地铁隧道盾构施工安全风险因素及控制措施

地铁隧道盾构施工安全风险因素及控制措施

曹更新

武汉地铁集团有限公司 湖北 武汉430000

摘要：地铁作为政府大力支持的一种公共交通方式，地铁隧道盾构施工具有安全风险因素多、技术复杂等特点。在此基础上，本文总结了地铁隧道盾构施工的主要安全风险因素，并提出了相应的安全风险控制措施。施工方要提升施工人员的综合素养，完善人机协同机制，加强设备、材料质量控制，制定有效的风险处置措施和应急预案，从而避免发生安全事故。

关键词：地铁隧道；盾构施工；安全风险因素；控制措施

引言

地铁线路隧道通常要穿越都市主干道，建筑物密集区域，且该线周围水力管线、供电管线、暖通管线、通信管线横竖交织，状况十分复杂。盾构法以施工速度快、影响小和约束少等特点，被广泛运用于地铁工程隧道施工中，但盾构施工过程中面临着技术难度大、施工周期长和周边环境复杂等因素，以致发生地表坍塌、隧道漏水等一系列安全事故，造成大量的经济损失和严重的社会影响。因此，加强地铁隧道盾构施工安全风险因素及控制措施的研究具有重要的现实意义。

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盾构法施工的优缺点

在选择地铁区间隧道施工方案时，要考虑工程地质条件、水文条件、地形地貌、沿线环境要求等因素，而盾构法和矿山法则是常见的两种施工方法。相比较而言，盾构法的施工优势明显。（1）施工效率高。盾构法属于机械设备施工，在机械化、自动化和智能化方面更加方便施工人员管理，在提高施工效率的同时也改善了施工人员的工作环境。（2）施工环境适应性强。盾构法可以通过优化刀盘设计应对复杂的地质环境，可以通过管片壁后注浆加固等施工技术控制地表建构筑物产生的沉降，避免了为满足施工要求而切换设备带来的时间、材料、人力消耗。尽管盾构法施工技术有许多的优点，但仍然有一些缺陷，例如，受限于油缸推进系统和成环管片无法拆除，盾构机只能前进不能后退；受限于庞大的体积，盾构机无法满足曲线半径小的隧道施工要求。

2主要安全风险因素

2.1人员因素

造成事故发生的主要人员风险因素有施工人员安全意识不强、施工人员未按有关规范进行施工、施工人员自身素质不高、应对安全突发事件的能力不足等。地铁隧道盾构施工过程中，出现的风险是由多方面原因造成的，由于施工人员因素的影响，施工人员在身体素质及技术水平和安全意识方面没有加强，加上地铁隧道工程的施工是长期性的，施工条件也相对较差，这就比较容易造成安全事故，如果施工人员自身的质量得不到控制，就比较容易出现盾构施工的风险。

2.2环境因素

地铁隧道盾构施工的特点决定了环境因素对施工安全的影响。首先，恶劣的地下作业环境会降低相关人员的安全意识，应急处理不及时、施工地质环境复杂及地质水文勘察不当会导致盾构机选型、加固、路线不当，地质加固不当会影响盾构掘进机设备的安全，甚至造成地表坍塌。地下水位相对较浅，容易引发水害事故。其次，城市地下涉及多种管道，如地下水管、燃气管、电线等，可能导致施工人员中毒，对周围建筑物和道路交通的干扰将导致地表沉降塌陷，周围建筑物沉降不均匀，建筑物基础损坏可能导致建筑物倒塌、地表塌陷等。此外，暴雨、严寒、泥石流、洪水等恶劣气候也会影响施工。

2.3材料因素

材料因素是指材料的质量、储存和有效性对施工安全的影响。例如，施工过程中防水材料的质量会影响隧道管壁的防水效果，可能会出现喷砂现象；在盾构掘进过程中管片质量不合格易造成管片拼装人员被砸伤、材料损失、隧道涌水等。

