盾構(gòu)下穿地下管線施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1、盾構(gòu)下穿地下管線施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià): Inevitably shield tunnel excavation will disturb the surrounding soil, bringing about soil deformation and displacement. The disturbance will reach ground surface, resulting in ground subsidence. Ground subsidence will then cause the nearby underground pipelines to deform. When the

2、 ground subsidence increases to someextent, the safety and function of the pipelines will be questioned. Therefore, more attention should be paid to the safety of the pipelines during tunnel excavation. In consideration of the geology of water-rich sand layer at Nanchang, analysis on the security ri

3、sks of shield tunnel excavation under the pipeline is conducted, taking an example of shield tunneling from Qingshanhu road station to Gaoxin road station of Nanchang Subway Section 7, Line 1. Security appraisal of the excavation is done and some preventive measures are presented due to the security

4、 risks, which ensures that the shield tunnel construction proceed favorably. The Results can provide a lot of experience for the similar engineering.Keywords: Shield tunnel excavation; undergroundpipeline; risk appraisal1 引言 城市地下管線在現(xiàn)代城市生活、生產(chǎn)中扮演著重要的角色。 城市地下管線肩負(fù)著城市給水、排水、供氣、供電、通訊等重要 工作。城市地鐵盾構(gòu)隧道施工將不可避免地

5、擾動(dòng)周圍地層， 使周圍 地層發(fā)生變形，導(dǎo)致地表沉降，引起附近地下管線變形。地表沉 降到一定程度，將影響地下管線的安全。因此，盾構(gòu)隧道施工給 地下管線的安全性帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)管理是風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、 分析、 評(píng)價(jià)和處理的一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程1 。自從 EinsteinH.H 教授 (MIT,1970) 首次將風(fēng)險(xiǎn)管理引入隧 道工程以來(lái)， 風(fēng)險(xiǎn)管理已在地下工程領(lǐng)域取得了較多成果。 鑒于 南昌地鐵 1 號(hào)線七標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間高富水、 礫砂含量大、 滲透系數(shù)高 的地層特殊性， 很有必要對(duì)盾構(gòu)隧道下穿地下管線的風(fēng)險(xiǎn)做出識(shí) 別與評(píng)價(jià)， 提出各種安全風(fēng)險(xiǎn)的控制措施， 從而為盾構(gòu)隧道施工 期間地下管線的安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供有效的工

6、具， 為工程的順利進(jìn) 行提供參考和保障。2 工程背景2.1 工程概況南昌地鐵1號(hào)線七標(biāo)區(qū)間青山湖大道站高新大道站區(qū)間 長(zhǎng)度為850.268m,線路間距13.415.0m,區(qū)間最大坡度為22%。, 區(qū)間隧道覆土厚度在10.0m16.5m。整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間處于北京東路正下方。區(qū)間使用兩臺(tái) 6260的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)隧道采用 裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑6000mm內(nèi)徑5400mm厚300mm環(huán)寬1.2m，為“ 3+2+T型（3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊 和 1 塊封頂塊），拼裝時(shí)采用錯(cuò)縫拼裝、彎曲螺栓連接。管片接 縫采用三元乙丙橡膠遇水膨脹橡膠復(fù)合式止水條止水。管片與圍巖之間的環(huán)形間隙采用水泥砂

7、漿同步注漿回填。青山湖大道站高新大道站區(qū)間隧道地質(zhì)相對(duì)較單一， 其中 從青山湖大道站東端頭井向東約150m范圍內(nèi)區(qū)間主要為中上部的4粗砂層（靠近頂部局部有少許2細(xì)砂及4 -j粉質(zhì)粘土）及中下部5礫砂層；區(qū)間中間大部分為5礫砂層，局部頂部為5-j圓礫層；而在靠近高新大道站的約150m范圍內(nèi)則全部為5 -j 圓礫層 2 。青山湖大道站高新大道站區(qū)間地下穩(wěn)定水位線在區(qū)間兩 端處于隧道中心線附近位置， 因區(qū)間隧道兩端高中間低， 所以地 下穩(wěn)定水位線從兩端向中間逐漸是由隧道中心線附近抬升至隧 道頂部，其中在區(qū)間最低點(diǎn)位置地下穩(wěn)定水位線距隧道頂最大距 離為2.03m。區(qū)間所在地層的滲透系數(shù)為104m/d,

