盾构法隧道施工安全风险评估指南-08-01-20.doc

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北京市轨道交通工程建设

施工安全风险评估指南

（初稿）

北京市轨道交通建设管理有限公司

中国矿业大学（北京）

二零零八年元月

目录

1总则 4

2一般规定 4

2.1施工工法 4

2.2评估阶段 4

2.3评估时间、评估程序和评估方式 5

2.4风险事件和安全风险因素 5

2.5安全风险监控 6

2.6风险预警 6

3明挖法 6

3.1一般规定 6

3.2施工准备期 6

3.3施工期 6

4暗挖法 6

4.1一般规定 6

4.2施工准备期 6

4.3施工期 6

5盾构法 6

5.1一般规定 6

5.2施工准备期 7

5.2.1设计安全性评估 7

5.2.2盾构区间隧道组段划分 8

5.2.3盾构及其重要配套设备的适应性评价 10

5.2.4施工组织设计评价 11

5.3施工期 11

5.3.1盾构始发/到达施工评价 11

5.3.2盾构施工参数的监控与预警 12

5.3.3施工现场评估 16

5.3.4施工单位管理水平的评估 16

5.3.5现场作业队伍的作业水平和盾构操作能力的评估 17

附表5.1盾构始发/到达端头加固设计评价表 18

附表5.2盾构及其重要配套设备适应性评价表 19

附表5.3施工组织设计评价表 20

附表5.4盾构始发/到达施工评价表 21

附表5.5施工现场巡视评估表 22

附表5.6施工单位管理水平评价表 23

附表5.7作业队伍和盾构操作水平的评价 24

1总则

1.0.1为有效预防和预控北京市轨道交通工程建设施工现场安全风险，规范施工过程中的风险控制，特制定本指南。

1.0.2本指南是北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系的组成部分，作为管理体系的技术支持性文件，旨在强化北京市轨道交通工程建设施工现场安全风险管理。

1.0.3本指南明确了施工安全风险评估及预警的方法、原则、内容、程序和标准，并为信息管理平台提供切实可行的安全风险评估表格及管理流程。

1.0.4北京市轨道交通工程建设施工安全风险评估及预警工作除应遵守本指南外，尚应符合现行国家和行业标准的有关规定。

1.0.5本指南适用于北京市轨道交通工程建设明挖、暗挖及盾构工法的施工现场安全风险评估工作，也可作为其它类似工程的施工现场风险评估参考。

2一般规定

2.1施工工法

2.1.1北京市轨道交通工程建设明挖法施工基坑开挖常用方法有桩（墙）加内支撑支护开挖、桩（墙）加锚杆（索）支护开挖、土钉墙支护开挖及自然放坡开挖等。

2.1.2北京市轨道交通工程建设暗挖法施工常见的典型工法有正台阶法、单侧壁导坑超前正台阶法、双侧壁导坑正台阶法、中隔墙法、柱洞法、侧洞法、洞桩法等。

2.1.3北京市轨道交通工程建设盾构法施工常见的典型工法有土压盾构法、泥水盾构法和敞开式盾构法等。

2.2评估阶段

2.2.1明挖法、暗挖法、盾构法施工安全风险评估分施工准备期、施工期两个阶段进行。

2.2.2施工准备期安全风险评估主要有以下三方面的内容：

（1）设计安全性评估

（2）地质、环境、施工工艺及设备适应性、影响性评估

（3）施工组织管理评估

2.2.3施工期安全风险评估主要有以下五方面的内容：

（1）工作面安全状态评估与预警

（2）施工工艺、设备施工参数的控制与预警

（3）环境影响性控制与预警

（4）项目组织管理评估与预警

（5）作业队伍作业水平及施工能力的评价

2.3评估时间、评估程序和评估方式

2.4风险事件和安全风险因素

2.4.1风险事件指工程施工中发生的可能影响到工程自身及环境安全、带来工程经济损失、工期延误甚至人员伤亡、环境破坏的事件。

2.4.2按照风险事件发生的部位或原因，分为作业面、环境、施工参数三方面的风险事件。

2.4.3根据风险事件发生的因果关系及严重程度，将风险事件分为一、二、三类。

（1）一类风险事件：

安全风险程度特别严重，马上会转化成大的风险事故，此类风险事件需要严重关注；

（2）二类风险事件：

安全风险事件严重程度为严重，是一类风险事件发生、发展的主要因素，可能会转变成大的风险事故，此类风险事件需要特别关注；

（3）三类风险事件：

安全风险事件严重程度为一般，不会立即转变成大的风险事故，是二类风险事件发生、发展的主要因素，当多个三类风险事件同时出现时可能会导致一类风险事件发生，此类风险事件需要关注。

