力、扭矩、尾刷、刀具等主要技术参数的设计，保证盾构施工的安全、可靠［7-9］。

武汉市轨道交通二号线越江隧道盾构选型技术难度大，需满足高水压(0.6 MPa)强透水地层条件下工作面稳定性、密封安全性、长距离掘进3.2 km的耐久性和安全快速掘进要求;刀盘刀具要能适应复杂多变地层，特别是纵向(要直接掘进穿越地下连续墙及低标号砂浆回填层)和横向软硬不均地层掘进的要求，线路最小曲线半径为350 m，盾构需有较强的转弯能力。

在盾构选型过程中不能仅仅依靠盾构制造商，施工单位具有较丰富的施工经验和对该地区地质较准确的认知，因此，在进行盾构选型和设计时，要发挥制造商和施工单位各自的优势。武汉越江隧道项目部根据类似工程武汉长江公路隧道的施工经验，通过专家论证、国内外招标采购对盾构进行设计，采用气垫式复合泥水盾构，该类型盾构通过压力泥浆和气压综合作用原理稳定工作面及防止涌水。

1)盾构对砂土地层的适应性。具有完善的泥水平衡功能，稳定的压力保持系统，保压系统在断电1 h内依然能保持掌子面稳定，配合双回路电源及备用内燃空压机，可随时保持掌子面稳定;盾构最大推力为42 570 kN，额定扭矩为4 340 kN·m，脱困扭矩为5 210 kN·m，可提供足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力;刀盘开口率为35%，对称多个长条孔，其中8条开口较大并贴近中心，利于中心部位渣土的流动。

2)盾构对长距离掘进、复杂地层的适应性。刀盘为面板型钢结构，刀具配置采取双层切刀结合重型撕裂刀的形式(重型撕裂刀与滚刀可互换)，重型撕裂刀运行轨迹无盲区，可有效保护切刀，既可适应砂质土和黏土开挖，也适应硬岩切削。盾构刀盘、刀具配置按一次性完成本工程区间掘进进行耐磨设计。

3)高水压的适应性要求。盾构需承受最高水压力为0.6 MPa，盾尾密封采取的是4道盾尾密封刷+1道紧急密封气囊，气囊在紧急情况能起到临时止水的作用，并可更换第1道盾尾刷;铰接密封设2道，1道备用;主轴承4道主密封和2道内密封，以上盾尾、铰接和主轴承密封均能承压0.6 MPa。

4)盾构对350 m小半径掘进的适应性。工程平面最小曲线半径为350 m，盾构中体与盾尾之间采用铰接式连接，设计阶段考虑小半径转弯需要，设计转弯半径为250 m。

5)掘进速度满足工期进度要求。盾构最大掘进能力为60 mm/min，掘进速度应能满足工期进度的需求。

6)盾构配置有应付突发事故的设备(超前注浆和带压作业人仓)。

7)盾构配置的碎石机采取挤压破碎的方式，可破除450 mm以下的混凝土块，保证循环管路通畅。

8)盾构整机设计能力有富余量(扭矩、推力、密封、切削岩石范围等)。

在盾构设备制造、工厂调试阶段派专人进行监控，确保设备制造质量。

在实际盾构施工过程中，盾构转弯时，虽然设计盾构最小转弯半径为250 m，但由于铰接拉力不够，必须多次依靠辅助液压千斤顶才能掘进，最多时增加8个千斤顶，严重影响了施工进度和安全。由此可见，盾构的细节设计也必须引起注意，必须对相关技术参数进行复核设计。

4 方案制定和优化

在项目施工前期，要认真阅读图纸，根据自身施工水平，对设计方案中可能出现的工期、技术、质量、安全等问题进行分析，以制定合理科学的施工方案，并对工程项目人力、机械、材料等生产要素合理组合，避免因设计、施工方案选择不当造成安全隐患或引发安全事故，从源头降低施工风险。