8、屬水量豐富區(qū)。青山湖大道站 - 高新大道站盾構(gòu)區(qū)間水文地質(zhì)剖面圖如下：圖 1 青山湖大道站高新大道站區(qū)間水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile of hydrological geology from Qingshanhu road station to Gaoxin road station2.2 管線調(diào)查青高區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)較大的地下管線有 1600X 1800雨污箱涵及 DN800自來(lái)水管，兩條管線均與區(qū)間隧道并行。另有 2根煤氣管 和 1 根自來(lái)水管橫穿盾構(gòu)區(qū)間，風(fēng)險(xiǎn)也較大。管線特征如下表 1 所示：表 1 管線特征表Tab.1 Characteristics of underground

9、pipelines序號(hào) 管線類型 材質(zhì) 規(guī)格 數(shù)量 埋深 (m) 管線與隧道位置 關(guān)系 距左(或右)線中心距離 (m) 隧底埋深( h)1 自來(lái)水 砼 DN800 1 1.55 左線北側(cè)，并行 距左線 1.7 9.2m 16.2 22.0m2雨污 片石1600X 1800 1 3.73 左右線中間，并行 距右 線 1.5 5.5m3 煤氣 鑄鐵 DN200 2 1.5 正交4 自來(lái)水 鑄鐵 DN300 1 1.8 正交青山湖大道站高新大道站區(qū)間管線與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系 如下圖 2 所示：圖 2 管線與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系圖Fig.2 Location of underground pipelines

10、 with shield tunnels3 盾構(gòu)下穿地下管線安全風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)根據(jù)本盾構(gòu)區(qū)間工程施工特點(diǎn)和地質(zhì)條件， 參照已往各工程的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，本盾構(gòu)區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)源如下 3,4 ：3.1 區(qū)間地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)本標(biāo)段區(qū)間地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估見(jiàn)表 2。表2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估Tab.2 Geology risk factors and risk rank evaluation序號(hào) 風(fēng)險(xiǎn)因素 風(fēng)險(xiǎn)情景 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)生概率 風(fēng)險(xiǎn)后果 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)1 礫砂、圓礫地層 地層穩(wěn)定性差，易塌陷。 A高一嚴(yán)重 一高2 盾構(gòu)掘進(jìn)“噴涌” 區(qū)間地下水豐富，地下水與江水聯(lián)系 密切。地層為強(qiáng)透水層。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，直接造成螺旋輸

11、送 機(jī)出土口“噴涌”。 A高一嚴(yán)重 一高3.2 盾構(gòu)機(jī)下穿地下管線施工風(fēng)險(xiǎn) 盾構(gòu)機(jī)下穿管線施工容易引起地層沉降進(jìn)而導(dǎo)致自來(lái)水管、 雨污水箱涵、 煤氣管等管線破損事故。 盾構(gòu)機(jī)下穿地下管線施工 風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估如表 3。表3 施工風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估Tab.3 Risk factors of shield tunnel excavation and risk rank evaluation序號(hào) 風(fēng)險(xiǎn)因素 風(fēng)險(xiǎn)情景 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)生概率 風(fēng)險(xiǎn)后果 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)1 土壓平衡掘進(jìn) 土倉(cāng)壓力應(yīng)與開(kāi)挖面水土壓力相應(yīng)以保證 工作面的穩(wěn)定。 土壓平衡掘進(jìn)控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)， 容易引起地層 超挖或欠挖，致使地面沉

