呂建樂，呂祎博

（1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；2.中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，河南 洛陽 471000)

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程加快，盾構法施工技術具有機械化程度高、對周圍環(huán)境影響小、施工速度快、適用范圍廣等特點，成為城市軌道交通，尤其是地鐵隧道建設的主要施工方法。根據(jù)李皓燃、李啟明等統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析，盾構法隧道事故占比較大，而且死亡人數(shù)最多[1]。目前國內(nèi)針對盾構隧道事故風險的分析和識別研究文獻較少，因此，本文通過梳理盾構隧道事故的發(fā)生特點，分析識別引起盾構隧道垮塌事故的6 類風險，并提出對策建議。

1 盾構隧道事故類型統(tǒng)計

1.1 國內(nèi)盾構隧道事故類型統(tǒng)計

針對我國近年來地鐵大規(guī)模建設過程中工程事故和災害事件、意外事件等多發(fā)的現(xiàn)狀，一些研究機構對2002～2016 年發(fā)生在地鐵建設期間的246 起工程事故和意外事件等進行了收集、統(tǒng)計和研究，其中，90 起事故中使用的工法較明確，這90 起事故按照工法統(tǒng)計如圖1 所示，死亡人數(shù)統(tǒng)計如圖2 所示[1]。

圖1 地鐵事故按施工工法分布

圖2 不同工法地鐵事故中的累計死亡人數(shù)

由圖可見，地鐵施工中事故最多的工法為盾構法和明挖法，這兩類工法發(fā)生的事故占比接近60%，事故導致死亡人數(shù)也最多。

另外，根據(jù)李皓燃等對238 起地鐵事故案例分析，還發(fā)現(xiàn)盾構法施工的隧道占區(qū)間隧道事故總數(shù)的62%，其次是明挖法，事故占比21%。對于區(qū)間隧道工程，發(fā)生事故類型最多的是坍塌，坍塌事故不僅頻率高，而且單次死亡人數(shù)也最高。

1.2 日本盾構隧道事故類型統(tǒng)計

日本隧道協(xié)會安全環(huán)境委員會對1987～1991年5 年內(nèi)的事故及意外事件等進行了調(diào)查和分析，5 年內(nèi)隧道施工事故及意外事件匯總見表1[2]。

表1 事故和意外事件總數(shù) （單位：件)

事故共調(diào)查到114件，事故種類統(tǒng)計情況見表2。

表2 事故種類

由表2 可見，3 種施工方法事故所占比例為2 ∶1∶1，盾構法和頂推法事故要占到1/2。盾構法施工的，按施工機械、翻車掉道、飛石掉物順序所占比例較多，約為總數(shù)的1/2，表中“其他”項事故發(fā)生比例大的原因是管片及鋼模板等運輸?shù)跹b事故較多。

通過數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)，盾構法發(fā)生在豎井、洞內(nèi)、洞外及掌子面的事故較多，豎井中的事故多與墜物和施工機械有關，洞內(nèi)事故與施工機械和設備的翻車掉道有關，掌子面事故以圍巖坍塌和施工機械傷害居多，洞外事故主要與施工機械及起重機械傷害有關。

2 盾構隧道重大事故的定義和分類

丁敏等搜集了近15 年的55 個盾構法隧道事故案例[3]，并將其歸納為地面塌陷、涌水涌砂、盾構停機、掘進困難、管片事故、螺旋輸送機噴涌、火災或爆炸、隧道軸線超限、機械傷害、刀盤破裂解體、中毒及物體打擊等12 種事故類型如圖3 所示。其中，地面塌陷事故主要包括地面沉降超限、坍塌等；盾構停機事故主要包括盾構栽頭、盾構故障以及盾構卡殼等造成的停機事故，管片事故則主要包括管片錯臺、管片上浮及管片破裂等幾種情況。

圖3 盾構法施工事故類型統(tǒng)計

在55 例案例中，有26 例地面塌陷事故，19例涌水涌砂事故，10 例盾構停機事故，9 例掘進困難事故，這幾類事故為盾構法施工中最常見和最多發(fā)的類型。其中，有些事故可能在同一個案例中同時發(fā)生，如：螺旋輸送機噴涌事故同時伴隨涌水、涌砂事故，涌水涌砂事故絕大多數(shù)都伴隨著地面塌陷，超過半數(shù)的管片事故伴隨地面塌陷，盾構停機事故及掘進困難事故中也有部分伴隨地面塌陷。此外，螺旋輸送機噴涌事故中，還有一些伴隨故障停機，部分伴隨掘進困難。

因此，這就涉及如何對事故進行分類的問題。大多數(shù)的做法是，參照國標GB 6441-86《企業(yè)職工傷亡事故分類》，將事故類別分為20種，見表3。

表3 事故類別

此外，關于事故定義和分類的標準還有《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》和國標GB 50652-2011《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》等。其中，《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》根據(jù)事故造成的人員傷亡或者直接經(jīng)濟損失，將事故類型分為一般事故、較大事故、重大事故和特別重大事故，盾構隧道坍塌和透水事故往往造成較大人員傷亡和直接經(jīng)濟損失，屬于重大災害事故。

