4成都地区地铁盾构安全施工指南10.28

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目 录

1成都砂卵石地层特点 (1)

1.1地质介绍 (1)

1.2水文介绍 (1)

1.3成都富水砂卵石地层盾构施工特性 (2)

2常见事故隐患、危害表现形式、案例及原因 (2)

2.1地面塌陷及工后沉降 (2)

2.1.1塌陷成因 (2)

2.1.2塌陷的技术及管理行为分析 (4)

2.1.3应对塌陷的技术参数制定和管理 (5)

2.1.4工后沉降事例 (6)

2.1.5盾构管理措施及处置塌坑事例 (7)

2.2设备事故 (7)

2.3防汛事故 (8)

2.4盾构机过站事故 (8)

2.5盾构掘进偏差事故 (8)

2.6盾构卡机 (9)

2.7联络通道塌陷事故 (9)

2.8盾构推力扭矩超过机械极限值 (10)

3盾构施工各阶段安全注意事项及控制要点 (10)

3.1富水砂卵石地层盾构机主要部件适应条件 (10)

3.1.1刀盘及刀具 (10)

3.1.2螺旋输送机 (14)

3.2盾构吊装 (15)

3.2.1吊装技术准备 (15)

3.2.2吊装地面加固 (15)

3.2.3吊装注意事项 (16)

3.3盾构始发 (16)

3.3.1端头加固 (16)

3.3.2始发设施安装 (16)

3.3.3盾构始发类型 (19)

3.3.4始发掘进控制 (20)

3.3.5特殊地段始发压力控制技术 (20)

3.4盾构正常掘进 (21)

3.4.1正常掘进控制要点 (21)

3.4.2渣土改良 (23)

3.4.3出渣控制管理 (26)

3.4.4盾构掘进控制 (27)

3.4.5管片拼装 (28)

3.5掘进施工难点 (30)

3.5.1防喷涌技术 (30)

3.5.2漂石处理技术 (30)

3.5.3防结泥饼技术 (31)

3.5.4上软下硬地层掘进控制要求 (31)

3.5.5泥岩地层管片上浮管理措施 (32)

3.5.6换刀技术 (33)

3.6盾构到站 (35)

3.6.1到站设施安装 (35)

3.6.2盾构到站掘进施工 (35)

3.7一般地段地面加固处理 (36)

3.7.1加固流程 (36)

3.7.2地面加固注浆工艺 (37)

4信息化施工 (38)

4.1盾构施工监测组织机构 (38)

4.2盾构施工重点监测主要类型 (39)

4.2.1建筑物及周边监测 (39)

4.2.2地表沉降监测 (42)

4.2.3地下管线监测 (45)

4.3监控系统 (46)

5重大风险源体系 (48)

5.1重大风险源主要类型 (48)

5.2重大风险源方案编制及评审 (50)

5.3重大风险源施工流程 (50)

5.4重大危险源施工的管理措施 (51)

5.4.1施工单位的管理措施 (51)

5.4.2监理单位的管理措施 (51)

5.4.3地铁公司的管理措施 (51)

6盾构施工重大风险源成功案例 (51)

6.1盾构穿越DN1600mm供水管 (52)

6.1.1工程概况 (52)

6.1.2管线调查及地质资料 (52)

6.1.3盾构掘进施工风险控制及社会影响 (54)

6.1.4预加固措施 (54)

6.1.5掘进施工措施 (55)

6.1.6地面跟踪注浆 (58)

6.1.7监控量测 (58)

6.1.8专业公司对管道的巡护、监测 (59)

6.1.9应急预案 (59)

6.1.10施工业绩 (60)

6.2盾构穿越西环铁路桥 (61)

6.2.1工程概况 (61)

6.2.2建筑（构）物调查 (61)

6.2.3桩基托换加固处理 (62)

6.2.4掘进施工 (66)

6.2.5跟踪注浆 (66)

6.2.6施工监测 (67)

6.2.7施工业绩 (68)

6.3盾构穿越建筑群 (68)

6.3.1工程概况 (68)

6.3.2建筑物入户调查及地质资料 (69)

6.3.3穿越建筑群预加固措施 (71)

6.3.4盾构掘进控制技术 (74)

6.3.5跟踪注浆 (74)

6.3.6施工监测 (74)

6.3.7施工业绩 (74)

7应急管理 (75)

7.1预警机制 (75)

7.1.1预警标准 (75)

7.1.2预警处置流程 (75)

