張濤

（西安市軌道交通集團有限公司，西安710018）

1 工程概況

西安地鐵14號線工程（北客站—賀韶村）依次沿開發(fā)大道—學(xué)府中路向東路敷設(shè)，線路全長13.76 km。尚賢路站—學(xué)府路站區(qū)間為本線第2個區(qū)間，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)由尚賢路站始發(fā)后向東掘進，先后下穿徐蘭大西疏解線特大橋、大西高鐵跨西銅公路特大橋及徐蘭高鐵跨灞河特大橋、側(cè)穿龍記國會山酒店公寓后在學(xué)府路站吊出。

區(qū)間隧道主要位于粉砂地層、中砂地層中，地下水位位于隧道拱腰位置。沿線隧道掌子面分布有大量的砂土（2-5-3中砂、局部為2-4-1-3粉砂）。2-5-3中砂，標(biāo)準貫入試驗的標(biāo)準貫入擊數(shù)N=52.8擊，呈密實狀態(tài)，石英含量為75.0%，砂層呈淺黃色、黃灰色、淺灰色，密實、潮濕飽和，屬Ⅰ級松土。

區(qū)間隧道地下水位埋深為10.50～13.70 m，地下水位高程在359.73～361.11 m，埋深水位均位于區(qū)間隧道拱頂以上。區(qū)間隧道洞身均處于全斷面富水砂層。盾構(gòu)機在砂層掘進時刀盤扭矩大、推力大，刀盤易磨損；地面沉降大，對地下管線和高速鐵路有重大影響。

2 盾構(gòu)施工過程中的風(fēng)險

2.1 特殊地層中盾構(gòu)施工風(fēng)險

盾構(gòu)機在富水砂層地質(zhì)中掘進，由于地層中含水量太高、盾構(gòu)機盾體重量大或土艙壓力不足，造成盾構(gòu)機栽頭和盾尾刷密封失效，地下水?dāng)y裹泥砂進入盾尾導(dǎo)致隧道變形損壞。砂層中石英含量高、刀盤磨損嚴重、扭矩大、掘進速度慢。螺旋輸送機旋片磨損導(dǎo)致出渣效率低下，筒體摩擦破損造成漏水、漏砂淹沒盾構(gòu)機和水土流失造成地面塌陷。

2.2 盾構(gòu)機始發(fā)和接收進出洞風(fēng)險

盾構(gòu)在始發(fā)井進洞時，需要鑿除洞門處鋼筋混凝土擋土墻，然后盾構(gòu)機在始發(fā)托架上空推進入洞圈密封裝置后刀盤開始轉(zhuǎn)動掘進。在盾構(gòu)機向前空推的過程中，洞口土體加固效果不理想，并且在空氣中暴露時間較長而發(fā)生突泥涌水現(xiàn)象。

盾構(gòu)機出洞時，地下水量較大，洞門止水簾幕止水效果不好，地下水和泥砂從盾體與洞門密封間隙涌入接收站，嚴重時導(dǎo)致水土流失、后部管片變形和坍塌，造成質(zhì)量事故。

盾構(gòu)在進出洞時風(fēng)險較高，發(fā)生事故較多，因此，必須對施工中的每個細節(jié)進行控制，加強盾構(gòu)機進出洞管理。

2.3 盾構(gòu)穿越運營高鐵的風(fēng)險

運營高速鐵路的變形要求嚴格，在盾構(gòu)的穿越施工過程中應(yīng)對措施不當(dāng)，對地層產(chǎn)生較大的擾動，從而引起地層土體損失，導(dǎo)致被穿越的鐵路橋樁產(chǎn)生不均勻變形，威脅高速鐵路的運營安全。

2.4 盾構(gòu)穿越重要管道的風(fēng)險

給水、燃氣、熱力、電力、雨水、污水等城市管道縱橫交錯、年代久遠，且與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，盾構(gòu)機在穿越這些重要的地下管道時，地層原受力平衡被破壞，地下管道可能發(fā)生彎曲、破損引起泄漏、燃燒、爆炸，對管線的正常使用造成影響。

2.5 極端天氣的風(fēng)險

龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、雷暴、暴雪等極端天氣對盾構(gòu)施工產(chǎn)生的影響主要有：雨水倒灌、雷擊、臨時設(shè)施倒塌、材料運輸中斷、渣土外運中斷、高大設(shè)備傾覆、供電中斷等。

3 風(fēng)險控制措施

3.1 盾構(gòu)掘進中的風(fēng)險控制措施

盾構(gòu)掘進過程中，可以采取以下風(fēng)險控制措施：

1）制訂盾構(gòu)掘進風(fēng)險預(yù)控措施。盾構(gòu)施工前研讀設(shè)計圖和地勘資料，并進行線路沿線的現(xiàn)場調(diào)查，確定工程地質(zhì)、水文條件、地下管線、地面建（構(gòu)）筑物。根據(jù)盾構(gòu)施工特點和施工環(huán)境等進行風(fēng)險辨識，確定風(fēng)險源，并制定風(fēng)險控制措施。針對富水砂層地質(zhì)，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)，進行渣土改良，增加預(yù)設(shè)刀具檢查和換刀點。

