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摘要：盾构施工的安全事故近年来呈现井喷式出现，有效预防地铁盾构施工中危险源，避免安全事故的发生，已是地铁盾构施工的当务之急。本文首先分析了地铁盾构施工的风险源，即广义自然风险、广义人为风险和盾构机适应性风险的特点，而后从可预测也可预防的风险、可预测但难以预防的风险和不可预测难以预防的风险三个方面提出避免地铁盾构施工风险和事故的主要应对策略。
关键词：地铁盾构施工；风险源；精细化管理
引言
地铁盾构施工使用就是指在挖掘地铁时使用暗挖隧道的专用机械一边隧道掘进、出渣，一边对开挖的岩面及围岩及时固定，同时在盾尾内拼装管片形成衬砌，并及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的地铁施工方法[1]。根据所使用暗挖隧道的专用机械结构特点和开挖方式，盾构施工又分为：手掘式、挤压式、半机械式和机械式四种。机械式盾构施工是目前最为广泛使用于地铁盾构施工的主要方式，而具体的机械式盾构施工又可分为土压平衡、泥水加压式、大刀盘式、局部气压式等四种[1]。
采用盾构施工具有以下六个优点，分别是[2]：
(1) 盾构施工主要是集中于地面下作业，地面上作业少，隐蔽性好，由工程引起的噪音、振动小，最小限度减少对周边生活环境和生态环境的破坏；
(2) 运用于地铁盾构施工的推进设备、挡土设备、出土运输设备、安装衬砌设备具备自动化程度高的优点、有效降低了作业人员的劳动强度低、提升施工效率；
(3)用于隧道施工的衬砌有专门的施工方订制，确保了工程质量；
(4)当隧道穿过河道、铁路、地面建筑群、地下管线密集的区域或其他构筑物时，周围受施工影响小；
(5) 地铁盾构施工生产不受狂风暴雨、冰雪、沙尘暴等极端恶劣的气候条件的影响，所处的工程地质水文对其影响度也比较低，因此具有较好的技术经济优越性。对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；
(6)盾构施工费用和所运用的技术的受覆土深度影响小。
正是由于地铁盾构法施工所存在的上述优势，所以最近几年来盾构法在地铁隧道施工中呈现出一种爆炸式的发展。但是，和这种趋势相伴而生的，除了盾构施工爆炸式发展之外，还有另外一种趋势，就是基于盾构施工的安全事故也呈现井喷式出现，有些特别重大的安全事故所造成的损失是特别惊人的。例如，仅在盾构开仓检查更换刀具的过程中所发生的5起意外事故中，就有10名盾构施工人员不幸遇难[3]。这些频繁的安全事故已经严重制约了地铁盾构施工的良性发展，因此如何有效降低地铁盾构施工的风险，预防地铁盾构施工中危险源，已是地铁盾构施工的当务之急。
1 地铁盾构施工面临的主要风险源
避免地铁盾构施工最为主要的核心就是如何有效地对风险源进行预测，基于此，首先要能够对风险源的种类进行有效的识别。只有准确辨识风险源的种类，才能够对症下药，提出相应的防范措施和解决策略。
地铁盾构施工体系主要由三大要素构成，分别是地质、盾构机和人。所发生的事故也主要与这三大要素息息相关。因此根据这三大要素，可以将地铁盾构施工的风险源归结为三大类别：广义自然风险、广义人为风险和盾构机适应性风险。
狭义的风险，主要是由自然界或者人所造成的不可抗拒、不可预知的风险，是施工方无法掌控、无法预测的[4,5]。狭义的自然风险主要是指由自然界不可抗拒的外力，包含严重的地质灾害和气象灾害对盾构施工所造成的施工风险，比如地震、海啸、泥石流、火山喷发、飓风对都会严重威胁着甚至是破坏地铁盾构的安全施工。狭义的人为风险则是指战争、政变、社会动乱或者恐怖袭击。
