南昌地铁盾构隧道施工风险分析

摘要：通过采用专家调查法和层次分析法对南昌地铁施工沿线地质水文环境深入分析，结合国内其他城市的地铁盾构施工经验，识别出了南昌地铁盾构隧道存在包括盾构选型风险等16种风险因素；详细分析了各种风险单元存在的潜在风险点与风险因素，在此基础上提出了措施性建议，有助于尚无盾构施工经验的南昌地铁进行风险控制。

关键词：南昌地铁；盾构隧道；风险辨识；风险风险

中图分类号：TU455.43文献标识码：A

由于地下工程施工地质、水文及周边环境的不确定性，使得隧道施工存在很多不确定的风险因素，导致发生过许多严重事故，例如：2007年南京地铁二号线盾构隧道塌方施工，2010年深圳地铁三号线隧道塌方事故等。这些事故的发生给各方带来了巨大损失，造成了很坏的社会影响。因此对尚未有地铁施工经验的南昌地铁盾构施工进行风险辨识和风险分析，从而采取有针对性的措施，实施风险控制，防止事故的发生，具有非常重要的意义。

本文主要对南昌地铁盾构隧道施工风险进行研究，根据国内专家指导及类似工程相关经验，对南昌地铁盾构施工进行深入分析，其结果可供南昌地铁盾构施工风险控制参考。

1 工程概况

南昌市轨道交通1号线是南昌轨道交通线网中一条L形的骨干线，在昌北新区线路呈S型，为南北走向，规划起点为乐化，至红谷滩中心区世贸路附近折为东西向行走，下穿赣江后，将穿越中山路和八一广场，中间穿越艾溪湖，终点为瑶湖西侧的奥体中心，线路全长约36km。其中先期建设的1号线一期工程自双港站至奥体中心站，线路长28.886km，设车站24座，最终将南昌老城区和新城区连接为东西向轨道交通主干线。

1.1 地质水文概况

南昌地区大地构造隶属我国东部华南扬子准地台南缘，紧邻华南加里东褶皱带，地质构造复杂，断裂及其裂陷盆地均很发育。南昌轨道交通一号线一期工程沿线场地属构造剥蚀丘陵、冲积平原地貌单元，，沿线50m深度范围内以岩土层分为以下地貌单元：

1.1.1冲积平原区

冲积平原区上部为新近堆填土、第四系全新统冲积层、上更新统冲积层及第四系上更新统冲洪积层，下部为老第三系新余群基岩。

1.1.2构造剥蚀丘陵区

上部为新近堆填土，第四系上更新统冲洪积层，下部为中元古界双桥山群。区域内存在节理裂隙发育，并不规则发育多条陡倾角灰白色石英条带，岩石最大天然极限抗压强度为133Mpa，基岩表现出遇水膨胀性，膨胀率约为18.5～33％。

基岩露头出露的石英条带

1.1.3 赣江河道区

河道水流湍急，水深大，河道中砂砾石层结构松散，厚度相对较小，河流水体底蚀作用增强，区域内隧道与赣江北东向隐伏断裂带相交，该断裂带为隐伏次级断裂；主要表现为该地段局部岩层裂隙发育，岩芯相对比较破碎。且此类破碎段有贯通性裂隙与上部第四系孔隙水含水层连通，并透过孔隙水含水层与赣江水体相连，形成相互补排关系。