2.4设备因素

设备因素会影响盾构法施工的全过程，如设备选型、设备运行、部件磨损等。盾构设备选型不当会给掘进安全造成机械伤害，盾构设备参数错定会造成刀盘等设备损坏；照明通风设备损坏会影响施工人员生命安全，电线线路老化、短路触电也容易造成安全事故。

3地铁隧道盾构施工中的安全风险控制措施

根据地铁隧道施工过程中的主要安全风险因素，结合工程建设经验，施工风险控制应该从多方面考虑分析，并采取针对性措施，将风险降到最低。

3.1提升施工人员的综合素养

施工人员包括施工单位的管理人员及一线的作业人员，一方面需要提高管理人员的综合素质，包括技术业务能力、安全风险管理意识、责任意识等，使其了解施工现场面临的风险及管控措施、应急措施，降低风险转化为事故的可能及发生事故后造成的损失。另一方面要针对一线的作业人员持续开展安全教育培训，对所有进入施工现场的管理人员、工人、外来人员等均应进行有针对性的岗前安全教育和安全技术交底，并根据季节变化、施工进度等不定期开展专项安全教育培训，每日开展班前安全活动，使其了解本日工作安全风险及预防措施，全面提高各级人员安全意识，在作业现场公示可能存在的安全风险及预防措施，降低事故发生几率。

3.2完善人机协同机制

在技术方面，相较于人而言智能系统的适应和学习能力较弱，如盾构自动驾驶系统在复杂工况或突发事件下的决策能力较差。可实施人机混合智能的方法，将人的作用或认知模型引入到AI系统中，使AI成为人类知识的延伸或扩展，以解决更加复杂的问题。在施工场景方面，需要关注在一些极端场景下人机协同的实现方式。如高原地区地形高差显著、地质灾害频发，海底隧道地质复杂、周边环境水腐蚀性较为严重、施工距离超长，这些环境对人工作业造成巨大阻碍。实施盾构施工远程控制可使操作人员远离高危的作业环境同时减少人为因素潜在的隐患。通过远程控制进行人机协同可能存在场景信息表达不完整、不直观、决策困难等问题，可充分利用AI、VR、建筑信息化模型(BIM)等技术，构建三维隧道及围岩环境信息模型，结合VR技术实现对设备的远程控制。

3.3安全文明施工

安全生产作为整个地铁工程建设的一条主线，贯穿着整个地铁工程建设管理的全部流程，是地铁工程建设的生命线。施工作业现场还应当配备有足够数量的专职安全生产管理者，其安全管理者应做到能及时合理地识别施工现场存在的各种危险因素，发挥现场安全生产监管队伍的功能。施工企业对于所有施工作业人员都应定期开展一次免费的职业安全教育培训，提高施工人员的文化水平，并设置安全操作考核制度。

3.4材料质量

地铁工程投资较大，是重要的民生工程，且运营期相对较长，所以施工过程在材料的选择上要有较高的要求。通常情况下，施工方应选择较高强度的混凝土材料，还有较高抗剪能力的混凝土管片等，这样可以增加地铁的使用寿命。施工过程中，对材料应事先进行质量排查，保证检验的安全系数合格，项目部从进场前到进场后，应对材料做好监管和维护，在使用期间也要做好跟踪工作。

3.5技术管理措施

施工前，工程部应对施工现场进行详细勘察，调查好地质水文情况和既有地下管线、周边建筑物等情况，选择先进的施工方法，制定并不断优化施工方案，完善施工组织设计，责任分工明确，制定相应的安全处置措施和应急预案。地铁隧道是一项复杂的工程，施工环节众多，场地复杂多变，要保证项目的安全和质量，施工企业就要制定相应的标准，做到精细化管理，制定详细且有效的规章制度和监管措施，并严格执行。

3.6设备及维修管理

应选择符合设计要求的盾构机型号及相关配套设施，根据施工设计要求选择质量好、技术先进的盾构机。根据不同的、特殊的水文、地址条件和实际的施工方案，盾构设备的选型工作非常重要，而盾构设备也是集合多种学科原理设计而成的科技产品，根据不同的施工情况，设计出来的设备具有很大的差别，有的甚至完全不同。地铁项目由于受到水文地质条件的影响，盾构机及其配套设施在施工前应进行综合检查，合理设置参数，对故障和老化的设备定期进行维修和更新，从而保证设备的可用性。

