地铁盾构施工安全风险分析与综合防治对策

一、概述

目前，全国包括大部分省会城市及经济发达城市，有近40个城市正在进行城市地铁建设，我国城市地铁建设规模庞大，发展迅速。城市地铁建设成为城市地下空间开发利用的一个重要组成部分，而盾构法隧道，由于其先进的施工工艺和不断完善的施工技术，被越来越多地应用于城市地铁隧道工程建设中。盾构法隧道施工是一种利用盾构机本体作为开挖地下土体及支护土体和拼装预制隧道衬砌，掘进1环，拼装1环，循环工作，在地面下暗挖建造隧道，直至完成整条隧道的施工方法，盾构法隧道施工具有管理密集、技术密集及装备密集的特点。然而在盾构隧道施工过程中，由于盾构施工的特点决定了盾构施工对技术和管理等方面的要求比较高，但在目前大规模地铁建设阶段，施工企业人力资源保障相对滞后，造成部分现场主要人员年轻化趋势加剧，技术经验及管理经验均严重不足，同时越来越多的二线城市也加入了城市地铁建设行列，此类城市首次盾构法施工，对城市的工程地质及水文地质、盾构施工的适应性等均在试验探索阶段，这些均给盾构施工的安全性带来较大的风险，甚至引发安全事故。本文中，笔者结合盾构施工安全事故统计情况，从盾构安全事故易发的风险关节进行风险辨识评价及分析，并提出主要控制措施，以期为城市地铁及其他地下工程安全建设提供相关参考。

二、盾构法施工的优点与不足

（一）盾构施工的优点

1. 施工对环境影响小。主要包括：对地层扰动沉降较小，对周围建筑物影响小；不影响地表交通，无需大规模中断或改移地下管线等各种地下设施；对周围居民生活和出行影响小；无空气、噪声和振动污染等问题。

2. 地表占地面积小，施工不受地表环境及障碍物条件的限制，对大深度、长距离及高水压等恶劣条件下尤为适用。

3. 施工受天气和气候条件影响小，能适应软土、砂卵石、软岩直至硬岩等各类地层条件。

（二）盾构施工的不足

1.小半径曲线施工隧道线性控制难度大，施工较为困难。

2.浅覆土施工，尤其是过江过河的浅覆土施工及地面存在既有构建筑物的浅覆土施工 难度较大，安全性较低；管片衬砌防水对隧道整体结构防水的技术要求较高。

3. 施工中隧道上方一定范围内的地表沉降难以完全消除；对覆土范围内地层的具体情况有较大的依赖性。

4. 两条盾构隧道之间的联络通道需要采用暗挖法施工，安全风险较大。

三、地铁盾构施工常见安全事故的统计

根据现有事故资料，笔者按事故类型、事故数量、百分比、人员伤亡及经济损失情况对事故进行了整理统计，见表1

根据事故资料统计分析，盾构隧道施工易发安全事故有：盾构进出洞，盾构穿越既有构建筑物、地下管线及河流，盾构开仓作业、盾构水平有轨运输等环节。事故造成巨大的人身伤亡及经济损失。

四、地铁盾构施工安全事故发生的主要原因分析

（一）工程地质及水文地质的复杂性和不确定性

1.地铁施工一般在城市中，受人类生活、生产活动的影响，工程所在区域的工程地质、水文地质条件复杂，表现出很大的随机变异性和不确定性；

2.地层中大量存在的存量水的活动与作用，再加上盾构掘进中施工对地层的扰动影响，进一步造成地层的复杂性；

3.地质勘查不精确。受施工条件、地面环境及预算费用等综合因素影响，地质勘查结果与实际情况有一定的差距，施工过程中地层的不确定性进一步体现。

（二）工程建设区域及沿线周边环境的复杂性：

地铁一般修建于城市中心，工程周边地面存在的既有建（ 构） 筑物、地下管线、交通道路及相关环境设施十分复杂。有些因修建年代久远或老化失修，无法得到相关的准确蓝图资料，特别是地下管线及建筑物基础等的详细资料无法取得，使施工的风险及不确定性增加。

（三）施工方案与施工工艺选择不当，影响盾构施工安全性

地铁工程施工涉及的施工人员多，交叉工序多，人机交叉频繁、工期紧张，技术方案与工艺流程复杂，不同的工法又具有不同的适用条件， 尤其是盾构始发接收、地层加固、建筑物及管线保护、注浆量、注浆压力与配合比及盾构掘进模式选择等，施工方案与工序选择不当，势必会给施工生产带来较大的风险。

（四）工程规模大、要求高，管理及技术力量良莠不齐，现场管控不到位，增加了盾构施工的安全风险

城市地铁工程建设项目大规模上马，而地铁建设人才数量无法满足建设规模的需要，关键岗位的人员，如施工员、安全员、质量员、技术员等均呈现出过于年轻化的趋势，施工技术经验及管理经验欠缺，关键工序管控把关不严，再加上作业人员绝大部分为农民工，专业技术能力严重不足，人员素质不高，施工安全培训不到位等因素综合影响，直接导致盾构施工的管理、技术跟不上，现场安全质量隐患频发，事故易发。