12、降或隆起，進(jìn)而引起管線沉降或隆起。 A高一嚴(yán)重 一高2 盾構(gòu)姿態(tài) 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)軸線要與隧道設(shè)計(jì)軸 線位置偏差超過(guò)一定界限， 使得隧道襯砌侵限、 盾尾間隙變小造 成管片局部受力增大， 同時(shí)會(huì)造成地層損失增大而使地面沉降加 大，進(jìn)而導(dǎo)致管線沉降。 B較高 二較重 二較高3 同步注漿和二次補(bǔ)漿效果 應(yīng)確保漿液及時(shí)填充盾尾管片 與地層之間的空隙， 否則容易引起地面沉降， 進(jìn)而導(dǎo)致管線沉降。 B較高 一嚴(yán)重 一高4 管片拼裝質(zhì)量 管片拼裝質(zhì)量不好，管片容易變形，且盾 尾空隙的實(shí)際量增大，盾尾脫出后外壓不均等使襯砌進(jìn)一步變 形，從而增大地層沉降，進(jìn)而導(dǎo)致管線沉降。 B較高 二較重 二較高5 地下

13、水流失 管片接頭、壁后注漿孔、盾尾密封等位置漏 水，地下水流失，也會(huì)增大地層沉降，進(jìn)而導(dǎo)致管線沉降。 B較高 二較重 二較高6 地下管線自身狀況 地下管線年久失修，多數(shù)管線腐蝕、 破損嚴(yán)重。 A高一嚴(yán)重 一高3.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)本標(biāo)段所處位置特點(diǎn)：交通繁忙，建筑物眾多且復(fù)雜。本標(biāo) 段區(qū)間主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估見(jiàn)表 4。表4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估Tab.4 Environment risk factors and risk rank evaluation序號(hào) 風(fēng)險(xiǎn)因素 風(fēng)險(xiǎn)情景 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)生概率 風(fēng)險(xiǎn)后果 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)1 地表環(huán)境 地表重型機(jī)械、管片裝運(yùn)車輛以及大型交通車 輛來(lái)回碾壓，易造

14、成道路地面沉降，進(jìn)而引起管線沉降損壞。 B 較高 二較重 二較高3.4 技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)盾構(gòu)掘進(jìn)工序繁多， 所涉及各工種人員眾多。 本標(biāo)段區(qū)間主 要技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估見(jiàn)表 5。表5 技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估Tab.5 Risk factors of technical management and riskrank evaluation序號(hào) 風(fēng)險(xiǎn)因素 風(fēng)險(xiǎn)情景 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)生概率 風(fēng)險(xiǎn)后果 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)1 盾構(gòu)下穿管線掘進(jìn)管理 盾構(gòu)掘進(jìn)管理主要有渣土改良管 理、土壓平衡管理、 出土量管理、 管片拼裝管理、 同步注漿管理、 盾構(gòu)密封管理、 管片質(zhì)量和供應(yīng)管理、 內(nèi)外協(xié)調(diào)管理和進(jìn)度和質(zhì) 量

15、管理、安全和文明生產(chǎn)管理等。各種管理要有章可循，否則相 應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)即可來(lái)到。 B較高 二較重 二較高4 盾構(gòu)下穿地下管線安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)4.1 區(qū)間地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 本標(biāo)段區(qū)間工程地質(zhì)條件屬較復(fù)雜類型， 主要以圓礫、 礫砂 層為主，地層不穩(wěn)定，盾構(gòu)施工過(guò)程中易發(fā)生坍塌。區(qū)段水文地 質(zhì)條件同樣屬較復(fù)雜類型，地下水豐富，補(bǔ)給源多，盾構(gòu)施工過(guò) 程中易發(fā)生涌水涌砂。 對(duì)盾構(gòu)施工安全存在一定的影響。 區(qū)間地 質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是：風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率高，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，后果嚴(yán)重。4.2 盾構(gòu)下穿地下管線施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià) 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)與地質(zhì)條件風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)， 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)與地質(zhì)條 件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)類似， 盾構(gòu)下穿地下管線施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是： 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生