2.4.4风险因素是导致风险事件发生、发展的潜在原因，包括致险因素、孕险环境等。

2.4.5风险因素分为设计安全性风险因素、地质与环境风险因素、设备适应性及施工工艺风险因素、施工组织管理风险因素四大类。

（1）设计安全性风险因素主要指设计在技术上存在不合理性或实施性不强或安全性较低，给工程施工带来的安全风险；

（2）地质与环境风险因素主要指或不良（特殊）工程地质条件、水文地质条件和周边环境给工程施工带来的安全风险以及施工给周边环境造成的安全风险；

（3）设备适应性及施工工艺风险因素主要指设备和施工工艺与工程地质、水文地质条件不适应带来的安全风险；

（4）施工组织管理风险因数指施工单位管理水平不高、作业队伍作业水平和施工能力较低和施工组织设计考虑不周全带来的安全风险

2.4.6明挖法、暗挖法及盾构法施工各类主要风险事件及风险因素参见附表2-1。

5盾构法

5.1一般规定

5.1.1按照2.2.2节施工准备期评估的内容，结合北京地铁盾构法隧道施工的特点，盾构法施工准备期的安全风险评估主要包括以下四个方面内容：

（1）设计安全性评估，主要是对盾构始发/到达端头加固设计的合理性及可实施性进行评估。

（2）盾构区间隧道组段划分，主要是对地质、环境进行安全风险评估并对隧道穿越的地层进行综合风险组段划分。

（3）盾构及其重要配套设备的适应性评价，主要是根据隧道穿越的地层情况对盾构及其重要配套设备进行评价。

（4）施工组织设计评价，主要是对盾构施工组织设计进行评估，包括施工组织、专项方案、应急预案、人员队伍和环境等方面。

5.1.2按照2.2.3节施工期评估的内容，结合北京地铁盾构法隧道施工的特点，盾构法施工期的安全风险评估主要包括以下五方面内容：

（1）盾构始发/到达施工评价，对盾构施工中最容易出现的安全风险事故工序--始发和到达的施工进行安全风险评价；

（2）盾构施工参数的监控与预警，对盾构施工参数进行实施的监控和预警，并确定主要施工参数的控制准则，控制范围和预警范围；

（3）盾构施工现场评估，对不能实时监控的盾构施工情况，通过现场巡视方法对这些安全风险事件进行评估；

（4）施工管理水平评估，对施工单位管理水平进行评估，主要包括盾构施工的管理与协调能力、管理人员和组织、管理人员的经验与素质、对盾构作业队伍的掌控水平和紧急情况的处理能力等；

（5）现场作业队伍的作业水平和盾构操作能力的评估，对隧道内作业队伍及盾构操作能力进行评估。

5.1.3盾构隧道施工期的地面环境风险评估（包括巡视等）工作，参见环境工程风险评估指南的相关部分。

5.1.4施工准备期和施工期的预警，各种预警都是单项预警或者施工参数预警，预警级别分为黄色预警、橙色预警和红色预警，详细预警规定见2.6节。

5.2施工准备期

5.2.1设计安全性评估

5.2.1.1设计安全性评估主要是对盾构始发/到达端头加固设计的合理性及可实施性进行评估。

5.2.1.2盾构始发/到达端头加固的目的：

（1）防止拆除维护结构（地下连续墙或维护桩等）时扰动的影响：

盾构始发和到达前拆除维护结构时会对地层有较大的扰动，对地层稳定极为不利。

地层加固的一个重要作用就是增加土层的自稳性，防止拆除维护结构时扰动对土体稳定的影响；

（2）盾构进入洞门前地层能够长时间稳定：

盾构始发前拆除维护结构会使开挖面处于暴露状态且持续时间较长，维护结构拆除后盾构需要一定时间才能进入洞门至开挖面，地层加固一定要确保地层能够在一定时间内保持稳定；

（3）减小土体的渗透系数，防止发生突水、涌水和涌沙事故：

土体的渗透性是影响地层稳定的重要因素，地层加固既提高地层土体的强度，也减小该土体的渗透性；单纯提高土体强度而不减小土体的渗透性，地下水的作用可能诱发生突水、涌水、涌沙和塌方等事故，严重影响盾构始发和到达施工的安全；