针对狭义风险，地铁的建设者自然最为关注的是可以预见和可以控制的广义风险。
不良地质风险是构成广义自然风险的主体。经过多年相关技术发展，大部分的不良地质都是可以探测的，因此，在地铁盾构施工只要采取合理的防范措施，广义的自然风险是可以预防和控制的。
施工风险是构成广义人为风险的主体。除此之外，广义人为风险还包括决策风险、设计风险、技术风险、财务风险、环境风险、合同风险和政治风险等。与广义自然风险相同，只要措施得当，大部分的人为风险都是可以规避的。
推进设备、挡土设备、出土运输设备、安装衬砌设备是地铁盾构施工中不可或缺，不可替代的工具。而当这些设备出现损坏，往往会影响到施工进度，甚至造成安全事故。比如任何的地铁盾构施工都会有一个连续使用时间界限，当设备到达使用界限后，就处于疲劳运行的状态。由于地铁盾构施工所处的工作环境和条件较为恶劣，推进设备中的叶片受力情况复杂，承受着较大的冲击载荷，很快就达到疲劳极限状态，如果设备维护不当，叶片断裂事故较常发生，不但延缓了工程的进展，而且对操作人员的生命健康造成了严重的威胁。所以，在研究盾构机的广义自然风险和广义人为风险之外，还必须研究与地铁盾构施工安全紧密相关的第三级，即盾构机适应性风险。
2 避免盾构施工风险和事故的应对策略
3.1 可预测也可预防的风险
正如上文所述，大部分的广义自然风险、广义人为风险和盾构机适应性风险都是可以预测也可预防的。
在广义自然风险中，最常遇到的安全问题就是由于盾构机的施工对周围的土质层的破坏所引起的地面沉降，甚至是地面的塌陷。而在此类事故中，尤其以刀盘结泥饼所造成的地面沉降事故和螺旋输送机喷涌造成的地面沉降事故最为常见。
在黏性土层中如何解决刀盘结泥饼所造成的地面沉降，甚至是塌陷事故，曾经被视为一个世界性的难题。泥饼是指弃土中的粉粒和黏粒及盾构刀盘切削下来的岩石细小颗粒，在密封舱内和刀盘面板上，在压力和温度等的作用下，重新聚集成的半固结或固结的块状体。在黏性土层盾构施工中，由于掘进速度慢，掘进时间长，对土层扰动大，容易造成柱位不均匀沉降。另外出土量不易控制，造成个别环出土量偏大。对应策略采用注浆抢险加固的方法。具体措施为立即停掘，进行盾尾注浆，注浆以充填和挤密为主，一方面充填地层中的空硐，另一方面，提高建筑物桩基桩周摩擦力，并对受影响较大的柱、梁进行临时支顶。 另一种情况，当螺旋输送机施工遇到沙砾层，就会产生由于喷涌所造成的地面沉降，这也是地铁盾构施工一个十分棘手的安全问题，对应策略就是采用三重螺旋对原钻孔桩进行加固和再注浆加固的二次加固方法，可以有效避免由于喷涌的发生，所造成的地面沉降的安全事故。
在广义人为风险中，盾构机进站所造成的塌方事故是比较常见的。对应策略首先采用水泥袋封堵塌方区，而后填充注浆，抑制塌陷事故的进一步扩展，在此通过聚氨酯注入，填充混凝土浇筑后形成的渗流间隙，最后隧道内注水回填，以维持隧道内的稳定。
及时地对盾构机进行维护和安检，是避免盾构机适应性风险的最为有效的安全技术手段。刀盘是盾构机上的主要部件。盾构始发完成后，在施工环境允许的前提条件下，有必要进行第一次刀盘（刀具）检查。此后，则必须按规定的时间间隔进行检查。检查内容包括：
(1)定期进入土仓检查刀盘各部分的磨损情况，检查耐磨条和耐磨格栅是否过度磨损，必要时可进行补焊。
(2)检查刀盘内搅拌棒的磨损情况，以及搅拌棒上的泡沫孔是否堵塞。
(3)在有条件的情况下检查刀盘面板、各焊接部位是否有裂纹产生。
