盾构施工风险控制和安全管理讲诉

1、 盾构法隧道施工风险控制和安全管理港铁轨道交通深圳有限企业张自太11月（合肥）盾构施工风险控制和安全管理讲诉第1页/10/10/10/10Page 2一、风险管理理念盾构施工风险控制和安全管理讲诉第2页轨道交通建设三步曲10 October 港铁（深圳）/10/10Page 3规划政府部门（设计）策划建设单位（地铁企业、BT方）计划施工单位（BT方二级局）盾构施工风险控制和安全管理讲诉第3页主动改善式风险管控 危害识别和分级风险更新和检讨控制行动的商定行动提案的登记和控制控制行动的实施 系统风险管控：采取主动式风险管理方法 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第4页10 October 港铁（深圳）

2、初步风险评定可研阶段设计阶段标书编制采取低风险,安全优化设计，提交风险清单按风险等级编制针对性安全技术规范,标准，限制准入条件招标阶段安全条件，资格要求，人员及施工经验审查把关施工阶段执行风险清单要求，并动态发展补充风险登记册完工阶段安全设施试运验收，并移交遗留风险运行阶段管理遗留风险，制订规程，组织落实，内/外部审计，连续提升反馈/连续改进和提升系统风险管控：明确各阶段风险监控关键点盾构施工风险控制和安全管理讲诉第5页/10/10Page 6（工程所处阶段与风险控制资源投入关系图）工可研阶段初步阶段施工设计施工阶段运行阶段风险遗留管治人为操作风险控制技术风险控制投入 阶 段 系统化风险管理-

3、重视前期，掌握系统性盾构施工风险控制和安全管理讲诉第6页/10/10Page 7项目各阶段对建设成本影响盾构施工风险控制和安全管理讲诉第7页二、盾构施工风险点 盾构施工风险主要有：1、地质与盾构选型风险2、盾构组装与调试风险3、盾构始发与抵达作业风险4、盾构掘进施工风险5、特殊地段盾构施工风险6、盾构设备维护保养风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第8页 年 11 月竺维彬 黄威然9盾构施工风险控制和安全管理讲诉第9页盾构设备 （机） 管理 （人） 工程地质 水文地质 （土） 盾构施工三维控制原理盾构施工风险控制和安全管理讲诉第10页设备是关键 （机） 管理是根本 （人）地质是基础 （土） 盾构

4、施工风险控制和安全管理讲诉第11页盾构法隧道一些标准性定义1 .小净距 小于 0.7 D2 .浅覆土 小于 D 3 .小半径 小于 40 D 4 .大坡度 大于 3%5 .长距离 大于 45 KM6 .大深度 大于 50 M盾构施工风险控制和安全管理讲诉第12页盾构机三大关键技术: 自动控制技术(PLC):计算机技术 液压技术(BHW):油,气,水 密封技术: 主轴承密封,铰接密封,盾尾密封盾构机三大关键部件:刀盘:包含各种刀具(滚刀,齿刀,刮刀, 超挖刀)管片拼装机螺旋输送机（有轴无轴，直径，双闸门，保压泵）盾构施工风险控制和安全管理讲诉第13页盾构平衡始发盾构抵达接收钢套筒上下重合隧道施工

5、指出技术各种穿越技术盾构端头地层水平加固技术盾构空推技术盾构经过复合地层(上软下硬)花岗岩球状风化地层(孤石) 盾构施工创新技术盾构施工风险控制和安全管理讲诉第14页 年 11 月竺维彬 黄威然15经典地质剖面与对应盾构机盾构施工风险控制和安全管理讲诉第15页 年 11 月竺维彬 黄威然16当前全世界最大泥水平衡盾构机直径17.8米。用于香港屯门隧道盾构施工风险控制和安全管理讲诉第16页地质风险中国地貌、地质类型多样，盾构机厂家和选型众多，配置程度不一，施工队伍多且经验技术参差不齐，线路路况及铺设方式、埋深差异大、方案各种多样、城市对隧道保护方法宽松不一样等等，已出盾构风险事故“千姿百态”且有

