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北京地铁盾构施工风险评价与控制技术研究

任强  
【摘要】: 盾构施工工艺是市政工程常用工艺之一,盾构法采用了特殊的施工工具盾构机。盾构机是根据施工对象“量身定做”的,盾构机制造所依据的对象,称之为施工环境,它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。由此可以看出,如果不详细研究施工环境,就无法制造适应性强的盾构机,更谈不上顺利地进行盾构施工。在施工环境的诸多因素中,基础地质和工程地质特征是最重要的,因为它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺最重要的先决条件。在实践当中,对地质特征的研究往往被忽视。殊不知,各项盾构施工技术无不与地质特征紧密有关,尤其是复合地层中的盾构施工。盾构机与盾构掘进施工是一项庞大的施工生产系统,包括水平垂直运输、机电设备安装与运行、实时测量监控、防水止水、管片运输和拼装、同步注浆等一系列的复杂工序,涉及安全的人、机、环境等各系统,需要最新的安全理论提供指导和服务。本文对北京地铁盾构施工地质模型、沉降模型、盾构参数模型的研究,极大地丰富了盾构施工的安全理论,促进了安全技术和安全理论在地铁施工领域的发展相较而言,盾构施工有着明显的优势,体现在以下几个方面: (1)环境影响较小。除车站或始发井施工外,区间施工作业均在地下进行,尘土、噪音、振动引起的环境公害较小; (2)地下盾构施工,不影响地面道路交通; (3)当隧道穿过河道、铁路或其他构筑物时,影响程度可控; (4)机械化程度高。盾构推进、出渣、衬砌拼装等主要工序均依靠盾构系统循环完成,施工用劳力较少、生产效率较高; (5)盾构施工生产不受风雨等气候条件影响;受工程地质水文地质条件影响较小,具有较好的技术经济优越性。但是,我国轨道交通发展历史比较短、施工经验不足,盾构掘进还存在着如下一些问题: (1)盾构施工安全技术水平和安全管理水平较低。我国尚未建立起独立自主的盾构机制造产业,盾构机主要依靠进口或者从不同国家引进设施、设备进行国内组装,国产化程度、自主知识产权程度很低。 (2)地铁施工环境复杂。地铁盾构施工大多地处密集地段,周边环境复杂,穿越各种建筑物、铁路、河流、桥梁等作业日益频繁,而且由于施工节点较多,施工单位不同,管理理念、水平不一,给地铁工程的建设及将来的运营管理留下不容忽视的问题和安全隐患,仅2006年北京地铁四号线盾构施工就发生重大塌陷事故3起,严重影响人民生命及财产安全,造成了建设和运营截然不同的社会效益。 (3)我国安全科学起步较晚,安全技术发展相对滞后。对地铁盾构施工风险研究还不够深入,大部分分析手段、研究方法仍依靠借鉴或模仿其他行业,没有形成盾构系统的安全理论和安全控制技术。 北京地区地处永定河洪冲积扇的中上部,第四系松散土层及砂卵石层遍布全市。其地质沉积层的“相变”十分明显,西部的粗大颗粒沉积物向东很快渐变为细小颗粒沉积物;西部单一的砂卵石层向东很快渐变为粘性土和粉细砂互层的多层状态。在五环路以内和五环周边大约800km2的范围内,采用盾构施工时,将会碰到以下几类极具北京地层特征的粘质粉土、粉质粘土以及砂性土和砂卵石。西部将主要以砂卵石地层为主,如卢沟桥地区和石景山首钢一带,其砂卵石级配良好,最大颗粒可达40cm以上。南部或西南部、北部或西北部,将会碰到有少量粘性土的砂卵石地层和全断面的砂卵石地层,这些地层中含砂率大约在25%-40%之间。而在东部,则主要是粘性土或砂性土。 北京的地层地下水或者更确切地说浅层地下水,一般均系第四系地层中地下水。通常认为包含三种水,即上层滞水、潜水和浅层承压水。另一类,景观、河湖渗漏水以及城市上下水道漏失水,按其赋存类型划分,也可归入以上三种水,当然其应是一种特殊的城市水。根据北京市政府水资源顾问侯景岩教授的研究,北京市含水地区可大致分为5个区段。