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复杂环境条件长距离盾构掘进施工安全风险分析

时间:2024/6/7 8:32:10   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:10   评论:0
内容摘要:王利强(中铁五局集团有限公司,湖南 长沙 410007)摘要 文章以深圳地铁14号线大宝区间为例,对复杂环境长大盾构区间施工安全风险进行基本的阐述,并对盾构掘进施工状况进行了安全风险辨识、评估、分析评价分类,对不同级别的风险源提出针对性的管控措施,特别是盾构下穿河流、长...
王利强
(中铁五局集团有限公司,湖南 长沙 410007)
摘要 文章以深圳地铁14号线大宝区间为例,对复杂环境长大盾构区间施工安全风险进行基本的阐述,并对盾构掘进施工状况进行了安全风险辨识、评估、分析评价分类,对不同级别的风险源提出针对性的管控措施,特别是盾构下穿河流、长距离岩溶区、下穿既有地铁3号线、下穿在建地铁车站等高风险源得到有效控制,为以后地铁长大盾构区间施工提供借鉴。
关键词 地铁;长距离;风险;评估;预控措施
中图分类号 U455.43  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0059-04

0 引言
在地铁盾构施工中,为保证施工安全,风险管理在工程建设过程中尤为重要。风险的控制必须坚持“安全第一,保护环境,预防为主”原则,采取经济、可行、主动的处治措施来减少或降低风险[1]。大宝区间隧道处于典型的喀斯特地貌地区,地质条件相对复杂,施工安全风险大,技术难度高,施工过程中地表、拱顶沉降、突泥涌水现象经常发生。为此,在复杂环境条件下长距离隧道的施工风险管理具有重要的意义。
1 工程概况
深圳地铁14号线大运站~宝荷站盾构区间,从大运站出发,沿龙岗大道下方敷设,采用φ6 980 mm复合式盾构掘进,区间右线全长5 777.262 m,左线全长5 573.421 m,隧道埋深约11.4~67 m。
工程有以下特点:一是下穿既有3号线高架桥,沉降变形控制要求高;二是下穿龙岗河、次高压燃气、岩溶发育区等,安全风险高;三是长距离掘进岩溶强发育区,姿态控制及刀具检查与换刀难;四是区间隧道穿越地层复杂,不良地质岩溶的处理整治难;五是盾构穿越既有建(构)筑物、管线等控制要求高,安全风险高。
1.1 工程地质
大运站~宝荷站区间,地层主要包括人工填土层、冲洪积层、坡积层、残积层、溶洞堆积物、炭质页岩、砂岩、凝灰质石英岩、灰岩。隧道埋深大约在11.4~67 m之间,穿越的地层主要是微风化石灰岩、全强风化砂岩、全强风化凝灰质石英岩,局部穿越微风化砂岩、微风化石灰岩及粉质黏土和中微风化凝灰质石英岩。
1.2 水文地质
该区间地表水主要为龙岗河少量沟渠水,在旱季时水流少,水位大约0.5~1 m,在暴雨季节,水流增加,水位迅速上升。
地下水埋深约6~9 m,根据其赋存介质的类型,沿线地下水主要有三种类型:第一类为第四系松散岩类孔隙水,由于地层渗透性的差异,局部具承压性;第二类为基岩裂隙水,主要赋存于块状强风化、中等风化带及断裂构造裂隙中,略具承压性;第三类是岩溶水,主要赋存于碎屑灰岩和灰岩岩层发育的溶洞及溶蚀裂隙中,略具承压性[2]。
1.3 特殊土与不良地质
根据钻探揭示,从大运站到宝荷站的区间平均线岩溶率为31.6%。该区域发育的岩溶类型主要是溶隙和溶洞,同时还有一些灰岩表面的溶沟和溶槽发育较为显著。岩溶地貌常常存在多种地质结构,如溶洞、土洞、溶沟、溶槽、溶隙、竖井、落水洞、暗河以及岩溶塌陷区,这些岩溶地貌在发育程度、充填情况和覆盖层厚度等方面存在较大差异,富水性较高且水分分布不均匀[3]。因此,它们被认为是城市轨道交通工程建设中的重要风险因素之一。
2 施工风险管理
城市轨道交通工程建设投入资金巨大,施工技术、工艺复杂,施工时间较长,周围环境情况复杂,需要各种施工设备,同时还涉及多种专业工种和人员,这些工种之间相互关联。在工程建设过程中,很容易发生各种风险,一旦发生风险,就会导致人员伤亡或经济损失等严重后果,直接危及人民的生命、财产和健康安全,甚至会对环境造成严重冲击甚至破坏。为了有效管理不同种类的风险,必须在工程建设初期实施风险源辨识及评价分析,过程中风险管理实行动态管控。
2.1 风险因素识别和分析
风险是指不利事件或事故发生的可能性与造成损失的组合。施工现场可能发生并对项目经济、安全、工期、环境以及社会产生影响的事件是施工过程中的重要因素。城市轨道交通工程建设的风险因素很多,包括自然环境、场地条件、结构设计与施工、机电设备安装、参建人员以及周边建筑物(如道路、房屋、管线、桥梁等)[1]。在进行风险管理时,需要在满足安全可靠、经济合理和技术可行的条件下通过采取风险控制措施将各类风险降低至合理且可以接受的水平。
对复杂环境条件下的安全风险进行辨识评估,可以更清楚地确定关键的控制区域和有效的控制措施,以增强施工安全风险管理的应对能力。大运站~宝荷站区间的风险分为地质风险、设计及自身风险、环境风险。风险因素识别[1,3]与分析见表1。
2.2 风险等级划分、预控措施
根据深圳地铁已建线路的风险或事故资料、现场施工调查、施工图以及14号线大宝区间地下工程的工程地质、水文地质条件、结构类型、施工技术、环境条件等特点,遵循“安全第一,保护环境,预防为主”的风险控制原则[1],根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB 50652—2011)进行工程风险分析与评估。
风险评估采用作业条件危险性评价法(LEC法),该方法是以与系统危险性有关的三个因素指标来评价系统人员伤亡危险的大小,其计算公式如下:
D=L×E×C (1)
式中,D——风险性分值。L——发生事故的可能性大小,事故或风险事件的事故可能性大小,当用概率来表示时,绝对不可能的事件发生的概率为0,而必然发生的事件的概率为1,但在做系统安全考虑时,绝对不发生是不可能的,所以人为地将发生事故可能性极小的分数定为0.1,而必然要发生事故的分数定为10,介于这两者之间的情况指定为若干个中间值。E——人体暴露于风险环境中的频繁程度,人员或设备出现在风险环境中的时间越多,则风险性越大。规定连续暴露在此风险环境的情况定为10,而非常罕见地出现在风险环境中定为0.5,介于这两者之间的情况定为若干中间值。C——发生事故会产生的损失后果,事故造成人身伤害与财产损失变化范围很大,对伤亡事故来说,可从极小的轻伤直到多人死亡的严重后果。由于范围很大,所以规定分数值为1~100,轻伤规定分数为1,把造成10人以上死亡的可能性分数值规定为100,其他情况的数值均在1~100之间。根据风险性分值D对风险进行评估,确定风险等级,但应注意风险等级的划分是凭经验判断,难免带有局限性,不能认为是普遍适用的,应用时需要根据实际情况予以修正。风险等级划分方法见表2。

