地下工程施工安全控制措施

1）施工筹划及前期准备

（1）设备选型及改造。考虑到该工程盾构施工需穿越大量建（构）筑物、隧道线型施工难度大、施工所处地层复杂的特点，特别是嘉善路站—陕西南路站区间上行线部分涉及超深覆土的砂性土层施工。针对该工程实际情况和设备资源情况，对用于该工程的4台盾构机的选型工作进行了详细梳理。先后共召开了三次针对性的设备选型会议，最终确定了各个区间隧道的盾构机型及相关设备的初步改造方案，见表6-3。具体选型及改造情况如下：

表6-3　盾构机选型

注：①配备泡沫系统；
②螺旋机出口双闸门；
③装聚合物注入系统；
④推进区域油压重新划分。

①选用一台2011年新购入用于超深覆土施工的φ6 360 mm盾构机用于嘉善路站—陕西南路站区间上行线隧道施工。该盾构机总推力及刀盘扭矩等主要技术参数均按照40 m覆土工况设计制造，盾构机壳体加厚10 mm。

②通过在螺旋机出口处设置一道手动闸门（图6-10），使螺旋机在发生喷涌、自动控制系统失灵时，可以通过手动闸门进行关闭，防止险情扩大。

图6-10　螺旋机改造

③为盾构加装泡沫剂及聚合物注入系统，向刀盘前方注入聚合物或泡沫剂，对土体进行改良。同时，在土仓隔板上靠近螺旋机进泥口附近设置2个球阀，单独设计加装了一套高分子聚合物加注系统，目的主要是采用高分子聚合物（CONDAT FA34）作为富水土层渣土改良剂，提高通过螺旋机渣土的密水性和黏稠度，对砂性土进行塑性改良，防止喷涌。

④采用BW-250型注浆泵更换原有挤压泵，通过较高的出水压力切割分散开挖面硬塑状土体，既能减小刀盘正面阻力，降低刀盘扭矩，同时又能通过流量控制，减少过多的水注入土体，进入土仓由螺旋机排出。

⑤如图6-11所示，盾构机原有油缸16个，上区5个油缸改为3个，左、右区各增加1个，以增加单侧千斤顶推力，便于深覆土工况下小半径转弯施工。

图6-11　千斤顶区域改编

⑥自动监测及演算工坊数据采集系统。针对该工程隧道平面线型存在多处R=350 m小半径圆曲线段的施工难点，提高小半径转弯段施工中分段纠偏的精度，在所用盾构机上均配备日本演算工坊开发的盾构自动导向测量系统（图6-12），可以实时获取盾构机方位角、俯仰角、扭转角及切口盾尾水平偏差、竖直偏差等信息，并与人工测量数据进行比较，增加测量的精准性。并且测量数据可实时传输到操作室及地面中控室监控屏幕上，供工程技术人员分析且指导施工。

图6-12　演算工坊数据采集系统

自动测量的特点是建立高精度的基准点，采用实时测量方案，可以最大限度地消除或减弱多种误差因素，从而大幅度地提高测量结果的精度；测量频率高，小半径转弯段可多次测量，为掘进纠偏施工提供跟准确的数据；在短时间内同时求得机头中心的三维偏差和当前里程，及时指导纠偏；测量机器人可在无人值守的情况下实现遥控逐站自动测量，节约了大量的人力；实时进行数据采集、数据处理、数据分析及可视化的偏差信息显示。

⑦油脂压注系统。通过在油脂压注管路系统末端（近盾尾处）设置压力传感器，以监测盾尾附近的管口压力，相较于常规的监测油脂泵压力，能更准确地反映盾尾刷附近油脂密封系统的实际压力。在盾构推进过程中，可以采取盾尾油脂压注量和压注压力双控的方法，确保盾尾密封性，防止盾尾漏浆。

该工程4台盾构机均做了该项改造。实际施工中虽然盾尾油脂的用量相较于以往更大，但盾尾密封的效果得到了显著的提升，4条隧道施工过程中未发生一次漏浆，这对沿线建筑物的沉降控制也起到了积极的作用。

（2）房屋检测。该工程是上海轨道交通施工至今穿越建筑物最为密集、众多的工程之一，因此施工过程中对沿线建筑物的保护是该工程施工的重中之重。施工前对影响范围的建筑物进行专业的检测评定，不仅能为后期施工提供依据，也能对维稳工作的展开起到积极作用。因此，特委托专业检测单位对该工程沿线建筑物进行施工前检测，并研究讨论了检测的范围、项目及深度，如影响区范围、入户检测与否等。考虑到入户检测对建设施工维稳工作的不利影响等因素，最终确定以隧道边线45°角延伸线范围内建筑物为检测对象，以不入户的外观、结构完损检测为主要检测内容，对建筑物沉降、倾斜等项目进行检测（图6-13）。