刀盘上的刀具是易损件，因此必须进行定期检查和维护保养，确保刀盘及刀具始终保持良好状态。在进行刀盘维修保养时，需认真彻底，损坏的刀具应该及时更换。盾构机在复合地层施工时，往往不具备开仓换刀具的条件。在这种施工情况下，刀具的适应性差，入口磨损快，寿命减短。因此，更应该建立起严格、完整的刀具检查、更换制度。如采取刀具磨损检测装置、带压进仓、事先加固等措施保证刀具检查和更换制度的执行。从源头避免未能及时更换刀具造成刀盘磨损而停机的事故。具体可以采取以下措施：
(1) 使用专用盘刀磨损量检测板检查圆盘滚刀的滚动情况和刀圈的磨损量。
(2) 在换装刀具过程中检查盘刀紧固螺栓的扭矩。
(3) 检查切刀的数量和磨损情况，如有丢失、脱落须立即补齐。
(4) 检查齿刀的切削齿是否有剥落或过度磨损。必要时更换。
3.2 可预测但难以预防的风险
地铁盾构施工固然有诸多的优越性，但不可否认，也有其局限性。最为明显的缺陷就是盾构机在推进过程中必然会造成周围地质层的松动。如，曾经有某一区段的地铁施工中，盾构机在推进时对处于流塑状的淤泥层的地面上建筑产生了扰动和震动，诱发了用于支撑房屋的松木桩在流塑状的地层中的下沉。在类似的工程当中，盾构机的适应性不存在任何大的问题，然而，对于处于流塑状的淤泥层的地面上建筑而言，无论采用任何地基的加固方法，都会存在着由于盾构机工作时的震动而产生扰动淤泥层的问题，都直接威胁着，甚至是破坏房子的稳定性。唯一的办法就是让住户搬迁。最终当该工程结束，盾构机顺利通过后，发现房子产生了5%的倾斜。
在复合地层中刀盘刀具配置的不确定性。地层的变化肯定要求刀具配置的变化，问题在于面对地层的变化，施工人员不是想换刀就是能够换刀，特别是松散地层中是无法在常压条件下开舱换刀。而采用气压作业手段，又会受到地层气密性、地面和地下建筑物的条件的限制。对于多变的地质层结构，只能是不断预测探测地质层结构，根据地质层结构的变化，预先更换刀具，而这将严重延缓施工的进展。
上述问题的不确定性，必然带来施工的风险，包括地面沉降、盾构机刀盘刀具的过量磨损等问题。
3.3 不可预测难以预防的风险
这一类的风险的发生是随机的，没有规律可循的。针对这一类风险，只能采取精细化管理的手段来尽可能规避风险。
(1)精细化管理要求施工人员头脑中有一个固定的思维模式，即刀具的前方是什么、刀具的施工参数如何确定等。
(2)系统控制和系统指挥。盾构施工技术是多学科、多专业的的系统工程，因此必须有一个总的负责人站在这个系统的高度来指挥施工。也就是说，它要能将地质问题、盾构机施工工艺和盾构机的原理等综合性问题作为一个系统来分析，以便综合判断，并给出统一的指令。
(3)除了建立高水平的专业施工队伍之外，通过各种方法提升盾构施工人员的理论水平和专业施工技术水平之外，精细化管理还必须高度重视施工全过程的的风险评估、方案审查、现场监督等工作，做到动态控制。
3 结语
地质环境的复杂性几乎是无法让人们随时随地的了解的盾构机前面的实际特点和状态，因此地铁盾构施工要做到绝对的“万无一失”是不可能的，不现实的，也是极为不科学的。这就要求地铁盾构施工的从业人员秉持“动态预测，精细管理”的态度。唯有这样，才能控制事先可预测的风险，降低事先不可预测的风险。
参考文献
[1] 张冰. 地铁盾构施工 [M]. 北京:人民交通出版社, 2011
[2] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑出版社, 2004
[3] 竺维彬, 鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M]. 广州: 暨南大学出版社, 2009