6、重复出现。 盾构机选型及配置风险人为风险叠加风险隧道保护风险但概况起来，有五类：1）地质风险;2）盾构机选型及配置风险;3）人为风险;4） 叠加风险（即地质、盾构机、 人组合风险）5）隧道保护风险;6）企业风险。上述风险处置不妥，还将引发企业生存风险、政治风险和法律风险。17政治风险、法律风险、企业风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第17页1）地域广，地层类型多 地质风险建设地铁各城市地层类别盾构施工风险控制和安全管理讲诉第18页2）岩土结构、结构和矿物成份复杂沉积岩岩浆岩变质岩砂卵石与泥岩交互 地质风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第19页3）复合地层(Mix face conditions

7、) 地质风险在隧道开挖断面范围和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不一样地层组成，且这些地层岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊组合地层。各地对这类地层定义：台湾（复合地层） 北京（混合地层、复合地层） 深圳（复杂地层）伴随地铁线路延伸和埋深加大，即使上海、天津、宁波和苏州等城市都会触及复合地层隧道建设。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第20页4）不良地质岩溶、瓦斯、富水断裂带、球状风化体、易液化或高承压水砂层等，甚至是化工药剂污染地层。瓦斯富水断裂带 地质风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第21页花岗岩球状风化体 地质风险盾构遭遇孤石专利技术：地下隐蔽岩体爆破盾构施工风险控制和安全管理讲诉

8、第22页“滞排”问题：盾构在沙卵砾石地层和破隧带中掘进，渣土在土（泥水）仓中不能及时排出，造成重复磨损刀具和刀盘。砂砾卵石和破碎带地层刀盘严重磨损滚刀刀圈偏磨 滚刀轴承磨损盾构施工风险控制和安全管理讲诉第23页5）地下异物（桩基、流木、沉船等）广州地铁过桩基群，开仓去除桩基台北捷运流木 地质风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第24页6)地下水管片背后积水从注浆孔喷出广州地铁三号线大石汉溪区间礼村断裂带地质剖面图 “水”是地下工程第一风险元素或“头号杀手”，是地质认知最主要步骤。尽管盾构工法是密闭施工方法，使水平衡不被打破，但有地质条件诸如断裂破碎带、溶洞地带等水压力本身有改变，使盾构极难建立动

9、态平衡，势必造成超挖过大甚至坍塌。 25 地质风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第25页地下工程占用了地下水蓄水空间，加重城淹、洪灾；抬高上游水位造成建筑物隆起，降低下游地下水水位造成建筑物下沉；注浆材料选择不妥，造成地下水污染。266)地下水 地质风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第26页27盾构设备风险 1 盾构选型风险 2 主轴承和刀盘驱动系统风险 3 三大密封风险 主轴承密封 中折密封 盾尾密封 软土地层 硬岩地层 复合地层 土压平衡式盾构 泥水平衡式盾构盾构施工风险控制和安全管理讲诉第27页28盾构选型风险 软土地层盾构机与复合地层盾构机 （1）掘进过程基本不需要或极少需要换刀 （2

10、）掘进过程主要保持掌子面和地面稳定 （3）刀盘结构较为简单、刀具配置单一图1 软土地层刀盘刀具配置示意 软土地层盾构机特点盾构施工风险控制和安全管理讲诉第28页29盾构选型风险 软土地层盾构机与复合地层盾构机 软土地层盾构机特点（4）软土地层普通塑性土压比较大、刀盘切土扭矩可全部由土体对盾壳产生塑性土压平衡，掘进过程较为平稳（5）主轴承寿命普通要求不高（6）对于土压平衡盾构，普通不需配置渣土改良系统（7）对于泥水加压平衡盾构，普通不配置破碎机（8）刀盘、盾壳可选取普通钢材制造（比如Q235 ）盾构施工风险控制和安全管理讲诉第29页30 盾构选型风险 软土地层盾构机与复合地层盾构机 复合地层盾构

