盾构下穿地下管线施工安全风险评价

摘要：地铁盾构隧道施工将不可避免地扰动周围地层，使周围地层发生变形，导致地表沉降，引起附近地下管线变形。地表沉降到一定程度，将影响地下管线的安全。因此，盾构隧道施工给地下管线的安全性带来极大风险。本文以南昌地铁1号线七标青山湖大道站～高新大道站区间盾构隧道工程为背景，针对南昌富水砂层地质，分析了盾构隧道施工期下穿地下管线施工的安全风险，并对其进行了评价，提出了各种安全风险的控制措施，为工程的顺利进行提供了参考与保障，并可供类似工程的设计和施工时参考。

关键词：盾构隧道；地下管线；风险评价

中图分类号：U455文献标识码： A

Abstract: 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 ground subsidence increases to some extent, 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 risks 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 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; underground pipeline; risk appraisal

1 引言

城市地下管线在现代城市生活、生产中扮演着重要的角色。城市地下管线肩负着城市给水、排水、供气、供电、通讯等重要工作。

城市地铁盾构隧道施工将不可避免地扰动周围地层，使周围地层发生变形，导致地表沉降，引起附近地下管线变形。地表沉降到一定程度，将影响地下管线的安全。因此，盾构隧道施工给地下管线的安全性带来极大风险。

风险管理是风险的识别、分析、评价和处理的一个系统过程[1]。自从EinsteinH.H教授(MIT,1970)首次将风险管理引入隧道工程以来，风险管理已在地下工程领域取得了较多成果。鉴于南昌地铁1号线七标盾构区间高富水、砾砂含量大、渗透系数高的地层特殊性，很有必要对盾构隧道下穿地下管线的风险做出识别与评价，提出各种安全风险的控制措施，从而为盾构隧道施工期间地下管线的安全风险控制提供有效的工具，为工程的顺利进行提供参考和保障。

2 工程背景

2.1工程概况

南昌地铁1号线七标区间青山湖大道站～高新大道站区间长度为850.268m，线路间距13.4～15.0m，区间最大坡度为22‰，区间隧道覆土厚度在10.0m～16.5m。整个盾构区间处于北京东路正下方。

区间使用两台Ф6260的土压平衡盾构掘进，盾构隧道采用装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片外径6000mm，内径5400mm，厚300mm，环宽1.2m，为“3+2+1”型（3块标准块、2块邻接块和1块封顶块），拼装时采用错缝拼装、弯曲螺栓连接。管片接缝采用三元乙丙橡胶＋遇水膨胀橡胶复合式止水条止水。管片与围岩之间的环形间隙采用水泥砂浆同步注浆回填。

青山湖大道站～高新大道站区间隧道地质相对较单一，其中从青山湖大道站东端头井向东约150m范围内区间主要为中上部的③4粗砂层（靠近顶部局部有少许③2细砂及③4-j粉质粘土）及中下部③5砾砂层；区间中间大部分为③5砾砂层，局部顶部为③5-j圆砾层；而在靠近高新大道站的约150m范围内则全部为③5-j圆砾层[2]。

青山湖大道站～高新大道站区间地下稳定水位线在区间两端处于隧道中心线附近位置，因区间隧道两端高中间低，所以地下稳定水位线从两端向中间逐渐是由隧道中心线附近抬升至隧道顶部，其中在区间最低点位置地下稳定水位线距隧道顶最大距离为2.03m。区间所在地层的渗透系数为104m/d，属水量丰富区。

青山湖大道站-高新大道站盾构区间水文地质剖面图如下：

图1 青山湖大道站～高新大道站区间水文地质剖面图

Fig.1 Profile of hydrological geology from Qingshanhu road station to Gaoxin road station

2.2管线调查

青～高区间风险较大的地下管线有1600×1800雨污箱涵及DN800自来水管，两条管线均与区间隧道并行。另有2根煤气管和1根自来水管横穿盾构区间，风险也较大。管线特征如下表1所示：