Ⅰ区富水区:主要分布在北京中西部地区,即学院路、五道口、紫竹院、阜成门、天坛公园以西,面积约135 km2。含水层平均厚度13m,渗透系数60~150m/d,平均水力坡度0.2%;Ⅱ区富水区:主要分布在市区中心地带,以故宫为中心呈Y字型南北条形分布。其中天安门以西28中学附近含水层透水系数为40-80m/d,平均水力坡度为0.15%;Ⅲ区中等富水区:大致分为两片,第一片为东部西坝河以东,东四环以西地带;另一片为西坝河,北新桥一带。Ⅲ区总面积约61km2。其分层性明显,平均渗透系数为30~60m/d;Ⅳ区弱富水区:主要分布在安贞桥、太阳官以西公主坟附近,总面积20 km2左右。平均渗透系数20-40m/d;V区贫水区:此地区基本上无含水层,分布也较杂。 由上述内容可知,北京地区地质与水文条件具有明显的不同于其他城市的特征,采用盾构技术施工时,必然要针对其特点,采取相应的对策,选用与之相适应的盾构机和采取适当的技术措施。例如,对于北京地区典型的砂卵石地层,就应该选择合适的盾构刀头,以增加刀头使用寿命,减少刀头消耗以及换刀头所带来的施工成本和施工风险。 本文以北京地铁四号线4标为例,针对北京地区的工程地质水位地质条件、周边环境、盾构施工工艺、工区特点等相关危险源,提供危险源辨识清单,为施工企业系统、全面掌握安全隐患,制定完善的安全措施,为本文下一步安全评价提供充分详实的依据;对北京地铁盾构施工进行风险分析和风险评估,指导北京地区盾构施工安全生产和安全管理;为盾构施工创建科学的盾构施工风险管理程序,开发适合企业盾构项目工程施工的风险评估体系,为企业盾构施工项目风险管理的规范化、程序化提供合适的依据及参考标准;建立北京地区地铁施工的地质模型、参数控制模型、地表沉降预测模型以及风险预测模型,为安全控制技术提供理论基础;进行盾构穿越既有建(构)筑物、河道、桥梁、铁路等控制技术研究,提出科学、安全的盾构施工安全建议。 本文通过调查北京地区盾构施工的工程地质水文地质情况,以及地表和地下环境,对北京地区盾构施工环境的复杂性进行了详细的分析探讨。结合北京地铁四号线4标工程实例,对北京地区地铁盾构施工危险源进行了分析,并且确定了盾构进出洞、盾构掘进过程中下穿高层建筑物、盾构掘进过程中下穿河流、盾构掘进过程中下穿道路以及盾构掘进过程中下穿地下管线等为重大风险源,对这些重大风险源可能发生的风险事故进行了分析。 本文运用预先风险分析方法,对盾构施工初期阶段的物料、装置以及能量失控时可能出现的危险性类别、条件和可能造成的后果作宏观的概略分析,确定其危险性等级,以防止类似危险有害因素失控导致事故的发生。 本文根据R=P×C定级法这种定性与定量相结合的风险分析方法,结合北京地区工程地质、水文地质以及地表地下环境,以及北京地铁四号线工程角门北路站—北京南站区间盾构工程施工的具体情况,选取了施工中的22项风险源作为主要风险,对该工程进行R=P×C定级风险评价。 本文选取土压平衡技术作为主要分析类型,建立了掘进过程中的各种参数模型。主要有如下参数:土仓压力、推进速度、总推力、排土量、刀盘转速和扭矩、注浆压力和注浆量、泡沫、泥浆注入量,为盾构施工风险控制提供了一定理论基础。 本文结合工程实例,对盾构施工线路的土体沉降监测的方法以及沉降预测进行了详细分析,且提出了控制土体沉降的控制技术。 本文针对北京地区的具体地层进行盾构机选型分析,并针对北京砂卵石地层中,盾构施工刀具磨损严重的问题进行了探讨;根据刀具选型实例,提出了刀具磨损量与掘进距离的回归关系式。 针对大直径盾构出洞时安全问题,对盾构出洞段土体稳定性进行评价。讨论了北京地区盾构施工土体加固的适宜施工方法,提出了盾构加固后土体的抗压、抗剪强度以及整体稳定性计算方法,并且结合工程实例进行了计算。 本项研究对象是北京地区砂卵石地层盾构施工风险,具有一定的局限性。根据地层情况的不同,盾构施工所发生的危险也不同,其控制措施更是有很大差别。因此,需要收集大量施工资料,对不同地区的地层情况建立风险分析模型,分析其风险,为各种地质情况下的盾构施工防治风险提供指导。 