表2 风险等级划分(D)表
D值 危险程度 风险等级
>320 极其危险,不能继续作业 一级
160~320 高度危险,需立即整改 二级
70~160 显著危险,需要整改 三级
<70 一般危险,需要注意 四级


2.2.1 风险分级
该区间风险共34项,其中Ⅰ级风险2项,Ⅱ级风险20项,Ⅲ级风险12项,采取措施后风险等级均为Ⅲ级。安全风险评价分级见表3。

表3 安全风险评价表
序号 作业活动/风险 作业条件风险性评价法 风险
级别
L E C D
1 盾构始发、到达段 3 6 15 270
2 开仓换刀 6 6 7 252
3 区间穿越岩溶段 3 6 7 126
4 区间穿越上软下硬地层 3 6 5 90
5 盾构大坡度掘进 3 6 7 126
6 下穿在建地铁站 3 6 7 126
7 正穿地铁3号线 6 6 15 540 I
8 下穿电力线 3 6 15 270
9 平行下穿次高压燃气管线 3 6 15 270
10 侧穿COCOPARK地下室 3 6 15 270
11 下穿及侧穿爱联小区 1 6 15 90
12 下穿新屯工业区 6 6 15 540 I
13 下穿龙岗河 3 6 15 270
14 下穿惠盐高速公路 3 6 15 270
15 下穿澳美世家家具厂 3 6 15 270
16 下穿φ2 000 mm及4 400 mm
*1 200 mm雨水箱涵 1 6 15 90
17 侧穿厦深高铁 3 6 15 270
18 下穿及侧穿DN500次高压燃气管线 3 6 15 270
19 下穿水二村支流箱涵 1 6 15 90

