大盾构隧道施工控制要点及处理措施

大盾构隧道施工控制要点及处理措施

宋阳阳

中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000

摘要：隧道掘进作业，盾构机的直径越大，对作业地层的破坏力也越大，安全风险也越高，这就是大盾构隧道作业需要加强风险控制的原因所在。大盾构隧道作业的控制要点比较多，施工企业须结合现场实况和工程需要，提升应对措施的针对性，确保风险控制成效。本文概括介绍大盾构隧道作业的特点，分类列举大盾构隧道作业期间的风险因素，就盾构掘进期间的控制要点和处理措施进行分析探讨，旨在帮助施工企业排查大盾构隧道作业风险，通过科学控制提高盾构作业安全系数。

关键词：大盾构隧道；施工控制要点；处理措施

引言：大盾构隧道作业面临大量安全风险，它主要的风险因素包括客观因素中的水文和地质条件，主观因素中的技术应用、材料质量和人员素质等。其中风险控制要点包括地层扰动变形控制、风险控制、质量控制以及工艺控制，控制处理措施包括盾构推力、盾构姿态、设备磨损、地层因素以及扰动变形等，施工企业须密切注意。

1.大盾构隧道作业特点

开展大盾构隧道作业期间的安全风险比较多，盾构机的直径数据直接影响安全风险等级，直径越大，风险就越高。盾构机包括4种不同类型的直径，直径较大的盾构机称为大盾构，它在作业过程的应用会给土层带来严重破坏，如果隧道作业场景属于江河路段或净距不大的隧道，发生地层沉降以及扰动变形等事故的几率非常高。如果掘进土层属于软弱地层，机体极易因头重脚轻发生栽头。盾构机不能很好控制姿态，容易诱发安全事故。

2.大盾构隧道作业过程的风险因素

①客观因素。此类因素以水文和地质条件为主，这两种因素是隧道盾构掘进期间最易发的安全风险，它们不确定性特点突出，要求施工企业必须做好事前的地质勘察。同时，隧道掘进期间潜在挑战巨大，风险无处不在，以水文条件为例，水体的腐蚀性、冲刷作用以及土壤渗透性等，都是大盾构作业的安全风险因素，地质条件中的空间流动性、变形风险瓦斯气体以及潜在孔洞等，也是引发安全事故的不利因素；②主观因素。作业人员的技术水平、材料质量性能以及规范化操作程度构成安全风险的主要主观因素。隧道作业的技术应用错综复杂，不同技术有不同的适用性和应用成效，叠加水文地质资料掌握情况，技术选择失误或错误操作等，都是作业过程的风险因素。同时，机械运行异常或者作业人员技能不过关，同样构成风险因素。

3.大盾构隧道作业控制要点

3.1工艺控制

目前的大盾构隧道作业的技术工艺虽然进步明显，但是仍然落后于世界先进水平，隧道作业中的掘进、防水、机体吊装以及管片拼装等工艺都是关键环节，控制得当会大幅提升隧道作业质量和效率。

3.2.地层扰动变形控制

大盾构隧道掘进会破坏原始地层，土体强度出现变动，土层内部会有超空隙水压出现，而且掘进作业推进期间，路径也会呈现越来越复杂的趋势，这种地层扰动容易引发变形和地面沉降风险。大盾构隧道掘进分为挖土、注浆、脱出盾尾以及沉降4个阶段，每个阶段都会给地层带来不同程度的扰动变形和承受应力。隧道掘进的纵横分区，分析其扰动波及范围的土体动态承受应力，可获取所有分区不同的土仓压力数据，这个指标直接影响地层变形几率，必须重点控制。

3.3.质量控制

大盾构隧道掘进作业期间须加大质量控制力度，主要控制内容就是掘进质量以及管片加工拼装质量，尤其要严防管片发生沉降以及渗水问题。管片质量对隧道作业安全有决定性影响，管片应用失误极易引发安全事故，施工企业必须认真对待，采取有力措施加以控制。