（4）防止土压建立困难引起的过大地面沉降或坍塌：

盾构进入洞门后在一定的掘进距离长度内土舱压力较小，不足以维持开挖面压力的稳定，地层加固必须确保盾构在土压建立前开挖面不会因为压力不足而引起地面过大沉降或坍塌。

5.2.1.3盾构始发/到达端头加固设计评价的主要内容有下列四个方面：

（1）加固后土体强度，如考虑加固土体的C、Φ值、单轴抗压强度等；

（2）加固范围，主要考虑纵向加固长度L、加固宽度B、上方加固高度H1和下方加固高度H2；

（3）加固后土体的渗透性，主要评价指标为土体的渗透系数K；

（4）设计采用的加固方法。

5.2.1.4盾构始发/到达端头加固设计评价的方式采用填表法，所填表格见附表5.1。

附表5.1中列出了盾构始发/到达端头设计评价的评价因素，咨询单位、监理单位和施工单位对各个评价因素进行评价，指出存在的主要问题并提出建议采取的处理措施。

5.2.2盾构区间隧道组段划分

5.2.2.1盾构施工参数的合理选取和控制是有效减少和避免盾构施工风险的必要措施，因此建立适应不同工程地质条件、水文地质条件、地层环境条件和其它特殊条件下盾构施工参数控制标准和（/或）控制范围，实现盾构施工的规范化和施工管理的标准化，从而有效控制盾构施工风险是非常有必要的。

5.2.2.2盾构施工参数必须根据项目环境条件（包括地面和地下建（构）筑物等）和工程、水文地质条件来确定。

盾构施工过程中穿越的地层及其工程地质、水文地质条件并不是一成不变的，当项目环境条件或工程地质、水文地质条件发生变化时，盾构施工参数也必须相应调整，因此必须根据盾构施工过程中的工程、水文地质条件、地面和地下环境条件以及隧道埋深等因素对盾构法施工的区间隧道进行组段划分，确定适应各个组段的盾构施工参数控制标准和/（或）控制范围。

组段划分是建立盾构法隧道施工安全风险评估指南的重要工作和首要内容。

5.2.2.3盾构法施工的区间隧道组段划分主要基于以下两点：

（1）盾构隧道穿越的土层性质：

盾构施工参数确定的基本原则，首先是依据盾构开挖的地层情况。

（2）盾构施工环境条件的组合影响：

除考虑盾构隧道穿越的地层情况外，还须充分考虑盾构施工环境条件的组合效应，亦即盾构隧道上方地层情况及是否有重要管线，区间盾构隧道上方地面和地下建（构）筑物存在与否，区间盾构隧道下方地下建（构）筑物存在与否，地面沉降控制要求，盾构隧道穿越特殊地层条件，如巨型漂石、水体下穿越等，都会影响到盾构区间组段的划分。

5.2.2.4综合考虑项目初勘资料、详勘资料和补勘资料中盾构隧道穿越的地层特性，对盾构施工区间隧道进行组段划分如下：

（1）A段：

盾构穿越的地层为粘土、粉质粘土、粘质粉土和粉土以及这四种土层组成的复合地层；

（2）B段：

盾构穿越的地层为沙层，包括粉沙、细沙、中沙和粗沙；

（3）C段：

盾构穿越的地层为砾石（卵石）层；

（4）D段：

盾构穿越的地层为土与沙的复合土层；

（4）E段：

盾构穿越的地层为土、沙、砾石（卵石）的复合地层；

（6）F段：

盾构穿越的地层为土岩混合地层。

5.2.2.5进行盾构施工环境的组合风险因素划分时主要考虑以下四点因素：

（1）隧道的埋深；

（2）地面和地下环境条件（建筑基础、管线、既有轨道线路）；

（3）特殊地质情况（漂石、隧道上方有河流等水体）；

（4）盾构穿越地层的上覆土层性质。

5.2.2.6盾构施工环境组合风险因素分为以下三级：

I级：

盾构下穿或上穿既有轨道线路，或下穿或者临近重要建（构）筑物，或下穿重要市政管线和河流工程，或土层中有漂石、孤石等特殊地质情况，或隧道埋深小于9m的浅埋隧道，或以上两种及以上情况的组合。

