盾构隧道掘进施工中的安全问题

全国盾构机学术交流会议盾构隧道掘进施工中的安全问题1、盾构隧道的高速发展

进入20世纪80年代以后，国家盾构隧道获得迅猛的发展。伴随着中国城乡建设和交通事业的需求拉动以及整个国民经济的高速增长，盾构隧道技术和工程建设日新月异，充满生机和活力。盾构技术呈现了多样化、适应性好、建设速度快的新特点，在全国各种地下隧道建设中获得了最广泛的应用。1）上海最早开发了盾构隧道施工技术

上海是软土地层，含水量多，修建隧道及地下工程难度很大，20世纪60年代和70年代，上海就对在粉沙性土质和淤泥质土中建设隧道进行了多次大胆尝试和探索。1990年初，上海地铁破土动工。1993年5月，上海地铁第一条线路1号线南段（徐家汇—锦江乐园）建成通车。

双圆盾构区间隧道上海轨道交通8号线区间隧道施工在中国首次采用双圆盾构法，取得显著的社会和经济效益。工程由上海隧道工程轨道交通设计研究院设计，上海隧道工程股份有限公司施工。双圆盾构区间隧道2）广州地铁施工攻克了复杂地质盾构施工关键技术

广州地铁3号线克服了软硬不均地层带来盾构施工的困难，解决了姿态控制和速凝注浆技术，实现了快速掘进和地面沉降小的安全质量要求。

广州地铁现有的地铁运营线路远远不能满足交通需要，正在大规模扩建中。从2004年开始，广州地铁每年平均开通35km，预计2010年3号线、4号线、5号线、8号线及广佛线全部开通运营，总长将达到200km。广州地铁的远期规划长度是600km。广州公园前站—纪念堂站区间隧道

公园前站—纪念堂站区间隧道横跨广州主干道东风路，是连接地铁1、2号线的三线大跨区间隧道，长621m，最大跨度21.6m，与相邻隧道间距最近处仅0.8m。工程与2000年1月开工，2001年9月竣工。大跨度地铁隧道大跨度地铁隧道穿越珠江隧道3）深圳地铁突破了重叠隧道施工关键技术

深圳地铁1期工程国贸站—老街站—大剧院站区段采用重叠隧道技术，重叠交错隧道全长1055m，其中单洞双层重叠隧道长725m，双洞交错隧道长330m。对倒结构覆土厚9m~16m；结构最小间距1.6m。

重叠隧道施工过程中，遇到高层建筑的1600t承载力的桩基必须拆除。设计施工中采用精确的桩基置换超过了国际先进的日本技术水平。地铁重叠隧道4）武汉长江水下公路隧道

武汉长江隧道位于武汉长江一桥与二桥之间，设计为双洞四车道，长3630m，净高4.5m。工程包括两岸明挖、暗挖隧道，江中盾构隧道，匝道，引道，其中穿越江底段1310m。施工采用两台直径11.38m的大型盾构机分别在左、右线掘进。工程由中铁隧道集团有限公司、铁道第四勘察设计院、武汉市城市建设集团、武汉城市规划院、奥地利D2咨询公司组成的中铁隧道集团联合实体设计、施工、采购总承包，2004年11月开工，2008年4月盾构双线贯通。武汉长江隧道5）南京下穿秦淮河隧道

下穿外秦淮河，长828m的南京地铁2号线莫愁湖—汉中们区间段狗隧道2007年9月双线贯通。工程由中铁一局施工。6）上海长江隧道

上海长江隧道起于浦东新区五号沟，穿越南港水域，在长兴岛西南方登陆，长8.95km。盾构一次性掘进7.5km。隧道内径约13.7m，盾构机直径15.43m，最高历史水位下最大埋深约55m。隧道设计为双管。两管间净距约为16m，沿其纵向每隔800m设一条横向人行联络通道。单管内各设3条3.75m宽的车道。上海长江隧道7）南水北调中线穿黄隧道工程

由长江水利委员会长江勘察规划设计院和黄河勘察规划设计有限公司共同设计，中铁隧道集团和葛洲坝集团联合体、中铁十六局和水电七局联合体共同施工，两洞各采用1台泥水平衡盾构机自黄河北岸向南岸掘进，2005年9月开工。中铁隧道集团施工的穿黄工程盾构中铁十六局施工的穿黄工程盾构8）广州过江综合管廊

