地铁盾构法隧道下穿既有建筑物安全风险评估

王亚菊

中国水利水电第十一工程局有限公司 

摘要：改革后，随着国民经济水平的快速发展，城市轨道交通建设越来越完善，然而，地下施工会不可避免地影响到邻近建筑，这既会影响地下工程的施工管理与控制，也可能会导致地面建筑结构发生安全事故。

关键词：地铁盾构法；隧道下穿；建筑物；安全风险评估

引言

随着地铁规模的扩大，隧道施工对邻近建筑物安全影响问题越来越突出，如何有效评估地铁施工对邻近建筑物产生的安全风险已经成为备受社会关注的研究热点。分析了地铁隧道施工对邻近建筑物的影响因素及建筑物本身抵抗变形的因素，对地铁施工引起的邻近建筑物的风险进行评价；分析了地铁隧道施工邻近建筑物安全风险评估流程，将地铁施工邻近建筑物安全风险等级划分为5级，提出了地铁施工邻近建筑物安全风险等级划分方法和标准。目前，风险定量分析常采用事故树分析法、决策树法、神经网络法、贝叶斯网络法等风险分析方法与工具，但这些方法中，基本事件的概率一般采用确定值表示。而在地铁隧道施工过程中，相关的安全事故率因统计数据缺乏或不可得等原因，造成基本概率难以用确定值表示，存在一定的模糊性。因此采用传统方法进行风险分析容易造成较大偏差。

1盾构法施工概述

1.1盾构机的原理

盾构机是一种集电、机、液、传感等技术于一体，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装管片等特殊功能，专用于隧道掘进的工程机械。盾构机的工作原理就是借助钢结构组件遵循隧道轴线向前掘进。“刀盘”和“盾壳”是钢结构组件的核心部件，刀盘的主要功能是通过破碎岩石或切削土体开挖掌子面，其面板可防止掌子面垮塌，合理的刀盘设计可满足软土、风化岩等不同地层的施工需求；盾壳的主要功能则是保护施工作业人员的人身安全以及确保内部机械能够正常运转，盾壳有效维持了周围土体、地下水的稳定性，掘进出渣、拼装管片等作业均在盾壳的保护下进行。盾构法隧道施工过程可以简单地描述为“开挖-衬砌-再开挖”的循环往复过程。

1.2盾构机的构造

盾构机的结构复杂，主要由盾构机前部盾体、连接桥架、后配套台车三大部分组成。前部盾体结构主要由刀盘、前盾、中盾、尾盾、人仓、螺旋输送机及管片拼装机等部件组成；连接桥架是前部盾体和后配套台车的连接设施，各系统的动力通过桥架上的管线路从后配套台车提供给前部盾体内的执行元件；后配套台车主要为前部盾体内各系统配置动力源以及水、电、气、浆液、测量与监测等辅助施工系统和人工操作系统。

2地铁盾构法隧道下穿施工的安全风险评估

第一，对下穿盾构施工工程的工序进行检测与评价，重点分析易出现安全风险事故的工序，并对其风险等级进行评估。第二，对盾构法下穿隧道工程所涉及的机械设备进行监控，重点检测设备的施工运行参数，确保其维持在安全范围内。在盾构施工中，地层与临近建筑出现沉降、倾斜状况与掘进速度和机械姿态密不可分，因此控制盾构推进的速度参数具有重要意义。第三，对下穿施工工程现场进行评估。工作人员需通过现场巡检等方法，实时监控盾构施工进度，从而全面评价其安全风险，现场巡检时，工作人员需重点检查施工环境、设备运行以及工人安全控制措施是否到位，并对其施工安全风险进行评估。第四，对盾构施工技术与管理水平进行评估。地铁隧道下穿施工时，作业队伍的施工方案设计、施工技术水平以及管理水平都会对施工结果产生较大影响，工程团队需对其能力水平进行评估，以降低地下工程安全风险。

3应对措施

3.1盾构始发、到达质量控制

盾构始发直接关系到整个隧道的掘进状态，盾构到达则是盾构法施工的最后一个关键环节。在盾构始发和到达过程中需要重点注意以下几点：（1）严格控制端头土体加固质量，做好初始数据采集等各项监测准备工作。若采用旋喷桩加固和水泥搅拌桩加固，应重点检验加固土体的强度和土体的均匀性；若加固区域设计降水井，应做好井位的布置和降水效果的检查，盾构始发前水位应达到设计要求；若采用冷冻法加固，应重点监控加固地基温度、返回温度及冷冻剂流出情况，确保冷冻加固效果。（2）重视姿态控制。始发台、反力架和负环的安装精度均会影响盾构的始发姿态，始发前要进行定位测量，确保盾构以正确的姿态始发。第一环负环管片定位时，管片的后端面应与线路中线垂直。始发前基座定位时，盾构机轴线与隧道设计轴线基本保持平行，盾构中线可比设计轴线适当抬高。在土建推进接受后拼装管片前和拼装管片后，测量2次盾尾间隙。（3）盾构机在推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用都会对地层产生扰动，应严格控制掘进速度、油缸推力、扭矩、压力等掘进参数，有效防止周边建筑物发生沉降、倾斜等情况。

