秦凱

摘要 過(guò)江水下隧道是開(kāi)展健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造工程的大直徑盾構(gòu)隧道，存在施工條件復(fù)雜、綜合布線(xiàn)難度大以及傳感器安裝要求難以滿(mǎn)足等問(wèn)題。文章通過(guò)在廊道層和行車(chē)層觀察目標(biāo)管片環(huán)的外露環(huán)縫位置，推測(cè)整環(huán)的拼裝形式，經(jīng)分析比較，提出以角鋼焊接支架作為支點(diǎn)、橋架側(cè)立安裝的實(shí)施方式。實(shí)踐證明該方法克服了隧道后期檢修時(shí)蓋板打開(kāi)困難的難題，且最大限度地降低了線(xiàn)纜布設(shè)侵占隧道凈空的程度，安裝質(zhì)量可控。

關(guān)鍵詞 水下隧道；盾構(gòu)施工；風(fēng)險(xiǎn)分析

中圖分類(lèi)號(hào) U415.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0141-03

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，大力建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的戰(zhàn)略意義。在這個(gè)時(shí)代，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來(lái)了新的戰(zhàn)略機(jī)遇期。然而，交通擁堵和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，現(xiàn)代社會(huì)迫切需要尋求相關(guān)的交通設(shè)施項(xiàng)目，以促進(jìn)資源的合理利用。因此，發(fā)展地下空間建設(shè)已逐漸成為城市建設(shè)的主流。與其他交通方式相比，隧道工程項(xiàng)目在減少土地利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少氣候影響等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用于城市建設(shè)項(xiàng)目中[1]。截至2021年底，中國(guó)已有50多個(gè)城市運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線(xiàn)路，總里程7 562.62 km，其中8 563.73 km，占78.9%。

因此，建設(shè)大直徑過(guò)江水下隧道不僅是現(xiàn)階段的重點(diǎn)研究方向，也是我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必由之路。隧道下穿采空區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)拱頂與采空區(qū)底板的距離進(jìn)行采空區(qū)危害評(píng)價(jià)，并采用加強(qiáng)超前支護(hù)和加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的處治措施。隧道正穿采空區(qū)時(shí)，在加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行超前注漿以防老窯突水等問(wèn)題[2]。隧道上跨采空區(qū)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)采空區(qū)移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)的基礎(chǔ)處理，基地注漿、設(shè)樁跨越等均為較有效的處治方式。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，水下隧道還具有受外部干擾較小、不影響航行等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。它們對(duì)于節(jié)約城市空間和促進(jìn)可持續(xù)城市建設(shè)具有重要的里程碑意義。基于上述優(yōu)勢(shì)，中國(guó)正在不斷加快水下隧道建設(shè)，項(xiàng)目數(shù)量正在快速增長(zhǎng)。

1 工程概況

泉州甌江南口過(guò)江隧道位于泉州市域鐵路S3線(xiàn)黃山站至靈昆站區(qū)間。其設(shè)計(jì)范圍為正線(xiàn)里程DK47+770.72～

DK52+653.21，過(guò)江隧道全長(zhǎng)4 882.49 m。其中，DK47+

770.752～DK48+085范圍為江北開(kāi)放段；DK48+085～DK48

+570為江北埋管段；DK48+570～DK49+200為江北礦區(qū)

段；DK49+200～DK49+240范圍為江北工作井；DK49+

240～DK51+904.6段采用盾構(gòu)法施工；DK51+904.6～DK51

+928.4為江南工作井；DK51+928.4～DK52+315為江南埋管段；DK52+315～DK52+653.21為江南開(kāi)放段。

1.1 地理位置及地形、地貌

福建屬于華南褶皺系，周?chē)鷺?gòu)造復(fù)雜：泉州中部被區(qū)域性泉州－鎮(zhèn)海斷裂貫穿，淳安－泉州NW斷裂穿過(guò)溫州北部，與泰順－黃巖斷裂NW側(cè)呈NE向相交[3]。受上述構(gòu)造的影響，泉州主要構(gòu)造格架的組成取決于北部和東部?jī)蓚?cè)斷層的影響，但由于位于第四系地層之下，對(duì)工程建設(shè)影響不大。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

根據(jù)構(gòu)造分析和現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，對(duì)擬建項(xiàng)目區(qū)的地層按形成原因進(jìn)行了分類(lèi)。典型土層如下：