武汉越江盾构隧道需要在高水压条件下穿越超深风井，且线路位于350 m的曲线上，若按常规在风井内采取盾构到达和始发穿越施工方案，由于水压高且空间狭小，紧邻长江大堤，施工组织难度大和风险很高，难以把控，一旦发生涌水事故后果不堪设想。采取“回填式盾构过风井”方案，采用旋喷+冷冻加固确保安全凿除风井围护结构地下连续墙，用塑性混凝土回填风井底部，盾构在塑性混凝土内完成进出洞过程，有效防止了施工中的涌水漏砂现象，保证同步注浆及二次注浆质量，确保后期管片拆除安全。

5 风险管理

由于复杂地质盾构隧道自身特点决定了工程施工难度和风险均比较大，应结合工程特殊的地理位置、工程地质及水文等条件，参考国内外穿江越海隧道施工经验，对施工过程中的风险因素进行分析，制定有效措施降低各种施工风险，并对可能发生的风险制定应急预案，最大限度地降低事故的损害程度。

风险大体上可分为3种:

1)可预测也可预防的风险。这是风险中的大部分，是人们心智模型内可控的风险，可根据人们以往的经验和教训进行处理。规避这些风险的途径主要是事先研究和预测每一个具体问题，并找出相应的解决措施，如盾构始发与到达的安全和技术问题、刀具的选择和地下换刀问题、隧道上浮问题、上软下硬地层掘进过程中盾构姿态的控制问题、过江段掘进问题等。

2)可预测难以预防的风险。这是风险中的一小部分，是人们心智模型内可预测的风险，但限于人们目前掌握的技术手段，难以完全避免或控制事故的发生。如复合地层的多变性使人们很难掌握地层变化的规律，施工措施不能适应地质环境变化，出现问题或风险;又如淤泥地层中遇巨大坚硬的人工抛石、盾构推进过程中掘进面前方地层中遇钢性障碍物，目前除了以工期和投资为代价，用人工的方法事先处理之外，尚无更好方法。越江隧道左线盾构掘进至武昌端江岸第562环时遇2根直径200 mm、壁厚10 mm的钢管，侵入掘进面1～1.5 m，致盾构停机，采用“垂直钻孔利用液氮循环冻结加固掌子面周边，带压进仓切割”的施工方案，历时2个月，增加钻孔、冷冻、切割处理等直接费用约650万元，清除障碍物后恢复掘进。

3)不可预测也难以预防的风险。这是特殊风险，是人们心智模型内无法控制的风险，要通过施工过程中的精细化管理来达到风险和事故预防的目的。精细化管理包括:确立施工管理或风险分析的指导思想;完善制度以保障风险分析的落实;提高施工团队的专业和技术水平;将地质、盾构和施工操作作为一个系统来分析控制;高度重视全过程风险评估、方案审查、现场督察等工作，做到动态控制。越江隧道项目部以标准化作业和关键节点验收为手段抓好工程质量管理，以优质保安全;倾力抓好安全基础管理工作，特别重视风险应急管理。编制了《重大危险源管理和应急救援预案》，先由公司、指挥部、集团公司三级审核，再由国内知名专家和院士组成的专家组进行评审，最后根据专家意见，对预案进一步补充优化。施工现场设置重大危险源安全警示牌，对重大危险源进行重点监控，每天填写监控记录，实行动态管控。成立应急救援领导小组，对各责任人员进行了明确的职责分工。根据施工进展制订应急预案演练计划，并严格实施。将项目部应急体系纳入公司、指挥部、集团公司应急体系，建立沟通渠道，统一对外接口。

6 标准化作业

标准化作业的重要作用是使管理规范化、程序化、具体化，有效提高安全质量管理水平。结合盾构隧道项目的特点，把铁路项目标准化管理的“四化标准”和“四个支撑”理念全面引入且不低于铁路项目的要求。在规章制度标准化方面，重点完善盾构隧道项目的管理标准和作业标准;在人员配备标准化方面，重点抓好专业队伍配置、专业人员配备及其能力素质培训和考核;在现场管理及过程控制标准化方面，落实“四个支撑”的要求。

