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1、盾構法隧道施工風險控制和安全管理,2023/11/7,2023/11/7,Page 2,一、風險管理理念,軌道交通建設三步曲,November 7,2023,港鐵（深圳）,2023/11/7,Page 3,規劃-政府部門（設計）,策劃-建設單位（地鐵公司、BT方）,計劃-施工單位（BT方二級局）,主動改善式風險管控,系統風險管控：采用主動式風險管理方法,November 7,2023,港鐵（深圳）,初步風險評估,可研階段,設計階段,標書編制,采用低風險,安全優化設計，提交風險清單,按風險等級編制針對性安全技術規范,標準，限制準入條件,招標階段,安全條件，資格要求，人員及施工經驗審查把關,施工階2、段,執行風險清單要求，并動態發展補充風險登記冊,竣工階段,安全設施試運驗收，并移交遺留風險,運營階段,管理遺留風險，制訂規程，組織落實，內/外部審計，持續提升,反饋/持續改善和提升,系統風險管控：明確各階段的風險監控要點,2023/11/7,Page 6,（工程所處階段與風險控制資源投入關系圖）,工可研階段,初步階段,施工設計,施工階段,運營階段,風險遺留管治,人為操作風險控制,技術風險控制,投入,階 段,系統化風險管理-重視前期，掌握系統性,2023/11/7,Page 7,項目各階段對建設成本的影響,二、盾構施工的風險點,盾構施工的風險主要有：1、地質與盾構選型風險2、盾構組裝與調試風險33、盾構始發與到達作業風險4、盾構掘進施工風險5、特殊地段盾構施工風險6、盾構設備維護保養風險,2013 年 11 月,竺維彬 黃威然,9,盾構設備（機）,管理（人）,工程地質 水文地質（土）,盾構施工三維控制原理,設備是關鍵（機）,管理是根本（人）,地質是基礎（土）,盾構法隧道的一些原則性定義,1.小凈距 小于 0.7 D2.淺覆土 小于 D 3.小半徑 小于 40 D 4.大坡度 大于 3%5.長距離 大于 45 KM6.大深度 大于 50 M,盾構機三大核心技術:自動控制技術(PLC):計算機技術 液壓技術(BHW):油,氣,水 密封技術:主軸承密封,鉸接密封,盾尾密封盾構機三大核心部件:4、刀盤:包括各種刀具(滾刀,齒刀,刮刀,超挖刀)管片拼裝機螺旋輸送機（有軸無軸，直徑，雙閘門，保壓泵）,盾構平衡始發盾構到達接收鋼套筒上下重疊隧道施工指出技術各種穿越技術盾構端頭地層的水平加固技術盾構空推技術盾構通過復合地層(上軟下硬)花崗巖球狀風化地層(孤石),盾構施工創新技術,2013 年 11 月,竺維彬 黃威然,15,典型地質剖面與相應的盾構機,2013 年 11 月,竺維彬 黃威然,16,目前全世界最大的泥水平衡盾構機直徑17.8米。用于香港屯門隧道,中國地貌、地質類型多樣，盾構機廠家和選型眾多，配置程度不一，施工隊伍多且經驗技術參差不齊，線路路況及鋪設方式、埋深差異大、方案多種多樣、5、城市對隧道保護辦法寬松不同等等，已出的盾構風險事故“千姿百態”且有的重復出現。,但概況起來，有五類：1）地質風險;2）盾構機選型及配置風險;3）人為風險;4）疊加風險（即地質、盾構機、人組合風險）5）隧道保護風險;6）企業風險。上述風險處置不當，還將引發企業生存風險、政治風險和法律風險。