广州大学城供热、供冷、供电综合管廊过江工程位于广州市番禺区南村镇珠江岸边，长529m，净空直径5.4m，采用矿山法与盾构法联合施工。工程建设单位为广州投资经营管理有限公司，由中铁隧道集团设计并施工，2004年5月开工，12月主体完工。广州过江综合管廊2、关注盾构关键技术的发展（1）盾构刀具1）刀具选择盾构刀具主要根据掘进地质条件确定，依据软硬岩条件不同做出刀具选择。正确的刀具选择不但决定了切削出土效率，也能制约地面沉降指标控制。特别是泥水盾构还要解决安全掘进防止围土和掌子面漏水坍塌问题出现。这就要求对于软土在刮刀切削中不易粘结成团增大阻力，在硬质砾石地质条件下有足够强度韧性和耐磨性，以保证高效率钻进的实现。2）刀具在处理软硬不均地层的作用在软硬不均地层，同时采用泥水盾构条件下，要防止对下部砾石硬岩切割过慢带来的对上部软土地层扰动过大，导致了切口环与管片间密封钢丝刷失去密封性，造成仓内突水突泥问题。中铁隧道局在应对软硬不均地层的理论和工程实践已经独具特色，刀具选型和查验更换经验丰富，已经掌握其中关键技术。（2）盾构掘进前方地质变化

1）关注地下管线和危险气体泄露在城市地铁盾构掘进时，局部地段地质条件变化必须特别予以特别关注。主要问题是地下管线分布情况不明，城市上下水管网渗漏严重的情况得不到充分资料和数据。特别是液化石油气管线，煤气管道，在年久失修渗漏情况存在时，非常容易在盾构掘进时，由于周围地层扰动加剧，导致危险可燃气体的喷出，在盾构机开舱查验时容易出现安全题。2）及时查明危险源区位为此，在盾构掘进可能停机查验的地段必须特别详细的占有周围地段的管线分布和燃气泄露与下水储存池的相对位置关系，同时要采用先进的危险气体检测仪器，查明地表变形沉降情况记录数据，分析评价是否符合安全掘进条件后，才能开仓进行除险换刀工作。（3）防止泥水盾构排泥管产生水击爆裂