图6-13　房屋检测及调查

同时，项目内部对沿线建筑物进行了调查，对每一栋建筑建立对应的信息卡（一房一卡），包括建筑物结构类型、与隧道的相对位置关系、所处的里程范围、物业性质等。

在房屋检测的基础上，以检测结论为依据，对建筑物的施工风险等级进行划分（表6-4、表6-5），并用以指导后期施工。

表6-4　风险等级划分

（续表）

注：1.正穿是指建筑物与隧道边线距离小于5 m。
2.临近是指建筑物位于隧道边线5m以外，且位于沉降槽范围之内。
3.如盾构施工位于砂性土层中，则其风险等级提高一级。

表6-5　建筑物风险等级划分统计

（3）现场踏勘。嘉善路站—陕西南路站区间在上行线里程SK16+224.049—SK16+080.992、下行线里程XK16+240.157—XK16+108.103范围，涉及小半径转弯（R=349.851 m左转弯）、变坡（1.7%下坡至2.7%上坡）、复杂土层（⑦1层砂性土及⑥层硬土）及上方优秀历史保护建筑等多个难点共存的情况。

针对该区段多难点共存的施工难题，工程参建各方组织召开了多次讨论会，并提出了用1m管片替代的想法。1m管片的应用具有诸多优点，如可以减小千斤顶的伸缩量，降低每环的纠偏量，减小盾构机与管片的姿态偏差，从而降低管片破碎概率；可以减小对土层的扰动，更有利于地层损失率的控制和建筑物的保护等。经过多次讨论，最终确定在该区段采用1m管片代替原有的1.2 m管片进行施工。经实际施工验证，效果相当明显，纠偏量能满足设计轴线要求，管片破碎量控制较好，地面建筑物沉降也在允许范围。

（4）有限元辅助分析。嘉善路站—陕西南路站区间隧道沿线周边环境复杂，地下构筑物众多，为避开高层建筑深桩基，设计隧道在永嘉路至肇嘉浜路间采用上下行重叠方案布置，上行线走下，下行线走上。重叠影响段上行线里程SK15+586.751—SK16+209.526（608～1150环），下行线里程XK15+586.751—XK16+209.526（612～1144环），长622.775 m，重叠距离长且两者垂直净距约3 m。

双线近距离盾构隧道施工过程中将引起隧道周围土体变形，使邻近已建隧道及地表建（构）筑物产生附加变形和附加应力，而过大的附加变形和应力都会影响邻近隧道的正常运营及导致地表建（构）筑物的倾斜，甚至开裂。

隧道开挖分两个阶段：第一阶段上行线开挖结束；第二阶段下行线开挖结束。

①上、下行线开挖结束后土体沉降分析，如图6-14、图6-15所示。

图6-14　上行线开挖结束后土层沉降云图

图6-15　下行线开挖结束后土层沉降云图

下行线（后建）隧道开挖结束后，地表沉降变形值增大明显，尤其是重叠隧道中间部分区域土层的地层沉降增大幅度较大。同时，从沉降影响区域上看，后建隧道的施工对周边影响沉降区域增大范围不明显。

进一步分析沉降曲线图（图6-16）可知，上行线（先建）隧道施工结束后，地表沉降最大值为4.16 mm，最大值位于上行线隧道轴线正上方处；下行线隧道施工结束后，地表最大值增大为6.96 mm，最大值发生在下行隧道轴线上方且偏向上行线隧道轴线的位置，即后建隧道施工导致地表最大沉降值增加了67%。

图6-16　上、下行线开挖结束后土层沉降曲线图

②上、下行线开挖结束后管片变形分析，如图6-17～图6-20所示。

图6-17　上行线开挖结束后整体管片沉降云图

下行隧道的开挖过程对上行线隧道变形影响较大，双线隧道间距越小，相互影响范围越明显。上行线隧道开挖结束后，上行线隧道上下变形较均匀；而下行线隧道开挖结束时，下行线自身沉降值增大的同时，对上行线隧道产生卸荷作用，导致已建隧道产生“上浮”现象。

取双线隧道间距最近处管片的变形进行分析可知，下行线隧道开挖结束时，下行线整体管片会发生朝着右下方向的位移，同时由于对上行线隧道产生了卸荷作用，导致上行线隧道整体管片发生朝向左上方向的位移，即下行线隧道开挖结束时，两条隧道会发生朝向另一条隧道的位移变形。

