江玉生:结合经典地铁施工案例分析盾构施工的

更新时间:2020-06-01 15:24

  2013年10月17日,全国市政建设项目管理与技术发展论坛在北京九华国际会展中心圆满落下帷幕。本次项目管理论坛是由中国市政工程协会主办,中国市政工程网、《市政技术》协办,徐工集团赞助。来自全国各个省市协会领导和施工单位代表共150余人参加了本次论坛。

  在下午的论坛中,中国矿业大学力学与建筑工程学院的江玉生教授给各位市政施工企业参会代表带来了关于《盾构施工的安全与风险管理》的精彩讲座。

  随着城市地下空间的不断开发利用,盾构的施工应用领域也越来越广泛,以北京为例,很多市政工程已普遍应用盾构施工技术,如热力管道、电力管道、给水管道以及部分污水管道等工程中均使用了2~3m小直径盾构;北京地铁从5号线开始试验盾构施工,随后4号线号线二期、大兴线号线号线号线号线等地铁线路施工过程中,采用盾构施工的区间比例越来越多,北京地铁10号线二期使用盾构施工的比例已经占到整个施工区间的82%。此外,由于特殊地质结构、土层性质等复杂因素的限制,部分城市修建地铁必须使用盾构技术,比如很早就应用了盾构施工技术的上海,天津地铁施工所有区间也都需要使用盾构施工。

  理论上来讲,盾构施工相对其它地下空间施工方法的优势是安全性较高,并且可以做到在施工进行过程中实时监控,但是在实际施工中由于设计、管理等方面的因素,盾构仍然存在一定的施工风险,并产生了很多事故,如何控制风险以及避免事故,这不仅是盾构施工技术问题也是施工项目管理亟需解决的问题。

  盾构施工风险控制的基础,首先要组段划分盾构施工环境条件的组合影响因素及级别,在隧道施工长度延伸范围内,按盾构所穿越的地质以及隧道上覆土层的厚度、上覆土层范围内的地下结构、地面结构等环境影响因素,进行综合考量、设定盾构施工参数;然后根据组段划分的结果,结合盾构设备具体情况,设定土压力、推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、贯入度、注浆压力、注浆量等主要参数控制范围,用以监控盾构施工过程中的推进状态。

  通过“北京盾构施工实时管理系统”平台进行监控,该套系统的主要基本功能有:实时影像显示工程进度,清晰显示重大风险工程,显示盾构施工中的主要参数和盾构姿态,盾构施工主要参数数据的分析和统计,盾构施工材料消耗、功效等参数统计和查询,上传、下载测点沉降数据,支持对单沉降点、多沉降点的累计沉降量和沉降速率曲线进行查询。整套系统既便于分析盾构施工的全过程及其可能出现的各种问题,也可以对盾构施工进度、成本和质量进行控制和分析,方便用户远程实时掌握盾构施工现场情况,实现了对盾构施工的信息化管理。

  据江教授透露,此套系统是目前国内外唯一一个可以将盾构施工过程与地面沉降监测控制相结合的系统,该管理系统可对北京轨道公司所属的所有地铁在建项目中施工作业的盾构进行实时监控,通过该系统项目管理人员在办公室就可以观测到北京目前所有在施工中的盾构的情况,据悉,目前北京地下共有13台盾构在进行施工。

  通过“盾构施工实时管理系统”项目管理者可以监控盾构85%的施工过程,而盾构的始发和到达动作,此套系统是无法监测的,因此在此期间事故多发。江教授首先通过“天津海河共同沟隧道”作为施工案例来阐述这一问题。

  天津海河共同沟隧道,全长200余米,隧道穿越的地层为天津典型的淤泥质地层,施工过程中采用旋喷桩加固,加固深度约28m,由于旋喷加固施工工法对土体的性质和深度要求都非常严格,旋喷桩在超过15m以后,垂直度的保持很困难,而在超过25m以后,旋喷桩的直径也很难达到施工要求,在此案例中,旋喷桩深度28m,旋喷桩在此深度无法有效止水,并且此处地层地下水体与海河水体相连,因此在该施工案例中盾构始发端土体加固质量欠佳,导致此台购置于日本的崭新盾构机在始发井中刚破维护结构即被淹没无法使用。随后的事故处置措施是立即将所有工作人员和重要机械设备尽可能撤离盾构始发井;停止用水泵抽取始发井中的泥水,让地下水土自然涌入工作井,待工作井水位达到一定高度,地层中的水压力与工作井中的水压力达到平衡,然后采取措施密封洞门,抽干工作井中的水。江教授讲到,此盾构始发环节,工作井的处理是在管理系统中不能监控的,需现场的施工管理者格外注意施工方法的选择和施工技术的配合。

