水底隧道风险源分析

4.1.1 线型设计施工技术难点及风险

4.1.1.1 平面线型设计的影响

平面线型对施工技术的难易和风险的大小影响主要表现在两隧道之间的净距和工作井与接收井的井位。对于两盾构隧道之间的净距,国内地铁施工规范规定一般不小于一倍的管径,特殊情况下可以减小。由于两隧道之间的软土层多考虑为弹性地基,当第二条隧道施工时会对第一条隧道产生横向的推力,因而当减小两隧道之间的净距时就需要通过土体加固,改善两隧道之间土体的力学性能。

竖井的井位选择是一个与现场环境、成本、隧道通风、纵断面坡度等相关的综合性课题,尽可能采用盾构穿越地面建筑物,延长盾构隧道的长度,相比较明挖法或暗挖法,可以最大限度地减小对地面环境的影响并能降低成本。

4.1.1.2 纵断面线型设计的影响

纵断面线型必须充分考虑的问题是水底段施工期的最小安全覆土厚度、施工期掌子面的稳定、运营期河道的冲刷及抗浮稳定、盾构穿越的岩层情况、隧道的纵坡是否满足轨道运输车的最大爬坡能力等。隧道纵断面的选取是隧道规划和设计的关键环节,而顶板厚度的确定又是选线工作的核心内容之一。这是由于隧道顶板厚度直接关系着整个隧道工程建设的规模、标准以及经济性和安全性等,如果顶板厚度过于保守,就会增加隧道的长度或降低技术标准,从而大大增加隧道的修建费用或给运营留下安全隐患;但如果基岩条件比较差,而岩石覆盖层厚度又过小时,那么隧道则将面临严重的隧道围岩失稳和河水涌入的危险。

4.1.2 管片的结构、防水设计与施工风险

管片预制厂的设计需要综合考虑以下几个因素,才能既节约建设成本又满足施工进度要求:

(1)招标文件中对管片施工的具体要求;

(2)盾构施工进度及工期;

(3)管片类型、使用时间及需求量;

(4)管片施工工艺及技术要求;

(5)管片模具尺寸及生产要求;

(6)施工现场具体气候及地理条件;

(7)借鉴以往积累的管片施工经验。

4.1.2.1 管片结构设计与施工的风险

隧道衬砌的结构设计关系到隧道的结构安全和耐久性,还关系到施工的难易和风险。建议在该工程中宜采用各种不同的模型进行计算,当结果相差不大时,取包络线设计,从设计使用寿命100年的要求出发,对于管片的结构设计与耐久性相结合的课题继续进行研究是很有意义的。

为满足结构传力、防水和安装方便等要求,管片环向和纵向连接设计非常重要,如可在环向接头处、管片中部设计成带填塞密封环的凹凸槽,使环向连接具有抗剪能力及控制相邻环的变形错位,从而减小防水密封失效的风险。

管片的衬砌组合型式是一个与施工密切相关的问题,涉及到管片模具设计、数量、拼装速度、方向控制等。一般来说,目前国内地铁隧道应用较多的是采用标准衬砌环加左、右转弯衬砌环组合,这种方式施工方便,但管片的生产数量控制相对复杂一些,管片模具的利用率低一些;采用左、右转弯衬砌环组合生产相对简单,但对于管片的拼装要求相对较高。

4.1.2.2 管片的防水设计与施工风险

防水设计包括管片的自防水、管片的接缝防水,其中接缝防水是水底隧道必须高度重视的问题,国内常采用的是内外双道密封条防水,但实际情况是,当管片接缝发生变形时,真正起作用的是其中的一道防水。因此,如何设计出一道优质密封圈才是关键,而这道密封圈在最大变形发生时能抵抗高水头。

在施工过程中一个值得关注的问题是衬砌背后的注浆容易窜入环片外缝,砂浆硬化填塞外缝的结果是导致密封垫不能被压紧进而影响到止水效果,因而在管片外缝粘贴一层遇水膨胀止水橡胶可以阻止砂浆窜入,这一问题必须引起高度重视。