11、机特点（1）掘进过程需要换刀，并需在采取各种稳定掌子面技术办法条件下进行换刀或对刀盘切口环进行补强（2）掘进过程除需保持掌子面和地面稳定外，切土破岩参数选取还需要与破岩机理相结合 滚刀破岩机理 切刀（刮刀）切土破岩机理 滚刀、切刀联合破岩机理滚刀与刮刀 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第30页31盾构选型风险 软土地层盾构机与复合地层盾构机 复合地层盾构机特点（3）刀盘结构极为复杂，需各种刀具配置形式（4）复合地层塑性土压是改变，刀盘切土破岩扭矩可全部由土体对盾壳产生塑性土压平衡，或由部分土体对盾壳产生塑性土压和推进油缸压力垫与管片环端面摩擦力共同作用平衡，掘进过程受力工况复杂，稳定性较差图2

12、复合地层盾构机刀盘刀具布置图3 复合地层盾构机推进油缸结构图盾构施工风险控制和安全管理讲诉第31页32盾构选型风险 软土地层盾构机与复合地层盾构机 复合地层盾构机特点（5）主轴承寿命普通要求较高（6）对于土压平衡盾构，普通需配置渣土改良系统（7）对于泥水加压平衡盾构，普通需配置破碎机（8）刀盘、盾壳要选取很好钢材制造（如Q345）盾构施工风险控制和安全管理讲诉第32页33盾构选型风险 土压平衡与泥水加压式盾构机（1）在富水破碎复合地层或水下隧道通常选取泥水加压式盾构或气垫式泥水盾构，在复合地层掘进气垫式泥水加压盾构普通在气压舱安置破碎机，当前破碎机存在工效低（5次/min）、可靠性差缺点。某水

13、下工程采取气垫式泥水加压盾构施工，在穿越岸上一港口时因破碎机失效，堵管、泥浆循环不畅，造成地面塌陷。 图5 破碎机在气垫式泥水盾构机中配置示意图盾构施工风险控制和安全管理讲诉第33页34盾构选型风险 土压平衡与泥水加压式盾构机（2）地下水渗透系数低复合地层普通选取土压平衡盾构，对于抗压强度较高岩层，当前选型存在两种不一样观点，一个观点是应选取土压平衡盾构，方便更换刀具；另一个观点是考虑到泥浆对刀具刀刃起到润滑作用，降低刀具磨损，应优先选取泥水加压是盾构。有待于工程实践作深入论证。 （3）为了更加好控制掌子面和地面稳定应选取气垫式泥水盾构，但当前在国内还未真正了解其作用机理，所以未能更加好发挥其

14、控制沉降作用。 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第34页35主轴承和刀盘驱动系统风险 主轴承风险 （1）当主轴承出现不可处理破损，对于硬岩全断面联合掘进机，可在自稳围岩中扩洞更换，而在软土和复合地层中盾构难以碰到自稳围岩，加固土体扩洞代价甚大，难以更换主轴承。（2） 对于盾构主轴承可否参考硬岩TBM（全断面联合掘进机）按半荷载设计标准进行选型，尽可能选取高寿命轴承和高扭矩和耐冲击传动系统，从而降低主轴承风险。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第35页36主轴承和刀盘驱动系统风险 刀盘驱动系统风险 （1）刀盘驱动系统破坏在施工过程时有发生，某工程发生八台驱动装置行星齿轮减速器太阳齿轮同时破坏，停工年多

15、等候更换。（2） 对复合地层盾构刀盘驱动系统末级传动副，行星齿轮减速器输出端小齿轮如能采取简支结构，可降低悬臂结构带来风险。 图6 行星齿轮减速器输出端简支结构小齿轮 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第36页37三大密封风险主轴承密 主轴承密封失效，主轴承就会先损坏 适当多道耐磨密封形式、功效完善可靠润滑和冷却系统是降低主轴承密封风险主要原因。主轴承密封寿命要高于主轴承寿命图7 主轴承密封示意图 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第37页38三大密封风险中折密封 在设置中折装置盾构中，中折密封是否可靠，关系到砂水是否涌进盾构机内，在高水压软弱地层显得尤其主要 中折装置及其密封设计必须适应盾构机在曲线