[4] 任强. 北京地铁盾构施工风险评价与控制技术研究[D]. 中国地质大学博士学位论文, 2010.05
[5] 赵格义. 地铁盾构施工风险辨识与评估研究[M]. 南京林业大学硕士学位论文, 2011.05
关键词：地铁盾构施工；风险源；精细化管理
引言
地铁盾构施工使用就是指在挖掘地铁时使用暗挖隧道的专用机械一边隧道掘进、出渣，一边对开挖的岩面及围岩及时固定，同时在盾尾内拼装管片形成衬砌，并及时实施注浆，尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的地铁施工方法[1]。根据所使用暗挖隧道的专用机械结构特点和开挖方式，盾构施工又分为：手掘式、挤压式、半机械式和机械式四种。机械式盾构施工是目前最为广泛使用于地铁盾构施工的主要方式，而具体的机械式盾构施工又可分为土压平衡、泥水加压式、大刀盘式、局部气压式等四种[1]。
采用盾构施工具有以下六个优点，分别是[2]：
(1) 盾构施工主要是集中于地面下作业，地面上作业少，隐蔽性好，由工程引起的噪音、振动小，最小限度减少对周边生活环境和生态环境的破坏；
(2) 运用于地铁盾构施工的推进设备、挡土设备、出土运输设备、安装衬砌设备具备自动化程度高的优点、有效降低了作业人员的劳动强度低、提升施工效率；
(3)用于隧道施工的衬砌有专门的施工方订制，确保了工程质量；
(4)当隧道穿过河道、铁路、地面建筑群、地下管线密集的区域或其他构筑物时，周围受施工影响小；
(5) 地铁盾构施工生产不受狂风暴雨、冰雪、沙尘暴等极端恶劣的气候条件的影响，所处的工程地质水文对其影响度也比较低，因此具有较好的技术经济优越性。对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；
(6)盾构施工费用和所运用的技术的受覆土深度影响小。
正是由于地铁盾构法施工所存在的上述优势，所以最近几年来盾构法在地铁隧道施工中呈现出一种爆炸式的发展。但是，和这种趋势相伴而生的，除了盾构施工爆炸式发展之外，还有另外一种趋势，就是基于盾构施工的安全事故也呈现井喷式出现，有些特别重大的安全事故所造成的损失是特别惊人的。例如，仅在盾构开仓检查更换刀具的过程中所发生的5起意外事故中，就有10名盾构施工人员不幸遇难[3]。这些频繁的安全事故已经严重制约了地铁盾构施工的良性发展，因此如何有效降低地铁盾构施工的风险，预防地铁盾构施工中危险源，已是地铁盾构施工的当务之急。
1 地铁盾构施工面临的主要风险源
避免地铁盾构施工最为主要的核心就是如何有效地对风险源进行预测，基于此，首先要能够对风险源的种类进行有效的识别。只有准确辨识风险源的种类，才能够对症下药，提出相应的防范措施和解决策略。
地铁盾构施工体系主要由三大要素构成，分别是地质、盾构机和人。所发生的事故也主要与这三大要素息息相关。因此根据这三大要素，可以将地铁盾构施工的风险源归结为三大类别：广义自然风险、广义人为风险和盾构机适应性风险。
狭义的风险，主要是由自然界或者人所造成的不可抗拒、不可预知的风险，是施工方无法掌控、无法预测的[4,5]。狭义的自然风险主要是指由自然界不可抗拒的外力，包含严重的地质灾害和气象灾害对盾构施工所造成的施工风险，比如地震、海啸、泥石流、火山喷发、飓风对都会严重威胁着甚至是破坏地铁盾构的安全施工。狭义的人为风险则是指战争、政变、社会动乱或者恐怖袭击。
针对狭义风险，地铁的建设者自然最为关注的是可以预见和可以控制的广义风险。