实现专业化，打造一支优秀的盾构施工团队是实现安全生产的根本。重点抓好确保关键卡控岗位的人员由本单位员工担任，组织长期从事同一工种的劳务人员进行相对稳定的专业化作业，研究探索并实行适合盾构隧道施工的“架子队”管理模式。

信息化是当今社会发展的一大趋势，是提高管理水平和效率的重要手段。建立信息室、门禁系统、有毒有害气体检测报警系统，对盾构掘进参数在地面进行监控，并对下井出入口和重点作业区域进行24 h视频监控，结合第三方监测、业主监测及预警系统等信息化施工手段，做到安全监管“无盲区、无盲点、无空档、无缝隙”。

过程控制标准化，重点是确保关键工序、高风险工序的全程监控，严格坚持技术交底制度、专业技术人员旁站制度，严格按作业指导书、作业要点卡片、安全操作规程作业，确保全过程记录监控。

7 关键工序节点验收和内控

实践证明，安全事故绝大多数是因为落实方案不力或违规作业造成的，而落实方案不力的本质也是违规施工。实行关键工序节点验收体现了管理的精细化，是落实方案和标准、加强施工过程控制、保证工程质量和安全的必要和有效手段。

关键工序节点验收的一般内容和要求为验收节点内容工作量全部完成，相关资料完成(附验收记录及相关检测报告);施工单位自检，内部专家论证评估，监理复查确认;验收小组现场踏勘并检查内业资料，进行技术评估，提出验收意见，列出整改项目清单，填写验收记录;整改销项。

武汉越江隧道施工关键工序节点验收包括盾构进出洞条件节点验收、盾构穿越长江及防洪大堤前节点验收、武昌风井深基坑开挖前节点验收、冷冻法联络通道开挖条件节点验收。

联络通道施工采用“水平孔冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案。在隧道内利用水平孔冻结加固地层，使横通道外围土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，然后采用矿山法进行横通道的开挖构筑施工。

冻结法施工难度与风险很大，冻结效果好坏关系到工程成败，关键工序节点验收项目:1)选择冷冻设计参数，制定详细的设计方案，进行设计论证;2)冻结孔实际开孔孔位、冻结管下入底层深度、供液管的材质规格接头方式、冻结管耐压、冻结孔成孔间距的验收;3)根据测温孔实测温度计算的冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与隧道管片界面温度均应满足设计要求。

8 体会

武汉市轨道交通二号线越江隧道的实践，通过采取以上安全管理和风险防范对策，确保了工程安全优质按期建成，取得了较好成效，其成功的经验可为类似工程提供一定的借鉴作用。作者有以下几点体会:

1)做好技术管理是搞好安全管理的前提。地质工作和环境调查、设计施工方案的制定与优化、盾构的选型及细节功能设计等是技术管理的重要内容，为开展安全管理提供保障。此外，科研也是技术管理的重要内容之一。复杂地质越江隧道施工存在诸多技术难题，没有成功的经验可借鉴，必须进行科研攻关，为项目顺利实施提供技术支撑。

2)风险管理的关键是对各种风险进行准确辨识和分类，据此制定针对性的防范措施和应急预案，防止管理中出现百密一疏;施工过程中的风险并不是一成不变的，所以风险识别是一种动态管理过程。

3)安全生产责任制、安全教育和培训、重大危险源及应急救援管理、安全隐患排查和监控等安全管理基础工作，与标准化作业、关键工序节点验收和内控是一致的，并通过这些更明确具体的工作来实现，只是对安全管理和质量管理的侧重有所不同。

4)精细化管理决定安全。对管理的过程、细节和标准进行把控要通过实行标准化作业、关键工序验收才能实现，而人(施工团队、管理者、作业工人)在管理中起着主导和决定性的作用。

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