表1 管线特征表

Tab.1 Characteristics of underground pipelines

序号 管线类型 材质 规格 数量 埋深(m) 管线与隧道位置关系 距左（或右）线中心距离(m) 隧底埋深（h）

1 自来水 砼 DN800 1 1.55 左线北侧，并行 距左线1.7～9.2m 16.2～22.0m

2 雨污 片石 1600×1800 1 3.73 左右线中间，并行 距右线1.5～5.5m

3 煤气 铸铁 DN200 2 1.5 正交

4 自来水 铸铁 DN300 1 1.8 正交

青山湖大道站～高新大道站区间管线与盾构隧道位置关系如下图2所示：

图2 管线与盾构隧道位置关系图

Fig.2 Location of underground pipelines with shield tunnels

3盾构下穿地下管线安全风险源辨识

根据本盾构区间工程施工特点和地质条件，参照已往各工程的盾构施工经验，本盾构区间的风险源如下[3,4]：

3.1区间地质风险

本标段区间地质风险等级评估见表2。

表2 地质风险因素及风险等级评估

Tab.2 Geology risk factors and risk rank evaluation

序号 风险因素 风险情景 风险评估

发生概率 风险后果 风险等级

1 砾砂、圆砾地层 地层稳定性差，易塌陷。 A

高 一

严重 一

高

2 盾构掘进“喷涌” 区间地下水丰富，地下水与江水联系密切。地层为强透水层。在盾构掘进过程中，直接造成螺旋输送机出土口“喷涌”。 A

高 一

严重 一

高

3.2盾构机下穿地下管线施工风险

盾构机下穿管线施工容易引起地层沉降进而导致自来水管、雨污水箱涵、煤气管等管线破损事故。盾构机下穿地下管线施工风险因素及风险等级评估如表3。

表3 施工风险因素及风险等级评估

Tab.3 Risk factors of shield tunnel excavation and risk rank evaluation

序号 风险因素 风险情景 风险评估

发生概率 风险后果 风险等级

1 土压平衡掘进 土仓压力应与开挖面水土压力相应以保证工作面的稳定。土压平衡掘进控制参数设置不当，容易引起地层超挖或欠挖，致使地面沉降或隆起，进而引起管线沉降或隆起。 A

高 一

严重 一

高

2 盾构姿态 盾构掘进过程中，盾构机轴线要与隧道设计轴线位置偏差超过一定界限，使得隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小造成管片局部受力增大，同时会造成地层损失增大而使地面沉降加大，进而导致管线沉降。 B

较高 二

较重 二

较高

3 同步注浆和二次补浆效果 应确保浆液及时填充盾尾管片与地层之间的空隙，否则容易引起地面沉降，进而导致管线沉降。 B

较高 一

严重 一

高

4 管片拼装质量 管片拼装质量不好，管片容易变形，且盾尾空隙的实际量增大，盾尾脱出后外压不均等使衬砌进一步变形，从而增大地层沉降，进而导致管线沉降。 B

较高 二

较重 二

较高

5 地下水流失 管片接头、壁后注浆孔、盾尾密封等位置漏水，地下水流失，也会增大地层沉降，进而导致管线沉降。 B

较高 二

较重 二

较高

6 地下管线自身状况 地下管线年久失修，多数管线腐蚀、破损严重。 A

高 一

严重 一

高

3.3环境风险

本标段所处位置特点：交通繁忙，建筑物众多且复杂。本标段区间主要环境风险因素及风险等级评估见表4。

表4 环境风险因素及风险等级评估

Tab.4 Environment risk factors and risk rank evaluation

序号 风险因素 风险情景 风险评估

发生概率 风险后果 风险等级

1 地表环境 地表重型机械、管片装运车辆以及大型交通车辆来回碾压，易造成道路地面沉降，进而引起管线沉降损坏。 B

较高 二

较重 二

较高

3.4技术管理风险

盾构掘进工序繁多，所涉及各工种人员众多。本标段区间主要技术管理风险因素及风险等级评估见表5。

表5 技术管理风险因素及风险等级评估

Tab.5 Risk factors of technical management and risk rank evaluation

序号 风险因素 风险情景 风险评估

发生概率 风险后果 风险等级

1 盾构下穿管线掘进管理 盾构掘进管理主要有渣良管理、土压平衡管理、出土量管理、管片拼装管理、同步注浆管理、盾构密封管理、管片质量和供应管理、内外协调管理和进度和质量管理、安全和文明生产管理等。各种管理要有章可循，否则相应风险即可来到。 B