施工期风险分析应包括施工组织设计阶段的风险分析与工程建设过程的风险分析。本文假设方案选择和设计完全适用,仅仅对工程建设过程的风险进行了分析。实际在工程设计阶段就需要考虑各种方案的风险大小,选择风险最小,成本最低的方案。 本文建立的风险分析模型都是定性或半定量的。半定量结果的可信度显然要比定性结果大大增强,但还是存在着人为的影响因素,与期望结果还是有一定的差距。因此,如何进行真正风险定量分析还需要进行深层次的思考和研究。 本文进行风险分析过程中,主要以安全分析为核心目标,经济指标未作研究重点,无法实现技术、环境与经济三者的均衡。进一步分析风险产生的经济损失可以预测投保保额,可以帮助业主在尽可能保证安全的情况下,节省风险处理或转嫁的费用。 风险分析作为一种方法,在地下工程领域正在被广泛关注着。随着今后大型地下工程投资主体的多样化,风险分析与风险控制必然会越来越受到重视。对该问题的研究不但具有理论上的意义,而且能够规避风险,指导实际工程的进行。 课题对盾构工程施工安全技术、安全管理、安全教育等方面的研究,对盾构施工安全管理水平做出评价结论,使企业不仅了解了在盾构工程施工过程中存在的风险素及其可能导致事故的危险性,而且明确如何改进安全状况,为企业盾构工程领域安全生产的宏观控制提供客观的基础资料和系统控制技术,减少伤亡事故和环境破坏,有效控制施工成本和施工工期,提高企业经济效益和社会效益。 根据隧道区间地质情况及周边环境条件,为保证开挖面的稳定、有效的控制地表沉降和确保沿线构造物的安全,主要选择七个施工管理指标来进行掘进控制管理:①土仓压力;②推进速度;③总推力;④排土量;⑤刀盘转速和扭矩;⑥注浆压力和注浆量;⑦泡沫、泥浆注入量,其中土仓压力是主要的控制指标。 中国是隧道工程建设方面的世界大国,特别是近年来,各大城市开始兴建地铁,目前已经慢慢进入了地铁建设的高潮时期。仅就北京地区,现已初步形成轨道交通的基本骨架,根据规划,到2020年北京有望成为世界上地铁线路总长最长的城市。地铁的发展地缓解了各大城市的交通问题,方便了人民群众的生活。但是地铁建设成本高,风险大,一旦出现险情,费用更是直线上升。因此,对于地铁建设过程中的风险分析与控制成为了一个重要的研究方向。盾构掘进是地铁建设中的重要环节,也是危险多发阶段。本报告系统全面地研究了北京地区盾构施工中的各种风险因素,并且建立模型,结合工程实例,提出了可行的控制措施。然而由于水平和时间有限,报告在某些方面只是做了一些尝试性探索,许多方面还有待进一步深入研究。 (1)报告的研究对象是北京地区砂卵石地层盾构施工风险,具有一定的局限性。根据地层情况的不同,盾构施工所发生的危险也不同,其控制措施更是有很大差别。因此,需要收集大量施工资料,对不同地区的地层情况建立风险分析模型,分析其风险,为各种地质情况下的盾构施工防治风险提供指导。 (2)施工期风险分析应包括施工组织设计阶段的风险分析与工程建设过程的风险分析。本报告假设方案选择和设计完全适用,仅仅对工程建设过程的风险进行了分析。实际在工程设计阶段就需要考虑各种方案的风险大小,选择风险最小,成本最低的方案。 (3)本文建立的风险分析模型都是定性或半定量的。半定量结果的可信度显然要比定性结果大大增强,但还是存在着人为的影响因素,与期望结果还是有一定的差距。因此,如何进行真正风险定量分析还需要进行深层次的思考和研究。 (4)进行风险分析的一个重要目的就是为了降低成本。本报告在进行风险分析过程中,主要以安全分析为核心目标,而不是以经济指标为研究重点,无法实现技术、环境与经济三者的均衡。进一步分析风险产生的经济损失可以预测投保保额,可以帮助业主在尽可能保证安全的情况下,节省风险处理或转嫁的费用。 (5)风险分析作为一种方法,在地下工程领域正在被广泛关注着。随着今后大型地下工程投资主体的多样化,风险分析与风险控制必然会越来越受到重视。对该问题的研究不但具有理论上的意义,而且能够规避风险,指导实际工程的进行。


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