4.1.3 穿黄盾构机选型面临的风险

在穿黄盾构选型中,主要考虑长距离泥水盾构、大直径掘进、高外水压力及复杂地质条件对盾构施工的特殊要求。

4.1.3.1长距离泥水盾构对盾构设计与制造要求

1、刀盘具有足够的刚度、强度和耐疲劳性;通过耐磨措施对刀盘进行磨损和变形防护。

2、先行刀和切刀均采用双层碳化钨合金钢高耐磨刀具,以适应卵石、孤石或枯树地层掘进;不同区域的切刀配置刀具磨损自动监测系统,以加强刀具磨损监控、分析和评价。

3、配备精确导向系统,保持盾构姿态和隧洞线性一致。

4、具备长距离掘进所需的带压进仓功能,以便处理换刀等进仓作业。

4.1.3.2大直径掘进对盾构设计的要求

1、采用间接控制型气压复合模式泥水盾构,以有效地控制泥水压力波动、稳定支护开挖面土层并有效控制地标变形。

2、盾壳刚度满足盾构掘进作业和承受高水压和土压的要求,盾壳厚度不小于70mm。

3、泥水分离系统要有足够的处理能力和储备系数,能与最快的掘进速度和地质条件相匹配,有效分离泥浆中的渣土。

4、刀盘具备防止中心区域结泥饼和泥水仓底部沉渣的技术措施。

4.1.3.3高水压条件下掘进对选型的要求

1、盾构设计时,确保刀盘主轴承和盾尾密封的防水性能可以承受0.6MPa高水压。

2、主轴承内外密封系统均采用5道唇形密封系统,并采用自动润滑方式;可以通过泄露室对密封状况进行检测,并具有联锁保护功能。

3、盾尾止水装置采用4道钢丝刷密封,并在第2道与第3道钢丝刷密封之间设计紧急止水密封,可在隧洞内安全更换前2道盾尾密封。

4.1.3.4孤石、枯树等不良地质对选型的要求

1、配置双层先行式碳化钨撕裂刀,撕裂刀超前切刀布置,先行切削地层,对卵石地层、钙质结核地层和枯树进行破碎和切削,并保护切刀。

2、在泥水平衡仓底部配置破碎设备,对刀盘上未能破碎的较大粒径卵石进行破碎,防止排泥管堵塞。

3、配备双气路的双室人仓,具备带压进仓功能。

4、沉浸墙设置安全闸门,破碎机堵塞时,将沉浸墙关闭,可在常压下进入泥水平衡仓,进行排堵或维修破碎设备。

4.1.4 施工对环境影响的控制与保护

对环境的影响风险主要表现在竖井施工过程中周围地层和建筑物的沉降变形,以及盾构掘进施工对地面变形、河道行洪、地下水等的影响。

穿黄隧道要穿越大堤,由于大堤堤防工程由抛石护坡加固改造而成,其抗变形的能力比较差,对于施工控制要求比较高(文献研究表明,大堤沉降控制在20 mm),并且大堤的重要性等级比较高,一旦受到破坏,后果将十分严重。

降水施工主要的问题是引起地面沉降,采用的措施包括:加深隔水的地下连续墙深度,增长水的渗流路径;动态的抽水,合理的控制抽水量;避免长时间抽水,在施工过程中先不抽水,只在基坑开挖至一定深度后才开始抽水;尽量避免在汛期施工等。