II级：

隧道埋深大于9m，或隧道上方地层中有一般的市政管线，或隧道临近或者下穿一般建筑物，或下穿重要市政道路，或地层中的不良地质情况对盾构施工影响较小并没有特殊地质情况。

III级：

隧道埋深大于13m，或隧道上方地层中没有管线或者只有对沉降不敏感的管线（如电力管线、电信管线、广播管线等）且管线埋深较浅，或隧道与建筑物基础和重要市政道路距离较远，或地层中没有不良地质情况等特殊地质情况。

5.2.2.7盾构施工区间隧道组段的综合划分是在盾构穿越土层组段划分的基础上按照盾构施工环境的组合风险级别对各个组段进行更详细的划分，将A、B、C等六个土层组段划分为AI、AII、AIII、BI、BII、BIII、CI、CII、CIII、…FI、FII、FIII等18个组段，即将每个土层组段按照盾构施工环境风险级别划分为I、II、III三个组段。

盾构施工区间隧道组段的综合划分见图5-1所示。

对于任何一个盾构区间隧道而言，都是由以上18种组段中的一种或几种组段组合而成。

图5-1盾构区间隧道组段综合划分示意图

5.2.3盾构及其重要配套设备的适应性评价

5.2.3.1盾构区间隧道施工中，盾构隧道穿越的地层复杂多变，一台盾构不可能做到对任何地层条件都适应，每台盾构都有一个最佳的适应范围。

盾构及重要配套设备的适应性评价主要根据项目工程地质、水文地质条件和地面状况、地层分层情况和设计要求以及施工中可能遇到的各种风险因素对选定的盾构及重要配套设备进行评价。

5.2.3.2在进行组段划分时已经考虑了项目的工程地质、水文地质条件和地面状况、地层分层情况和施工中可能遇到的各种风险因素，因此盾构及重要配套设备的适应性评价只需结合该项目的组段划分情况进行适应性评价即可。

5.2.3.3盾构及其重要配套设备适应性评价的主要内容有以下七个方面：

（1）刀盘型式和刀具布置与地层条件的适应性；

（2）盾构推力和刀盘扭矩与地层条件的适应性；

（3）螺旋输送机设计与地层条件的适应性（弃渣状态和施工进度要求等）；

（4）注浆设备的适应性评价；

（5）皮带传送设备的适应性评价；

（6）泡沫设备的适应性评价；

（7）油脂设备的适应性评价。

5.2.3.4盾构及其重要配套设备适应性评价采用填表法，所填表格见附表5.2，咨询单位对盾构及其重要配套设备适应性进行评价，指出存在的主要问题并提出建议采取的应对措施和施工中应注意的问题。

5.2.4施工组织设计评价

5.2.4.1盾构施工组织设计应全面考虑拟建工程的各种具体施工条件，确定合理的施工方案、施工顺序、应急方法和人员组织，合理统筹安排施工进度，在施工准备期应该对盾构施工组织设计进行评估以减小施工阶段盾构施工出现安全风险事故的可能性。