,17,1）地域廣，地層類型多,建設地鐵各城市的地層類別,2）巖土結構、構造和礦物成分復雜,沉積巖,巖漿巖,變質巖,砂卵石與泥巖交互,3）復合地層(Mix face conditions),在隧道開挖斷面范圍和開挖的延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊6、的組合地層。各地對此類地層的定義：臺灣（復合地層）北京（混合地層、復合地層）深圳（復雜地層）隨著地鐵線路延伸和埋深加大，即使上海、天津、寧波和蘇州等城市都會觸及復合地層的隧道建設。,4）不良地質,巖溶、瓦斯、富水斷裂帶、球狀風化體、易液化或高承壓水砂層等，甚至是化工藥劑污染地層。,瓦斯,富水斷裂帶,花崗巖球狀風化體,盾構遭遇孤石,專利技術：地下隱蔽巖體爆破,“滯排”問題：盾構在沙卵礫石地層和破隧帶中掘進，渣土在土（泥水）倉中不能及時排出，導致反復磨損刀具和刀盤。,砂礫卵石和破碎帶地層,刀盤嚴重磨損,滾刀刀圈偏磨,滾刀軸承磨損,5）地下異物,（樁基、流木、沉船等）,廣州地鐵過樁基群，開倉清除樁基7、,臺北捷運的流木,6)地下水,管片背后的積水從注漿孔噴出,廣州地鐵三號線大石漢溪區間禮村斷裂帶地質剖面圖,“水”是地下工程第一風險元素或“頭號殺手”，是地質認知的最重要環節。盡管盾構工法是密閉施工方法，使水平衡不被打破，但有的地質條件諸如斷裂破碎帶、溶洞地帶等水壓力本身有變化，使盾構很難建立動態平衡，勢必造成超挖過大甚至坍塌。,25,地下工程占用了地下水的蓄水空間，加重城淹、洪災；抬高上游水位造成建筑物隆起，降低下游地下水水位導致建筑物下沉；注漿材料選擇不當，導致地下水污染。,26,6)地下水,27,盾構設備風險,1 盾構選型風險,2 主軸承和刀盤驅動系統風險,3 三大密封風險,主軸承密封 中8、折密封 盾尾密封,軟土地層 硬巖地層 復合地層,土壓平衡式盾構 泥水平衡式盾構,28,盾構選型風險,軟土地層盾構機與復合地層盾構機,（1）掘進過程基本不需要或很少需要換刀（2）掘進過程主要保持掌子面和地面穩定（3）刀盤結構較為簡單、刀具配置單一,圖1 軟土地層刀盤刀具配置示意,軟土地層盾構機特點,29,盾構選型風險,軟土地層盾構機與復合地層盾構機,軟土地層盾構機特點,（4）軟土地層一般塑性土壓比較大、刀盤切土的扭矩可全部由土體對盾殼產生的塑性土壓平衡，掘進過程較為平穩（5）主軸承壽命一般要求不高（6）對于土壓平衡盾構，一般不需配置渣土改良系統（7）對于泥水加壓平衡盾構，一般不配置破碎機（8）刀9、盤、盾殼可選用一般鋼材制造（例如Q235）,30,盾構選型風險,軟土地層盾構機與復合地層盾構機,復合地層盾構機特點,（1）掘進過程需要換刀，并需在采用多種穩定掌子面技術措施條件下進行換刀或對刀盤切口環進行補強（2）掘進過程除需保持掌子面和地面穩定外，切土破巖參數的選取還需要與破巖機理相結合,滾刀破巖機理 切刀（刮刀）切土破巖機理 滾刀、切刀聯合破巖機理,滾刀與刮刀,31,盾構選型風險,軟土地層盾構機與復合地層盾構機,復合地層盾構機特點,（3）刀盤結構極為復雜，需多種刀具配置形式（4）復合地層塑性土壓是變化的，刀盤切土破巖的扭矩可全部由土體對盾殼產生的塑性土壓平衡，或由部分土體對盾殼產生的塑性土10、壓和推進油缸壓力墊與管片環端面摩擦力共同作用平衡，掘進過程受力工況復雜，穩定性較差,圖2 復合地層盾構機刀盤刀具布置,圖3 