（1）種植土壤和素填土（mlQ4）；顏色為灰黃色，土壤一般疏松而濕潤(rùn)，主要由黏性土組成。土層中含有大量的植物根系，其厚度約為0.4～0.7 m。

（2）黏土（al+IQ4）：顏色以灰黃色為主，整體呈軟塑狀。土壤中含有大量腐爛的植物和鐵錳氧化物，干強(qiáng)度和韌性處于中等水平。土層剖面相對(duì)光滑。該土層廣泛分布于擬建新建工程區(qū)域[4]。該層高程為0.97～1.46 m，埋深0.4～0.8 m，層厚1.4～2.5 m。進(jìn)行了16次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果顯示平均錘擊次數(shù)為3.86次。

（3）粉土（mQ2）：顏色以淺灰色為主，具有較高的流動(dòng)塑性。土壤中含有少量貝類(lèi)碎屑、有機(jī)物和殘余碎屑。在一些地區(qū)，有一層薄薄的淤泥。土壤剖面相對(duì)光滑，具有較高的干強(qiáng)度和韌性。該土層廣泛分布于擬建新建工程區(qū)域。層標(biāo)高?1.17～?0.35 m，層埋深2.1～2.9 m，層厚1.5～4.3 m。

1.2.2 構(gòu)造學(xué)

第四系松散堆積層位于擬建項(xiàng)目區(qū)構(gòu)造之上，受構(gòu)造因素影響較小。經(jīng)過(guò)對(duì)擬建項(xiàng)目區(qū)域一定深度范圍內(nèi)的勘察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不存在斷裂、褶皺等常見(jiàn)構(gòu)造。

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建的新項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆诋T江水系，流經(jīng)的一條支流，其水位、流速等數(shù)據(jù)受氣候影響較大。福建省第二大河九龍江為山溪型河流，干流發(fā)源于仙霞嶺，在泉州市注入東海泉州灣。干流全長(zhǎng)388 km，流域面積近1.8×104 km2。20世紀(jì)80年代之前，泉溪以下的干流受到潮汐的嚴(yán)重影響。20世紀(jì)80年代以后，該流域的潮汐邊界受到了人們生產(chǎn)活動(dòng)的極大影響，潮汐影響范圍涉及了泉溪上游的青田河城鎮(zhèn)（近20 km）。

1.3.1 地表水

擬建項(xiàng)目區(qū)位于海洋平原區(qū)，河道縱橫交織，寬度25～30 m。水深0.9～1.6 m（2016年12月26日測(cè)得），流速較小，以天然岸坡為主。新建項(xiàng)目區(qū)的地表水主要由附近的河流和溝渠組成，水流較大，在枯水期排入附近水域。地下水將流入河流或溝渠，以補(bǔ)充地表水。

1.3.2 地下水類(lèi)型、埋藏條件及其變化特征

（1）地下水分布概況。根據(jù)含水層介質(zhì)、湖泊水動(dòng)力特征和地下水利用等因素，施工區(qū)與工程有關(guān)的地下水可分為兩類(lèi)，分別是地表水和孔隙水。

孔隙潛水主要分布于第四系全新統(tǒng)沖湖積層②黏土層、全新統(tǒng)海相沉積物③粉土層、③粉土夾砂層、④粉土層、⑤泥質(zhì)黏土層、⑥黏土夾砂層、⑦黏土層、⑧粉土層。該研究對(duì)施工區(qū)上層粉土夾砂、下層淤泥質(zhì)黏土、黏土夾砂、黏土等原狀土層進(jìn)行室內(nèi)滲透性試驗(yàn)。

（2）地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。地表水和孔隙水之間的相互作用很強(qiáng)，但兩者之間的關(guān)系不如基巖裂隙水之間的關(guān)系密切。此外，降雨、蒸發(fā)和植物蒸騰也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響。一般來(lái)說(shuō)，地表水在降雨量充足的時(shí)期補(bǔ)充地下水，而地下水在降雨量稀少的時(shí)期也補(bǔ)充地表水。

1.4 關(guān)鍵施工技術(shù)

防火板覆蓋條件下的環(huán)縫測(cè)縫計(jì)定位技術(shù)是施工關(guān)鍵技術(shù)。隧道行車(chē)層的弧形頂面全部密貼防火板，且防火板接縫與盾構(gòu)管片接縫不對(duì)應(yīng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，測(cè)縫計(jì)需要安裝在環(huán)縫或縱縫處，測(cè)縫計(jì)定位問(wèn)題成為項(xiàng)目難點(diǎn)。針對(duì)相關(guān)問(wèn)題，以既有外露接縫為基準(zhǔn)，參考設(shè)計(jì)圖紙并復(fù)盤(pán)管片環(huán)拼裝形式和管片位置，提出根據(jù)管片內(nèi)弧長(zhǎng)推導(dǎo)管片環(huán)接縫位置的定位方法。該方法簡(jiǎn)述如下：

