盾构施工风险管理（李长山）

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1、盾构施工风险管理,1、盾构机的种类 2、盾构施工三要素 3、盾构施工的关键技术 4、盾构施工的主要风险源,二、盾构施工的主要风险管控,三、盾构施工的风险控制措施,一、盾构施工的主要风险源,主要内容,按开挖面是否封闭划分，可分为密闭式和敞开式两类。按平衡开挖面土压与水压的原理不同，密闭式盾构机又可分为土压式和泥水式两种。敞开式盾构机按开挖方式划分，可分为手掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式三种。按盾构机的断面形状划分，有圆形和异型盾构机两类，其中异型盾构机主要有多圆形、马蹄形和矩形。,一、盾构施工的主要风险源,1.1 盾构机的种类,土压平衡模式示意图,泥水盾构根据泥水舱构造形式和对泥浆压力的控制方式

2、的不同，泥水盾构分为:直接控制型和间接控制型,泥水平衡模式示意图,机械式,手掘式,网格式,半机械式,1.2 盾构施工三要素,盾构施工三要素：地质、盾构机、人 地质是基础、 盾构机是关键、 人（管理）是根本,盾构设备 （机）,管理 （人）,工程地质 水文地质 （土）,盾构施工三维控制原理,1.3 盾构施工的关键技术,盾构施工技术的关键 保头、护尾 吃得进、排得出、控得住,1.4 盾构施工的主要风险源,盾构施工主要风险源：地质风险、盾构机适应性风险、人（管理）的风险 盾构施工风险三维控制原理,设备风险 （机）,地质风险 （土）,管理风险 （技术，人）,2.1 地质与盾构选型风险 2.2 盾构组装与

3、调试风险 2.3 盾构始发与到达作业风险 2.4 盾构掘进施工风险 （1）地面塌陷 （2）刀具失效及其危害 （3）卡壳、裹筒体（后盾） （4）结泥饼 （5）螺旋机喷涌 2.5 特殊地层掘进风险控制 2.6 盾构设备维护保养风险,二、盾构施工的主要风险管控,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险 1）岩土结构、构造和矿物成分复杂,沉积岩,岩浆岩,盾构机的选型依据：地质条件；开挖面稳定性；隧道埋深、地下水位；隧道设计断面、路线线型、坡度；环境条件、沿线场地；管片衬砌类型；工期造价等。 地质条件错误、选型失误，是盾构施工最大的风险。,2.1.1地质风险 1）岩土结构、构造和矿物成分复杂,2.

4、1 地质与盾构选型风险,砂卵石与泥岩交互,变质岩,2）复合地层,在隧道开挖断面范围和开挖的延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层。,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险,3）不良地质,岩溶、瓦斯、富水断裂带、球状风化体、易液化或高承压水砂层等，甚至是化工药剂污染地层。,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险,富水断裂带,瓦斯,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险,3）不良地质,花岗岩球状风化体（孤石）,砂砾卵石和漂石地层,4）地下异物：桩基、流木、沉船等,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风

5、险,流木,广州地铁某区间开仓清除桩基,5）土洞、溶洞,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险,2.1 地质与盾构选型风险,2.1.1地质风险,6）地下水,“水”是地下工程第一风险元素或“头号杀手”，是地质认知的最重要环节。尽管盾构工法是密闭施工方法，使水平衡不被打破，但有的地质条件诸如断裂破碎带、溶洞地带等水压力本身有变化，使盾构很难建立动态平衡，势必造成超挖过大甚至坍塌。,广州地铁三号线某区间断裂带地质剖面图,管片背后的积水从注浆孔喷出,地下工程对地下水的影响,地下工程占用了地下水的蓄水空间，加重城淹、洪灾； 抬高上游水位造成建筑物隆起，降低下游地下水水位导致建筑物下沉； 注浆材料选

6、择不当，导致地下水污染。,22,2.1.2 盾构设备风险,1、盾构选型风险,2、主轴承和刀盘驱动系统风险,3、三大密封风险, 主轴承密封 中折密封 盾尾密封, 软土地层 硬岩地层 复合地层, 土压平衡式盾构 泥水平衡式盾构 （ 双模式盾构）,23,1、盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,（1）掘进过程基本不需要或很少需要换刀 （2）掘进过程主要保持掌子面和地面稳定 （3）刀盘结构较为简单、刀具配置单一,软土地层刀盘刀具配置示意,软土地层盾构机特点,24,1、盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,软土地层盾构机特点,（4）软土地层一般塑性土压比较大、刀盘切土的扭矩可全部由土体对