16、隧道掘进要求 深入处理充气暂时密封止水带可靠工作问题图8 中折密封示意图 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第38页39三大密封风险盾尾密封 盾尾密封是否可靠，亦关系到砂水是否涌进盾构机内，同时亦确保盾尾同时注浆及管片环二次注浆质量及浆液是否涌入盾构机内 多道密封形式设计应合理，密封刷应耐磨工作可靠，深入处理充气暂时密封止水带可靠工作问题，使其有利于更换密封刷图9 盾尾密封示意图 盾构施工风险控制和安全管理讲诉第39页选型不妥实例某刀盘刚度不足，中心部位凹陷 结构、功效、刀具、开口率等。某刀盘强度不足，局部碎裂盾构机选型和配置风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第40页人、机、地质等风险叠加泥饼；喷

17、涌；姿态失控明挖法修复盾构隧道；压力平衡失控（高土压、欠土压、“拉风箱式”）；叠加风险刀盘面板结泥饼明挖法修复超限盾构隧道喷涌盾构施工风险控制和安全管理讲诉第41页人、机、地质等风险叠加滞排；铁板沙；叠加风险42南京长江隧道，采取饱和气压作业法进仓修复盾构刀盘刀具。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第42页人、机、地质等风险叠加盾构机被卡（卡刀盘、卡盾体）；螺旋机卡死，螺杆断裂等，处理螺旋机故障办法失当，甚至造成盾构机被埋；油脂等化学类产品裂解。叠加风险盾构在硬岩中卡死螺杆断裂盾构施工风险控制和安全管理讲诉第43页地质与选型风险盾构机选型依据是：地质条件；开挖面稳定性能；隧道埋深、地下水位；隧道设

18、计断面、路线、线性、坡度；环境条件、沿线场地；管片衬砌类型；工期造价等。所以假如地质条件错误、选型失误，是盾构施工最大风险。盾构地质选型盾构施工风险控制和安全管理讲诉第44页 盾构组装、调试风险盾构机进场运输, 盾构吊装调试现场作业，主要风险有超宽超高运输风险，超大超重吊装风险，超大型设备协调配合调试风险。盾构吊装盾构合龙调试盾构施工风险控制和安全管理讲诉第45页 始发抵达作业风险 盾构施工过程中，始发与抵达风险最大，主要有：盾构基座变形；反力架位移或变形；破除洞门时涌水涌砂涌土；洞门密封失效或漏水；姿态突变；轴线偏离等。盾构始发盾构抵达盾构施工风险控制和安全管理讲诉第46页 施工风险刀盘卡死

19、：前方卵石堆积；刀具磨损；岩石太硬；盾构密封失效：主轴承密封、盾体铰接处密封、盾尾钢丝刷密封。盾构机后退（千斤顶单向阀故障）。掌子面塌方和地面沉降过大隧道管片上浮（常见）。管片错台、碎裂（常见）。盾构掘进盾构施工风险控制和安全管理讲诉第47页浅覆土地段；管线密布地段（污水管断裂）；临近桩基础、建筑物地段；有孤石、障碍物地段；采取压气维修作业地段；软硬不均地段；煤层或有瓦斯地段(杭州地铁)。掘进时碰到孤石图特殊地段施工风险盾构施工风险控制和安全管理讲诉第48页 设备管理维护保养风险维修保养作业风险，如开仓检验换刀；维修保养不善造成机器故障频繁：主轴承故障、减速箱故障、轨道事故等。十字保养法：清洁

20、、润滑、紧固、调整、防腐。预防维修法：定时保养；状态监测；按需维修。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第49页三、盾构施工风险控制办法落实科学发展观，以人为本，重视技术人才和搭配使用、技术研究、技术创新。依据工程特点和地质条件正确选型、科学配套设备。人与机械友好相处，爱护盾构机设备就像战士爱护武器一样。对各种风险超前考虑、制订专题施工方案和应急预案，并进行教授论证。施工前必须对设计方案和图纸进行熟悉吃透和审查。建立一支对机器熟悉、操作熟练、各工种配套优异作业队伍。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第50页盾构施工“四要素”：开挖控制、一次衬砌、线型控制和注浆。1、开挖控制：其根本目标是确保盾构工作面稳