7.2应急上报流程及协调 (76)

7.3应急处理案例 (77)

1成都砂卵石地层特点

1.1地质介绍

成都平原处于我国新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘，界于江油～灌县区域性断裂带和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。

地层单位自上而下依次为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）和白垩系上统（K2g）。Q4上段为杂填土，主要为建筑垃圾混粘性土，分布连续，厚度1.1～6.8m。下段上部为黄灰色粉质粘土，呈可塑～硬塑状态，分布不连续，埋深1.7～3.5m，厚度1.2～3.6m。下段底部为灰黄色卵石土，卵石呈圆～次圆状。漂石组、卵石组、砾石组和土粒组在卵石土中所占的重量百分比分别为15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根据密实程度，卵石土可以划分出稍密卵石、中密卵石和密实卵石3个亚层。卵石层埋藏深1.6～5.3m，厚度5.2～9.7m。卵石单轴抗压强度65．5～184MPa，平均102．2MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大。

图1.1 掘进渣样 图1.2 开挖地层

1.2水文介绍

地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。主要以孔隙潜水为主，孔隙潜水主要埋藏于砂卵石地层中，地下水位埋藏较浅，水量丰富，渗透系数K=15～40m/d，补给来源为大气降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于泥岩风化裂隙带中，含水层厚20m左右，渗透系数K=0.3～1.2m/d，裂隙水不发育，径流条件差，主要为孔隙潜水补给。

1.3成都富水砂卵石地层盾构施工特性

成都地层岩体松散，无胶结，自稳能力差，单个石块强度高，卵石块在地层中起骨架作用。地层中出现有少量的大卵石，给盾构施工带来较大的困扰。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，砂卵石地层颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。

图1.3 某砂卵石地层开挖出的渣土

成都的地层富水，地下水位枯水期埋深一般在3～5m之间,丰水期埋深一般在1～3m之间,最小埋深为0.2m。盾构在掘进过程中，局部水压会很大，会对盾构造成一定的影响，特别是开挖面的稳定。

砂卵石地层，围岩整体强度较低，但单个卵石块体强度非常高。因此在盾构推进过程中，不免要对盾构刀具产生较大的磨损与破坏，影响盾构施工的效率与成本。

2 常见事故隐患、危害表现形式、案例及原因

2.1地面塌陷及工后沉降

2.1.1塌陷成因

(1)地层原有空洞

市政施工遗留地层空洞、天然引起地层空洞，在空洞中容易汇集水和流砂。盾构掘进施工遇到易引起地面塌陷，造成不良的社会影响。出现这种情况主要集中在以下地方:

地铁车站施工回填不密实的盾构始发、出洞端头；

公路、桥梁、基坑等建筑物施工附近；

河流、地下水丰富的地层。

(2)降水施工引起地面塌陷

施工长期降水，将周边卵石土中的胶结物淘空，使得大块卵石堆积，造成盾构掘进困难。盾构机通过后，卵石骨架受到扰动，无法支撑土体重量，导致塌方。出现这种情况主要集中在以下地方：

地铁车站端头；

小区房屋撒水附近；

地铁周边建筑物基坑附近；

联络通道附近；

城市主干道和长期存在管线渗露的老城区；

盾构停机位置；

绿化带、残留降水井、市政管沟及辅道；

换刀地点和已扰动地层附近。

(3)盾构掘进施工引起地面坍塌

1)不良地层

地层卵石含量大、单个卵石体积大，此地层一般掘进状态差，易多出渣；

地层中砂的含量大，砂层稳定性差，盾构掘进状态差，且二次补注浆在地层中扩散难，刀盘扰动致使地层坍塌。

图1.4 松散渣土从刀盘开口涌入土仓 图1.5 开挖面前方空洞

2)刀盘、土仓易结泥饼

富水砂卵石地层及在泥岩层中掘进施工，盾构刀盘、土仓易结泥饼。降低结泥饼几率可以采取以下措施:

针对不同的地质条件，进行相应的渣土改良；

刀盘开口合理设计，合理配置刀具。

3)盾构操作控制

由于成都富水砂卵石地层盾构施工难度大，盾构司机应具备良好专业知识与丰富的掘进施工经验。因此，盾构施工管理技术人员、盾构司机须定期培训、学习、总结经验。

2.1.2塌陷的技术及管理行为分析

成都砂卵石地层由于其组分的特殊性，为松散混合体，岩性介于土石之间，地下水极发育、渗透性很强，从理论上来说既有土层不稳定的特点，又有岩层相对稳定的特性，因此掘进模式和土仓压力设置必须兼有两者特点才行。根据成都地铁的施工经验，建议盾构掘进采用土压平衡模式，不同于土层全覆土的计算模式，而是以地层坍落+扰动高度的计算模式。具体如下：土仓压力设置问题，一方面满仓是保证不提供刀盘前方和上方土体坍落的临空面条件；另一方面砂卵石为Ⅲ、Ⅳ级围岩，地层具有一定自稳性（竖向稳定性较好，拱顶悬挂性差、易坍塌），可借鉴暗挖隧道成拱效应的理念，对地层的影响按坍落、扰动、影响三个层次分类，正常的土仓压力可按坍落、扰动两个层次考虑即可（密实地层正常的高度拱顶以上估计约1～2米），扣除水压力后应略大于土体的主动土压力。对于盾构推进效率低、车站端头、开仓等造成地层多次扰动甚至坍塌而范围加大，应按照加大范围高度设置土仓压力（车站端头应扣除水压力）。

成都砂卵石地层特殊的土压平衡模式介于全土压和满仓之间，因此在土压平衡模式基础上还必须控制出渣量，即出渣体积和重量。鉴于皮带称重未实现，掘进过程中须严格核对出渣体积和进尺的对应性，正常情况下一箱土即核对一次，对于渣样等异常变化、掘进困难、沉降要求高的情况，应减少至200或100或50mm核对一次，有异常情况及时采取措施，超过3%的出土量应立即分析。每环完成后对出渣重

量通过门吊称重复核，扣除添加的改良剂后应与详勘地质比对，如超过3%，立即启动应急抢险预案，并修正掘进参数，如超过8%则立即停机。

渣土改良是实现土压平衡掘进的基本条件，同时也是减少刀具磨损的有效手段，标准就是实现渣土良好的流塑性和和易性，使得渣土能顺利进出仓。渣样不同成分、相同成分而不同比例都应该采取不同的渣土改良配方，配方应事先试验好，因此掘进过程中须及时进行渣样分析，以保证改良配方的有效性。改良方式应该是主要在刀盘前方；同时必须注意到渣土改良效果可见的滞后性，在渣土改良不好时，应该立即停机、对土仓和螺旋输送机中的存量土体进行有效改良后方可继续掘进。不同改良添加剂的特点是不一样的，我们在充分利用其优点的同时，也要注意到其局限性，如泡沫存在时间是有限的、膨润土失水即粘结性增强等。又如长时间停机问题，渣土改良的泡沫已经失效，土仓内的松散土体在自重和地下水作用下开始板结，体积缩小，上仓形成空间，并对刀盘等摩擦扭矩增大，进而造成推进困难，可能造成上方土体坍塌；因此应提前或及时采取措施，防止渣土改良失效并保持满仓。

同步注浆应选择和易性好、泌水率低的可硬性浆液，通过盾尾不少于4个注浆孔进行及时、均匀、足量压注，确保建筑空隙的及时足量填充。注浆压力和量双控、以压力为主，注浆压力最小不得低于1.5bar（大于静止水压，并应能填充扰动地层），注浆量充填系数不低于1.5倍。对同步注浆不足的，过程中应该调整工艺，同步注浆结束后应及时二次注浆，以增加扰动地层的密实度；对于多出土地段，应有效填充扰动地层空隙，必要时采取深孔注浆方式。

对于穿越建（构）筑物地段，在辅助加固方法的基础上，应该建立以控制地层沉降为核心的技术参数体系，对掘进工艺进行全面梳理，对工艺的主要参数制定合理的限值。

盾构掘进技术指令形成可全员充分研讨，但发布、调整必须指定专人，掘进、注浆、拼装等各环节过程中检查复核。规范操作行为和习惯，严格按照技术交底执行，调整技术参数必须上报。

2.1.3应对塌陷的技术参数制定和管理

地面出现坍塌现象，除去盾构掘进前地层原有空洞外，根本原因就是盾构掘进过程中多出渣又未及时填充到位。根据地质、环境条件，制定合理的管理基准值和偏差范围，如土仓压力、推力、扭矩、掘进速度、出渣量、注浆压力和注浆量、渣土改良参数等。对于出土重量和体积、注浆压力和注浆量、盾构姿态等重点参数应实行分级管理制度，超过规定程度应及时提高管理层级进行专题研究处置。