3.4风险控制

大盾构掘进作业期间须结合现场实况排查识别各种风险因素，做好提前防范。举例来说，某大盾构隧道工程从2001年开工，2007年建成，期间发生多起安全事故，数据统计显示，因技术层面引发的事故数量占据总数的70%其它事故涉及复杂的地层结构。这就要求施工企业提前勘察现场风险，通过资料采集、和分析论证排查危险源，其中以技术、设备以及质量方面的危险源最多，还须及时总结分析，汲取教训。

4.大盾构隧道作业控制处理措施

4.1.盾构推力

盾构推力和大盾构隧道作业的主要影响因素，还须结合隧道作业数据和地层勘察资料准确设定，太大的盾构推力易导致地面以及机体沉陷。地下作业环境千变万化，盾构机作业过程产生的推力不一定完全符合设计标准，二者是一种动态变化的过程。类似孤石地层等在内的地层状况复杂，会有附加应力产生，设计和具体的盾构推力比例机体加大。作业人员须合理控制影响盾构推力的因素，从整体上控制总推力，避免出现安全风险。

4.2.盾构姿态

这种因素控制包括机体滚动以及前进方向两种控制内容，不良盾构姿态容易导致管片错台以及盾尾出现太小间隙，一旦前进方向出现偏差，要结合现场实况控制纠偏角。纠偏角是影响盾构姿态的关键指标，太小的纠偏角会导致方向偏差加剧，太大的纠偏角会导致纠偏失效，最佳纠偏时机是偏差产生初期1到2厘米范围内。

4.3.设备磨损

盾构机长期作业会磨损刀盘与刀具，刀圈轴承以及滚刀很少发生磨损，这也是安全风险诱发因素。软土地层掘进可适当调整刀具高度，避免土体太黏出现泥饼。如果地层软硬结合，须选择适用的组合类岩刀，可降低磨损几率延长刀具使用寿命。①所选刀刃须有良好的抗剪性能，最好结合重型刀盘一起应用；②结合滚刀设置形式合理调控刀具数量；③特殊地层可优化刀具，加强掘进速率控制，确保盾构机性能稳定。

4.4.地层因素

软土地层的压力平衡非常脆弱，一旦打破就会导致安全事故。如果隧道掘进遭遇淤泥层以及砂层，要选择适用控制技术提升安全系数。①砂层隧道掘进须选择犁式盾构，即盾构机选择泥水平衡式，优点是合理泥水粘稠度和压力，避免砂层漏水，加快掘进。淤泥触变性特点突出，更要控制盾构压力，如果盾构压力比主动土压小作业面就会失稳，所以须结合淤泥土压合理控制盾构压力。

4.5.地层扰动变形

盾构掘进期间的地层变形诱因各不相同，控制措施须提升针对性。泥水加压式盾构，可结合土层透水性合理调控泥浆特性。大盾构隧道作业要防范地层变形，须以有限单元法结合过往经验精准估测，以估测结果为泥水仓压力值，掘进期间把变形监测点设于隧道中心线上，结合监测数据调控压力值。地面监测点和隧道监测点须处于一个断面，掘进通过即采集该断面监测数据。特殊地层掘进须结合设计方案控制地层变形，如果地层变形由盾尾脱出引发，可通过同步注浆填充盾尾空隙，结合现场作业条件及地质条件设定适用注浆手段。注浆材料须质量合格，精准配比，促进衬砌结构安全稳定。注浆作业压力和用量须依据设计方案合理控制，严防地层变形。

结束语：总而言之，涉及到隧道掘进作业的工程一般都规模庞大，因此选择掘进作业所用的盾构机时，往往以大直径盾构机为首选，即大盾构隧道作业。这种隧道作业由于是地下施工，而且要跨越很长的地理区域，不同的水文地质条件以及地层性质，给大盾构隧道作业带来更多不确定性和未知风险，因此，大盾构隧道作业需要加强过程控制，避免发生安全事故。大盾构隧道作业参包括多种风险控制要点，施工企业须全面结合设计方案和地质状况，排查识别各种危险源，采取合理的控制措施，确保大盾构隧道作业安全。

参考文献

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