穿黄隧道要穿越国家自然保护区,对于保护区的生态平衡,环境保护,水资源的影响,以及文物、拆迁也是本工程重大关切之处。

4.1.5 穿黄盾构施工的技术难点与风险

4.1.5.1盾构进出工作井施工风险

盾构进出工作井阶段风险主要包括:盾构机械的吊装和拼装、盾构出发、盾构到达和临时工程和设备四部分风险事故

1)盾构机械吊装和拼装事故:由于采用大直径盾构,机械只能分块吊装后在工作井内拼装,且拼装需要相当一段时间。由于拼装时间长,在此阶段可能遭遇暴雨等灾害性天气,同时未做好工作井排水工作造成事故的发生。南京地铁施工时曾发生过类似案例。发生此类事故的原因还可能是现场管理混乱,未按图纸要求安装,设备吊装过程中指挥不当,施工人员安全意识淡薄等。

2)盾构出发事故:在凿开工作面时,可能由于冻结失效引起工作面漏浆,泥水进洞;由于采用大直径盾构,工作面凿开后土压力非常大。盾构机械可能由于土压力过大而无法正常推进,甚至可能由于逆推力过大导致盾构后退,引起事故的发生;在盾构机械进去到一定程度以后,由于采用大直径盾构,开挖土体量非常大,开挖土体量大于上覆土体量时盾构隧道可能上浮。分析发生此类事故的原因可能是临时挡土墙拆除不当,地层加固不当、止水帷幕失效,导口垫圈密封失效,反力装置施工质量差,盾构姿态控制不当和轴线控制不当。

3)盾构到达事故:发生此类事故的主要原因是临时挡土墙拆除不当,地层加固不当、止水帷幕失效,盾构到达时推力和掘进速度不当,盾构姿态控制不当和轴线控制不当等。

4)临时工程和设备的拆除事故:发生此事故的原因大多是现场管理混乱,施工工序不当,施工人员安全意识淡薄等。

4.1.5.2盾构穿越江中段风险

盾构穿越江中段风险主要包括:主航道有沉船,孤石,哑炮(弹)不明障碍物;浅覆土,高水压,粉砂层产生开挖面冒顶事故;盾尾注浆冒浆密封失效引起

涌水涌砂事故;隧道整体上浮;高水压管片接缝的渗漏水事故。盾构穿越江中段风险事故及可能原因分析如下:

1)盾构机前方遇有主航道有沉船,枯树,孤石,哑炮(弹)不明障碍物事故:由于地质以及历史等等原因,盾构机穿越江中段时,前方有可能遇有主航道有枯树,孤石,哑炮(弹)不明障碍物。地下障碍物的存在会给盾构机的正常推进带来不利影响:首先导致可能引起刀盘磨损,从而不能正常开挖,影响工期。而更换刀盘不仅耗费不必要的资金,而且由于地下隧道特殊的条件,使刀盘更换难度增加,耗费不少时间;其次,障碍物可能致使扭矩突然增大,导致主轴承断裂,机器瘫痪。地下障碍物主要有沉船、透镜体、木桩、抛石、防洪堤、管线等。发生此类事故的原因可能是地质勘探不完全反映穿越地层以及历史上的资料收集不完整等。

2)浅覆土,高水压,粉砂层产生开挖面冒顶事故:一般来说,越江盾构隧道在江中段时,覆土较浅,水压较大,碰到不良地质条件如支护压力设置不当,极易发生开挖面的失稳事故。

3)隧道整体上浮:越江盾构隧道在江中段时,覆土较浅,水压较大,根据以往越江隧道的建筑经验来看,隧道整体上浮的可能性较大,因此要防止上浮量过大。

4)盾尾注浆冒浆密封失效引起涌水涌砂事故:盾构穿越江中段时,如盾尾注浆压力不足,注浆量过少时,易发生上覆土坍塌,引起涌水涌砂事故;反之,如果注浆压力过大,也可能发生冒浆密封失效引起涌水涌砂事故。

5)高水压管片接缝的渗漏水事故:盾构穿越江中段时,若管片接缝的防水施工质量不良,易发生渗漏水事故。

4.1.5.3超大盾构工作面失稳风险

泥水加压式盾构在掘进过程中,泥水不断循环,开挖面的泥膜因受刀盘的切削而处于形成—破坏—形成的过程中。开挖面的动态变化及掌子面前方不确定的地质因素,可能导致的安全风险如下:

1)致使前方地表或江底产生较大隆起或沉陷;

2)掌子面前方遭遇流砂或发生管涌,盾构机将发生磕头或突沉;

3)推进过程中出现超浅覆土将导致冒顶、江水回灌、泥水冒溢等事故;

4)承压水引起突然涌水回灌,盾构正面塌方。

超大盾构工作面失稳风险可能原因分析如下:

1)支护压力过小导致开挖面前方土体大量进入泥水舱,引起地基发生过大沉降,甚至地表坍塌;

2)支护压力过大,则容易产生地表隆起,如果处于江底,开挖面土体失稳有可能产生沟通隧道与江水的水力通道,造成江水回灌和淹没隧道。

4.1.5.4盾尾密封事故风险

盾尾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,注浆浆液、地层中水(或江水)、砂涌入隧道,造成开挖面失稳,地表过大沉陷(江中段严重时可能产生冒顶)。

4.1.5.5施工中地层移动风险

施工中地层移动风险事故及可能原因分析如下:

1)盾构到达前的变位。在盾构的掘进过程中,由于开挖面涌水、管片拼装不良等种种原因引起地下水位降低,从而引起开挖断面之前相当距离的观测点的沉降。

2)盾构到达时的地层变位。这种地层变位是在开挖面靠近观测点并达到观测点下方这个过程中所产生的沉降或隆起现象,是因为土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等作用产生的地层变位。

3)盾构通过时的地层变位。这种地层变位是因为由于盾构机的通过破坏了原来的土体的状态,造成了土体的扰动所致。

4)盾尾通过后瞬间的地层变位。由于盾尾间隙的存在,上方及周围土体应力释放,引发了土体的塑形变形,从而产生了较大的地层变位。

5)地层后期固结变位。在软土地区,相当长的一段时间内,盾构机过后扰动的土体将继续发生固结沉降及蠕变沉降,产生了后期变位。

4.1.5.6盾尾冻结法施工风险

盾尾冻结法施工风险事故及可能原因分析如下:

1)造成盾构机变位。冻结过程中盾构机受冻土力的作用,可能会发生盾构机的变形从而造成隧道横向断面变形,从而影响隧道的椭圆度。

2)造成管片环开裂。冻结过程中盾构机受冻土力的作用,由于隧道横向断面变形,隧道管片受压过大可能发生开裂情况。

3)冻结仪器故障造成冻结效果降低。可能发生突然断电、冷冻液断货或备料不足、冷冻液质量问题及温度表失灵等。

4)解冻阶段施工风险:一方面,解冻会引起地基变形,造成地面沉降和地下管线受损。另一方面,隧道会在冻涨之后发生回缩变形从而导致渗漏水。

4.1.6 联络通道的设计与施工风险

联络横通道的主要作用是:(1)为养护维修人员提供左右线之间的便捷通道;

(2)紧急情况下人员的疏散;(3)紧急情况下消防、救援人员的进入。

近年来国内联络通道施工过程曾出现重大事故,因而联络通道的设计与施工风险不容忽视。有一种意见是在江底尽可能少或干脆不设联络通道,以避免风险。目前国内没有关于水底隧道联络通道的规范,但国外却明确规定其间距不得大于250 m,随着以人为本意识的提高,设置联络通道以方便火灾状况下的逃生必然会在国内达成共识。

4.1.7 工期的风险

由于水底隧道本身面临的技术、管理上的风险,也就决定了其面临着工期的风险,控制住了技术、施工风险,也就控制住了工期风险。但如何通过提高施工速度缩短工期,带来高投资效益、高的安全性和耐久性,避免重大风险的发生是值得研究的。目前国内和国外在盾构隧道施工的技术差别不大,但管理水平和提高管理水平的意识上却有相当大的差别