较高 二

较重 二

较高

4盾构下穿地下管线安全风险评价

4.1 区间地质风险评价

本标段区间工程地质条件属较复杂类型，主要以圆砾、砾砂层为主，地层不稳定，盾构施工过程中易发生坍塌。区段水文地质条件同样属较复杂类型，地下水丰富，补给源多，盾构施工过程中易发生涌水涌砂。对盾构施工安全存在一定的影响。区间地质风险评价是：风险发生概率高，风险等级高，后果严重。

4.2盾构下穿地下管线施工风险的评价

盾构施工风险与地质条件风险相关，盾构施工风险与地质条件风险评价类似，盾构下穿地下管线施工风险评价是：风险发生概率较高，风险等级高且后果严重。

4.3环境风险评价

重型吊机进场组装盾构机，施工时重型吊机和管片装运车辆等重型机械来回碾压，势必造成区间道路地面沉降严重，地下管线因此受损。后果较严重。

环境风险评价是：本标段区间环境风险发生概率较高，风险等级较高且后果较严重。

4.4技术管理风险评价

盾构下穿管线掘进工序繁多，所涉及各工种人员众多。盾构掘进管理与盾构施工风险十分紧密，任何一个管理环节的失误，都会严重影响工程质量和安全问题，都会造成管线受损。技术管理风险评价是：本标段区间技术管理风险发生概率较高，风险等级较高且后果较严重。

综上所述，盾构下穿地下管线安全风险总体评价是：风险发生概率较高，风险等级高且后果严重。

5工程安全风险的控制措施

5.1地质风险控制措施

青～高区间工程地质主要以砾砂、圆砾层为主，地层不稳定，盾构施工过程中容易被盾构刀盘切削扰动而造成超挖和地表下沉，且区间地下水丰富，与江水联系密切，砂质地层为强透水层，容易出现涌水和流砂现象，从而引起开挖面失稳和地表下沉。

在盾构掘进过程中，当水量很大时，还易直接造成螺旋输送机出土口“喷涌”，进而引起地表下沉。主要原因是：

（1）盾构掘进掌子面前未建立有效的土仓压力来平衡前方的水土压力。

（2）掘进不连续，停机时间过长，造成土仓大量积水。

（3）管片背后拱顶填充不实，拱顶形成水流通道，盾构机下坡掘进时，造成已成隧道后大面积汇水并沿通道和盾壳流入土仓。

针对上述现象及原因分析，拟采用以下措施来有效解决：

（1）盾构掘进时确定合理的土仓压力来平衡前方的水土压力。

（2）掘进过程中维保好机械设备和加强施工各环节的管理，防止不必要的临时停机，以保持连续掘进。

（3）加强同步注浆管理，有效控制注浆压力，适当增加注浆量，使实际注浆量略大于理论注浆量，以保证管片背后填充密实.

（4）及时进行二次补浆，封堵管片背后空洞及水流通道，防止管片背后汇水流入土仓。

（5）适当加入膨润土和泡沫剂以改良渣土的密水性，防止地下水穿透改良的渣土造成喷涌。

（6）密切、认真进行地表监测，及时反馈地表变形信息以指导盾构掘进，实现信息化施工。

（7）针对本标段区间工程和水文地质条件特点，选择合理的掘进参数，以保证盾构掘进处于良好状态。

5.2盾构下穿地下管线施工风险控制措施

1）土压平衡掘进参数控制

根据盾构区间埋深、地质条件和地下水状态，合理确定土仓压力值。通过调整推进速度和螺旋输送器的转速，并加强渣良技术的控制，使土仓压力与开挖面水土压力相应以保证工作面的稳定。掘进中严格控制出土量，防止超挖和欠挖，掘进过程中派专人24小时进行地面巡视检查，发现异常情况，及时反馈。及时根据监测数据分析盾构掘进引起地表沉降的主要原因，根据分析结果及时信息反馈指导施工，及时调整优化盾构掘进参数，如土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量、注浆压力等。

2）盾构姿态控制

盾构掘进时以适应设计线形为主，应保持盾构姿态稳定，减少盾构偏转、横向偏移及栽头等，防止蛇行发生。盾构掘进过程中，盾构机及管片纠偏时需严格遵守“少量多次”的纠偏原则，要适时适量纠偏，切忌过急过猛。

3）保证同步注浆和二次补浆质量

盾构掘进时严格控制同步注浆，确保浆液填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，严格执行“掘进与注浆同步、不注浆不掘进”的原则，加强设备管理，确保同步注浆不间断进行，保证注浆量及稠度满足要求。期间加强地表变形监测，根据监测数据反馈及时调整、优化注浆参数，严防注浆量过大引起地表隆起。