2）盾構(gòu)施工風(fēng)險預(yù)控方案編制。對于風(fēng)險較高的施工過程，如盾構(gòu)機進出洞、穿越地下管線、穿越建（構(gòu)）筑物等，應(yīng)編制專項施工方案并做好施工過程管理。

3）安裝盾構(gòu)施工監(jiān)控系統(tǒng)。在地面施工區(qū)域和盾構(gòu)機上安裝監(jiān)控系統(tǒng)，實時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻畫面。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)反饋控制盾構(gòu)施工參數(shù)，如掘進速度、推力、土艙壓力、渣樣變化、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、油缸行程、螺旋機轉(zhuǎn)速、管片拼裝、盾尾注漿、二次注漿、導(dǎo)向系統(tǒng)參數(shù)等，確保地面沉降在允許范圍內(nèi)，盾構(gòu)施工安全可控。

4）盾構(gòu)施工設(shè)備故障風(fēng)險管理。盾構(gòu)機及輔助設(shè)備故障是盾構(gòu)施工的主要風(fēng)險，必須加強設(shè)備的管理：（1）在盾構(gòu)機安裝和通電調(diào)試后按照制造廠的標(biāo)準逐項進行檢查，不得將帶故障進行始發(fā)；（2）每日對設(shè)備進行檢查、保養(yǎng)、維修將盾構(gòu)設(shè)備故障視為災(zāi)害性事故的主要風(fēng)險源之一，進洞前對盾構(gòu)進行全面檢查、維修和保養(yǎng)，在盾構(gòu)掘進中進行每日、每月、每季度的檢查、保養(yǎng)。進行檢查保養(yǎng)，主要檢查幾個方面：（1）電瓶機車的剎車系統(tǒng)磨損和松緊度；（2）盾尾密封系統(tǒng)、鉸接密封系統(tǒng)抵抗施工區(qū)段最大水土壓力和注漿壓力的密封性能；（3）盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)顯示準確、工作正常。

5）盾構(gòu)注漿控制。（1）在盾構(gòu)機掘進過程中控制同步注漿的參數(shù)，如注漿量、壓力、注漿速度、注漿點位等，并如實記錄。根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查同步注漿效果。（2）盾構(gòu)推進300 m后及時對注漿施工質(zhì)量進行抽檢。（3）在同步注漿薄弱、地面沉降量大和管片滲漏水部位進行二次注漿確定加固范圍及強度指標(biāo)。二次注漿中應(yīng)按注漿技術(shù)方案進行，有防止管片偏壓損壞的技術(shù)措施。（4）定期對注漿系統(tǒng)進行清理、檢查和維修，確保其正常工作。盾尾油脂泵工作正常，盾尾油脂性能和注入量滿足密封要求，確保盾尾不漏漿、漏水。

6）盾構(gòu)正面壓力的控制。盾構(gòu)正面壓力及其固有波動大小是盾構(gòu)掘進的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)注意以下幾點：（1）盾構(gòu)始發(fā)前，對土壓計重新進行標(biāo)定，確保其數(shù)值準確、可靠；（2）盾構(gòu)施工前根據(jù)地質(zhì)情況及隧道埋深正確估算土壓，在掘進過程中根據(jù)施工進度、地面沉降情況、地表建（構(gòu)）筑物、地質(zhì)變化、隧道埋深變化對土壓及時進行調(diào)整。

7）盾構(gòu)姿態(tài)的控制。盾構(gòu)機姿態(tài)控制應(yīng)注意3個方面：（1）依靠土艙壓力、盾構(gòu)機分區(qū)油缸推力和鉸接系統(tǒng)配合進行盾構(gòu)機糾偏，每次的糾偏量最大應(yīng)不超過5 mm；（2）根據(jù)分區(qū)油缸行程、隧道曲線、管片與盾尾的間隙進行管片選型；（3）在小轉(zhuǎn)彎半徑的曲線段掘進時，加強盾構(gòu)機自動導(dǎo)向系統(tǒng)測量校核和人工復(fù)測，確保測量數(shù)據(jù)的準確性，促使盾構(gòu)機形成良好的姿態(tài)。

8）制訂應(yīng)急預(yù)案與應(yīng)急準備。針對盾構(gòu)施工風(fēng)險制定應(yīng)急預(yù)案，尤其注意極端天氣下的風(fēng)險，配備應(yīng)急設(shè)備和物資，經(jīng)常性地開展應(yīng)急演練。

