全断面隧道掘进机技术风险分析与施工措施

【摘 要】全断面隧道掘进机（TBM）是一种集机、电、液为一体的大型隧道掘进装备，本文针对TBM/盾构机的技术风险进行分析，并阐述在其施工中应采取的安全措施。

【关键词】隧道掘进机；安全管理；地下工程；隧道

0.前言

全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM），是利用回转刀具开挖（同时破碎及掘进）隧道整个断面的机械。按适用地层分类，欧美等国统称为TBM，在我国和日本一般把用于硬岩掘进的称为TBM，用于软土地层掘进的称为盾构机。由于隧道掘进机具有施工速度快，噪声振动小，人员安全性高的优点，在各种隧道工程中得到日益广泛的应用，但由于其与传统隧道施工方法完全不同，因此对技术风险分析和安全管理提出了新的要求。

1.TBM的应用现状

自1841年世界第一座用盾构法修建的英国泰晤士河水底隧道以来，迄今已有160余年历史。在城市地铁工程中，适用于软土的盾构机有已得到较为广泛的应用，如北京地铁自2001年开始采用土压平衡盾构机修建了地铁5号线雍和宫一北新桥站区间试验工程，随后在上海、天津等软土地层的城市地铁建设中得到了充分推广。但硬岩TBM应用较少，仅重庆地铁6号线使用了开敞式TBM。经充分研究论证，青岛地铁2号线将使用针对青岛地质条件定制的改良型双护盾TBM掘进，这将是双护盾TBM在国内地铁行业的首次应用。

2.TBM技术风险分析

与其他工程项目相比，隧道工程由于具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出的特点，工程风险高。无论是设计、施工、决策都会遇到很多困难和障碍。尤其是在城市繁华地段或周围环境、建筑物，管线等复杂的地带，如果在设汁、施工中考虑不周，就会造成不必要的重大的损失和负面影响。因此，必需对其技术风险进行系统全面的分析，采取针对性措施，以达到安全、经济、高效的建设目标。

2.1地质预测预报准确性风险及措施

2.1.1风险分析

由于地质勘探的局限性，在设备掘进过程中遇到未预测到的不良地质和地下障碍物的风险较大。

2.1.2技术措施

工程施工前，通过补充地质钻孔和回声测探仪等地质预报措施，进一步查清隧道的地质条件和覆土厚度，为TBM选型、掘进参数的选取及制定相应的辅助措施提供第一手准确资料；在工程施工中，通过设备本身配有超前地质钻机等探测装置，在施工中进一步对掌子面前方地层进行探明，以便对不良地质区域早发现、早处理，避免发生事故后采取被动的补救措施。

2.2设备适应性和可靠性风险及措施

2.2.1风险分析

TBM的选择及其施工的可靠性，包括保持开挖面的稳定、刀盘的种类、出土方式、主驱动的扭矩、推进能力以及设备密封性能等方面，均应紧密结合工程地质、水文地质等条件认真研究，对选用的TBM进行详细的比较。设备选型的正确与否关系到工程成败。

2.2.2技术措施

要认真研究工程地质和水文地质条件，根据拟建工程特点明确施工对设备性能和功能的要求，设备必须有应付突发事故的功能配置；要保证设备掘进中不出现现场无法维修更换的机械故障，要求设备主要部件（如主轴承、液压系统等）性能优良。设备还应配置耐磨性的刀盘和滚刀，防止复杂地质条件下刀具快速磨损。对于盾构机还应具有满足人员带压进仓的保压装置（即人仓设施）。