3 盾構隧道事故發(fā)生特點和風險識別

3.1 盾構隧道事故發(fā)生特點

盾構隧道屬地下工程，地質(zhì)條件復雜多變，地下管線眾多、周圍環(huán)境復雜，技術復雜、施工難度極大，來自施工過程中“人員、機械、材料、工法、環(huán)境”方面的風險較多而且復雜。在盾構隧道建設迅猛增長的同時，國內(nèi)外因地層或隧道結構自身穩(wěn)定性問題引發(fā)的事故不斷出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅僅從2016～2017年，全國發(fā)生軌道交通生產(chǎn)安全事故53起，死亡72 人。

在國內(nèi)，2003 年7 月1日，某地鐵聯(lián)絡通道施工時，因水土流失引發(fā)約274m 隧道垮塌；2007 年11 月20日，某地鐵區(qū)間盾構進洞時，局部漏水漏砂導致已建區(qū)間隧道在短時間內(nèi)損壞150m；2018年，某市軌道交通工程盾構區(qū)間隧道結構垮塌，致使地面道路大范圍坍塌，造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟損失。

在國外，2012 年2 月7日，日本Kurashiki水下盾構隧道失穩(wěn)垮塌，導致5 人失蹤，施工豎井被水淹沒30m，如圖4 所示；2017 年8 月12日，德國Rastatt 盾構隧道垮塌，導致鐵路線路中斷，鐵路軌道扭曲，如圖5 所示，2 臺泥水盾構被埋，研究報告顯示，因該事故導致鐵路停運造成的經(jīng)濟損失超過20 億歐元。

圖4 隧道失穩(wěn)垮塌導致豎井被淹

圖5 隧道垮塌及地面鐵軌損毀情況

綜上，國內(nèi)外盾構隧道事故案例可見，隧道垮塌在盾構隧道中所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失都是巨大的，通過對事故和意外事件中的坍塌、突水、重大環(huán)境影響等進行分析，這類事故具有以下特點。

1)后果是災難性的，隧道結構大范圍垮塌。

2)具有突發(fā)性。以2018 年某市地鐵坍塌重大事故為例，從發(fā)現(xiàn)管片冒漿到最后隧道結構坍塌只有短短的2h。

3)事故具有隱蔽性。多數(shù)案例的事故調(diào)查報告顯示，事故的主要教訓之一就是“普遍認為盾構施工過程中堵漏是較為常見的情況”，現(xiàn)場管理人員難以識別貌似常見的表象背后的潛在危害，難以做出及時正確的決策。

4)隧道結構垮塌前，隧道周圍地層（圍巖)狀態(tài)、力學特性、穩(wěn)定性等發(fā)生改變。

3.2 盾構隧道事故風險識別

一般而言，上述垮塌事故涉及到巨大蘊涵能量不受控制的釋放，而且釋放過程一旦開始，則很難（或不可能)進行人為控制。盾構隧道施工中以垮塌為破壞特征的事故風險主要有：①隧道結構失穩(wěn)；②地層失穩(wěn)；③突水；④爆炸和火災。

在盾構施工期間，第4 類較為少見，對上述前3 類事故進行分析，按照重大事故發(fā)生位置和特點分為以下6 類：①掌子面垮塌；②盾體災害造成地層變形失控（主要是敏感地帶的下穿)；③洞中結構破壞；④洞門土體破壞；⑤聯(lián)絡通道結構破壞；⑥其他：例如洞門突水（結構沒有破壞)等水害事件。位置不同，事故發(fā)生的觸發(fā)機理是不一樣的，所需要關注的對象也不一樣。第1類，需要重點關注掌子面的穩(wěn)定性；第2類，需要重點關注地層的沉降控制問題；第3類，需要重點關注管片結構的破壞和穩(wěn)定性；第4類，需要重點關注洞門土體的穩(wěn)定性問題；第5類，需要重點關注淺埋暗挖法（礦山法)的施工問題；第6類，需要重點關注水穩(wěn)定問題。不同類別的事故，需要關注的風險點也是不一樣的。

3.2.1 掌子面失穩(wěn)

盾構掘進過程中，掌子面的穩(wěn)定需要泥水或者開挖土體提供支撐力。由于地層及周邊環(huán)境的復雜性、設備的局限性以及人為因素等，盾構施工仍可能引起地層較大位移，甚至發(fā)生地面塌陷。一旦出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)的問題，常導致地層坍塌、地表塌陷、地中管線以及周邊建筑物開裂、傾斜乃至坍塌。引發(fā)土壓力不平衡的主要風險有：①泥餅引發(fā)的土壓力不平衡；②噴涌引發(fā)的土壓力不平衡；③泥餅和噴涌孿生引發(fā)的土壓力不平衡；④粗放操作引發(fā)的土壓力不平衡。