参数的管理包括及时准确的记录、异常的反馈、分析及处理措施等。要求记录必须详尽、准确，分析、反馈、处理必须及时。对出土重量和体积、注浆压力和注浆量、渣土改良、渣样分析、监测数据等特别关注，每环掘进都要做到过程中复核、完成后第一时间再次复核把关，对可能出现的安全质量情况要立即启动相应的应急抢险预案。

盾构掘进状态出现异常情况时，应由项目总工程师组织、监理人员、监测人员、相关技术人员、管理人员、盾构司机开会进行技术分析，并将分析结论、施工效果向地铁公司汇报。

2.1.4工后沉降事例

盾构掘进施工中，由于出渣偏多，且后续处理未能完全填补多出渣形成的地层空洞，当时地面反应不敏感，后期可能由于降雨，重型车辆碾压等原因，造成地面滞后沉降。

实例1：某区间坍塌位于花坛内，塌陷空洞大小为 3.5×2.5×2.8m。隧道埋深13.7m，洞身范围内上部4m为(3-7-3)密实卵石地层、底部2m为(5-2)泥岩地层，地下水位位于隧道顶部以上6.2m。掘进施工主要参数土仓压力0.83bar，推力12760 kN，掘进速度68mm/min，刀盘转速1.1r/min，扭矩3090kN.m，出渣量67m3。 2008.3.29～2008.6.20时间间隔81天。

实例2：某区间主干道上，塌坑大小为2.2×2.1×2m。隧道埋深8.5m，洞身范围内上部2.4m为(3-7-2)中密卵石土、底部3.6m为(3-7-3)密实卵石地层，地下水位位于隧道顶部以上3.2m。掘进施工主要参数土仓压力0.4bar，推力13460kN，掘进速度16mm/min，刀盘转速0.93r/min，扭矩4620kN.m，出渣量60m3。 2008.7.5～

2008.9.4时间间隔61天。

图2.1 滞后沉降塌陷

2.1.5盾构管理措施及处置塌坑事例

盾构正常掘进施工严格按照地铁公司提出的盾构施工“十六字诀”（控制欠压、充分注浆、深层量测、主动防护）和“五条安全措施”（严格控制掘进参数、评估地层空洞隐患、监理全程跟机旁站、对比分析监测数据、保障应急快速处置）进行。盾构掘进须严格控制土仓压力、注浆压力、注浆量等重要参数，地面无法注浆加固地方必须进行顶管深层注浆；施工监理每天每周及每100环进行盾构区间安全评估，对存在的安全隐患地方必须进行注浆加固。

实例：某区间因盾构掘进过程中控制不严，市政道路上出现局部塌坑。施工单位立即对该区域进行临时施工打围，对塌陷部位浇筑混凝土，夜间对该部位进行地面钻孔注浆加固。拆除围挡后监测发现仍然有局部沉降，施工单位又采取洞内深孔注浆，确保路面安全。

2.2设备事故

盾构施工危害性大、发生频率高的设备事故是电瓶机车。电瓶机车溜车事故可能造成人员伤亡、设备损坏及工期滞后等。

实例：某区间电瓶车溜车造成盾构机台车严重损坏，所幸未造成人员伤亡。

图2.2 电瓶车溜车事故

2.3防汛事故

车站施工必须给盾构施工预留出入通道，以防紧急情况发生。同时隧道施工应备好沙袋、水泵等防汛物资。

实例：某区间，因车站施工未做好排水改迁，同时恰逢城市雨季，造成隧道灌水。隧道照明系统瘫痪、通讯中断。车站施工未预留出入通道。所幸盾构处于过站期间，作业人员都在车站施工无人员伤亡。造成一部分电气设备损坏、工期滞后一个月。

2.4盾构机过站事故

盾构机过站施工工序繁杂，交叉作业多，施工作业人员数量多，盾构过既有线车站存在较大的安全风险。

实例：某盾构在过站过程中，施工人员对在既有线车站施工的风险认识不足。虽然制定了既有线安全防护方案，但方案执行不严，防火材料安设等防范措施未完全落到实处。作业人员在刨除盾尾刷过程中，导致起火并产生大量烟雾，烟雾进入正在运营的地铁线列车，造成列车晚点，对地铁形象造成了一定的负面影响。

2.5盾构掘进偏差事故

盾构在掘进过程中，要求做好掘进姿态控制。盾构姿态控制严格遵循“勤纠、缓纠”的原则。如果隧道中心线的偏差超过规范允许范围，就必须停止掘进，进行原因分析，采取相应纠偏措施。