表1 岩 土 特 性 一 览 表

2 南昌地铁盾构施工风险源辨识

南昌地铁工程是目前南昌市最大的民生工程，该项目工程量大、工期长,将穿越赣江、艾溪湖、富水砂层、复合地层等复杂地层，尤其在江底施工，施工难度大，技术要求高,在施工中潜在风险因素多,施工风险管理难度大.结合南昌地铁工程地质水文以及盾构法施工技术的特点等,参考国内已有工程隧道施工经验，在风险识别的基础上，采用专家调查法和层次分析法识别出过江隧道工程在采用盾构进行施工时主要有以下16种风险因素：盾构选型风险、盾构进出洞、过江地质预测预报准确性、盾构开挖面失稳、高水压下盾构密封系统失效、软硬不均复合地层施工、过江隧道穿越浅覆土施工、断裂破碎带掘进施工、微膨胀岩盾构卡壳、盾构换刀作业、盾构穿越建筑物、铁路及重要管线、开挖面有障碍物、隧道上浮、高水位砂层联络通道施工、防汛（洪）堤开裂、重大设备吊装。

3 风险源分析

3.1 盾构选型风险

盾构的选择及其施工的可靠性，应包括保持开挖面的稳定、刀盘的形式、强度、开口、主轴的扭矩、推进系统以及过江隧道最为关键的盾构的密封性能等方面，均应认真对待。可以说盾构机选用正确与否是工程成功的重要因素。

盾构隧道施工过程中，由于盾构设备选择不当，以及机械性能问题所造成的风险事故有以下几种情况：

刀盘、刀具磨损：长距离施工导致刀盘、刀具磨损较大、无法正常推进；由于地层介质的变化，使得刀具每间隔一定距离由于磨损需要更换。磨损的刀盘会引起刀盘扭矩的增加而使机器停止运转。

土压盾构螺旋输送机设计不合理、磨损，泥水盾构泥浆泵及管路磨损、堵塞，排出泥浆中砂石成分对泥浆泵及排送管路的磨损，致使刀盘切削的土体无法正常排出；

主轴承磨损，密封件防水失效：由于长距离推进导致主轴承磨损，密封件防水失效，密封仓内泥浆向盾构机内渗漏，不能保证工作面土压力；

盾尾密封：盾尾密封系统不可靠或长时间磨损，导致周边水土流失，盾构机内涌水或沉陷；

铰结密封：铰结密封装置失效，导致盾构机内漏水、漏砂；

数据采集系统、传感器失灵：盾构工作面数据采集系统、传感器因恶劣条件失效，无法准确获得盾构工作状态及正面舱压

液压推进系统漏油：液压推进系统漏油，无法提供正常的推力或导致盾构后退；

注浆管路堵塞：注浆管路由于浆液硬化等原因堵塞，使注浆无法正常进行；

主轴承断裂：由于磨损或受到较大的偏心力矩致使大轴承断裂，盾构机将瘫痪。

3.2 盾构进出洞施工风险

目前，国内盾构法隧道多起事故均发生在盾构进出洞上，发生频率非常高，主要表现在盾构进出洞端头地层的加固（加固方案、加固范围等）、盾构进出洞盾构姿态的控制、良好的土压平衡（泥水平衡）的尽快建立、洞口密封破坏等方面。本工程盾构进出洞端头地层主要为细砂层，且端头地下水位较高，地质条件比较差，环境保护要求非常高。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及加固体状态对盾构安全进出洞至关重要。

3.3 过江地质预测预报准确性风险

由于地质勘探的局限性，加之隧道从江底穿过，通过深水进行地质勘测比在地面的地质勘测更困难、造价更高，而且准确性相对较低，所以遇到未预测到的不良地质和地下障碍物的风险更大。因此，施工前及施工中必须通过地质补勘以及配置超前地质预报等手段对隧道工作面前方地层进一步探明。

由于存在未知地质，一方面造成盾构等主要施工机械不能很好适应工程地质条件致使掘进困难；另一方面，对施工造成了难以预料的风险，甚至产生灾难性的后果。

3.4 盾构开挖面失稳

盾构在掘进过程中，开挖面因受刀盘的切削而处于形成－破坏－形成的过程中。由于地层的变化等因素，开挖面的平衡是相对的。在盾构施工中，合理进行泥水管理、切口水压（土压）管理和同步注浆管理，控制每循环掘削量和出渣量是开挖面稳定的必要保证，由于本工程隧道穿越地层较为复杂，因此，泥浆特性（密度、粘度、压力等）和添加剂必须适应地层的变化而及时调整，合适的泥水压力（土压）对于开挖面稳定是至关重要的，而对于盾构掘进前方一些不确定的地质因素，显然存在一定的风险。