3.2建立预警机制，做好应急预案措施

盾构下穿时变形达到设计控制预警值时应及时分析原因，加强对路基监测，必要时采取进一步保护措施。若沉降超出控制值且变形速率较大，施工方应立即停止施工并启动应急预案，采取进一步措施。

3.3模糊贝叶斯网络模型的构建

经过致险机理分析，得到地铁隧道施工邻近建筑物安全的影响因素，结合上述模糊贝叶斯网络模型的构建方法，建立隧道施工诱发邻近建筑物安全风险的模糊贝叶斯网络的拓扑结构模型。关于隧道施工建筑物安全评价指标的分类标准研究成果，将隧道施工邻近建筑物安全的各个影响因素划分为3个等级，并给出相应评价指标的量值范围，如表1所示。建立起模糊贝叶斯网络结构模型后，根据专家评分法的具体步骤，得到根节点的先验概率，如表1所示。在得到了根节点的先验概率后，设定中间节点和叶节点的条件概率表获取叶节点发生安全风险的概率。根据贝叶斯网络逻辑关系、工程实际及专家意见，设定条件概率表。下面仅以y

1的条件概率表为示例，该节点的条件概率表如表1所示。

表1　邻近建筑物安全影响因素等级划分及其量值范围

3.4盾构穿越河流

盾构机穿越河流时，易发生盾尾及铰接处涌水涌砂、河水倒灌进入土仓、河底冒顶。为确保盾构顺利穿越河流，要做好设计阶段的盾构机选型：盾构机的选型及设计制造要充分考虑地层的复杂性，在刀盘形状、掘削刀具、刀盘的驱动、总装配推力、盾尾密封、盾尾注浆以及防喷涌处理措施等方面应特殊考虑。要加强探测及量测：盾构机进入河流前，要对水系水深进行全面扫描探测，复核隧道浅覆土段、上软下硬段等不良地层的覆土厚度，收集相关资料进行分析。要做好施工控制：穿越河流前可进行试验段掘进施工，根据试验段掘进参数制定穿越河流的最佳施工参数，随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，保证开挖面稳定；上软下硬地段中采取“小推力、低转速”模式推进，减少对地层及掌子面泥膜的扰动，匀速连续掘进，保证盾构掘进姿态。另外，地层的软硬不均容易导致盾构机受力不均匀，在选取刀盘形式时要满足同时能掘进软土又能掘进硬岩等不同地层的需要，还要在掘进过程中及时调整各项掘进参数，防止盾构的掘进方向偏离隧道设计轴线。

3.5盾构穿越运营地铁隧道

盾构穿越既有运营地铁隧道，不仅工程本身存在较大风险，也会影响既有地铁线路的正常运营。可采取划分施工控制段、合理调整施工参数等措施控制既有地铁隧道的结构沉降。根据施工的工况特点划分施工控制段，一般分为穿越前模拟段、穿越段和穿越后控制段三个阶段，并重点控制土压力和推进速度两个施工关键参数；如果盾构上方的土层被既有隧道结构替换，致使既有隧道下方土体所受竖向土压力减小，那么盾构在穿越时设定的土压力值也应适当减小；穿越段盾构推进速度应小于穿越前模拟段及穿越后控制段盾构推进速度，尽量减少盾构穿越隧道结构时对土体的扰动，合理地推进速度可以有效控制地层变形，减少对既有隧道结构的不利影响。此外，在制作管片时可全断面增设注浆孔，在盾构完成穿越后及时对隧道周围土体进行注浆加固，可有效控制既有隧道因土体固结产生的沉降。