7、盾壳产生的塑性土压平衡，掘进过程较为平稳 （5）主轴承寿命一般要求不高 （6）对于土压平衡盾构，掘进中渣土改良可节省泡沫用量 （7）刀盘、盾壳可选用一般钢材制造（例如Q235 ）,25,1、盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（1）掘进过程需要换刀，并需在采用稳定掌子面技术措施条件下进行换刀或对刀盘切口环进行补强 （2）掘进参数应与不同刀具破岩机理相适应, 滚刀破岩机理 切刀（刮刀）切土破岩机理 滚刀、切刀联合破岩机理,滚刀与刮刀,26,1、盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（3）刀盘结构极为复杂，需多种刀具配置形式 （4）复合地层

8、塑性土压是变化的，刀盘切土破岩的扭矩可全部由土体对盾壳产生的塑性土压平衡，或由部分土体对盾壳产生的塑性土压和推进油缸压力垫与管片环端面摩擦力共同作用平衡，掘进过程受力工况复杂，稳定性较差,复合地层盾构机刀盘刀具布置,27,1、盾构选型风险,软土地层盾构机与复合地层盾构机,复合地层盾构机特点,（5）主轴承寿命一般要求较高 （6）对于土压平衡盾构，需配置良好的渣土改良系统 （7）刀盘、盾壳要选用较好的钢材制造（如Q345）,28,1、盾构选型风险,土压平衡与泥水式盾构机,（1）在富水破碎复合地层或水下隧道通常选用间接控制型泥水加压平衡盾构，在复合地层掘进间接控制型泥水加压盾构一般在气压舱安置破碎机

9、。,破碎机在间接控制型泥水盾构机中的配置示意图,29,1、盾构选型风险,土压平衡与泥水式盾构机,（2）地下水渗透系数低的复合地层一般选用土压平衡盾构，对于抗压强度较高的岩层，目前选型存在两种不同观点，一种观点是应选用土压平衡盾构，方便更换刀具；另一种观点是考虑到泥浆对刀具的刀刃起到润滑作用，减少刀具磨损，应优先选用泥水盾构。,（3）为了更好控制掌子面和地面稳定应选用间接控制型泥水盾构，发挥其控制沉降作用。,（4）盾构选型与水压的关系：当水压大于0.3Mpa时，适宜选用泥水平衡盾构。如选用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，螺旋机闸门处易出现碴土喷涌现象，引起土仓压力下降，导致开挖面

10、坍塌。 当水压大于 0.3Mpa时，如因地质原因需要采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机长度，或采用二级螺旋输送机。,31,2、主轴承和刀盘驱动系统风险,主轴承风险,（1）当主轴承出现不可处理的破损，对于全断面硬岩地层，可在自稳围岩中扩洞更换，而在软土和复合地层中，加固土体扩洞代价太大，更换主轴承风险很高。 （2） 盾构选型中，尽量选用高寿命轴承和高扭矩、耐冲击的传动系统，从而降低主轴承风险。,32,2、主轴承和刀盘驱动系统风险,刀盘驱动系统风险,（1）刀盘驱动系统破坏在施工过程时有发生，如驱动装置行星齿轮减速器太阳齿轮破坏。 （2） 对复合地层盾构刀盘驱动系统末级传动副，行星齿轮减速器的输出

11、端小齿轮如能采用简支结构，可减少悬臂结构带来风险。,行星齿轮减速器输出端简支结构的小齿轮,33,3、三大密封风险,主轴承密, 主轴承密封失效，主轴承就会先损坏 合适的多道耐磨密封形式、功能完善可靠的润滑和冷却系统是降低主轴承密封风险的重要因素。主轴承密封寿命要高于主轴承寿命,主轴承密封示意图,34,3、三大密封风险,铰接密封, 在设置铰接装置的盾构中，中折密封是否可靠，关系到砂水是否涌进盾构机内，在高水压软弱地层显得特别重要 铰接装置及其密封设计必须适应盾构机在曲线隧道掘进要求 充气临时密封止水带应可靠工作 铰接密封结构如图所示，由固定螺栓、密封固定环、调节螺栓、密封调整环、双孔橡胶密封圈、M