3.5 高水压下盾构密封系统失效

盾尾和铰接密封主要是防止地下水、泥水和壁后注浆浆液渗入盾壳后部，确保开挖面的稳定和盾构的正常掘进。由于盾尾和铰接密封装置随盾构机移动而向前滑动，当其配置不合理或受力后被磨损和撕拉损坏时，就会使密封失效，隧道涌水涌泥，从而造成开挖面失稳引起严重后果，因此盾尾和铰接密封装置的耐久性、密封性能以及能安全方便的更换是盾构施工中一个特殊而重要的问题。在长距离掘进施工中，还应特别注意主轴承密封系统的稳定性，一旦发生主轴承密封系统失效，盾构机将失去继续推进的能力，损失将无法估量。

3.6 软硬不均复合地层施工

根据场地地质详勘报告及盾构隧道纵向布置，区间工程盾构机推进过程中主要面对的地层为残积土和砂性土，但在双港东站~长江路站区间和赣江一些地段，开挖面上同时存在着粉细砂层、含砾中粗砂层及可能遇到的中风化泥质粉砂岩、千枚岩地层和白色石英条带，即同一开挖面存在软硬不均现象，且该风化岩中含大量的高岭土，对盾构掘进方向的控制、掘进速度及盾构刀具的合理配置有一定的难度，刀盘易结泥饼，从而使盾构在该地层掘进产生一定的风险，若控制不当极易发生地表大幅沉降，甚至塌方。掘进中地层的多变性严重地影响了盾构的掘进速度、刀具的寿命和周边环境的安全状况。

3.7 过江隧道穿越浅覆土施工

为了减少线路的坡度，设计一般将河底段隧道覆土设计为浅覆土。本工程约有一百六十米1D的浅覆土和三处0.7D超浅覆土区域，江底面为淤泥，约1m左右，形成一道隔水膜，盾构在浅覆土区域掘进，在高水压情况下，刀盘前方泥水平衡不容易建立。波动的压力击穿淤泥层后，河水将从扰动土体的裂缝中经刀盘开口、盾尾及铰接进入盾构机，造成盾构淹水，这种机损人亡事故国内已有先例。

3.8 断裂破碎带掘进施工

根据地质祥勘资料，在本工程中对盾构施工影响最大为赣江断层，隧道穿越破碎段的宽度约在50米左右，此断层裂隙发育，岩芯破碎，岩层倾角突变。且破碎段与上部第四系孔隙水及赣江水体相连。由于岩石破碎，岩层倾角突变，岩层与赣江水系连通，刀盘前方泥水平衡不容易建立，破碎岩石将很大程度对刀具寿命产生影响，容易发生刀具偏磨，刀圈掉落现象，导致掘进困难，扰动地层，引起江底塌方，一旦发生刀具磨损，掘进困难现象，又不能在断层段随意开仓检查刀具，可能对工期产生严重影响，从而影响整个工程的进展。

3.9 微膨胀岩盾构卡壳

地质详勘资料表明，本工程内⑤1、⑥1和⑥2遇水易软化，失水易干裂崩解，开挖暴露后风化速度快，风化呈粘土状，含大量高岭土，具有一定的膨胀性，自由膨胀率约为26～33％。

盾构在此地层中掘进主要风险点为：

盾构机因故障或其它原因长时间停机，岩层膨胀使盾壳卡住，需采取额外的措施使盾构机脱困。

边缘滚刀磨损过量后使盾构开挖直径变小，岩层膨胀卡住盾构机。

3.10 盾构换刀作业

本工程盾构隧道主要穿越石英矿物含量较高的粉细砂层和含砾中粗砂层，软硬不均的复合地层，断裂破碎带，将对刀产生一定磨损，且可能有沼气和CO等不明气体，盾构穿越时具有一定的换刀风险。