2.3设备始发/接收风险及措施

2.3.1风险分析

许多盾构法隧道多起事故均发生在始发或接收环节中，选择合理可靠的端头地层加固方案、良好可靠的密封止水装置对设备安全始发和接收至关重要。

2.3.2技术措施

应认真研究隧道端头地层条件，制定安全可靠的地层加固方案，端头加固长度不宜小于设备的全长；作业前必须对隧道端头加固效果进行检验。施工中要严格控制始发台、反力架等的安装精度，确保设备始发姿态与设计线路基本重合；始发/接收时掘进速度要缓慢，尽量减少对土体的扰动，要加强设备姿态测量，如发现有较大转角，及时采取矫正措施。在始发阶段由于设备处于磨合阶段，要特别注意推力、扭矩的控制。

2.4掌子面失稳风险及措施

2.4.1风险分析

当设备掘进时前方遭遇流沙或破碎带等不良地质，就会造成掌子面失稳的风险。这时设备会发生轴线偏移，如磕头或突沉，还可能发生卡机等事故。严重时会造成隧道塌方冒顶，设备报废等重大损失，必须加以高度重视。

2.4.2技术措施

首先要控制推进速度和渣土排土量，盾构机还需控制旋输送机出土量；当盾构在超浅覆土段掘进时，一旦出现冒顶、冒浆，要随时开启气压平衡系统或有条件的给予先进性注浆加固；还要加强地表沉降与信息反馈，跟踪测量因隧道掘进而引起的地表沉降情况，并适当采取超前地质预报措施。

2.5软硬不均地层施工风险及措施

2.5.1风险分析

在软硬不均的地层进行机械掘进，对掘进方向的控制、掘进速度及设备刀具的合理配置均有一定的难度，从而使设备产生一定的风险。掘进中复杂多变的地层会使推力在瞬间产生巨大的变化，从而严重的影响设备的掘进速度和刀具寿命。

2.5.2技术措施

设备选型时要合理选择刀具配置形式，施工中要对前方地层情况进行超前探测，从而设置合理的盾构推进方案；还要根据地质勘察资料及所收集的掘进参数，选择合理的掘进参数进行施工；同时加强设备姿态控制及隧道线型控制；使设备轴线、管片成型轴线偏差控制在隧道设计轴线允许偏差范围内。

2.6地层不均匀沉降风险及措施

2.6.1风险分析

当掘进机在粉质黏土和粉细砂层等软弱地层中掘进时，由于对同步注浆压力等参数控制不好或盾尾密封处理不当就有可能产生较大的地层不均匀沉降。

2.6.2技术措施

施工中严格控制姿态，使设备匀速掘进，及时通过同步注浆充填盾尾空隙，严格注浆量，注浆压力和注浆质量的控制，减少施工过程土体变形；根据地表的变形情况和监测结果，及时通过管片预留注浆孔进行二次注浆；做好盾尾油脂的压注，确保盾尾密封效果；制定完善的监控量测方案，加强对周围道路、管线和建筑物的监测，并及时反馈信息，据此调整和优化施工参数。根据地面条件，在重要建筑物四周布置跟踪注浆监测孔，设备穿越时根据监控量测结果，必要时进行跟踪注浆。

2.7掌子面前方出现障碍物的风险及措施

2.7.1风险分析

在隧道掘进施工中，掌子面前方可能会出现各类障碍物，如废弃钢筋混凝土桩，孤石、人防工程等，会造成掘进机无法正常推进甚至产生设备损坏。

2.7.2技术措施

施工中对开挖面前方一定范围实行障碍物探测，及时查出孤石、废桩等，并设置超前钻机，对障碍物进行提前破除。为防止障碍物损坏刀具导致无法掘进，在设备选型时应充分考虑换刀和维修刀盘的便捷性。

3.结语

随着我国经济、科技实力的增长，隧道掘进机必将得到广泛应用。在设备设计制造、隧道设计、工程施工中，应充分总结国内外相关工程经验，结合设备技术情况和工程水文地质、周边环境条件，对可能遇到的风险进行系统、全面、科学的识别、分析，提出有针对性的措施，制定相关预案，以便于灵活、快速、高效的处理现场遇到的工程问题，以最大限度的发挥机械掘进的优势。

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