做好点位检测工作，使盾构设备存在的隐患被及时的发现，并采取积极的措施将其彻底的消除掉，使设备正常运行的稳定性和安全性得到保证。在开展大体检测和局部检测工作时，遵循的主要原则为法、项、标、时、点和人。人主要是指从施工人员中挑选那些专业技术水平过硬的人员，单独开展设备维护和管理工作；点主要是指在检修设备时，要准确落实到最基础的结构和具体的点；时主要是指对设备保养和维修检测的周期进行确定；标主要是指以设备管理需求为基础，对维保管理标准进行明确；项主要是指设备各个部位的特点与施工过程之间存在的联系；法主要是指盾构设备在日常管理时，需要遵守的相关规定。

在开展设备维修工作时，其最基础的环节就是故障诊断，为后续维护工作的有序开展做好准备。对设备的基本性能、结构组成和运行方式实施准确的掌握，使得后续的故障诊断工作得以高效的完成。例如盾构机掘进施工时，经常会遇到转弯地段施工的情况。受盾构机转向纠偏的影响，管片与推进缸撑靴易出现错动的问题，使得管片安装发生开裂和错台的情况，给隧道的施工质量和管片安装质量造成恶劣的影响。在推进施工时，要仔细检查推进缸撑靴的球铰接灵活性，依据微维保的各项要求，将油脂及时的注满，如果遇到球铰接头不灵活的情况，要立即开展检查和调整工作。对撑靴板减振块进行及时的检查，如果有损坏的情况存在，立即采取措施解决。

4案例分析

4.1工程概况

武汉轨道交通5号线新生路站～三角路站隧道区间（简称新～三区间）设计全长约1240m，区间线路从和平大道与新生路交叉口北侧新生路站出站后，基本沿和平大道地下敷设，下穿武九综合管廊并上跨武汉长江隧道后到达三角路站，结构覆土4.1～10.1m。

4.2安全风险因素

受综合管廊建设影响，需要对原有地面线进行回填加高，隧道上部覆土由4.2m增加至7.4m。覆土厚度的增加不可避免的导致隧道承压加重，对隧道变形产生严重的安全影响。

图1 土方回填区段隧道剖面图

4.3可采取的技术措施

加强管片配筋，提高管片整体刚度。回填区域管片配筋采用内侧10根φ28（外侧12根φ22）的加强配筋，核算满足刚度要求。

对隧道底部进行加固，采用洞内钢花管注浆方式，对隧道底部及侧边进行加固，增加隧道下部土体整体强度和承载力。        图2 隧道洞内加固断面图

加载土体厚度位于2.5~3.2m范围内区域，每环施加临时钢环支撑，加载厚度位于1.5~2.5m区域隔环施加，其余段根据监测情况施加。

回填厚度为2.0~3.2m区域采用轻质泡沫混凝土，降低回填荷载。

全过程加强监测，时刻关注管片变形数据，依据变形情况采取相应的处理措施。  图3 隧道洞内临时支撑架设断面图4.4影响结果分析

本次隧道上部土方回填，主要采取了增强管片配筋、洞内注浆加固、轻质泡沫混凝土回填等措施，在回填过程中对隧道进行全过程自动化监测，最终隧道整体变形较小，消除了风险隐患。

结束语

近些年来，随着中国城镇化日益深入，为适应日益增长的城市交通需要，城市轨道交通的工程规模与建造速度也在日益加快。在地铁隧道盾构建设过程中，鉴于建设本身规模大、工艺技术复杂及地质周边环境特殊等特点，导致施工过程中存在巨大的安全隐患。总结了施工过程中人员因素、环境因素、材料因素、设备因素等主要的安全风险因素，并提出提升施工人员的综合素养，完善人机协同机制，安全文明施工，加强材料质量、设备质量控制等有针对性的措施，从而可以应对地铁隧道盾构施工过程中可能发生的事故。

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