16、概率較高，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高且后果嚴(yán)重。4.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重型吊機(jī)進(jìn)場(chǎng)組裝盾構(gòu)機(jī)， 施工時(shí)重型吊機(jī)和管片裝運(yùn)車輛 等重型機(jī)械來(lái)回碾壓， 勢(shì)必造成區(qū)間道路地面沉降嚴(yán)重， 地下管 線因此受損。后果較嚴(yán)重。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是： 本標(biāo)段區(qū)間環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率較高， 風(fēng)險(xiǎn) 等級(jí)較高且后果較嚴(yán)重。4.4 技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)盾構(gòu)下穿管線掘進(jìn)工序繁多， 所涉及各工種人員眾多。 盾構(gòu) 掘進(jìn)管理與盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)十分緊密，任何一個(gè)管理環(huán)節(jié)的失誤， 都會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和安全問(wèn)題， 都會(huì)造成管線受損。 技術(shù)管 理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是： 本標(biāo)段區(qū)間技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率較高， 風(fēng)險(xiǎn)等 級(jí)較高且后果較嚴(yán)重。綜上所述， 盾構(gòu)下穿地下管線安全風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)

17、價(jià)是： 風(fēng)險(xiǎn)發(fā) 生概率較高，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高且后果嚴(yán)重。5 工程安全風(fēng)險(xiǎn)的控制措施5.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施青高區(qū)間工程地質(zhì)主要以礫砂、 圓礫層為主，地層不穩(wěn)定， 盾構(gòu)施工過(guò)程中容易被盾構(gòu)刀盤切削擾動(dòng)而造成超挖和地表下 沉，且區(qū)間地下水豐富， 與江水聯(lián)系密切， 砂質(zhì)地層為強(qiáng)透水層， 容易出現(xiàn)涌水和流砂現(xiàn)象，從而引起開(kāi)挖面失穩(wěn)和地表下沉。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中， 當(dāng)水量很大時(shí)， 還易直接造成螺旋輸送 機(jī)出土口“噴涌”，進(jìn)而引起地表下沉。主要原因是：（1）盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面前未建立有效的土倉(cāng)壓力來(lái)平衡前方 的水土壓力。（2）掘進(jìn)不連續(xù)，停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成土倉(cāng)大量積水。（3）管片背后拱頂填充不實(shí)，拱頂形成水流通道，盾

18、構(gòu)機(jī) 下坡掘進(jìn)時(shí)， 造成已成隧道后大面積匯水并沿通道和盾殼流入土 倉(cāng)。針對(duì)上述現(xiàn)象及原因分析，擬采用以下措施來(lái)有效解決：（1）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)確定合理的土倉(cāng)壓力來(lái)平衡前方的水土壓力。（2）掘進(jìn)過(guò)程中維保好機(jī)械設(shè)備和加強(qiáng)施工各環(huán)節(jié)的管理， 防止不必要的臨時(shí)停機(jī)，以保持連續(xù)掘進(jìn)。（3）加強(qiáng)同步注漿管理，有效控制注漿壓力，適當(dāng)增加注 漿量，使實(shí)際注漿量略大于理論注漿量， 以保證管片背后填充密 實(shí).（4）及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，封堵管片背后空洞及水流通道， 防止管片背后匯水流入土倉(cāng)。（5）適當(dāng)加入膨潤(rùn)土和泡沫劑以改良渣土的密水性，防止 地下水穿透改良的渣土造成噴涌。（6）密切、認(rèn)真進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋地表變形信

19、息以 指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)信息化施工。（7）針對(duì)本標(biāo)段區(qū)間工程和水文地質(zhì)條件特點(diǎn)，選擇合理 的掘進(jìn)參數(shù)，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)處于良好狀態(tài)。5.2 盾構(gòu)下穿地下管線施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施1）土壓平衡掘進(jìn)參數(shù)控制根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間埋深、 地質(zhì)條件和地下水狀態(tài)， 合理確定土倉(cāng) 壓力值。 通過(guò)調(diào)整推進(jìn)速度和螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速， 并加強(qiáng)渣土改 良技術(shù)的控制， 使土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面水土壓力相應(yīng)以保證工作面 的穩(wěn)定。掘進(jìn)中嚴(yán)格控制出土量，防止超挖和欠挖，掘進(jìn)過(guò)程中 派專人 24 小時(shí)進(jìn)行地面巡視檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)反饋。 及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表沉降的主要原因， 根據(jù) 分析結(jié)果及時(shí)信息反饋指導(dǎo)施工，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)