（五）工程建设预警机制及应急管控不完善，风险响应及处理不及时

1.发生风险预警事件时，因管理不到位及侥幸心理作祟，未能及时向上级单位报告，要求协调优质资源及时处理，而是瞒报私自处理，导致错过最佳处理时机，造成风险扩大升级。

2.应急响应及应急物资储备不到位，在险性事件发生初期，应急响应不及时，未能及时采取有效措施控制风险因素，致使风险因素持续发展升级，导致事故发生及事故影响扩大化。

五、盾构施工的风险辨识评价及控制

1.风险因素的辩识评价

风险的辨识评价大体可分为直观经验分析方法和系统安全分析方法两大类，针对盾构法施工作业工种多、分部分项工程多、作业环境复杂、机械化流水线作业等特点，我们采用系统安全分析方法，按照风险发生的概率与风险的损失等，建立风险分级评估矩阵，结合施工经验及标准规范情况，可以计算出相应的风险级别，并制定出相应的风险接收准则，进而使风险控制有针对性和具体性。 根据风险等级类别，制定出风险接收准则及处置原则（表5），进而制定出有针对性的措施。

2.风险控制

对评价出的风险因素，按等级进行分类整理。由于一级风险及二级风险在经济损失、环境影响、社会影响、工期、人身伤亡等方面的危害大，重点应实施对此类风险的防范控制。防范控制措施应从管理和技术两方面综合考虑，实施管控。

六、盾构施工的风险综合防范措施

（一）安全管理防范措施

1.坚持推行标准化建设

按照建筑施工企业管理实际过程，从施工现场标准化、管理行为标准化、施工技术标准化、作业行为标准化四个部分统筹组织管理，进而降低工程技术的失误率，提高工程质量施工与管理水平；暴露、识别和排除现场安全隐患，提高施工组织效率；规避人的不安全行为，提高作业人员的安全意识及安全技能；总结经验教训，改进施工管理水平。

2.实施风险分级分类管控

对风险因素进行辨识评价，形成风险因素分类分级清单，按照“分级负责，分级管理”的原则，健全风险分级管控机制，明确各层级的监管职责，制定针对性的管控方案或措施，开展联合检查和评价验收，并进行预警及动态管控，保证风险可控受控。

3.健全班组安全建设

班组是现场最基层的劳动和管理组织单位，是施工方案、技术交底及规章制度的具体执行者，也是施工风险的直接面对者和主要受害者。健全班组安全建设，提高基层人员安全意识和技能，是全面控制风险，遏制生产安全事故事件的有效途径。

（1）根据有关法律法规标准，在承包合同签订时，根据施工班组的分类，明确外协施工队伍需要配备的专职安全管理人员数量，保证每班至少一名专职安全员在岗监控；同时，发挥工会对安全生产的协助作用，在外协队伍中配备群众安全生产监督员，协助专职安全员及班组长开展安全管理工作，并将外协队伍的专职安全员 及群众安全员纳入项目的安全管理机构，形成自上而下的畅通管理通道。

（2）坚持开展经常性的安全教育、班前安全讲话及联合安全检查。对与岗位相关的风险、有害因素及其防范方法，安全操作规程、规章制度要求与上报等详细讲解，结合经济奖惩与通报等辅助手段，使他们在思想上和技能上都能适应安全生产的要求 ， 促进安全工作由处理事故的被动状态转变为事前预测的主动防范。

（二）安全技术防范措施

1.盾构机始发接收

（1）对盾构始发接收端头地层进行详勘，认真研究盾构始发接收端头地层情况，制定出安全可靠的地层加固方案，必须保证盾机进出洞端头地层加固长度不小于盾构机的长度。

（2）盾构始发接收洞门凿除前，必须对端头地层的加固效果进行抽芯检测，抽芯点应重点选取洞门外圈检测，检测合格后方可开始凿除洞门。

（3）始发接收前，应对盾构机姿态进行复测核实，检查洞门刚环板、橡胶帘布及压板的安装质量，并在始发接收托架及橡胶帘布上涂抹油脂，减少盾构机推进阻力以及对洞门橡胶帘布的损坏。

（4）在始发接收阶段，应采用低推力、低扭矩、慢速度，稳定土仓压力，减少对地层土体的扰动，足量进行同步注浆，并进行封环注浆，同时注意及时调整刀盘转向，加强盾构机姿态测量，防止盾构机整体旋转。

（5）储备专项应急物资，特别是用于堵漏的优质油性聚氨酯、水玻璃、聚氨酯泵、双液注浆机及棉纱、木楔等；并在始发接收前进行应急培训及演练，明确各应急小组人员组成及职责。