图6-18　下行线开挖结束后整体管片沉降云图(www.chuimin.cn)

图6-19　下行线开挖结束后单片管片沉降云图

图6-20　上行线开挖结束后单片管片沉降云图

2）采取的措施

（1）组织措施。人员配置及管理体系设置如下：

①管理结构设置。结合工程实际情况，将项目部管理结构分为纵向、横向进行管理，并以此构成项目管理结构的主要框架（图6-21）。纵向三条线：技术条线、生产条线和项目维稳工作。

图6-21　项目管理结构

横向两条线：嘉善路站—陕西南路站区间和陕西南路站—南京西路站区间。

A.技术工作横向分解。由项目工程师负责两个区间的施组、各类方案、场地布设、轴线控制、沉降监测、监护、拼装质量控制、压浆量控制、土压力设定等。下设两个区间技术负责人，负责掌握、发现、处理本区间内所有质量动态状况，如管片拼装质量、盾构机姿态、隧道轴线偏差、沉降数据、压浆量等有关盾构推进过程中发生的质量活动情况；并负责收集、归纳后及时向总工程师上报，获取指令，进行落实；跟踪反馈指令的执行效果，以此循环。

B.生产工作横向分解。由项目经理全面负责两个区间生产、进度安排。下设两个区间生产副经理，分别负责嘉善路站—陕西南路站区间、陕西南路站—南京西路站区间的生产工作。两个区间生产副经理分别负责本区间进场开工准备、盾构推进施工安排、劳动力分配、协调、分包管理、施工安全等本区间内所有的生产安全动态情况，及时安排、调整、落实、执行项目的生产任务，协调各类生产配合矛盾，使本区间的生产工作有序开展。

C.项目维稳及外协调事宜。由项目书记全面负责三区间的对外协调、维稳事宜，下设两个组：维稳组和修缮组。维稳组主要结合静安、黄浦、徐汇涉及房屋穿越的三个行政区，同街道、居委进行良好沟通，掌握房屋、居民的动态情况，及时与项目公司沟通、联系，使矛盾在最初阶段得以及时控制、解决，维护盾构施工的连续性，避免干扰，保一方平安。修缮组主要负责由于盾构推进影响居民房屋的修补工作。

②关键岗位人员配置。在人员配置中，涉及质量、安全的关键岗位（如项目经理、项目工程师、生产经理、各区间技术负责人及盾构司机等）选择具有多年、多个项目成功管理及施工经验的人员投入到工程当中。同时，在各个岗位的人员数量上均配备了双倍的名额，以提高工作质量。

③管理流程制定。对于与控制地面及建筑物沉降、隧道成型质量密切相关的技术管理活动，制定了统一的管理流程（图6-22、图6-23），用以指导实际施工，使技术、质量管理工作有章可循、责权明确。

图6-22　技术管理流程图

图6-23　质量控制流程图

（2）管理措施。

①精细化施工管理。

A.通过制定内部质量管理措施，并按照分解的质量目标和人员配置对各个施工环节（如材料进场验收、盾构掘进控制等）的操作人员和验收人员进行定责、定人，以提高管理效力，确保工程质量，如图6-24所示。

图6-24　精细化施工管理职能分配

B.施工任务单制度。每天施工前，由各区间技术负责人根据施工数据，制定当天施工的各项参数及相关注意事项，并形成施工任务单下发至操作部门指导施工。

C.工序交接卡制度。盾构掘进施工以环为单位建立工序交接卡制度，记录各工序的施工质量、验收情况等。

D.例会制度。在项目部、监理、项目公司各个层面定期召开工程例会，以交流施工进展情况、质量控制情况，并协调解决过程中遇见的问题，保证工程的顺利开展。

②完善施工记录。对各项施工活动，如盾构掘进施工、管片拼装施工、同步注浆施工、贴片纠偏施工、二次补浆施工等，进行详细的记录，为后续施工参数调整提供数据积累。

③严格控制材料进场检查验收。各种原材料进场，同监理单位一起进行检查、验收，如抽查同步注浆质量——坍落度、检查管片外观质量等。

④质量、安全巡检。施工过程中，定期对施工质量、安全情况进行检查，并及时进行整改。

（3）技术措施。

①土体改良。针对盾构在⑦1层中掘进阻力大、易涌砂的难点，采取加泡沫剂以改良开挖土体性质的措施。⑥层、⑦1层土中掘进，通过刀盘添加泡沫剂可以减小推进阻力，降低刀盘扭矩，并且可以在⑤层、⑥层软硬互层区起到防止结泥饼的效果。