12、C尼龙密封块、紧急气囊组成。,铰接密封示意图,35,3、三大密封风险,盾尾密封, 盾尾密封是否可靠，关系到水、泥砂是否涌进盾构机内，同时确保盾尾同步注浆及二次注浆质量及浆液是否涌入盾构机内 多道密封形式设计应合理，密封刷应耐磨工作可靠,盾尾密封示意图,2.1.3 选型不当实例,某刀盘刚度不足，中心部位凹陷, 结构、功能、刀具、开口率等。,某刀盘强度不足，局部碎裂,盾构机进场的运输, 盾构吊装调试现场作业，主要风险有超宽超高运输风险，超大超重吊装风险，超大型设备协调配合调试风险。,盾构吊装,盾构合龙调试,2.2 盾构组装、调试风险,盾构施工过程中，始发与到达的风险最大，主要有：盾构基座变形；反力

13、架位移或变形；破除洞门时涌水涌砂涌土；洞门密封失效或漏水；姿态突变；轴线偏离等。,盾构始发,盾构到达,2.3 始发到达作业风险,（1）地面塌陷 （2）刀具失效及其危害 （3）卡壳、裹筒体（后盾） （4）结泥饼 （5）螺旋机喷涌,盾构掘进,2.4盾构掘进施工风险,（1）地面塌陷,压力不足、压力波动、多出土等引起的地面塌陷,（2）刀具失效及其危害,掘进过程中推力急剧上升，接近峰值；速度迅速降低，只能缓慢推进，甚至无法掘进，或出现异常噪音。,刀具磨损不能及时发现时，对刀盘破坏性较大。,在盾构掘进时，要根据掘进参数和出碴情况随时判断刀具磨损情况 ，参数变化异常、不稳定或出现大块岩石时，应立即停机，开仓

14、检查道具。或根据地层特点，定时检查刀具。,（3）卡壳、裹筒体（后盾）,切口环间隙位置的岩面,A、 边缘刀过度磨损，盾构开挖半径不足，造成在硬岩层盾体卡壳。,B、在较硬岩层中，转弯或纠偏太急，盾构机刀盘开挖量不足，也会造成卡壳。 C、被动铰接的盾构机铰接拉力有限，在岩层或加固体中掘进时，浆液容易裹住盾构机尾盾，使盾体被困； 在富水砂层中，因停机导致砂子沉淀裹住盾体，致使盾构机被困（甚至裹住螺旋机，无法出土）。,（4）结泥饼,泥饼形成的条件：地层中黏性成分比例高（一般粘土粒、碎屑含量大于25%）、刀盘开口率小（特别是中心区开口率）、刀具布置（滚刀、刮刀位置）不合理、刀具高度（及滚刀、刮刀高度差小于

15、20mm）不合理、碴土改良设施及添加剂引用、推进速度低和油温土温高。,（5）螺旋机喷涌,喷涌发生的原因：盾构正面渗透性较大的砂土中水头压力所产生的向螺旋排土口渗流力，经过土仓及螺旋出土器过程的水头损失，并在螺旋出土器的排土口产生喷涌。 喷涌发生的关键是砂性土具有良好的渗透性，不能对流经的水造成较大的水头损失。,双螺旋螺旋机,双闸门螺旋机,防喷涌措施：碴土改良、选用双螺旋螺机或双闸门螺机。,维修保养作业风险，如开仓检查换刀 维修保养不善造成机器故障频繁：主轴承故障、减速箱故障、轨道事故等 十字保养法：清洁、润滑、紧固、调整、防腐 预防维修法：定期保养；状态监测；按需维修,2.6 盾构设备维护保养

16、风险,1、贯彻科学发展观，以人为本，重视技术人才和搭配使用、技术研究、技术创新。 2、根据工程特点和地质条件正确选型、科学配套设备。人与机械的和谐相处，爱护盾构机设备就像战士爱护武器一样。 3、对各种风险超前考虑、制定专项施工方案和应急预案，并进行专家论证。尽可能提前排除风险。 4、建立一支对机器熟悉、操作熟练、各工种配套的优秀作业队伍。,三、盾构施工的风险控制措施,盾构施工的“四要素”：开挖控制、管片拼装、线型控制和注浆。 1、开挖控制：目标是确保盾构工作面稳定。土压盾构与泥水盾构的开挖控制内容不同，土压盾构，以土压和碴土塑流性改良控制为主；泥水盾构的开挖以泥水压和泥浆性能控制为主，辅以排土量控制。 2、管片拼装：管片错缝拼装，先紧固环向螺栓，后紧固轴向螺栓，紧固力取决于螺栓的直径与强度。,3.1盾构施工安全技术管理的重点,3、线型控制：线型控制的主要任务是通过控制盾构姿态，使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑，且位于偏离