3.6管片制作质量控制

盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，成环的管片可以抵抗来自外部的土层压力与地下水压力。因此，管片质量决定了隧道整体结构的质量。盾构管片制作主要从施工组织、模具质量、原材料质量、成品的试验等方面进行质量控制。（1）在管片制作前，应严格检查施工单位管片生产组织情况、施工人员专业情况等，并对施工人员开展教育培训活动，确保制作前准备工作到位。（2）对进场的砂石、钢筋、水泥等原材料质量进行抽样检查，严格把控混凝土配合比并在浇筑前检验混凝土的抗渗性和抗压能力；管片模具实行首件验收制，每套模具在生产首件管片后应进行三环水平拼装验收，出具“整环拼装精度要求”“单块管片制作精度要求”等验收合格报告后，方能进入试生产环节，后续每生产200环，做一组三环水平拼装试验。（3）安排专人对管片的制作进行全过程监督，检查成品管片的尺寸偏差和外观质量是否满足设计要求，抽样检查成品管片的抗渗性能、抗弯性能、抗拔性能等，发现质量缺陷应及时编制专项修补方案并进行修补，修补材料的强度不应低于管片的设计强度，若无法修补应坚决报废，确保成品管片质量。此外，成品管片的贮存与运输也是容易忽视的一个重要环节，应采取有效的保护措施避免管片损坏或腐蚀。

3.7盾构的推进速度及姿态控制。

①盾构下穿高速过程中应适当降低刀盘转速。控制刀盘转速降低后，可以减小盾构机对地层扰动，也有利于减小对刀具磨耗。结合本工程中试验段经验，刀盘转速降至1.0-1.5r/min之间较适宜。②盾构下穿高速过程中应控制掘进速度。理论上讲只要有足够的推力就能有足够的掘进速度，但刀盘转速一定的情况下，掘进速度过快时，掘进时的贯入度过大，易卡刀盘。因此顶推力控制不宜超过1200t，掘进速度保持15-20mm/min之间，确保盾构匀速下穿通过路基。③刀盘工作油压的直接反应。刀盘旋转与前方土体摩擦，并且产生较大扭矩。本工程扭矩控制在2000-3000ｋＮ·ｍ为宜，以便控制盾构的掘进速度。④动态调整盾构掘进参数，并及时纠偏盾构姿态。盾构在推进中，充分利用前端激光导向作用，避免出现偏移过大现象。⑤做好渣土改良工艺，提高掌子面的泡沫或膨润土注入量，增加开挖面土体流动性，避免泥饼现象产生，有利于减轻对开挖面前方的土体挤推和控制地层沉降。

3.8围岩应力分析

随着隧道开挖作业的进行，围岩最大主应力逐步呈现减小的趋势，而最大主应力的最大值远远低于盾构施工中抗拉强度的设计要求。这说明施工影响所确定的土仓压力值能够起到控制围岩应力的作用，避免在盾构施工过程中围岩应力过大所造成的变形情况。在整个工程模拟区域内，发现其应力基本上呈现水平分布状态，而在隧道的某一区域内，最大主应力等值线出现了严重的弯曲情况。这种情况说明此区域是盾构施工对下穿建筑物最主要的影响区域。而在两洞拱顶局部范围内，存在严重的应力释放现象，说明该围岩稳定性不足。相比较而言，隧道及其周边围岩处于相对稳定、安全的状态下。

3.9围岩与地表变形分析

根据施工模拟的最终结果，受到建筑物荷载作用力，在隧道开挖过程中，竖向变形主要集中在建筑物下部围岩与地表位置，在隧道拱底存在轻微的回弹隆起现象。而在隧道双洞内靠近中线的位置，底板鼓起量最大，拱顶沉降最为严重。在整个隧道开挖施工过程中，在盾构掘进作业的不断进行中，地表与围岩的沉降值呈逐步增大的趋势，当隧道开挖施工结束以后，其地表与围岩的最大竖向变形量均在工程允许的范围内。这说明同步注浆材料、注浆压力的控制能够在一定程度上抑制围岩的变形与沉降现象。

结语

近年来，随着地铁工程项目的增多，各种新型的施工技术逐步被应用于工程建设中。地铁隧道施工常常会面临极为复杂的施工环境，为了最大程度保障施工的安全性，降低施工风险，工程人员在施工过程中要加强安全管理，保障施工的规范性，促进地铁隧道施工的顺利进行。

参考文献

[1]冯兴仁．安农区间隧道下穿广深高速公路施工技术［J］．轨交通与地下工程，2014，32（5）：79-82．

[2]陈学军，邹宝平，邝光霖，等．盾构隧道下穿深圳滨海大道沉降控制技术［J］．铁道标准设计，2010（3）：92-94．

[3]张海波．地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟［D］．南京：河海大学，2005：27-30．

[4]肖润宝.盾构机掘进复杂地质地层的计价调整方案浅析［J］.工程造价管理.2017（4）：56-64.

[5]张天明.浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制［J］.现代隧道技术，2012，49（2）：92-98.

[6]王海平.北横通道盾构穿越天目路立交桩基的分析［J］.低温建筑技术，2013，35（11）：97-99.

[7]王海平.北横通道盾构穿越天目路立交桩基的分析［J］.低温建筑技术，2013，35（11）：97-99.