不良地质风险是构成广义自然风险的主体。经过多年相关技术发展，大部分的不良地质都是可以探测的，因此，在地铁盾构施工只要采取合理的防范措施，广义的自然风险是可以预防和控制的。
施工风险是构成广义人为风险的主体。除此之外，广义人为风险还包括决策风险、设计风险、技术风险、财务风险、环境风险、合同风险和政治风险等。与广义自然风险相同，只要措施得当，大部分的人为风险都是可以规避的。
推进设备、挡土设备、出土运输设备、安装衬砌设备是地铁盾构施工中不可或缺，不可替代的工具。而当这些设备出现损坏，往往会影响到施工进度，甚至造成安全事故。比如任何的地铁盾构施工都会有一个连续使用时间界限，当设备到达使用界限后，就处于疲劳运行的状态。由于地铁盾构施工所处的工作环境和条件较为恶劣，推进设备中的叶片受力情况复杂，承受着较大的冲击载荷，很快就达到疲劳极限状态，如果设备维护不当，叶片断裂事故较常发生，不但延缓了工程的进展，而且对操作人员的生命健康造成了严重的威胁。所以，在研究盾构机的广义自然风险和广义人为风险之外，还必须研究与地铁盾构施工安全紧密相关的第三级，即盾构机适应性风险。
2 避免盾构施工风险和事故的应对策略
3.1 可预测也可预防的风险
正如上文所述，大部分的广义自然风险、广义人为风险和盾构机适应性风险都是可以预测也可预防的。
在广义自然风险中，最常遇到的安全问题就是由于盾构机的施工对周围的土质层的破坏所引起的地面沉降，甚至是地面的塌陷。而在此类事故中，尤其以刀盘结泥饼所造成的地面沉降事故和螺旋输送机喷涌造成的地面沉降事故最为常见。
在黏性土层中如何解决刀盘结泥饼所造成的地面沉降，甚至是塌陷事故，曾经被视为一个世界性的难题。泥饼是指弃土中的粉粒和黏粒及盾构刀盘切削下来的岩石细小颗粒，在密封舱内和刀盘面板上，在压力和温度等的作用下，重新聚集成的半固结或固结的块状体。在黏性土层盾构施工中，由于掘进速度慢，掘进时间长，对土层扰动大，容易造成柱位不均匀沉降。另外出土量不易控制，造成个别环出土量偏大。对应策略采用注浆抢险加固的方法。具体措施为立即停掘，进行盾尾注浆，注浆以充填和挤密为主，一方面充填地层中的空硐，另一方面，提高建筑物桩基桩周摩擦力，并对受影响较大的柱、梁进行临时支顶。 另一种情况，当螺旋输送机施工遇到沙砾层，就会产生由于喷涌所造成的地面沉降，这也是地铁盾构施工一个十分棘手的安全问题，对应策略就是采用三重螺旋对原钻孔桩进行加固和再注浆加固的二次加固方法，可以有效避免由于喷涌的发生，所造成的地面沉降的安全事故。
在广义人为风险中，盾构机进站所造成的塌方事故是比较常见的。对应策略首先采用水泥袋封堵塌方区，而后填充注浆，抑制塌陷事故的进一步扩展，在此通过聚氨酯注入，填充混凝土浇筑后形成的渗流间隙，最后隧道内注水回填，以维持隧道内的稳定。
及时地对盾构机进行维护和安检，是避免盾构机适应性风险的最为有效的安全技术手段。刀盘是盾构机上的主要部件。盾构始发完成后，在施工环境允许的前提条件下，有必要进行第一次刀盘（刀具）检查。此后，则必须按规定的时间间隔进行检查。检查内容包括：
(1)定期进入土仓检查刀盘各部分的磨损情况，检查耐磨条和耐磨格栅是否过度磨损，必要时可进行补焊。
(2)检查刀盘内搅拌棒的磨损情况，以及搅拌棒上的泡沫孔是否堵塞。
(3)在有条件的情况下检查刀盘面板、各焊接部位是否有裂纹产生。
刀盘上的刀具是易损件，因此必须进行定期检查和维护保养，确保刀盘及刀具始终保持良好状态。在进行刀盘维修保养时，需认真彻底，损坏的刀具应该及时更换。盾构机在复合地层施工时，往往不具备开仓换刀具的条件。在这种施工情况下，刀具的适应性差，入口磨损快，寿命减短。因此，更应该建立起严格、完整的刀具检查、更换制度。如采取刀具磨损检测装置、带压进仓、事先加固等措施保证刀具检查和更换制度的执行。从源头避免未能及时更换刀具造成刀盘磨损而停机的事故。具体可以采取以下措施：