3.2 盾構(gòu)機始發(fā)和接收進出洞風(fēng)險控制

盾構(gòu)機始發(fā)和接收進出洞時風(fēng)險控制措施包括：

1）洞口地基加固風(fēng)險控制。常用的端頭加固的方法有高壓旋噴樁法、水泥攪拌樁法、SMW樁法、冷凍法、注漿法和降水法等。在盾構(gòu)進出洞口前針對富水砂層地質(zhì)采用旋噴樁的方式加固地基。地基加固按照加固方案進行，注意加固的順序和壓力，原則上加固長度比盾構(gòu)機盾體長2～3 m，寬度比隧道寬3 m，深度為比隧道深3 m。

在洞門破除前對加固體進行垂直和水平鉆芯取樣檢測，確保其加固性能滿足要求。

2）洞口土體流失風(fēng)險控制。（1）始發(fā)準備完成后方可進行洞門最后支撐破除，以減少土體暴露時間；（2）洞門止水簾幕安裝正確；（3）防止刀盤轉(zhuǎn)動時損傷密封橡膠帶和折頁板；（4）盾構(gòu)進洞時折頁板不得外翻，盾構(gòu)出洞時折頁板和橡膠條要緊箍盾體；（5）在加固土體中掘進時減小土艙壓力，防止土體坍塌流入井內(nèi)；（6）洞門圈中應(yīng)預(yù)留注漿管。

3）盾構(gòu)機始發(fā)和接收基座變形風(fēng)險控制。（1）使用計算機軟件理論演算基座的強度和剛度，在盾構(gòu)機安裝完成后測量基座變形量，防止因變形而導(dǎo)致在盾構(gòu)機進洞時盾構(gòu)姿態(tài)偏差而影響止水簾幕的防水效果，在盾構(gòu)機出洞時拉壞盾尾內(nèi)的管片而發(fā)生漏水；（2）盾構(gòu)基座安裝牢固能抵抗向前推進時盾構(gòu)機與基座的摩擦力；（3）盾構(gòu)基座的底面與始發(fā)井或接收井底板之間墊平墊實并焊接牢固，基座放置平穩(wěn)牢固。

4）盾構(gòu)反力架變形風(fēng)險控制。對反力架強度進行核算，效驗盾構(gòu)反力架、支撐及預(yù)埋件的強度、剛度和現(xiàn)場焊接的穩(wěn)定性，防止因反力架支撐體系失穩(wěn)而引起盾構(gòu)推進姿態(tài)的偏差，損壞管片及洞門止水簾幕。

5）盾構(gòu)姿態(tài)突變風(fēng)險控制。（1）盾構(gòu)機始發(fā)前檢查始發(fā)基座及反力架支撐，確保其牢固可靠；出洞時核算基座標(biāo)高及水平尺寸；（2）盾構(gòu)進出洞時，盾構(gòu)機沿基座軸線推進，不得強行在基座上扭動盾體；（3）盾構(gòu)出洞前按照管片拼裝要求分3次復(fù)緊管片螺栓，用型鋼和鐵楔子將管片環(huán)縱向連接起來，增加管片整體性剛度；（4）盾構(gòu)出洞前調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，基座標(biāo)高略低于刀盤底標(biāo)高，洞門位置焊接型鋼支撐，防止盾構(gòu)機栽頭、不利于盾構(gòu)接收。

3.3 盾構(gòu)穿越高速鐵路的風(fēng)險控制

盾構(gòu)穿越高速鐵路的風(fēng)險控制包括：

1）盾構(gòu)下穿既有高速鐵路時，要絕對保證高鐵正常安全運行。盾構(gòu)施工時，應(yīng)在穿越高鐵前后各15 m優(yōu)選最佳施工參數(shù)，加強盾構(gòu)掘進管理與姿態(tài)控制，并在此范圍內(nèi)管片增設(shè)預(yù)留注漿孔。根據(jù)檢測情況進行二次注漿加固[1]。

2）穿越過程中應(yīng)及時進行同步注漿和二次注漿，填充因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的土體空隙，嚴格按注漿方案進行注漿。

3）增加監(jiān)測點的布設(shè)，盾構(gòu)穿越過程中加強對高鐵線路的監(jiān)控量測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，確保高鐵運行安全。

4）盾構(gòu)穿越高鐵之前應(yīng)與鐵路部門溝通相關(guān)穿越要求，進行風(fēng)險專項設(shè)計，通過專家評審后方可進行盾構(gòu)穿越高鐵施工。

5）于盾構(gòu)下穿高鐵前50～150 m范圍內(nèi)設(shè)為盾構(gòu)穿越高鐵試驗段，根據(jù)試驗段內(nèi)檢測數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)掘進以及注漿參數(shù)等，保證盾構(gòu)順利穿越高鐵橋樁。

4 結(jié)語

本文以西安地鐵14號線SGZCB-1標(biāo)尚賢路站—學(xué)府路站區(qū)間全斷面富水砂層盾構(gòu)隧道施工為例，通過分析盾構(gòu)施工過程中的風(fēng)險因素，提出詳細的風(fēng)險控制措施，保證了工程順利進行，為同類地層的盾構(gòu)隧道施工以及相關(guān)研究提供借鑒。