4.1.1 线型设计施工技术难点及风险

4.1.1.1 平面线型设计的影响

平面线型对施工技术的难易和风险的大小影响主要表现在两隧道之间的净距和工作井与接收井的井位。对于两盾构隧道之间的净距,国内地铁施工规范规定一般不小于一倍的管径,特殊情况下可以减小。由于两隧道之间的软土层多考虑为弹性地基,当第二条隧道施工时会对第一条隧道产生横向的推力,因而当减小两隧道之间的净距时就需要通过土体加固,改善两隧道之间土体的力学性能。

竖井的井位选择是一个与现场环境、成本、隧道通风、纵断面坡度等相关的综合性课题,尽可能采用盾构穿越地面建筑物,延长盾构隧道的长度,相比较明挖法或暗挖法,可以最大限度地减小对地面环境的影响并能降低成本。

4.1.1.2 纵断面线型设计的影响

纵断面线型必须充分考虑的问题是水底段施工期的最小安全覆土厚度、施工期掌子面的稳定、运营期河道的冲刷及抗浮稳定、盾构穿越的岩层情况、隧道的纵坡是否满足轨道运输车的最大爬坡能力等。隧道纵断面的选取是隧道规划和设计的关键环节,而顶板厚度的确定又是选线工作的核心内容之一。这是由于隧道顶板厚度直接关系着整个隧道工程建设的规模、标准以及经济性和安全性等,如果顶板厚度过于保守,就会增加隧道的长度或降低技术标准,从而大大增加隧道的修建费用或给运营留下安全隐患;但如果基岩条件比较差,而岩石覆盖层厚度又过小时,那么隧道则将面临严重的隧道围岩失稳和河水涌入的危险。

4.1.2 管片的结构、防水设计与施工风险

管片预制厂的设计需要综合考虑以下几个因素,才能既节约建设成本又满足施工进度要求:

(1)招标文件中对管片施工的具体要求;

(2)盾构施工进度及工期;

(3)管片类型、使用时间及需求量;

(4)管片施工工艺及技术要求;

(5)管片模具尺寸及生产要求;

(6)施工现场具体气候及地理条件;

(7)借鉴以往积累的管片施工经验。

4.1.2.1 管片结构设计与施工的风险

隧道衬砌的结构设计关系到隧道的结构安全和耐久性,还关系到施工的难易和风险。建议在该工程中宜采用各种不同的模型进行计算,当结果相差不大时,取包络线设计,从设计使用寿命100年的要求出发,对于管片的结构设计与耐久性相结合的课题继续进行研究是很有意义的。

为满足结构传力、防水和安装方便等要求,管片环向和纵向连接设计非常重要,如可在环向接头处、管片中部设计成带填塞密封环的凹凸槽,使环向连接具有抗剪能力及控制相邻环的变形错位,从而减小防水密封失效的风险。

管片的衬砌组合型式是一个与施工密切相关的问题,涉及到管片模具设计、数量、拼装速度、方向控制等。一般来说,目前国内地铁隧道应用较多的是采用标准衬砌环加左、右转弯衬砌环组合,这种方式施工方便,但管片的生产数量控制相对复杂一些,管片模具的利用率低一些;采用左、右转弯衬砌环组合生产相对简单,但对于管片的拼装要求相对较高。

4.1.2.2 管片的防水设计与施工风险

防水设计包括管片的自防水、管片的接缝防水,其中接缝防水是水底隧道必须高度重视的问题,国内常采用的是内外双道密封条防水,但实际情况是,当管片接缝发生变形时,真正起作用的是其中的一道防水。因此,如何设计出一道优质密封圈才是关键,而这道密封圈在最大变形发生时能抵抗高水头。

在施工过程中一个值得关注的问题是衬砌背后的注浆容易窜入环片外缝,砂浆硬化填塞外缝的结果是导致密封垫不能被压紧进而影响到止水效果,因而在管片外缝粘贴一层遇水膨胀止水橡胶可以阻止砂浆窜入,这一问题必须引起高度重视。