3.2.2 盾體事故

盾體事故主要是盾尾泄漏問題。盾尾泄漏對盾構掘進影響很大，尤其是在復雜和較高壓力地層中掘進，要求盾尾具有良好的密封性能。一旦發(fā)生因盾尾失效而引起的泄漏，泥水艙的泥漿和地下水將通過盾尾大量涌入隧道內(nèi)，輕則造成工期延誤，重則造成盾構淹沒、隧道報廢以及人員傷亡等事故。盾尾泄漏的主要風險點包括：①盾尾刷安裝不規(guī)范；②始發(fā)時油脂涂抹不到位；③盾構姿態(tài)不理想；④管片外環(huán)面不平整；⑤管片外環(huán)面縱縫間隙過大；⑥同步注漿管理失控（較常見的問題是注漿壓力過高，砂漿直接擊穿盾尾)；⑦盾尾密封油脂注入管理失控；⑧長距離掘進的磨損等。

3.2.3 盾構下穿敏感工程

隨著地下工程建設規(guī)模的擴大和盾構法應用的日益增多，盾構下穿既有運營地鐵、鐵路、機場跑道、高鐵等敏感工程日趨增多。以早期北京地鐵建設為例，截至2017年，北京地鐵施工已經(jīng)完成穿越鐵路13 處、地鐵既有線18處，重要橋梁13處，河湖10處，重要房屋（群)20 處。下穿工程施工將引起地層變形，會對既有結構產(chǎn)生不利影響，包括結構物承載能力下降，結構變形、甚至過大侵入凈空，甚至造成周邊建（構)筑物破損或不能正常使用等。尤其是下穿鐵路、地鐵、機場跑道、高鐵等目標工程時，這些工程的控制標準要求極其嚴格，稍有不慎，極易釀成重大事故。

3.2.4 盾構始發(fā)、到達段事故

盾構始發(fā)、到達階段，掌子面壓力平衡建立困難，易發(fā)生涌水、涌砂、上覆土體坍塌等事故，是盾構施工中重大風險點之一。據(jù)統(tǒng)計，盾構法施工的地下工程建設中，有70%以上的事故發(fā)生在盾構始發(fā)和到達段，所以盾構始發(fā)和到達段所暗藏的風險也最大。

3.2.5 聯(lián)絡通道坍塌

聯(lián)絡通道施工多采用礦山法（淺埋暗挖法)施工，且需要在修筑好的管片上鉆孔、切割等，是盾構隧道施工中風險較大的關鍵工程，也是事故多發(fā)段。聯(lián)絡通道施工時為保證施工段管片及聯(lián)絡通道開挖面不滲水等，多采用超前管棚、攪拌樁加固、注漿、冷凍法、降水等輔助工法或采用頂管法施工等手段來保證施工安全，但實際上常因各種原因?qū)е伦{、降水等輔助工法失敗，從而發(fā)生安全事故，塌方和涌水是聯(lián)絡通道施工中最常見事故類型。

3.2.6 洞內(nèi)管片破壞和失穩(wěn)

盾構隧道管片襯砌結構破壞失穩(wěn)事故相對較少，但其后果卻非常嚴重。如2015年，在某隧道區(qū)間右線掘進過程中出現(xiàn)管片漏水情況，剛開始漏水點漏出的是同步注漿的漿液，隨后逐步帶有泥砂。之后立即采用海綿、棉被等進行封堵，并注雙液漿，同時加強地面變形檢測。因水壓較大，30min 未見效果，接著整環(huán)管片在2 點位置出現(xiàn)了約20～30cm 的錯臺，隨后環(huán)縫螺栓發(fā)生斷裂，進一步發(fā)展成為涌水、涌砂的透水險情。

事后分析認為，在漏水事故前掘進過程中，因盾構出現(xiàn)機械故障，停止施工2 天。在恢復掘進后，發(fā)現(xiàn)盾構姿態(tài)垂直偏差過大，故障前后相差約-120mm，在糾偏時采用強制糾偏，導致管片角部應力集中，出現(xiàn)破裂，作業(yè)人員未能及時發(fā)現(xiàn)和正確應對，導致透水險情進一步擴大。

4 對策和建議

1)要重視地質(zhì)研判和盾構適應性研究，編制盾構施工風險專項方案，合理選擇掘進參數(shù)，嚴格按照施工規(guī)范操作，避免出現(xiàn)事故苗頭。

2)要通過模型試驗和理論解析方法，對盾構隧道開挖面失穩(wěn)型式及破壞機制進行研究，建立盾構隧道開挖面失穩(wěn)搶險技術體系，有效避免開挖面坍塌風險。

3)要具體分析盾構隧道管片結構垮塌反應發(fā)展規(guī)律、不同階段災變特征及其成因，分析事故各環(huán)節(jié)對事故歷程及其發(fā)展的影響規(guī)律，建立盾構隧道結構突發(fā)性破壞事故的主動預防措施。

4)要研制盾構管片結構智能支撐裝備，盾構隧道涌水涌砂快速堵漏裝備等，研制輕便的隧道內(nèi)帶壓取芯設備，移動、集成式應急搶險設備，在事故發(fā)生時可以實現(xiàn)快速搶險。

5)要建立完善的預警體系和應急搶險體系，依托監(jiān)控量測、視頻監(jiān)控及信息平臺等手段，建立多方參與的安全預警機制，建立應急預案，開展日常應急演練，提高預警和應急反應能力。