20、掘進(jìn)參數(shù)， 如土倉(cāng)壓力、總推力、掘進(jìn)速度、注漿量、注漿壓力等。2）盾構(gòu)姿態(tài)控制盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)以適應(yīng)設(shè)計(jì)線形為主， 應(yīng)保持盾構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定， 減 少盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)、橫向偏移及栽頭等，防止蛇行發(fā)生。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程 中，盾構(gòu)機(jī)及管片糾偏時(shí)需嚴(yán)格遵守“少量多次”的糾偏原則， 要適時(shí)適量糾偏，切忌過(guò)急過(guò)猛。3）保證同步注漿和二次補(bǔ)漿質(zhì)量 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格控制同步注漿， 確保漿液填充盾尾管片與土 體間的建筑空隙， 嚴(yán)格執(zhí)行“掘進(jìn)與注漿同步、 不注漿不掘進(jìn)” 的原則，加強(qiáng)設(shè)備管理，確保同步注漿不間斷進(jìn)行，保證注漿量 及稠度滿足要求。 期間加強(qiáng)地表變形監(jiān)測(cè)， 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋及 時(shí)調(diào)整、優(yōu)化注漿參數(shù)，嚴(yán)防注漿量過(guò)大引起地表隆起

21、。及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。 二次補(bǔ)漿采用雙液漿， 二次補(bǔ)漿根據(jù)設(shè) 定壓力達(dá)到 0.3MPa 穩(wěn)定時(shí)即停注。經(jīng)過(guò)補(bǔ)漿后，地層沉降速度 變緩，補(bǔ)漿頻率適當(dāng)減小直至地層沉降變形穩(wěn)定。4）防止管片變形嚴(yán)格控制管片拼裝質(zhì)量。 拼裝管片時(shí)接頭螺栓應(yīng)緊固。 管片 脫出盾尾后螺栓應(yīng)進(jìn)行二次擰緊防止管片變形。管片拼裝時(shí)盡量用足千斤頂， 決不允許可用千斤頂閑置。 在 盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后回縮的千斤頂應(yīng)盡可能的少，滿足管片拼裝即 可，以減少千斤頂回縮造成盾構(gòu)機(jī)的后退， 而造成地面及管線沉 降。5）防止地下水流失嚴(yán)格控制盾尾密封處、 管片接頭、 壁后注漿孔等位置漏水情 況發(fā)生。盾尾密封、 管片安裝和防水按施工要求進(jìn)行， 保證質(zhì)量

22、。 同時(shí)，掘進(jìn)過(guò)程中在土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土、泡沫等措施，改善渣土 性能來(lái)控制地下水的流失。6）管線保護(hù)聯(lián)系地下管線產(chǎn)權(quán)單位， 對(duì)管線與盾構(gòu)區(qū)間位置關(guān)系以及管 線現(xiàn)有狀況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查確認(rèn)， 對(duì)重要的、 施工風(fēng)險(xiǎn)較大的管 線做好標(biāo)記，以利盾構(gòu)掘進(jìn)施工中的保護(hù)。5.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制措施（1）重型吊機(jī)進(jìn)場(chǎng)組裝盾構(gòu)機(jī)，施工時(shí)重型吊機(jī)和管片裝 運(yùn)車輛等重型機(jī)械走行盡量避開(kāi)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)地段。 以防路面被 碾壓沉降導(dǎo)致地下管線受損。（2）對(duì)幾根橫跨區(qū)間的管線上方地表進(jìn)行鋼板鋪蓋加固處 理，減少路面車輛來(lái)回碾壓引起的地面沉降。 對(duì)與盾構(gòu)隧道平行 走向的雨污箱涵和自來(lái)水管上方地表采用移動(dòng)水碼圍擋， 即隨著 盾構(gòu)施工的進(jìn)度，盾構(gòu)