復合地層盾構機推進油缸的結構圖,32,盾構選型風險,軟土地層盾構機與復合地層盾構機,復合地層盾構機特點,（5）主軸承壽命一般要求較高（6）對于土壓平衡盾構，一般需配置渣土改良系統（7）對于泥水加壓平衡盾構，一般需配置破碎機（8）刀盤、盾殼要選用較好的鋼材制造（如Q345）,33,盾構選型風險,土壓平衡與泥水加壓式盾構機,（1）在富水破碎復合地層或水下隧道通常選用泥水加壓式盾構或氣墊式泥水盾構，在復合地層掘進氣墊式泥水加壓盾構一般在氣壓艙安置破碎機，目前破碎機存在工效低（511、次/min）、可靠性差的缺陷。某水下工程采用氣墊式泥水加壓盾構施工，在穿越岸上一港口時因破碎機失效，堵管、泥漿循環不暢，造成地面塌陷。,圖5 破碎機在氣墊式泥水盾構機中的配置示意圖,34,盾構選型風險,土壓平衡與泥水加壓式盾構機,（2）地下水滲透系數低的復合地層一般選用土壓平衡盾構，對于抗壓強度較高的巖層，目前選型存在兩種不同觀點，一種觀點是應選用土壓平衡盾構，方便更換刀具；另一種觀點是考慮到泥漿對刀具的刀刃起到潤滑作用，減少刀具磨損，應優先選用泥水加壓是盾構。有待于工程實踐作進一步論證。,（3）為了更好控制掌子面和地面穩定應選用氣墊式泥水盾構，但目前在國內還未真正了解其作用機理，所以未能更好12、發揮其控制沉降作用。,35,主軸承和刀盤驅動系統風險,主軸承風險,（1）當主軸承出現不可處理的破損，對于硬巖全斷面聯合掘進機，可在自穩圍巖中擴洞更換，而在軟土和復合地層中盾構難以遇到自穩圍巖，加固土體擴洞代價甚大，難以更換主軸承。（2）對于盾構主軸承可否參照硬巖TBM（全斷面聯合掘進機）按半荷載設計原則進行選型，盡量選用高壽命軸承和高扭矩和耐沖擊的傳動系統，從而降低主軸承風險。,36,主軸承和刀盤驅動系統風險,刀盤驅動系統風險,（1）刀盤驅動系統破壞在施工過程時有發生，某工程發生八臺驅動裝置行星齒輪減速器太陽齒輪同時破壞，停工年多等待更換。（2）對復合地層盾構刀盤驅動系統末級傳動副，行星齒輪減13、速器的輸出端小齒輪如能采用簡支結構，可減少懸臂結構帶來風險。,圖6 行星齒輪減速器輸出端簡支結構的小齒輪,37,三大密封風險,主軸承密,主軸承密封失效，主軸承就會先損壞 合適的多道耐磨密封形式、功能完善可靠的潤滑和冷卻系統是降低主軸承密封風險的重要因素。主軸承密封壽命要高于主軸承壽命,圖7 主軸承密封示意圖,38,三大密封風險,中折密封,在設置中折裝置的盾構中，中折密封是否可靠，關系到砂水是否涌進盾構機內，在高水壓軟弱地層顯得特別重要 中折裝置及其密封設計必須適應盾構機在曲線隧道掘進要求 進一步解決充氣臨時密封止水帶可靠工作問題,圖8 中折密封示意圖,39,三大密封風險,盾尾密封,盾尾密封是否14、可靠，亦關系到砂水是否涌進盾構機內，同時亦確保盾尾同步注漿及管片環二次注漿質量及漿液是否涌入盾構機內 多道密封形式設計應合理，密封刷應耐磨工作可靠，進一步解決充氣臨時密封止水帶可靠工作問題，使其有助于更換密封刷,圖9 盾尾密封示意圖,選型不當實例,某刀盤剛度不足，中心部位凹陷,結構、功能、刀具、開口率等。,某刀盤強度不足，局部碎裂,人、機、地質等風險疊加,泥餅；噴涌；姿態失控明挖法修復盾構隧道；壓力平衡失控（高土壓、欠土壓、“拉風箱式”）；,明挖法修復超限盾構隧道,噴涌,人、機、地質等風險疊加,滯排；鐵板沙；,42,南京長江隧道，采用飽和氣壓作業法進倉修復盾構刀盤刀具。