4.1.3 穿黄盾构机选型面临的风险

在穿黄盾构选型中,主要考虑长距离泥水盾构、大直径掘进、高外水压力及复杂地质条件对盾构施工的特殊要求。

4.1.3.1长距离泥水盾构对盾构设计与制造要求

1、刀盘具有足够的刚度、强度和耐疲劳性;通过耐磨措施对刀盘进行磨损和变形防护。

2、先行刀和切刀均采用双层碳化钨合金钢高耐磨刀具,以适应卵石、孤石或枯树地层掘进;不同区域的切刀配置刀具磨损自动监测系统,以加强刀具磨损监控、分析和评价。

3、配备精确导向系统,保持盾构姿态和隧洞线性一致。

4、具备长距离掘进所需的带压进仓功能,以便处理换刀等进仓作业。

4.1.3.2大直径掘进对盾构设计的要求

1、采用间接控制型气压复合模式泥水盾构,以有效地控制泥水压力波动、稳定支护开挖面土层并有效控制地标变形。

2、盾壳刚度满足盾构掘进作业和承受高水压和土压的要求,盾壳厚度不小于70mm。

3、泥水分离系统要有足够的处理能力和储备系数,能与最快的掘进速度和地质条件相匹配,有效分离泥浆中的渣土。

4、刀盘具备防止中心区域结泥饼和泥水仓底部沉渣的技术措施。

4.1.3.3高水压条件下掘进对选型的要求

1、盾构设计时,确保刀盘主轴承和盾尾密封的防水性能可以承受0.6MPa高水压。

2、主轴承内外密封系统均采用5道唇形密封系统,并采用自动润滑方式;可以通过泄露室对密封状况进行检测,并具有联锁保护功能。

3、盾尾止水装置采用4道钢丝刷密封,并在第2道与第3道钢丝刷密封之间设计紧急止水密封,可在隧洞内安全更换前2道盾尾密封。

4.1.3.4孤石、枯树等不良地质对选型的要求

1、配置双层先行式碳化钨撕裂刀,撕裂刀超前切刀布置,先行切削地层,对卵石地层、钙质结核地层和枯树进行破碎和切削,并保护切刀。

2、在泥水平衡仓底部配置破碎设备,对刀盘上未能破碎的较大粒径卵石进行破碎,防止排泥管堵塞。

3、配备双气路的双室人仓,具备带压进仓功能。

4、沉浸墙设置安全闸门,破碎机堵塞时,将沉浸墙关闭,可在常压下进入泥水平衡仓,进行排堵或维修破碎设备。

4.1.4 施工对环境影响的控制与保护

对环境的影响风险主要表现在竖井施工过程中周围地层和建筑物的沉降变形,以及盾构掘进施工对地面变形、河道行洪、地下水等的影响。

穿黄隧道要穿越大堤,由于大堤堤防工程由抛石护坡加固改造而成,其抗变形的能力比较差,对于施工控制要求比较高(文献研究表明,大堤沉降控制在20 mm),并且大堤的重要性等级比较高,一旦受到破坏,后果将十分严重。

降水施工主要的问题是引起地面沉降,采用的措施包括:加深隔水的地下连续墙深度,增长水的渗流路径;动态的抽水,合理的控制抽水量;避免长时间抽水,在施工过程中先不抽水,只在基坑开挖至一定深度后才开始抽水;尽量避免在汛期施工等。