（1）系統(tǒng)梳理隧道施工階段管片拼裝方式。根據(jù)前期設(shè)計(jì)圖紙，管片拼裝根據(jù)封頂塊位置不同有5種方式。

（2）分別在廊道層和行車(chē)層觀察目標(biāo)管片環(huán)的外露環(huán)縫位置，并推測(cè)整環(huán)的拼裝形式，現(xiàn)場(chǎng)查看對(duì)應(yīng)管片環(huán)縱縫。

（3）在目標(biāo)管片環(huán)下方路面安裝激光定位儀。激光定位儀實(shí)物及現(xiàn)場(chǎng)定位作業(yè)，定位儀垂直于行車(chē)方向向上打出1道環(huán)形激光，從而準(zhǔn)確定位該環(huán)管片縱向所在位置，方便在綠光沿線(xiàn)尋找環(huán)縫位置。

2 水下盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 水下盾構(gòu)隧道施工物風(fēng)險(xiǎn)分析

材料和設(shè)備檢查是確保機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行和施工步驟有序進(jìn)行的必要準(zhǔn)備。對(duì)材料和設(shè)備的安全性能全面檢查，有助于發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備中的缺陷和隱患，制定預(yù)防措施，使設(shè)備性能保持良好的工作狀態(tài)，減少維護(hù)和修理時(shí)間，提高設(shè)備使用周期，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，提高了施工效率。

機(jī)械設(shè)備故障是導(dǎo)致施工事故的常見(jiàn)原因，如盾構(gòu)機(jī)機(jī)身滾動(dòng)問(wèn)題、風(fēng)機(jī)故障、鑿巖機(jī)水壓?jiǎn)栴}、攪拌機(jī)故障和盾構(gòu)尾部漏漿。由于外部因素對(duì)水下盾構(gòu)隧道施工的影響越來(lái)越大，機(jī)械設(shè)備故障很容易發(fā)生，與傳統(tǒng)隧道相比，設(shè)備維護(hù)更為困難。材料設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)是降低材料風(fēng)險(xiǎn)的基本保障，機(jī)械設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)有利于施工作業(yè)和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。因此，對(duì)機(jī)械設(shè)備定期維護(hù)十分重要。確保零部件材料的質(zhì)量是預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。嚴(yán)格執(zhí)行零部件材料管理制度，合理科學(xué)地安排采購(gòu)、加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)；完善材料驗(yàn)收制度和儲(chǔ)存保管制度，妥善安排施工材料，避免材料損耗、腐蝕和變質(zhì)等。

2.2 水下盾構(gòu)隧道施工人工操作風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)不同土層的地質(zhì)條件，制定完整的壓力下開(kāi)啟和更換工具的操作計(jì)劃。換刀操作時(shí)要嚴(yán)格檢查刀具質(zhì)量，確保刀具有余量和容量?jī)?chǔ)備。在水域下方挖掘時(shí)，應(yīng)避免更換工具或停止機(jī)器檢查等危險(xiǎn)操作，并盡量選擇更好的地質(zhì)條件打開(kāi)和更換工具。

密封裝置處理不當(dāng)通常會(huì)導(dǎo)致隧道門(mén)底部密封失效、始發(fā)井出水量激增、泥漿罐壓力異常以及循環(huán)系統(tǒng)故障。此時(shí)，由于密封無(wú)法保證正常施工的安全，無(wú)法繼續(xù)滿(mǎn)足泥水平衡，導(dǎo)致地下水和土壤大量流失和不穩(wěn)定，導(dǎo)致地表沉降增加甚至坍塌。

千斤頂?shù)倪x擇是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，每個(gè)千斤頂?shù)耐屏蛿?shù)量是確定設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。所用千斤頂?shù)臄?shù)量因橫截面的大小而異。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)確保千斤頂組的推力大于正前方土層的阻力，以確保盾構(gòu)施工的正常進(jìn)行。如果不選擇合適的千斤頂，當(dāng)盾構(gòu)隧道土層前方的阻力過(guò)高時(shí)，極有可能導(dǎo)致表面隆起和其他現(xiàn)象。

2.3 水下盾構(gòu)隧道施工自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

水文地質(zhì)條件是產(chǎn)生自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要因素。在不良地質(zhì)條件下施工過(guò)程中發(fā)生事故的概率顯著增加。地面塌陷、涌浪、隧道坍塌等常見(jiàn)工程事故的直接或間接原因均為不良地質(zhì)條件。隧道中常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象包括富水?dāng)鄬悠扑閲鷰r、膨脹巖、壓縮巖、黃土地質(zhì)、巖溶地質(zhì)和巖爆現(xiàn)象。