,人、機、地質等風險疊加15、,盾構機被卡（卡刀盤、卡盾體）；螺旋機卡死，螺桿斷裂等，處理螺旋機故障措施失當，甚至導致盾構機被埋；油脂等化學類產品裂解。,地質與選型風險,盾構機的選型依據是：地質條件；開挖面穩定性能；隧道埋深、地下水位；隧道設計斷面、路線、線性、坡度；環境條件、沿線場地；管片襯砌類型；工期造價等。所以如果地質條件錯誤、選型失誤，是盾構施工最大的風險。,盾構地質選型,盾構組裝、調試風險盾構機進場的運輸,盾構吊裝調試現場作業，主要風險有超寬超高運輸風險，超大超重吊裝風險，超大型設備協調配合調試風險。,盾構吊裝,盾構合龍調試,始發到達作業風險 盾構施工過程中，始發與到達的風險最大，主要有：盾構基座變形；反力架位移16、或變形；破除洞門時涌水涌砂涌土；洞門密封失效或漏水；姿態突變；軸線偏離等。,盾構始發,盾構到達,施工風險刀盤卡死：前方卵石堆積；刀具磨損；巖石太硬；盾構密封失效：主軸承密封、盾體鉸接處密封、盾尾鋼絲刷密封。盾構機后退（千斤頂單向閥故障）。掌子面塌方和地面沉降過大隧道管片上浮（常見）。管片錯臺、碎裂（常見）。,盾構掘進,淺覆土地段；管線密布地段（污水管斷裂）；臨近樁基礎、建筑物地段；有孤石、障礙物地段；采用壓氣維修作業地段；軟硬不均地段；煤層或有瓦斯地段(杭州地鐵)。,掘進時遇到孤石圖,特殊地段施工風險,設備管理維護保養風險維修保養作業風險，如開倉檢查換刀；維修保養不善造成機器故障頻繁：主軸承故17、障、減速箱故障、軌道事故等。十字保養法：清潔、潤滑、緊固、調整、防腐。預防維修法：定期保養；狀態監測；按需維修。,三、盾構施工的風險控制措施,貫徹科學發展觀，以人為本，重視技術人才和搭配使用、技術研究、技術創新。根據工程特點和地質條件正確選型、科學配套設備。人與機械的和諧相處，愛護盾構機設備就像戰士愛護武器一樣。對各種風險超前考慮、制定專項施工方案和應急預案，并進行專家論證。施工前必須對設計方案和圖紙進行熟悉吃透和審查。建立一支對機器熟悉、操作熟練、各工種配套的優秀作業隊伍。,盾構施工的“四要素”：開挖控制、一次襯砌、線型控制和注漿。1、開挖控制：其根本目的是確保盾構工作面穩定。土 壓盾構與泥18、水盾構的開挖控制內容不同，土壓盾構，以土壓和塑流性改良控控制為主；泥水盾構的開挖以泥水壓和泥漿性能控制為主，輔以排土量控制。2、一次襯砌：管片錯縫拼裝，先緊固環向螺栓，后緊固軸向螺栓，緊固力取決于螺栓的直徑與強度。,盾構施工安全技術管理的重點,3、線型控制：線型控制的主要任務是通過控制盾構姿態，使構建的襯砌結構幾何中心線線形順滑，且位于偏離設計中心線的容許誤差范圍內。其中我們重點監控的項目有:掘進測量和方向控制.,盾構測量VMT系統,4、注漿控制：（1）注漿目的：管片拼裝完成后，隨著盾構的推進，管片與洞體之間出現空隙。如不及時充填，地層應力得以釋放，而產生變形。其結果發生地面沉降，鄰近建（構）19、筑物沉降、變形或破壞等。注漿的主要目的就是防止地層變形。采用活性漿液，保證地面沉降在10mm以內，從而確保地下管線安全。,（2）一次注漿一次注漿分為同步注漿、即時注漿和后方注漿三種方式，要根據地質條件、盾構直徑、環境條件、注漿設備的維護控制、開挖斷面的制約與盾尾構造等充分研究確定。,（3）二次注漿二次注漿是以彌補一次注漿缺陷為目的進行的注漿。