21、定。土 压盾构与泥水盾构开挖控制内容不一样，土压盾构，以土压和塑流性改良控控制为主；泥水盾构开挖以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。2、一次衬砌：管片错缝拼装，先紧固环向螺栓，后紧固轴向螺栓，紧固力取决于螺栓直径与强度。盾构施工安全技术管理重点盾构施工风险控制和安全管理讲诉第51页3、线型控制：线型控制主要任务是经过控制盾构姿态，使构建衬砌结构几何中心线线形顺滑，且位于偏离设计中心线允许误差范围内。其中我们重点监控项目有:掘进测量和方向控制.盾构测量VMT系统盾构施工风险控制和安全管理讲诉第52页4、注浆控制：（1）注浆目标：管片拼装完成后，伴随盾构推进，管片与洞体之间出现空隙。如不及

22、时充填，地层应力得以释放，而产生变形。其结果发生地面沉降，邻近建（构）筑物沉降、变形或破坏等。注浆主要目标就是预防地层变形。采取活性浆液，确保地面沉降在10mm以内，从而确保地下管线安全。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第53页（2）一次注浆一次注浆分为同时注浆、即时注浆和后方注浆三种方式，要依据地质条件、盾构直径、环境条件、注浆设备维护控制、开挖断面制约与盾尾结构等充分研究确定。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第54页（3）二次注浆二次注浆是以填补一次注浆缺点为目标进行注浆。详细作用以下：a 补足一次注浆未充填部分；b 补充由浆体收缩引发体积减小；c 以预防周围地层松弛范围扩大为目标补充。以上述

23、a、b为目标二次注浆，多采取与一次注浆相同浆液；若以c为目标，多采取化学浆液。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第55页（一) 盾构机吊装施工特点：盾构机及其后配套设备总重1000吨左右，最大单件重量为100吨左右，因为盾构机最大单件重量较重，吊装下井深度较深，为确保组装工程安全，按照250t履带吊（主吊车）和90t汽车吊（配合吊车）配合进行方案设计，顺利完成盾构吊装。 采取办法：在盾构机吊装前，项目部组织相关人员进行了安全技术交底，在吊运过程中由现场值班人员和专职安全员进行全过程旁站。施工主要风险： （1）物体打击； （2）机械伤害； （3）高空坠落： （4）火灾； （5）触电。三 盾构施工工序

24、安全管理和控制盾构施工风险控制和安全管理讲诉第56页吊装作业时，设专员指挥信号盾构施工风险控制和安全管理讲诉第57页编制安全合理吊装方案，使用先进吊装设备和有安全资质吊装队伍进行施工，确保了盾构机吊装施工安全。盾构施工风险控制和安全管理讲诉第58页（二) 盾构始发施工特点：1.始发竖井普通比较深，地下水压大始发竖井深度为20m左右，地下水压高达1.5bar左右，且始发洞门断面地质复杂多变，极易出现涌水涌砂现象。2.洞门凿除危险系数高洞门凿除施工面积大，工期长，易出现土体坍塌、涌水涌砂等事故。施工主要风险：（1）涌水涌砂（2）掌子面失稳（3）洞门密封失效盾构施工风险控制和安全管理讲诉第59页 在

25、盾构进出洞前方采取高压旋喷或搅拌桩加固，近洞口侧井外土体加固深度超出隧道底3m， 加固体高为超出隧道顶3m，长普通为6m，宽为隧道直径加两边外各3m。 对盾构进出洞区进行地基加固地基加固地基加固基底加固确保盾构始发施工技术盾构施工风险控制和安全管理讲诉第60页1.洞口外侧安装两道帘布橡胶板止水密封装置。2.在洞门钢环内安装三道钢丝刷，并在钢丝刷之间沿外圈均匀布置注浆孔。3.盾构出洞时在三道钢丝刷上及中间涂满油脂，确保钢丝刷与盾构外壳保持良好密封接触，到达良好止水效果。4.在帘布橡胶板及盾壳外表面涂抹黄油，确保盾构出洞穿过时止水装置不被破坏，处于良好工作状态。特殊情况采取强化洞门密封确保盾构始发施工技术盾构施工风险控制和安全管理讲诉第61页洞门强化密封盾构施工风险控制和安全管理讲诉第62页19m2.5m地下水位标高20.32m，隧道洞身范围内硬塑状残积砂质粘土层渗透系数平均0.4m/d。梅上区间与四号线剖面位置关系上梅林站盾构施工风险控制和安全管理讲诉第63页采取