5.2.4.2施工组织设计评价的内容主要有下列几个方面：

（1）施工前工程地质和水文地质条件调查情况；

（2）施工环境调查情况，主要包括各类管线、建筑物、构筑物、地下基础和其它施工环境的调查情况；

（3）工期安排和施工场地布置情况；

（4）施工组织机构、施工队伍、人员安排情况；

（5）施工组织设计、专项施工方案和应急施工预案情况；

5.2.4.3盾构施工组织设计评价的方式采用填表法，所填表格见附表5.3所示。

监理单位对盾构施工组织设计进行评价，指出存在的主要问题并提出建议采取的处理措施。

5.3施工期

5.3.1盾构始发/到达施工评价

5.3.1.1盾构始发/到达施工评价的主要内容有以下四个方面：

（1）洞门和维护结构评价；

（2）洞门防水措施评价；

（3）端头加固效果评价；

（4）始发/接收架和反力架评价。

5.3.1.2盾构始发/到达施工评价的方式采用填表法，所填表格见附表5.4。

监理单位和咨询单位对盾构始发/到达施工进行评价并指出存在的主要问题和提出建议采取的应对措施。

5.3.2盾构施工参数的监控与预警

5.3.2.1盾构施工参数的评估需要建立适应不同组段的施工参数的控制准则和控制范围，主要考虑以下几点：

（1）不同组段控制土压力参数的选取及其控制准则和控制范围：

根据上覆土层的性质和地下水情况计算主动土压力Ea、被动土压力Ep和静止土压力E0，Ea

土压力的控制范围应该在Ea～Ep之间，或根据隧道埋深计算地应力后乘以水平应力系数。

（2）不同组段盾构推进刀盘扭矩和总推力的控制范围：

盾构在沙层、卵砾石层和沙、卵石复合地层中刀盘扭矩和总推力偏大。

总推力必须根据隧道的埋深、土舱内的土压、盾壳与土之间的摩擦力、盾尾与管片间的摩擦力和后配套设备所需的牵引力来综合考虑，或者根据经验公式：

，P为单位开挖面积所需的推力，通常取0.6~1.2MPa，D为盾构刀盘直径。

刀盘扭矩必须根据刀盘切削土体所需的转矩、刀盘自重产生的阻力矩、密封装置对主轴承的阻力矩、刀盘周边的摩擦阻力矩和搅拌装置对土体的搅拌转矩来综合考虑，也可以根据经验公式：

来确定，的取值范围为8~23，D为盾构刀盘直径。

（3）不同组段盾构推进速度、刀盘转速和贯入度参数控制范围：

盾构在沙层、卵砾石层和沙、卵石复合地层中施工时，为减小磨损，应该采用低转速，高贯入度等措施，对于对沉降要求严格的组段，应该采用匀速推进。

（4）不同组段同步注浆压力参数的选取及其控制准则和控制范围：

同步注浆压力根据隧道的埋深来确定，例如：

隧道埋深为H处水土压力为P，同步注浆压力应该控制在1.2P～2.0P之间，但是同步注浆压力不能超过0.45MPa（4.5bar）。

当盾构穿越地段对沉降要求严格的组段时，应该适当增加注浆压力和增大注浆量，减小地表沉降。

（5）不同组段同步注浆量控制范围及其准则：

同步注浆量应根据盾构外径与管片内径之间空隙的体积V来确定。

例如盾构外径6.25m，管片外径6.0m，每环管片长度1.2m，m3。

每环的同步注浆量一般控制在1.2V～1.8V，对于沙层、卵石层和沙、卵石复合地层同步注浆量要偏大一些，对于沉降控制较严格的组段也应该适当增加同步注浆量，减少地表沉降。

（6）不同组段二次补浆压力、补浆量和补浆频率参数的推荐范围：

二次补浆压力一般控制在隧道埋深处水土压力+0.05MPa，每环补浆量一般控制在0.7m3以下，补浆频率宜在管片脱出盾尾6-8环时进行，5-10环为一组。

（7）推进油缸伸缩组数控制指标（指管片安装时）：

管片安装时，推进油缸同时收回的最大组数为2组（仅在安装封顶块时），一般情况下为1组。

（8）不同组段的盾构姿态和TBM滚动角的控制范围：

盾构姿态横向偏移最大允许值为50mm，竖向偏移最大允许值为25mm。

TBM转动角允许值在-5°~5°之间。

考虑不同组段的具体特点，推荐主要盾构施工参数的控制范围见表5-1所示。

5.3.2.2盾构施工中主要控制参数如土压力、刀盘扭矩、总推力、推进速度、刀盘转速、贯入度、同步注浆压力和同步注浆量要按照表4-4中的控制范围严格控制，当这八种参数数值超过或者低于控制范围时需要进行预警，具体预警准则如下：