具體作用如下：a 補足一次注漿未充填的部分；b 補充由漿體收縮引起的體積減小；c 以防止周圍地層松弛范圍擴大為目的的補充。以上述a、b為目的的二次注漿，多采用與一次注漿相同的漿液；若以c為目的，多采用化學漿液。,（一)盾構機的吊裝,施工特點：盾構機及其后配20、套設備總重1000噸左右，最大單件重量為100噸左右，由于盾構機最大單件重量較重，吊裝下井深度較深，為保證組裝工程安全，按照250t履帶吊（主吊車）和90t汽車吊（配合吊車）配合進行方案設計，順利完成盾構吊裝。采取措施：在盾構機吊裝前，項目部組織有關人員進行了安全技術交底，在吊運過程中由現場值班人員和專職安全員進行全過程旁站。,施工主要風險：（1）物體打擊；（2）機械傷害；（3）高空墜落：（4）火災；（5）觸電。,三 盾構施工工序的安全管理和控制,吊裝作業時，設專人指揮信號,編制安全合理的吊裝方案，使用先進的吊裝設備和有安全資質的吊裝隊伍進行施工，保證了盾構機吊裝施工的安全。,（二)盾構始發,21、施工特點：1.始發豎井一般比較深，地下水壓大始發豎井深度為20m左右，地下水壓高達1.5bar左右，且始發洞門斷面地質復雜多變，極易出現涌水涌砂現象。2.洞門鑿除危險系數高洞門鑿除施工面積大，工期長，易出現土體坍塌、涌水涌砂等事故。,施工主要風險：（1）涌水涌砂（2）掌子面失穩（3）洞門密封失效,在盾構進出洞前方采用高壓旋噴或攪拌樁加固，近洞口側井外土體加固深度超過隧道底3m，加固體高為超過隧道頂3m，長一般為6m，寬為隧道直徑加兩邊外各3m。,對盾構進出洞區進行地基加固,保證盾構始發的施工技術,1.洞口外側安裝兩道簾布橡膠板止水密封裝置。2.在洞門鋼環內安裝三道鋼絲刷，并在鋼絲刷之間沿外圈均22、勻布置注漿孔。3.盾構出洞時在三道鋼絲刷上及中間涂滿油脂，保證鋼絲刷與盾構外殼保持良好的密封接觸，達到良好止水效果。4.在簾布橡膠板及盾殼外表面涂抹黃油，保證盾構出洞穿過時止水裝置不被破壞，處于良好工作狀態。,特殊情況采用強化洞門密封,保證盾構始發的施工技術,洞門強化密封,19m,2.5m,地下水位標高20.32m，隧道洞身范圍內硬塑狀殘積砂質粘土層滲透系數平均0.4m/d。,梅上區間與四號線剖面位置關系,上梅林站,采用始發鋼套筒技術,下蓋,上蓋,與預埋鋼板過渡環（洞門處密封）,下蓋,上蓋,加強環梁,（三)盾構掘進,施工特點：隧道盾構法施工是一項風險性較大的施工方法，建設部將隧道施工評估為高風23、險的行業，盾構施工人機交錯的特征十分明顯，起重傷害、電機車傷人、機械傷害、高處墜落等多種事故發生的可能始終貫穿著施工的全過程。機械設備高頻率運轉等客觀因素注定了安全管理監控具有較高的難度。盾構施工工序流程達到十幾個，覆蓋面相當廣，其中有多個部位被列為安全重點部位。垂直運輸、水平運輸、管片拼裝都是人機交錯、危險性很高的工序,且屬于長時間的連續作業，一旦輕視、疏忽就會發生重大安全事故。,施工主要風險：,隧道盾構施工重要風險部位流程,管片堆場,垂直運輸,水平運輸,車架段交叉作業,管片拼裝,盾構施工工序復雜，安全問題突出，在管理部位施工過程中，必須由安全終端責任人和專職安全員進行旁站、監控。,杭州地鐵盾構到達安全事故,杭州地鐵盾構到達安全事故,杭州地鐵盾構到達安全事故,杭州地鐵盾構到達安全事故,杭州地鐵盾構到達安全事故,照片3 鋼套筒后端蓋圖片,后端蓋,謝謝大家,