穿黄隧道要穿越国家自然保护区,对于保护区的生态平衡,环境保护,水资源的影响,以及文物、拆迁也是本工程重大关切之处。

4.1.5 穿黄盾构施工的技术难点与风险

4.1.5.1盾构进出工作井施工风险

盾构进出工作井阶段风险主要包括:盾构机械的吊装和拼装、盾构出发、盾构到达和临时工程和设备四部分风险事故

1)盾构机械吊装和拼装事故:由于采用大直径盾构,机械只能分块吊装后在工作井内拼装,且拼装需要相当一段时间。由于拼装时间长,在此阶段可能遭遇暴雨等灾害性天气,同时未做好工作井排水工作造成事故的发生。南京地铁施工时曾发生过类似案例。发生此类事故的原因还可能是现场管理混乱,未按图纸要求安装,设备吊装过程中指挥不当,施工人员安全意识淡薄等。

2)盾构出发事故:在凿开工作面时,可能由于冻结失效引起工作面漏浆,泥水进洞;由于采用大直径盾构,工作面凿开后土压力非常大。盾构机械可能由于土压力过大而无法正常推进,甚至可能由于逆推力过大导致盾构后退,引起事故的发生;在盾构机械进去到一定程度以后,由于采用大直径盾构,开挖土体量非常大,开挖土体量大于上覆土体量时盾构隧道可能上浮。分析发生此类事故的原因可能是临时挡土墙拆除不当,地层加固不当、止水帷幕失效,导口垫圈密封失效,反力装置施工质量差,盾构姿态控制不当和轴线控制不当。

3)盾构到达事故:发生此类事故的主要原因是临时挡土墙拆除不当,地层加固不当、止水帷幕失效,盾构到达时推力和掘进速度不当,盾构姿态控制不当和轴线控制不当等。

4)临时工程和设备的拆除事故:发生此事故的原因大多是现场管理混乱,施工工序不当,施工人员安全意识淡薄等。

4.1.5.2盾构穿越江中段风险

盾构穿越江中段风险主要包括:主航道有沉船,孤石,哑炮(弹)不明障碍物;浅覆土,高水压,粉砂层产生开挖面冒顶事故;盾尾注浆冒浆密封失效引起

涌水涌砂事故;隧道整体上浮;高水压管片接缝的渗漏水事故。盾构穿越江中段风险事故及可能原因分析如下:

1)盾构机前方遇有主航道有沉船,枯树,孤石,哑炮(弹)不明障碍物事故:由于地质以及历史等等原因,盾构机穿越江中段时,前方有可能遇有主航道有枯树,孤石,哑炮(弹)不明障碍物。地下障碍物的存在会给盾构机的正常推进带来不利影响:首先导致可能引起刀盘磨损,从而不能正常开挖,影响工期。而更换刀盘不仅耗费不必要的资金,而且由于地下隧道特殊的条件,使刀盘更换难度增加,耗费不少时间;其次,障碍物可能致使扭矩突然增大,导致主轴承断裂,机器瘫痪。地下障碍物主要有沉船、透镜体、木桩、抛石、防洪堤、管线等。发生此类事故的原因可能是地质勘探不完全反映穿越地层以及历史上的资料收集不完整等。

2)浅覆土,高水压,粉砂层产生开挖面冒顶事故:一般来说,越江盾构隧道在江中段时,覆土较浅,水压较大,碰到不良地质条件如支护压力设置不当,极易发生开挖面的失稳事故。

3)隧道整体上浮:越江盾构隧道在江中段时,覆土较浅,水压较大,根据以往越江隧道的建筑经验来看,隧道整体上浮的可能性较大,因此要防止上浮量过大。

4)盾尾注浆冒浆密封失效引起涌水涌砂事故:盾构穿越江中段时,如盾尾注浆压力不足,注浆量过少时,易发生上覆土坍塌,引起涌水涌砂事故;反之,如果注浆压力过大,也可能发生冒浆密封失效引起涌水涌砂事故。

5)高水压管片接缝的渗漏水事故:盾构穿越江中段时,若管片接缝的防水施工质量不良,易发生渗漏水事故。

4.1.5.3超大盾构工作面失稳风险

泥水加压式盾构在掘进过程中,泥水不断循环,开挖面的泥膜因受刀盘的切削而处于形成—破坏—形成的过程中。开挖面的动态变化及掌子面前方不确定的地质因素,可能导致的安全风险如下:

