復雜地質施工管理與風險控制研究

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【摘要】文中以蘇埃通道工程海底隧道施工為依托，為了控制復雜地質下超大直徑泥水平衡盾構施工風險，通過從以地質工作勘察分析、盾構選型及針對性能設計、隧道線路設計優化和組織機構與培訓的風險預防，和以風險辨識與處理措施、方案動態調整優化和施工標準化作業的風險控制兩大方面進行分析，確定了“以隧道掘進為中心，施工管理與風險控制的動態調整的過程管理為根本”的成功實踐，直接成功穿越了海底基巖凸起段上軟下硬差異大的高風險地段，為以后類似工程提供新的思路和方法。

【關鍵詞】復雜地質；超大直徑；泥水平衡盾構；風險控制

隨著我國城市交通、大型過江過河交通工程的興建，水阿姨采用泥水盾構修建隧道隧道的施工技術的案例逐步增多[1-3]。超大直徑泥水盾構適用于過海（江）大斷面軟硬不均復雜地層、含水量高或飽和狀態的地層，地層自穩性差，開挖面易失穩坍塌，地表與周邊環境變形控制要求嚴等情況，隨著盾構隧道直徑的增大,掘進中面臨的地層愈發復雜、問題增多、難度增大、風險增高，施工管理是否全面，決策是否及時、準確決定著隧道施工的順利程度。已建成的大直徑泥水盾構隧道從施工技術難點和采取的技術措施方面也有一定的研究。南京長江隧道成功穿越水壓高達0.65MPa的江底礫砂等高滲透性地層，完成在江底帶壓開艙、穿越江中超淺覆土段等高難度的工作[4]、廣深港客運專線獅子洋隧道解決了大直徑、長距離、高水壓、軟硬不均地層水底隧道的盾構選型，如何確保破巖與切土協調、有效穩定工作面、高效密封防止涌水、保障環流暢通[5]、揚州瘦西湖盾構隧道有效解決盾構刀盤結泥餅、泥水艙及管道易堆積堵塞、刀盤扭矩大、盾構推進速度慢、泥水分離困難的施工難題[6，7]。上述文獻對大直徑泥水盾構風險控制管理系統性描述較少。以蘇埃通道工程海底盾構隧道施工為基礎，針對地質條件的不確定性、施工風險的全新性、施工問題及施工措施的多樣性，從風險預防和施工控制兩方面，總結復雜地質條件下超大直徑泥水平衡盾構的管理工作，為工程提供新的思路和方法。

1工程概況

汕頭市蘇埃通道工程項目路線全長6680m，隧道長5300m，海域段采用盾構法施工，盾構段東線3047.5m，西線3045.7m，盾構隧道內徑13.3m，外徑14.5m。工程采用一級公路標準，設計速度60km/h，雙向六車道。盾構區間示意見圖1。盾構隧道下穿蘇埃灣，區間覆土厚度9.7～17.2m，盾構段穿越淤泥質軟土、砂層距離長，且盾構區間分布有花崗巖球狀風化體、基巖段，在航道附近覆土厚度小于1倍洞徑，在施工震動下，軟土容易變形失穩，導致海水灌入隧道。

2超大直徑泥水平衡盾構風險預防

為了有效預防隧道施工的風險問題發生，在隧道施工前期從地質補勘、盾構選型與設計、線路選擇和組織機構設置與培訓等方面進行研究。

2.1地質工作勘察分析

地質報告的準確性直接影響著盾構選型和施工技術的確定。以汕頭蘇埃通道工程為例，在初步勘察的基礎上，又對隧道穿越的線路中的拋石回填區，軟土區和主航道地段進行補充勘察，充分掌握隧道沿線地層分布情況、地層滲透系數、巖石的強度和質量指標RQD的巖性、巖土層的顆粒分布與組份等指標，明確了隧道掘進中的難點和風險問題，據此選擇出適應性最強的盾構機、盾構施工方法和施工參數。