(1) 使用专用盘刀磨损量检测板检查圆盘滚刀的滚动情况和刀圈的磨损量。
(2) 在换装刀具过程中检查盘刀紧固螺栓的扭矩。
(3) 检查切刀的数量和磨损情况，如有丢失、脱落须立即补齐。
(4) 检查齿刀的切削齿是否有剥落或过度磨损。必要时更换。
3.2 可预测但难以预防的风险
地铁盾构施工固然有诸多的优越性，但不可否认，也有其局限性。最为明显的缺陷就是盾构机在推进过程中必然会造成周围地质层的松动。如，曾经有某一区段的地铁施工中，盾构机在推进时对处于流塑状的淤泥层的地面上建筑产生了扰动和震动，诱发了用于支撑房屋的松木桩在流塑状的地层中的下沉。在类似的工程当中，盾构机的适应性不存在任何大的问题，然而，对于处于流塑状的淤泥层的地面上建筑而言，无论采用任何地基的加固方法，都会存在着由于盾构机工作时的震动而产生扰动淤泥层的问题，都直接威胁着，甚至是破坏房子的稳定性。唯一的办法就是让住户搬迁。最终当该工程结束，盾构机顺利通过后，发现房子产生了5%的倾斜。
在复合地层中刀盘刀具配置的不确定性。地层的变化肯定要求刀具配置的变化，问题在于面对地层的变化，施工人员不是想换刀就是能够换刀，特别是松散地层中是无法在常压条件下开舱换刀。而采用气压作业手段，又会受到地层气密性、地面和地下建筑物的条件的限制。对于多变的地质层结构，只能是不断预测探测地质层结构，根据地质层结构的变化，预先更换刀具，而这将严重延缓施工的进展。
上述问题的不确定性，必然带来施工的风险，包括地面沉降、盾构机刀盘刀具的过量磨损等问题。
3.3 不可预测难以预防的风险
这一类的风险的发生是随机的，没有规律可循的。针对这一类风险，只能采取精细化管理的手段来尽可能规避风险。
(1)精细化管理要求施工人员头脑中有一个固定的思维模式，即刀具的前方是什么、刀具的施工参数如何确定等。
(2)系统控制和系统指挥。盾构施工技术是多学科、多专业的的系统工程，因此必须有一个总的负责人站在这个系统的高度来指挥施工。也就是说，它要能将地质问题、盾构机施工工艺和盾构机的原理等综合性问题作为一个系统来分析，以便综合判断，并给出统一的指令。
(3)除了建立高水平的专业施工队伍之外，通过各种方法提升盾构施工人员的理论水平和专业施工技术水平之外，精细化管理还必须高度重视施工全过程的的风险评估、方案审查、现场监督等工作，做到动态控制。
3 结语
地质环境的复杂性几乎是无法让人们随时随地的了解的盾构机前面的实际特点和状态，因此地铁盾构施工要做到绝对的“万无一失”是不可能的，不现实的，也是极为不科学的。这就要求地铁盾构施工的从业人员秉持“动态预测，精细管理”的态度。唯有这样，才能控制事先可预测的风险，降低事先不可预测的风险。
参考文献
[1] 张冰. 地铁盾构施工 [M]. 北京:人民交通出版社, 2011
[2] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑出版社, 2004
[3] 竺维彬, 鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M]. 广州: 暨南大学出版社, 2009
[4] 任强. 北京地铁盾构施工风险评价与控制技术研究[D]. 中国地质大学博士学位论文, 2010.05
[5] 赵格义. 地铁盾构施工风险辨识与评估研究[M]. 南京林业大学硕士学位论文, 2011.05