1）排泥管突发爆裂机理在泥水盾构施工中偶尔会发生排泥管爆裂，导致舱内大量涌泥事故的出现。主要问题在于切割砾石砾岩过程中有较大直径的砾石窜入排泥管前的高压泥水舱中。在泥水舱没有小型颚式破碎机对大块石进行破碎的情况下，在柱塞伐或螺旋输送机传输过程中，由于出现了大砾石堆集，结果造成泥水传输堵塞在，有压泥水运动惯性力的作用下，使排管压力急剧升高，出现了排泥管爆裂问题。2）防治水击爆裂技术措施解决水泥管水击爆裂问题，一是要在高压舱中加入小型颚式破碎机，二是可以考虑在提供传送泥水动力的部位加设调压伐和卸压室，最好作为泥水盾构机的附加安全设备使用。以提高排泥管设备运行期间的安全性和稳定性。（4）盾构机到达竖井出口的安全控制1）盾构机到达竖井的安全施工条件泥水盾构机到达竖井出口时需要换刀维修。要求当盾构抵进竖井壁时，凿穿竖井壁面之前，进行泥水泄压。在泄压的过程中盾构机四周的围土，由于失去压力支撑，而造成围土变形，挤入到原来泥水平衡条件下占据的环形间隙当中。特别是在围土存在渗水压力的情况下，一旦渗水压力梯度超过围土稳定压力梯度，就会产生涌水涌泥和岩土坍落。2）钻孔注浆锚固重要性现有的泥水盾构设计中，已有钢板钢丝刷、辅助气囊和窄布胶板、防水密封措施，显然是有效的。但不能给予完全可靠的安全保证。应当在盾构隧道的四周围土中，水平打入钻孔注浆锚杆，对围土进行预加固，增加围土的强度和稳定性。依靠水平大直径（10cm）加压排气注浆锚杆技术，可以做到盾构机出洞进井时的完全安全稳定。3、盾构施工过程中工程问题分析（1）盾构拼装结构整体安全性1）泥水盾构对地层条件限制盾构施工在通常正常地质条件下，由于四周围土提供了介质和盾构结构稳定的相互作用条件，隧道的安全是有充分保障的。但是在不良地质条件下，例如软土、粉土、流砂地层和地质条件严重不均匀地层，容易出现管涌问题引发的隧道围土涌水涌泥和坍塌问题，必须有附加的辅助工程措施才能保证盾构施工过程稳定性和结构长期稳定性。2）软土流动和泥水涌出条件软土地层的土性特点是，摩擦角小到50-80，极易产生盾构隧道掘进中严重的塑性变性和流动；粉土、流砂则是在饱和状态下，其渗水极限稳定压力梯度过小，在围土地层渗水压力较大时极易产生涌出而导致盾构与围土间隙丧失、围土坍塌，从而造成盾构结构失稳。3）泥水盾构隧道事故产生原因南京盾构隧道曾发生了大区段连续管片坠落导致隧道坍塌问题；上海盾构施工采用冷冻法穿越淤泥地层，冷冻时间掌握不当，导致围土流动和地面严重沉陷和楼房倾倒；杭州基坑施工中连续墙外的公路下面是淤泥，在连续墙下部基脚区域坑底部位，因基坑开挖失去了土压平衡条件，同时基坑外面又有公路地面川流不息的重载车辆的强烈扰动，结果导致公路下方土体向基坑方向内部流动，酿成公路汽车坠入塌陷深坑的重大事故。4）单一的盾构结构强化措施的安全可靠性这些事故情况表明，软土、流砂、粉土地层是土性很差的高风险地层，决不是可以只靠单一盾构管片拼装结构的强化措施就可以保证安全的。软土、粉土、流砂地层工程风险存在于施工过程和整个工程的生命全周期之中。必须从围土介质以及结构相互作用和结构整体牢固度长期稳定性方面重新认识。（2）盾构隧道安全稳定的基本要素理论分析和工程实践表明，在土性很差的地层构建安全稳定盾构隧道的基本要素包括四项：第一是土性的改善；第二是土体结构化；第三是增强土体介质和结构的相互作用效果；第四是提高盾构隧道整体牢固性和长期稳定性。1）土性改善的必要性软土、粉土和流砂在盾构施工中表现的主要问题是土性的强塑性和流动性，以及较小的渗流稳定压力梯度。在改善土性时首先应当关注提高土的强度，提高土的摩擦角和凝聚力，这可以通过盾尾预留孔进行间隙注浆、掌子面的超前注浆和管片构件中孔径向深层注浆作为重要技术措施施作，以达到改善土性的目的。2）注浆改善土性盾尾随进注浆可以采用同步单一材料对盾构外环间隙注浆。一般可以控制1天强度达到0.5Mpa以上。超前注浆，是在换刀检修时必须在掌子面进行的安全注浆，以防止掌子面坍塌。在盾构管片安装间隙随进注浆初凝之后，进行管体径向深层注浆对于粉土流砂地层是非常必要的，它对于提高围土强度，形成区域防护拱圈的抗力提高和防渗功能提高防止渗流压力导致涌水涌泥很有作用。3）土体结构化的工程意义良好的地层如砂土、砾石土和粘土地层有很好的结构性，所以才能和盾构结构产生相互作用，提高了结构整体牢固性。软土、粉土、流砂不具备土层结构性，所以在这类土性很差的土层中才使盾构施工时容易出现涌泥塌陷问题。即使是黄土在乾燥时具有结构性，但是容易在渗水影响下产生湿陷性沉降，对于黄土也必须注重防水和解决土体结构化问题。4）土体结构化工程措施土体结构化的工程措施只靠单一注浆措施是难以实现的。因为注浆过程经常是不排气和短暂加压条件下施作的，无法做到经过注浆使非结构性的土层形成一体的连续体。只有采用密集的加压持压排气注浆或者旋喷桩以及淤泥土中可以施作的搅拌桩技术，才能实现土体结构化要求。5）大直径加压排气注浆锚杆关键作用目前施工中常用的小导管注浆取得很大成效。但由于持压时间短，不排气和直径较小，在渗透系数小的淤泥和粉土地层，不能建立起结构化土层，必须辅以加压注浆锚杆技术才能使得土体结构化的要求得以实现。在适宜采用盾构隧道外围水平注浆锚固地段，锚杆直径取10㎝为宜，持压0.6MPa时间不小于24小时，可以达到锚杆有充分握裹力，注浆孔界面有足够的粘结强度。依靠注浆锚杆实现盾构结构和和介质的共同作用和盾构拼装结构整体牢固度的要求。

限制24小时有一定的强度增长是有根据的，目的是使土体具有初步结构化特性。从工程经验上来说，一般的土层开挖之后，或者泄除泥水支撑压力之后，达到渗压下稳定不至于坍落的时限仅有一天，以24小时0.6MPa的强度控制要求是合理的。在有的钻爆施工隧道工程中，常以φ40的通用岩体风钻钻孔作为锚杆孔使用，很不恰当，其问题在于直径小和注浆围岩粘结强度不够，锚杆抗拉拔力仅能达到5t，是所需锚固力的1/3～1/4。在地层条件差时，不注意注浆持压排气，结果丧失了锚固力，以至于引起隧道大变形和严重沉降，甚至造成坍塌，今年三亚交通隧道工程施工过程中的教训是很深刻的。4、盾构隧道工程围土加固的关键措施盾构隧道，无论是土压盾构还是泥水盾构隧道，在地质条件很差时需要进行围岩加固。掘进机隧道施工在围岩加固时，使用锚杆和锚索并采用加压注浆工艺，早已经在工程界应用，但是在盾构隧道工程中，对于土层的锚杆应用的认识还很不充分，这是制约盾构隧道安全施工的一个很重要问题。盾构隧道进行锚杆注浆加固应当遵循以下四方面要求：1）在管片构件中心部位设计预留装配式带垫板钻孔。2）在盾构施工过程中经过环向壁后注浆达到初凝之后，即相应盾构机后20-30m处实施加压锚杆注浆或者袖伐管注浆。3）不要求在盾构隧道施作径向注浆锚杆时，锚杆与管