1)致使前方地表或江底产生较大隆起或沉陷;

2)掌子面前方遭遇流砂或发生管涌,盾构机将发生磕头或突沉;

3)推进过程中出现超浅覆土将导致冒顶、江水回灌、泥水冒溢等事故;

4)承压水引起突然涌水回灌,盾构正面塌方。

超大盾构工作面失稳风险可能原因分析如下:

1)支护压力过小导致开挖面前方土体大量进入泥水舱,引起地基发生过大沉降,甚至地表坍塌;

2)支护压力过大,则容易产生地表隆起,如果处于江底,开挖面土体失稳有可能产生沟通隧道与江水的水力通道,造成江水回灌和淹没隧道。

4.1.5.4盾尾密封事故风险

盾尾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,注浆浆液、地层中水(或江水)、砂涌入隧道,造成开挖面失稳,地表过大沉陷(江中段严重时可能产生冒顶)。

4.1.5.5施工中地层移动风险

施工中地层移动风险事故及可能原因分析如下:

1)盾构到达前的变位。在盾构的掘进过程中,由于开挖面涌水、管片拼装不良等种种原因引起地下水位降低,从而引起开挖断面之前相当距离的观测点的沉降。

2)盾构到达时的地层变位。这种地层变位是在开挖面靠近观测点并达到观测点下方这个过程中所产生的沉降或隆起现象,是因为土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等作用产生的地层变位。

3)盾构通过时的地层变位。这种地层变位是因为由于盾构机的通过破坏了原来的土体的状态,造成了土体的扰动所致。

4)盾尾通过后瞬间的地层变位。由于盾尾间隙的存在,上方及周围土体应力释放,引发了土体的塑形变形,从而产生了较大的地层变位。

5)地层后期固结变位。在软土地区,相当长的一段时间内,盾构机过后扰动的土体将继续发生固结沉降及蠕变沉降,产生了后期变位。

4.1.5.6盾尾冻结法施工风险

盾尾冻结法施工风险事故及可能原因分析如下:

1)造成盾构机变位。冻结过程中盾构机受冻土力的作用,可能会发生盾构机的变形从而造成隧道横向断面变形,从而影响隧道的椭圆度。

2)造成管片环开裂。冻结过程中盾构机受冻土力的作用,由于隧道横向断面变形,隧道管片受压过大可能发生开裂情况。

3)冻结仪器故障造成冻结效果降低。可能发生突然断电、冷冻液断货或备料不足、冷冻液质量问题及温度表失灵等。

4)解冻阶段施工风险:一方面,解冻会引起地基变形,造成地面沉降和地下管线受损。另一方面,隧道会在冻涨之后发生回缩变形从而导致渗漏水。

4.1.6 联络通道的设计与施工风险

联络横通道的主要作用是:(1)为养护维修人员提供左右线之间的便捷通道;

(2)紧急情况下人员的疏散;(3)紧急情况下消防、救援人员的进入。

近年来国内联络通道施工过程曾出现重大事故,因而联络通道的设计与施工风险不容忽视。有一种意见是在江底尽可能少或干脆不设联络通道,以避免风险。目前国内没有关于水底隧道联络通道的规范,但国外却明确规定其间距不得大于250 m,随着以人为本意识的提高,设置联络通道以方便火灾状况下的逃生必然会在国内达成共识。

4.1.7 工期的风险

由于水底隧道本身面临的技术、管理上的风险,也就决定了其面临着工期的风险,控制住了技术、施工风险,也就控制住了工期风险。但如何通过提高施工速度缩短工期,带来高投资效益、高的安全性和耐久性,避免重大风险的发生是值得研究的。目前国内和国外在盾构隧道施工的技术差别不大,但管理水平和提高管理水平的意识上却有相当大的差别


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