2.2盾構機選型及針對性設計

2.2.1盾構選型的原則盾構刀盤刀具的選型及其對地層的適應性要求很高。盾構機是根據工程特點“量身定做”的，遵循“掘進快速、工序少、程序化施工”的原則，要能盡量減少輔助施工法并能確保開挖面穩定和適應圍巖條件，盾構選型成為隧道工程成功的關鍵。2.2.2盾構針對性設計盾構針對性設計要綜合考慮施工區段的的各種因素，既要準確選擇盾構類型，又要注重主要技術參數的設計，保證盾構施工的安全可靠[8，9]。盾構機設計創新性主要體現在對基巖凸起段和軟弱淤泥地層段適應性方面。（1）主航道下方基巖突起段。隧道盾構段在海中主航道下方三段不連續硬巖凸起，長度約182m，侵入隧道高度約3～6m。針對性的制定了換刀方案，并儲備足夠的備用刀具；盾構機需配置具有常壓換刀功能的刀盤，盾構機直接掘進時，將帶來大量的刀具消耗，利用常壓換刀裝置，提高換刀的效率和安全性，降低換刀作業風險和成本，以利于盾構直接掘進通過。（2）盾構穿越海底淺覆蓋淤泥及淤泥質粘土層。盾構在軟土掘進過程中，盾構姿態控制難度大，易出現“栽頭”、“上漂”、“冒漿”及因切口壓力波動造成開挖面正面土體的流失造成開挖面坍塌，管片沉降、錯臺及接縫漏水漏漿，導致海水涌入泥水倉，嚴重影響施工和工程安全。為解決上述難題，對盾構裝備性能的要求為：能夠精確控制倉內壓力，防止切口環處的壓力波動劇烈，對土體擾動過大，壓力波動控制在合理范圍內，避免壓力波動擊穿海底淺埋覆蓋軟土層。

2.3隧道線路設計優化

2.3.1平面調整（調線設計）在平面方案設計過程中，需考慮碼頭、港池、錨地、海底硬巖段及孤石群等限制因素的影響，前期應加強物探及勘察工作，選擇合理的平面方案。通過前期多線位方案比選研究，最終確定B1、B2線位方案。B1線位在汕頭國際集裝箱碼頭西南角龍湖溝入海口處進入海域，以R5000m與R3000m的反向曲線穿越蘇埃灣海域。路線全長約6.8km，該軸線穿越海域寬度約3.5km；B2線位避開碼頭，穿龍湖溝后以R1500m轉入華僑公園，于華僑公園東南角處進入海域，以直線形式穿越蘇埃灣海域，避開珠池港區，南岸順接規劃線位。路線全長約6.68km，該軸線穿越海域寬度約3.35km。2.3.2縱斷面調整（調坡設計）縱斷面調坡設計中，解決了海域隧道的兩個問題。①海域段隧道最大縱坡問題。工程為一級公路項目，又兼具城市隧道功能，經研究最終確定海域段隧道主線最大縱坡為3％、最小縱坡為0.3％，其他段采用城市道路標準執行；②海域主航道、硬巖段隧道埋深控制問題。海域主航道段隧道埋深按規劃主航道下8.0m控制（施工階段隧道頂至現狀海床面為11m，基本滿足施工要求）。通過縱斷面的調整，盡量避開海域地層中硬巖段，減小施工難度、降低施工風險；尤其主航道位置處隧道應上抬，盡量避開硬巖段，但其埋深需滿足施工階段掘進覆土厚度，同時滿足規劃主航道底標高及運營階段的抗浮安全?？v斷面分析如圖2所示。

2.4線路比選

隧道線路無論是縱斷面還是平面位置調整，都是以確保隧道安全的前提下，盡量減小隧道的施工難度。以蘇埃通道工程為例，在平面方案中，考慮了碼頭、港池、錨地、海底硬巖段及孤石群等限制因素的影響，選擇了更為合理的平面方案，B2線位，減少了盾構掘進距離和施工難度。在縱斷面上，對最小覆土厚度、港池、規劃主航道、孤石群及海底硬巖段等因素加以綜合考慮，并結合前期施工，對西線隧道縱坡進行調整適當提高，為減少盾構機在隧道原設計線路底部風化巖層掘進中的施工安全風險高，減低盾構掘進中遇到巖層機率，進而減少刀具損壞更換率，提高掘進效率。

2.5組織機構與培訓

建立隧道掘進組織機構，設置決策層、分析反饋層、執行層的三級管理層，施行層級管理，做到管控有序、反應迅速、即時研判，總結優化。技術培訓方面：通過盾構掘進施工前的技術培訓和討論，加強技術人員熟悉盾構的構造、組成和性能；預先分析項目施工可能出現的問題，制定預設計解決方案。