实例1：某城市盾构施工，因测量人员经验和能力不足，在盾构区间测设时对全站仪棱镜常数设置错误，致每次全站仪测距即会偏差25mm。截止到发现问题时隧道中线偏差最大达到169mm，造成盾构掘进偏差事故。

实例2：某城市盾构施工，因承包人在进行VMT导向系统施工导线“吊篮”控制点测量时出现人为错误，正确测量后“吊篮”控制点出现非正常、较大挠动，且未被及时发现，导致隧道定向错误。隧道掘进过程中，承包人未按规范要求对施工导线“吊篮”控制点、已成型隧道中线进行人工检测、校核，导致未能及时发现中线偏差，使其继续发展。隧道实际中线自715环开始逐渐偏离设计中线，至1051环达到最大-1447mm，之后又逐渐递减至1116环-1246mm，造成盾构掘进偏差的重大事故

2.6盾构卡机

由于成都地质条件的特殊性，盾构卡机主要集中在以下方面：

盾构换刀重新恢复掘进，换刀期间细砂、泥流失，土仓内主要汇集卵石，易造成盾构刀盘卡死；

连续发生喷涌以后，由于喷涌掘进螺旋输送机转数低，主要是细砂和泥流出，土仓内汇集卵石，造成刀盘卡死；

盾构长时间停机，浆液凝固造成盾构主机卡住。

2.7联络通道塌陷事故

由于地铁隧道空间较小，联络通道施工只能采用“降水+小导管注浆加固+人工开挖”的暗挖法施工。针对成都富水砂卵石地层联络通道施工存在主要风险有如下几点：

地层降水不彻底，引起开挖面坍塌；

小导管注浆效果不佳；

单次开挖距离太长，地层裸露时间较长未喷浆初支护；

隧道管片临时支撑不牢固。

实例：某城市地铁隧道联络通道位置处于河流附近，在正常开挖过程中地层突

然出现涌水，掌子面发生塌陷。降水井也在按规范正常运作，开挖工序、初支护等施工工艺按设计正常施工。分析其原因主要有两点：一是盾构掘进造成地层松散；二是联络通道位置距离河流太近，河水在松散地层中扩散速度快造成。

2.8盾构推力扭矩超过机械极限值

即使在盾构的刀具基本完好的情况下，在砂卵石地层中掘进的盾构机仍然面临着扭矩和推力偏大的工况，具体表现为如下几点：

刀盘扭矩一直居高不下，过载频繁，导致过载停机；

常会出现刀盘扭矩瞬间过大，导致刀盘卡死；

螺旋机扭矩一直居高不下，过载频繁，导致过载停机；

螺旋机卡死，无法启动；

推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土过热。

3 盾构施工各阶段安全注意事项及控制要点

3.1富水砂卵石地层盾构机主要部件适应条件

由于成都富水砂卵石地层盾构施工特殊性，盾构机要求具有高扭矩、高磨耗、防喷涌、防结泥饼等特殊功能。刀盘开口率一般为25%～33%为宜。

3.1.1刀盘及刀具

(1)刀盘形式

目前成都地铁施工中，刀盘形式主要有两种：面板式、辐条+面板式。

1)面板式(中心无开口)刀盘

图3.1 面板式刀盘

2)

辐条+面板式（中心开口）

图3.2 面板+辐条式刀盘

3) 刀盘形式特点

面板式刀盘：滚刀安装数量多，有利于破碎漂石。但中心无开口易结泥饼。

刀盘面板

刀盘开口

图3.3 面板式刀盘某区间出洞

面板+辐条式刀盘：滚刀数量相对较少，对漂石处理能力相对较弱。开口率相对

较大，遇到卵石以排出为主。中心结泥饼的几率相对较小。

图3.4 面板+辐条式刀盘某区间出洞

(2) 刀盘驱动系统

盾构机刀盘驱动的额定功率宜不小于945 kw，扭矩和脱困扭矩比一般地层要大，脱困扭矩宜不应低于7150kN.m。

(3) 刀盘耐磨性能

砂卵石地层刀盘、刀具磨损大，对刀盘做好耐磨保护是盾构施工安全的关键。增强刀盘耐磨性的主要办法有：表面堆焊耐磨焊丝、选用耐磨性好的材料、增强渣土改良、改变刀盘渣土流向等。

中心结饼