2.2.2 风险预控措施
Ⅰ级风险预控措施:①施工前进行检测与评估;②施工前收集建构筑物的施工资料或竣工图,核实区间与建构筑物的位置关系,排查区间穿越范围内不明障碍物;③盾构机配备超前地质预报及超前注浆设备,掌握岩溶发育情况,必要时进行洞内注浆加固;④加强施工管理,穿越前做好试验段确定掘进参数,调整好盾构机推进姿态,确保连续穿越,控制地层损失率不大于0.5%;⑤加强同步注浆与二次注浆,压力控制在0.2~0.5 MPa,注浆量5.5~6.46 m3/m;二次压浆在管片出盾尾5环后进行,注浆压力控制在0.4~0.8 MPa之间,注浆量约1.29~1.94 m3/m;⑥施工前对该区域地质情况进行详细调查,探明地质情况、溶洞分布情况,做好地表预注浆加固处理;⑦加强对既有建构筑物的监控量测;⑧及时布置测点,穿越过程中加强监控量测,并根据监测结果及时调整盾构掘进参数;⑨做好巡视巡查,及时消除隐患,落实好领导带班制度;⑩做好分级管控,分类分级编制评审安全专项方案[4]。
Ⅱ级风险预控措施:①做好始发端、接收端土体加固质量,并取芯验证,确保止水帘布及翻板安装质量;②洞门外6 m内采用注浆加固,确保加固后的地基无侧限抗压强度不低于1 MPa,渗透系数≤1.0×10−6 cm/s;③加强对既有建构筑物的监控量测,做到动态指导施工;④做好巡视巡查,发现问题及时调整掘进参数,采取有效措施及时消除隐患;⑤制定应急预案,做好应急演练工作;⑥做好各项方案、预案的交底工作,并在作业前向作业层人员进行风险管控交底和培训;⑦施工前对岩溶区段进行地质补勘工作;针对换刀点具体地层采取对应的换刀措施;⑧及时布置测点,穿越过程中加强对管线的监控量测并根据监测结果及时调整盾构掘进参数;⑨规划好换刀点的设置,提前确定加固措施[4]。
2.3 风险预控及管理
(1)动态风险跟踪管理。城市轨道交通工程建设中难以完全消除或避免风险,且外界的影响或变化也会导致无法预测的风险。根据施工现场实际情况,地质、周边环境和施工自身等安全风险因素发生变化,进行施工风险的动态分析、辨识和评价,并采取有针对性的措施,使风险消除或降到可接受范围。
(2)加强专项方案的编制、审批和落实。按照《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》(建设部令第37号)、当地政府主管部门和建设单位的相关规定,及时完善各施工专项方案,加强实施前的交底、培训教育,并在实施过程中严格监管,严格按照方案施工。
(3)加强监控量测。现场监控量测的重要作用在于隧道施工过程中的风险管控,为了适应隧道复杂的地质环境和周边环境,需提高监测频率和监测项目。隧道的监测项目主要包括地表、拱顶沉降、收敛、管片椭圆度三维激光扫描分析。针对下穿既有地铁3号线高风险,增设自动化监测设备,监测点按间距5 m布置,对轨道状态与桥梁主体24 h自动化监测,监测数据实时传输反馈,实现智能预警。通过动态监测的及时性,便于动态调整掘进参数,减少隧道施工风险并保障周边建筑物和居民的安全。
(4)加强超前地质预报。根据地质状况选择适合的地质预报系统,制定有效的预报方案。区间隧道采用HSP法进行围岩地质探测,探测原理:利用盾构掘进时刀盘切割岩(土)体所产生的震动信号作为HSP法预报激发震源,在隧道内进行空间阵列式数据采集,并通过深度域绕射扫描偏移叠加成像技术,进行反演解释。采用HSP217型超前地质预报仪及分析软件,利用空间阵列式探测布置方式,对隧道工作面前方80 m测试。通过现场采集的原始波形曲线进行处理分析,生成反演分析成果图和探测结果,揭示围岩完整性、自稳性,是否存在岩溶发育与软弱夹层情况。 
(5)加强应急管理。建立系统的风险预报预警和应急机制,编制应急预案并定期演练,建立应急抢险队并配足应急物资和设备。按照相关规范要求严格施工过程监控量测工作,发现险情第一时间向相关负责人发布信息,按照应急预案分级启动应急抢险,防范事故发生或事故扩大。
3 施工应用效果
该工程具有穿越区域多、线路复杂、地质变化大、周边环境复杂多变等特点,从施工方面而言,该工程风险较多,且存在重难点工程,需采取一定的控制措施。该文通过对深圳市城市轨道交通14号线工程中的施工风险对工程安全影响风险进行了识别、分析和评价,加强了盾构施工自身风险施工管控、岩溶及软土地层的处理控制和工程周边环境风险中穿越或邻近铁路、公路、河流、桥梁、重大管线及其他建构筑物的风险专项的处理及外部对接工作。结合既有工程经验,通过有效的工程措施,可将工程风险控制在允许的程度。
4 结束语
随着地铁建设的不断发展,风险管理变得更加重要,尤其是在复杂地质环境下的风险控制,成为地铁施工中的一项艰巨任务。通过对大宝区间盾构隧道施工风险管理的总结和分析,得出了一些风险管理技术措施和管理方法,从而确保了施工的安全性和质量,并达到了履行业主工期承诺的目标,可为未来工程施工中的风险管理提供参考。

参考文献
[1]城市轨道交通地下工程建设风险管理规范: GB 50652
—2011[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2011. 
[2]刘辉, 黄力平. 深圳城市轨道交通11号线盾构施工技术及管理实践[M]. 北京:人民交通出版社, 2019. 
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部办公厅. 关于印发城市轨道交通工程地质风险控制技术指南的通知(建办质〔2020〕47号)[EB/OL]. 2020-09-30/2024-02-25. 
[4]伍军, 陈馈, 白江涛, 等. 盾构从业人员培训教程[M]. 福州:福建科学技术出版社, 2022. 

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