产生后果：一是无论采用常压开仓换刀还是人员带压换刀，都可能带来难以预料的后果。二是因高水压江底换刀的复杂性，可能对工期产生严重影响，从而影响整个工程的进展。

3.11 盾构穿越重要建筑物及重要管线

工程由西向东推进，依次下穿大量建筑物和地下管线，地表环境较为复杂。

区间隧道将正穿秋水广场、赣江大堤、江西交通学院教学楼，东华理工教学楼，昌北铁路支线等多处住宅群，穿越影响省卫生厅、省人大、省人民政府、省农业厅政府大楼，如果同步注浆压力等参数控制不良或盾尾密封处理不当，将对以上建筑物构成一定的风险。另外，盾构隧道下穿大量的地下管线，包括煤气管、上、下水管、电力和通信管道等，不同的地下管道容许变形量不同，施工过程如果不能有效地控制管线的变形量，将会对管线造成严重的影响，甚至破坏。

3.12 开挖面有障碍物

由于地下工程地质条件的复杂性以及地质勘探的局限性，隧道穿越的地层不可能一一查明，盾构推进工作面前方可能会出现各类障碍物，如历史抛石护岸、废弃钢筋砼桩、旧桥台、沉船、木材甚至哑炮弹等，赣江地质勘察资料显示，在堤坝发现5.0-7.0米厚的抛石，其主要成分为石英砂岩，直径一般约0.3～0.6m，大者约1.0m，可能造成盾构机较大破损甚至无法正常推进。

3.13 隧道上浮

本工程隧道穿越地层多为粉细砂层和含砾中粗砂层，且地下水位较高。土压盾构掘进时，若未能做好同步注浆和二次补浆工作，成型隧道将在地下水的作用下产生上浮风险。泥水盾构在建立泥水压力开始正常掘进时，具有一定压力的泥水会从开挖面沿着盾壳窜至盾尾，甚至窜到已建成的隧道衬砌外。由于过赣江隧道中最浅覆土仅为0.7D，有着约160m的浅覆土区域，水体浮力可能大于土体的抗浮能力，已建成的隧道就会处于泥水和裂隙水的包裹中而产生上浮的风险。同时，浆液参数及配比适应与否，也与隧道上浮有直接关系。

3.14 高水压砂层联络通道泵房施工

本工程联络通道多位于高水压粉细砂、含砾中粗砂以及中风化泥质粉砂岩层，过江联络通道和赣江水有密切的水力联系，因此选择合理的地层加固方案和施工方案，意义重大，施工控制不好，就有可能产生涌水涌砂，地表或江中地层沉陷，导致地面建筑物倒塌或江水涌入隧道，酿成严重后果。

3.15 防汛（洪）堤开裂

本工程隧道穿越赣江防汛堤，盾构掘进在堤底控制不好，可能造成防汛堤破坏，造成堤内人民财产损失，社会影响很大。

3.16 重大设备吊装

本工程需要吊装大型盾构掘进设备，吊装前如不对地面承载能力、起重机械和分块吊装等进行精确分析、计算以及方案论证，而直接进行吊装做业，容易造成重大吊装事故。

4 结语

南昌地质水文条件复杂，地下水丰富，盾构多处于富水砂层中施工，尤其穿越赣江和艾溪湖为本工程的重难点和最大风险点，所以在施工前应认真进行地质勘查，详细调查沿线各建筑物构筑物的年代和基础形式。结合地质环境资料，深入研究施工中的重难点、进行施工前的风险评估，作出风险评价和等级划分，针对各种风险制定相应的施工措施和应急预案，努力规避各种风险，尽量将风险降到最低点。

备注：图表及公式请以PDF形式查看