（1）黄色预警：

以上八种参数数值在1.0~1.1倍的控制范围最大值之间，或者在0.9~1.0倍的控制范围最小值之间；

（2）橙色预警：

以上八种参数数值在1.1~1.2倍的控制范围最大值之间，或者在0.8~0.9倍的控制范围最小值之间；

（3）红色预警：

以上八种参数数值大于1.2倍的控制范围最大值，或者小于0.8倍的控制范围最小值；

5.3.2.3盾构姿态和TBM转动角的预警准则如下：

（1）黄色报警：

①曲线半径大于500米时：

盾构水平偏差在40~45mm，竖向偏差在20~23mm，TBM转动角在-4°~-3°或3°~4°。

②曲线半径小于500米时：

盾构水平偏差在70~75mm，竖向偏差在20~23mm，TBM转动角在-4°~-3°或3°~4°。

（2）橙色报警：

①曲线半径大于500米时：

盾构水平偏差在45~50mm，竖向偏差在23~25mm，TBM转动角在-5°~-4°或4°~5°。

②曲线半径小于500米时：

盾构水平偏差在75~80mm，竖向偏差在23~25mm，TBM转动角在-5°~-4°或4°~5°。

（3）红色报警：

①曲线半径大于500米时：

盾构水平偏差大于50mm，竖向偏差大于25mm，TBM转动角小于-5°或大于5°。

②曲线半径小于500米时：

盾构水平偏差大于80mm，竖向偏差大于25mm，TBM转动角小于-5°或大于5°。

5.3.2.4盾构实时风险管理系统对各个标段盾构施工参数的控制情况进行实时监控，当施工参数达到或超过预警值时，盾构实时风险管理系统就在参数显示界面上自动报警，报警界面见图5-2所示。

界面中参数显示颜色分为：

蓝色、黄色、橙色和红色，分别代表正常、黄色预警、橙色预警和红色预警四种状态。

图5-2盾构实时风险管理系统参数报警界面

24

表5-1盾构主要施工参数控制范围表

参数

组段

土压力

bar

刀盘扭矩KN·m

总推力

KN

推进速度mm/min

刀盘转速rpm

贯入度mm/rpm

同步注浆压力bar

同步注浆量m2

推进油缸伸缩组数

盾构姿态mm

TBM滚动角

A

AI

E0～Ep

1500~2500

15000~20000

40~60

1.0~1.2

40~60

1.8P~2.0P

4.5~5

2

50/25

-5~5

AII

1.2Ea～1.2E0

1500~2500

15000~20000

40~60

1.0~1.4

40~60

1.5P~2.0P

4~4.5

2

50/25

-5~5

AIII

Ea～E0

1500~2500

15000~20000

40~70

1.0~1.4

40~60

1.2P~2.0P

3.5~4

2

50/25

-5~5

B

BI

E0～Ep

4000~5000

25000~30000

10~20

0.4~0.5

15~50

1.8P~2.2P

4.5~5

2

50/25

-5~5

BII

1.2Ea～1.2E0

4000~5000

25000~30000

10~20

0.4~0.6

15~50

1.6P~2.0P

4.5~5

2

50/25

-5~5

BIII

1.2Ea～1.2E0

4000~5000

25000~30000

10~30

0.4~0.8

15~50

1.4P~2.0P

4~4.5

2

50/25

-5~5

C

CI

E0～Ep

3000~4000

20000~25000

10~20

0.4~0.5

15~50

1.8P~2.0P

4.5~5

2

50/25

-5~5

CII

1.2Ea～1.2E0

3000~4000

20000~25000

10~20

0.4~0.6

15~50

1.5P~2.0P

4~4.5

2

50/25

-5~5

CIII

1.2Ea～1.2E0

3000~4000

20000~25000

10~30

0.4~0.8

15~50

1.4P~2.0P

3.5~4

2

50/25

-5~5

D

DI

E0～Ep

3000~4000

20000~30000

10~20

0.6~0.8

10~50

1.8P~2.0P

4.5~5

2

50/25

-5~5

DII

1.2Ea～1.2E0

3000~4000

20000~30000

10~30

0.6~0.8

10~50

1.5P~2.0P

4.5~5

2

50/25

-5~5