  “南水北调中线穿黄工程”是整个南水北调中线的标志性、控制性工程,其任务是将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸,之后向黄河以北地区供水。隧洞为双洞平行布置,各采用1台泥水平衡盾构,施工始发端洞门采用双层压板和止水橡胶帘布,盾构始发井直径12m,井深35m,中铁十六局在施工过程中进行了多重、严格的止水密封措施,但在盾构始发过程中仍然出现了喷水情况,并经受了来自黄河水体的3kg水压力的考验,在进行事故处理时决策发生错误,一名工人下至井内盾构始发端洞口处打开泄压阀时,受到水喷射压力阻断而险些受伤,而导致此次事故的真实原因为设计时始发端洞口处所需的36个高强螺栓,其中一个在施工过程中只能以普通螺栓代替,从此处产生应力堆积导致普通螺栓崩坏,补救措施为喷水处由于为黄河砂质水,经过一天后,内侧黄河砂浆将漏水口逐渐封死,喷水减弱,但此始发井与其周围地面沉降了50cm,对与此井平行的另一始发井进行防沉降和防水施工保护。

  “南京地铁元通站” 南京地铁元通站地下地层由长江水携带的泥沙淤积而成,为松软的河漫滩,地质条件十分复杂,在到达井的设计上,端头土体纵向加固长度不足,且端头加固方法的选择存在问题,施工期间端头加固效果检验时,水平探孔实施偏少,当水平探孔出现少量流水和涌砂时并没有引起足够的重视,且未安装洞门密封橡胶和压板。这一系列的因素导致盾构进入到达井拆除结构后,已安装好的管片突然下沉,错台约15cm,周边混凝土开裂,环缝出现长约1.5m、宽5cm的张开裂缝,大量水土从接缝向元通站涌入,盾构全部被埋。约一个半小时后,地表路面出现严重变形,下午5点左右地面出现塌陷,五天后路面下方隧道塌陷长度已达150~160m,事故抢险措施首先安装钢筋网片和模板,纵向设置钢支撑,使用混凝土分层浇注;在隧道内堆放水泥袋封堵洞口,并设置开启的进入口;迅速调集注浆设备进场,地面填充注浆;通过聚氨酯注入,填充混凝土浇注后形成的渗流间隙;隧道内注水回填,以维持隧道稳定。

  “北京地铁14号线东风北桥站~将台站区间”, 2011年10月直径为10.22m的大盾构于东风北桥站始发;2012年6月1日水钻破除将台站1号风道接收端洞门过程中,存在流水现象,此例事故属于典型的端头土体加固效果欠佳;2012年6月24日下午1号风道盾构到达端地表产生剧烈沉降,24日晚道路发生塌陷,风道被涌入的水土淹没,塌陷地点在人性天桥上方,给路面交通及行人安全造成了一定的损害。

  “北京地铁十号线二期六里桥站~莲花桥站区间”,此例事故在盾构施工期间使用“盾构施工实时管理系统”进行监控,通过监控,提前28小时发现右线盾构在通过过程中,土压控制偏低,导致出土量偏大,引起地层损失的问题,但施工单位未及时采取相应的整改措施,盾构继续施工,双线先后下穿北京西机务段铁路,左线先行,施工参数控制基本合理,安全通过;而右线日隧道上方北京西机务段铁路区域内发生塌陷,塌陷位置为北京西客站调车场下方,导致西客站列车无法调度,全部停运。

  江教授总结到,盾构在现场施工过程中,一定要结合施工场地处的地质条件处理好始发端和到达端的土体加固问题,在行进施工过程中也不可掉以轻心,要随时监控,发现问题立即反馈到施工现场及时处理解决事故隐患。这样才能防患于未然,保证盾构施工质量以及生命财产安全。

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