3超大直徑泥水平衡盾構風險控制

3.1風險辨識與處理措施

（1）風險辨識。大直徑盾構隧道施工主要由始發和到達、掘進等階段組成，是風險管理的重點和難點。盾構始發和到達時需穿過工作井圍護結構，特別是盾構始發時還需在加固體內完成泥水倉掘進建壓工作和盾體由剛性基礎過渡至自然土體的轉換，存在洞門鑿除時涌水涌砂，洞門密封失效，始發時盾構機“栽頭”的風險。盾構掘進時由于受地層的復雜性、海底掘進水頭壓力高（4.5bar）、海底不明障礙物等影響，存在隧洞偏移、上浮；刀具磨損、刀盤被卡；盾尾密封損壞；土體坍塌、冒頂；隧道埋深變化大、水壓高等風險；海堤沉降變形；盾尾密封損壞或失效；管片安裝機故障；管片錯臺過大、滲漏水；盾構掘進中“栽頭”；常壓進倉；帶壓進倉和盾尾刷更換等風險。盾構隧道施工中起重傷害、電機車傷人、機械傷害、高處墜落等多種傷害風險也始終貫穿著施工的全過程。（2）處理措施。保障盾構施工安全，確保主驅動和盾尾的密封性能；常壓換刀刀盤、刀筒直接與掌子面相連，保證其完整性，不危及掌子面；管片安裝為真空吸盤式，防止管片脫落時造成的嚴重后果；盾構機保壓系統的正常工作，泥漿門、碎石機正常工作，以及泥漿軟管、軟連接以及輸送泵完好性確保泥水循環系統的安全正常運轉。因此，針對盾構隧道施工全過程（包括盾構選型、始發、到達及盾構掘進中）存在的風險問題，建立盾構風險防范措施手冊，做到備豫不虞。

3.2方案動態調整和深化

（1）方案動態調整。隧道施工中從地質條件、盾構機設備功能、施工技術的應用情況和施工管理措施入手，根據掘進參數的變化，刀具刀盤磨損與檢測系統反饋，地層與渣樣的變化和各種監測數據的規律分析，查找施工的異常問題，建立復雜地質下超大直徑泥水平衡盾構施工中技術方案的動態調整制度，及時對預設方案進行修正與優化，保證盾構掘進的順利進行。若遇突發事件，應立即啟動應急預案，并呈報掘進領導小組。（2）技術優化提升。盾構掘進施工是地質與機械設備復雜結合過程，以地質情況、掘進參數、刀盤刀具狀態檢測、渣場渣樣變化的多位一體的分析為基礎，建立隧道掘進問題統計表格，對發生的問題、方案處理的效果施行表格化管理，使技術管理更具精細化、技術方案更具準確化、改進措施更具完整性，優化提升更具高效性，后續施工指導更具針對性，過程總結更具全面性。（3）施工標準化作業。超大直徑盾構隧道穿越地層差異大，為保證隧道掘進管理有序、安全、高效運行，在盾構掘進施工管理層級領導下，制定盾構隧道項目的管理標準和作業標準，實現盾構施工標準化作業。第一，管理標準化；第二，作業專業化；第三，監控信息化，反饋實時化；第四，過程控制標準化[10]。

4施工效果

超大直徑泥水平衡盾構施工在隧道掘進組織機構層級管理領導下，建立以地質條件、盾構機運行狀態、施工參數變化和刀具刀盤磨損檢測反饋相結合的動態分析調整制度，施行標準化作業控制貫穿隧道施工全過程，有效控制了隧道施工風險。蘇埃通道工程東、西線隧道分別于2017年12月、2018年10月始發。東線已通過3段基巖并已貫通，西線正在通過3段基巖并即將貫通，隧道掘進順利，西線隧道創造了日進尺最高達到24m（12環），月進尺最高達到432m（216環）的記錄，大幅提高了隧道掘進施工效率，施工風險也得到了有效控制。

5結語

超大直徑泥水平衡盾構海底隧道，采取了以隧道掘進為中心，施工管理與風險控制的動態調整為根本，確保了工程安全優質順利施工，取得了較好成效。通過實踐，得出以下幾點結論：（1）超大直徑泥水盾構機開挖斷面大，地質條件復雜，施工存在技術難題多，預先制定方案不全面，需要建立地質、設備、施工技術相結合的動態施工管理制度，以變應變，及時分析，制定針對性改進措施。（2）超大直徑泥水盾構機施工管理的過程、細節和標準進行把控要通過施行標準化作業、關鍵工序驗收才能實現，體現管理者的主導和決定性作用，使施工過程精細化管理從點到面貫徹執行，保障了施工管理的全面、高效、有序。（3）超大直徑泥水盾構機施工難點多，風險大，通過建立組織管理體系，做好技術、安全和設備培訓、做好應急救援管理、安全隱患排查和監控等安全管理基礎工作，防患于未然。（4）超大直徑泥水盾構機設備的維護保養貫穿隧道施工全過程，做到預防性維護和即時性維護相結合，確保盾構設備性能最佳。

參考文獻

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作者：向義雄 張文新 單位：中鐵隧道局集團有限公司