隧道施工對(duì)地下管網(wǎng)和周?chē)ㄖ锏挠绊懞艽?，是隧道施工中需要考慮的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)施工超出施工邊界或造成重大擾動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生大量工程事故，對(duì)天然氣管道、供水管道等地下管道或其周?chē)闹匾ㄖ镌斐刹煌潭鹊臄_動(dòng)或損壞。

工作環(huán)境是威脅施工人員安全的主要因素之一。風(fēng)險(xiǎn)源主要來(lái)自周?chē)鷻C(jī)械設(shè)備處置或操作不當(dāng)，如觸電、高空墜物、坍塌、火災(zāi)、中毒和窒息等。施工區(qū)域的侵蝕情況與水下盾構(gòu)隧道施工的進(jìn)度和數(shù)量有關(guān)。在開(kāi)始施工之前，應(yīng)對(duì)流域內(nèi)的侵蝕量和海岸結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和監(jiān)測(cè)。

3 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)對(duì)措施

3.1 人工操作風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整和平衡土壓力，使盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中螺桿機(jī)開(kāi)挖的土方量與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)計(jì)算值的理論值相匹配，嚴(yán)格保證盾構(gòu)姿態(tài)處于正常狀態(tài)，減少超挖和欠挖現(xiàn)象。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，定期對(duì)測(cè)量基站進(jìn)行校準(zhǔn)和復(fù)核。如果在盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)中發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)值等異常情況，應(yīng)及時(shí)停機(jī)驗(yàn)證，確保盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)路線(xiàn)與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)一致。

根據(jù)地質(zhì)條件優(yōu)化刀盤(pán)速度、螺旋輸送機(jī)速度、正向挖掘速度和推力等參數(shù)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)復(fù)雜不均勻的土層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放慢盾構(gòu)掘進(jìn)的前進(jìn)速度，以提高刀盤(pán)切割土壤的效率，最大限度地減少開(kāi)挖過(guò)程中來(lái)自土壤前部的阻力，并向工作面前部注入不易固化且具有潤(rùn)滑性的特殊土壤，減少土壤摩擦力，節(jié)省能源消耗，使推進(jìn)更加平穩(wěn)。在易形成泥餅的黏土土層中進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)速度與土壤輸入的比值，以控制工作面前方的土壤失穩(wěn)和損失。此外，在安裝拱底塊管片之前，有必要確保盾構(gòu)外殼底部的清潔度，以防止異物干擾管片并導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)姿勢(shì)發(fā)生偏差。

3.2 盾構(gòu)段隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

該工程區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，必須在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿作業(yè)。材料配合比必須使用主要由水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土和沙子組成的可硬化漿液。灌漿效率、施加的壓力和位置必須滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

盾構(gòu)隧道通過(guò)水域施工時(shí)，應(yīng)遵循“勻速連續(xù)”的原則。穿越前應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，仔細(xì)檢查切割頭的磨損情況，并提前更換切割工具。在水域下方挖掘時(shí)，應(yīng)避免更換刀具或停止機(jī)器進(jìn)行檢查等危險(xiǎn)操作。要對(duì)盾構(gòu)隧道上方河流表面異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水面漂浮異常氣泡甚至大面積泥漿時(shí)，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確判斷情況的嚴(yán)重程度，適當(dāng)降低掌子面前方的泥漿壓力和泥漿中水分的比例，同時(shí)提高泥漿的黏度，提高關(guān)鍵施工工序的效率，盡快過(guò)水。屏蔽尾部是防水關(guān)鍵，密封失效會(huì)造成災(zāi)難性后果。此外，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)尾部的水封壓力，更換密封刷時(shí)嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量，防止?jié){液流出。

3.3 水下盾構(gòu)隧道掌子面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

在軟弱地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的水土條件和整個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定相應(yīng)的施工方案，優(yōu)化開(kāi)挖參數(shù)。在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的工作效率和螺桿機(jī)的開(kāi)挖量，同步灌漿時(shí)應(yīng)控制匹配壓力和灌漿量。制定科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)和測(cè)量計(jì)劃，對(duì)開(kāi)挖前、開(kāi)挖中、開(kāi)挖后的變形和沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整和優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)。

在水下盾構(gòu)施工過(guò)程中，控制隧道表面的土壓力和水壓力是確保施工安全的重要保證。合理控制泥漿水比重、泥漿水黏度、含砂量、泥漿水比、降水量等參數(shù)，確保掌前土壤的可塑性，從而實(shí)現(xiàn)土壤的安全、穩(wěn)定和切割。

4 結(jié)語(yǔ)

該文根據(jù)人員風(fēng)險(xiǎn)、物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、人工操作風(fēng)險(xiǎn)、自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、人類(lèi)和社會(huì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的重要性，總結(jié)了主要風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施和次要風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，為泉州甌江北口跨江隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定了工作基礎(chǔ)。

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