及时进行二次补浆。二次补浆采用双液浆，二次补浆根据设定压力达到0.3MPa稳定时即停注。经过补浆后，地层沉降速度变缓，补浆频率适当减小直至地层沉降变形稳定。

4）防止管片变形

严格控制管片拼装质量。拼装管片时接头螺栓应紧固。管片脱出盾尾后螺栓应进行二次拧紧防止管片变形。

管片拼装时尽量用足千斤顶，决不允许可用千斤顶闲置。在盾构推进结束后回缩的千斤顶应尽可能的少，满足管片拼装即可，以减少千斤顶回缩造成盾构机的后退，而造成地面及管线沉降。

5）防止地下水流失

严格控制盾尾密封处、管片接头、壁后注浆孔等位置漏水情况发生。盾尾密封、管片安装和防水按施工要求进行，保证质量。同时，掘进过程中在土仓内注入膨润土、泡沫等措施，改善渣土性能来控制地下水的流失。

6）管线保护

联系地下管线产权单位，对管线与盾构区间位置关系以及管线现有状况进行详细的调查确认，对重要的、施工风险较大的管线做好标记，以利盾构掘进施工中的保护。

5.3环境风险控制措施

（1）重型吊机进场组装盾构机，施工时重型吊机和管片装运车辆等重型机械走行尽量避开盾构区间掘进地段。以防路面被碾压沉降导致地下管线受损。

（2）对几根横跨区间的管线上方地表进行钢板铺盖加固处理，减少路面车辆来回碾压引起的地面沉降。对与盾构隧道平行走向的雨污箱涵和自来水管上方地表采用移动水码围挡，即随着盾构施工的进度，盾构机刀盘前后方各25m，雨污箱涵或自来水管左右各1.5m的范围使用水码围挡，减少路面车辆来回碾压引起的地面沉降。

5.4技术管理风险控制措施

加强盾构掘进施工的各环节组织与管理。盾构掘进技术管理要重点抓好渣良、土压平衡、出土量管理、同步注浆管理等。各种管理要有章可循并落实到岗位责任制中，有奖惩制度落实到人，确保管理出成果、出人材、出效益、保质量、保安全、保工期。严防人为操作失误发生，保证掘进施工连续高效。

6结论

本文对南昌富水砂层中盾构隧道下穿地下管线施工中的各个风险进行了辨识。在此基础上，根据风险发生概率及后果严重程度的指标，对风险事件进行了评价，并提出了相应的控制措施，从而保证工程的顺利进行。得出了以下结论：

（1）盾构下穿地下管线安全风险识别与评价结果与本盾构区间水文地质条件、施工过程中可能出现的问题以及施工环境状况相符，盾构下穿地下管线施工前进行风险评价可行。

（2）盾构下穿地下管线施工前进行安全风险识别与评价是必要的，可对施工过程中可能遇到的风险进行预估和预判，为工程的顺利进行提供了参考与保障。

（3）区间地质风险及盾构施工风险发生概率较高，风险等级高且后果严重，与盾构下穿地下管线安全风险总体评价相符，盾构下穿地下管线施工时应采取合理措施重点对区间地质风险及盾构施工风险进行控制。

（4）盾构下穿地下管线施工过程中要对盾构及管片姿态、隧道变形、地面沉降以及周围环境进行密切监测，根据这些监测反馈信息，及时有效地采取相关控制措施，从而减少施工风险，保护管线安全。

（5）综合考虑盾构下穿地下管线施工过程中可能出现的各种风险，制定相应的施工应急预案，在出现紧急情况时保证工程安全。

参考文献

[1] 张博.地铁盾构法施工风险管理与应用研究[D].中南大学硕士学位论文，2009.

[2] 江西省勘察设计研究院.《南昌市轨道交通1号线一期工程B合同段青山湖大道站～高新大道站区间岩土工程详细勘察报告》[R].江西：江西省勘察设计研究院，2010.

[3] 任强.北京地铁盾构施工风险评价与控制技术研究[D].中国地质大学博士学位论文，2010.

[4] 王良，油新华，黄修云.地铁施工风险的综合分析系统[C].北京：全国地铁与地下工程技术风险管理研讨会，2005.