2.盾构机穿越既有构建筑物及河流

（1）在穿越既有构建筑物前，建立盾构机掘进试验段，积累并优化盾构机掘进的各项参数，并重新进行技术交底，保证盾构机在正常掘进时均匀有序掘进。

（2）及时采用单液浆进行同步注浆充填地层空隙，严格控制浆液凝结时间、同步注浆量、注浆压力和注浆质量，同步注浆量一般保证为盾构与管片外径之间地层间隙的2倍，并根据地表沉降及监测数据及时调整；同时，同步注浆速度必须与盾构机掘进速度相匹配，避免过多注入浆液导致减少施工过程中的地层过量变形。必要时根据地表变形监测结果及时通过管片预留注浆孔进行二次注浆，地面沉降过大时，二次注浆改为双液浆或聚氨酯注浆。

（3）为减少地下水对盾构隧道上浮的影响，在保证足量进行同步注浆的前提下，应每隔一定距离在隧道外周利用双液浆及聚氨酯打环箍，必要时根据监测的结果，配置快凝及提高早期强度的浆液，调整注浆部位及注浆量，进行针对性的二次注浆；同时必须做好盾尾油脂的压注，确保盾尾密封效果。

（4）根据对既有构建筑物的调查情况，预先在关键建筑物四周布置跟踪注浆监测孔，盾构穿越时根据监控量测结果，必要时通过跟踪注浆孔进行跟踪注浆。

（5）制定监控量测方案，施工中加强对周围道路、管线和临近建筑物的监测，并及时反馈信息，调整和优化施工技术参数， 严格盾构纠偏量等姿态控制，使盾构均衡匀速通过建筑物及河流。

3.盾构开仓作业

（1）编制专项安全施工方案，经企业技术负责人审批，特殊地段及工法条件下，方案必须经过专家论证。并及时对相关人员进行方案的培训交底。

（2）开仓前盾构机应停于地层自稳性较好、已进行地层加固或易于进行地层加固的指定地段；盾构机盾尾密封性、保压系统、气密性等进行试验，保证各系统性能良好。

（3）对盾构机后方3-10环范围内成型隧道管片、盾构机中盾位置采用双液浆打止水环箍，必要时进行地面辅助降水。

（4）对地面的刀盘位置进行标识，与相关政府部门或产权单位（如交警、管线单位）协调联系到位；对地面刀盘周边30m范围内加密布置监测点，取得初始值，加强监测及数据分析，及时进行监测信息反馈。

（5）对气压作业的进仓人员进行体检，保证人员身体素质符合要求；联系有资质的外部医疗机构和医务人员现场协助；有毒有害气体检测设备准备到位，并进行检测试验。

（6）开仓前进行不少于4小时的保压试验，并对安全电压供电（小于36V）及空气置换设施进行检测试验。

（7）保证洞内洞外通讯设施到位，能良好进行信息沟通；气压换刀必须保证双回路电源供电，其中一路必须由发电机供电； 必须准备能够独立满足气压要求的两套以上空压机设备；按照审批的施工方案，足量储备应急物资。

4.水平有轨运输

（1）加强对电瓶车司机的安全培训教育，坚持“定人定机”制度，操作人员持有效证件上岗；加强电瓶车刹车、气路及后视系统的检查维护；在电瓶陈车头安装警示灯。

（2）在隧道口、洞内转弯处及盾构机末节台车等主要位置，必须装设限速警示牌、鸣笛警示牌及警示灯。

（3）电瓶车运行应安排专人指挥，电瓶车启动、进出洞、洞内转弯、进入台车等主要点，必须鸣笛示警，限速行驶；电瓶车在任何情况下，运行时均不得载人行驶。

（4）电瓶车在进入台车到达指定位置后，必须采取插销等硬性约束与台车连接，不得采用安放铁鞋的措施代替插销等硬性措施。

（5）电瓶车在洞外停车时，应选择在平坦处停车，并安放铁鞋进行固定，不得在上坡段或下坡段停车。

（6）专人对电瓶车运行轨道的轨距、压板、轨道间隙、平整度进行日常检查维护，并定期对标高、坡度、线性（隧道转弯处）进行测量，确保电瓶车运行安全。

（7）存在道岔的水平有轨运输线路，必须对电瓶车的运行顺序、会车等进行明确规定，安排专人管理道岔。

结束语

盾构施工过程是一个标准化、工厂化、反复循环的施工过程，同时由于地下工程的特殊性， 项目的唯一性、不可复制性，加上人认知的局限性、责任心、方案和措施的不合理性以及现场管理的缺失等， 特别是由小风险聚积、叠加、链接而引发事故，这些都使盾构隧道施工风险更具隐蔽性、复杂性和不确定性。因此需要对盾构施工过程采取科学的方法进行风险辨识评价及控制，分类进行风险等级动态管理，从管理措施及技术措施方面总结归纳经验教训，制定有效的防范措施，并严格执行落实，进行过程管控，不断纠正管理及技术偏差，将盾构施工过程的风险控制受控范围内。