②盾构姿态控制。

A.采用自动测量系统辅助控制。盾构姿态测量采用人工测量为主、自动测量辅助校核、演算工坊数据采集相结合的方式进行。自动测量系统可以实时获取盾构机方位角、俯仰角、扭转角及切口盾尾水平偏差、竖直偏差等信息，并与人工测量数据进行比较，增加测量的精准性。并且测量数据可实时传输到操作室及地面中控室监控屏幕上，供工程技术人员分析、指导施工。

B.分段纠偏控制。盾构在施工过程中严格按照分段纠偏的方法进行纠偏，管片环宽为1.2 m，共分为12段纠偏，每段10 cm，每小段的千斤顶行程差事先计算，每推进一小段应进行一次千斤顶行程差测量，并结合盾构姿态自动测量数据，将测量结果与理论计算值进行对比，发现实际行程差和盾构姿态与计算值不符，应及时调整区域油压的分布进行纠正，防止因出现较大的偏差造成大幅度纠偏。小半径曲线纠偏量计算见表6-6。

表6-6　小半径曲线纠偏量计算表（R=349.851）

③施工参数设置与调整。

A.根据穿越工况进行区段划分。对于控制指标严格的区段，如盾构穿越建筑物、高架、1号线等，采取分段控制的措施，以利于对盾构姿态和施工参数的及时调整。根据穿越对象的不同，合理设置模拟段、穿越段和穿越后控制段，并根据不同区段合理设置施工参数，以减少对周边环境的影响。盾构穿越地铁1号线阶段划分如图6-25所示。

图6-25　盾构穿越地铁1号线阶段划分

B.每环分段参数调整。盾构施工穿越地铁1号线过程中，为了进一步降低盾构穿越对1号线的影响，除了降低推进速度等措施外，还对土压力和注浆量参数进行分段调整。将每环管片分为12段，每段长10 cm，根据电子水平尺反映的监测数据进行调整，以保证设定参数的合理。

④增设挡水条。为提高管片防水效果，结合以往隧道渗漏点的分布特点，防水材料施工中，在原设计基础上再在所有管片的环向弧面上三元乙丙橡胶垫内侧加贴一道止水条。经实际验证，该方法对隧道防水质量的提高比较明显。

⑤盾尾密封控制。通过在油脂压注管路系统末端（近盾尾处）设置压力传感器，以监测盾尾附近的管口压力，相较于常规的监测油脂泵压力能更准确地反映盾尾刷附近油脂密封系统的实际压力。在盾构推进过程中，可以采取盾尾油脂压注量和压注压力双控的方法，确保盾尾密封性，防止盾尾漏浆。该工程4台盾构机均做了该项改造，实际施工中虽然盾尾油脂的用量相较于以往更大，但盾尾密封的效果得到了显著的提升，4条隧道施工过程中未发生一次漏浆，这对沿线建筑物的沉降控制也起到了积极的作用。

⑥同步注浆量控制。同步注浆量的调整以监测数据为主要依据，进行及时调整。在压注量的控制上，鉴于流量计计量受浆液稠度影响较大，计量数据可靠性不高的特点，项目部根据每台盾构机储浆箱的尺寸，各定制了一根标尺（图6-26），通过观测浆箱液面的位置来确定浆液的实际压注量，再和流量计的显示值进行对比，经过多次对比、调整，以使流量计显示值尽量准确。

图6-26　同步注浆标尺示意图

⑦补偿性注浆控制。后期补偿性注浆施工主要用于地层损失率控制，其对隧道渗漏水控制也有一定的辅助作用。注浆施工应与环境监测工作进行有机结合，实现信息化施工，在注浆前后均需进行监测，以反映其效果。注浆施工应严格按照“多点、多次、少量，均匀”的原则进行。补偿性注浆量需依据盾构施工对周边环境的影响而动态调整，在实际施工过程中，根据环境监测数据进行动态调整。

⑧附加监测措施。由于该工程盾构施工位于市中心，周边环境极其复杂，为了减少维稳风险，正常的监测工作在部分敏感地区难以正常开展，故在施工过程中，针对特殊地段采取了非常规的沉降监测措施，如直接监测墙体角点、避开人流高峰时段监测等。

为了更好地控制地层损失率，补偿性注浆控制是必不可少的，在注浆前后都需进行监测以验证注浆效果。