2000年北京地铁5号线首次引入土压平衡盾构进行地铁隧道施工，随着5号线、4号线、10号线、机场线、9号线、大兴线、6号线、7号线、8号线、亦庄线、14号线等线路的相继开工建设，盾构施工技术在北京地铁建设过程中得到了广泛的应用和发展。在取得成绩的同时，也积累了相应的经验教训，对这些经验和教训进行总结和分析是非常有必要的。以此为基础对盾构施工安全风险控制技术进行研究，可为规避今后盾构施工风险提供建议。
国内已有学者或以某一具体工程，或以某一类典型工程，或以某一地区，对盾构施工风险分析及评估进行了研究:李发勇针对南京粉细砂地层，对该地质情况下的盾构施工隧道中的风险进行了分析;崔玖江介绍了国内外盾构施工的情况，重点分析了盾构隧道施工中存在的风险，并提出了相应的规避措施;周志强等结合广州地区地铁建设过程中存在的技术难点，总结分析了该地区盾构施工中的主要风险及风险控制技术;曹晶珍等以广州地铁为工程背景，介绍了盾构隧道穿越江河施工中面临的主要风险和施工措施;钟长平等对广州地铁盾构隧道施工进行了相关的研究，通过将典型地层进行分类，总结了不同地层中盾构施工中的主要风险，并提出了相应的控制措施。
另外，学者对盾构施工风险评估的方法也进行了相关的研究:郑俊杰等利用模糊故障树的相关理论，提出用模糊成本重要度的指标来评价盾构隧道施工中各风险对总成本的影响大小的方法;周建等基于专家调查数据，采用贝叶斯网络建立了分析风险事故概率等级、概率分布的多态系统;陈自海等基于模糊层次分析法对杭州某地铁施工进行了风险识别和风险估计，并对结果进行了验证，证明了方法的可行性。
北京地铁盾构施工风险分析
通过对北京地铁以往盾构施工的总结和分析，盾构施工中的主要风险有：盾构选型风险，盾构设备故障风险，始发、到达施工风险，掘进偏离设计轴线风险，盾构操作风险，管片错台、破损风险。这些风险会影响工期，增加工程成本，甚至会导致地表塌陷，建(构)筑物开裂、倾斜。
盾构选型风险。盾构选型不当会对工程工期、成本造成不利影响，同时也会影响盾构施工的安全，对周边环境造成危害。北京地铁盾构穿越的地层主要是土层(黏土、粉质黏土、粉土)、砂层(粉细砂、中砂、粗砂)和卵石层(卵石、砾石)以及这三种地层的混合地层。其中，应着重关注卵石地层中的盾构选型风险，适应性差的刀盘型式、不合理的刀具布置，在卵石地层中会导致刀具甚至刀盘磨损严重，地层塌陷等问题。北京地铁某区间，隧道穿越地层为卵石层，采用的盾构原本针对硬岩地层设计，刀盘开口率小，土舱内缺少搅拌土体的搅拌棒(不利于土体流塑性改造)，盾构适应性差，导致盾构掘进效率低，平均推进速度为2.8环/d(3.36m/d)。同时，由于渣土改良效果差，土仓压力不稳定，导致地表沉降严重超标，地表累计沉降在40～60mm。盾构选型不当导致该区间工期延长，且地表沉降控制困难，给周边施工环境带来了极大的安全风险。
盾构设备故障风险。盾构施工过程中设备突发故障，会给整个工程带来巨大的风险，严重影响工期，造成工程成本的增加，若盾构在下穿重大风险工程过程中出现设备故障，将严重威胁风险工程的安全。因此采用有效手段规避盾构设备风险是非常有必要的。北京地铁某盾构区间右线，盾构推进18环后主驱动大齿圈约有一半齿轮根部出现裂纹(下图)，此时盾构位于繁忙道路下方，不具备从地表开挖竖井更换主驱动的条件，因此盾构带病推进至117环，从地面开挖竖井对主驱动进行了更换，增加了工程成本。
大齿圈齿轮根部裂痕
始发、到达施工风险。盾构始发、到达发生的风险事故主要有:始发端土体失稳、到达端土体被推出、到达端地表塌陷、到达端涌水涌砂等。通过对事故的总结，分析诱发盾构始发、到达施工事故的因素主要有以下几种：(1)端头土体加固范围不合理，加固效果质量差；(2)盾构始发、到达施工参数控制不合理(土压、注浆压力、推力等)；(3)洞门密封(橡胶帘布、扇形压板)质量差，或安装方法有误，或不安装。
掘进偏离设计轴线风险。在盾构隧道施工过程中，应尽最大努力保证开挖隧道轴线符合设计轴线。当盾构施工偏离设计轴线后，为了保证实际施工轴线符合设计轴线，盾构在接下来的施工中必须采用相应的纠偏措施来进行姿态的调整。纠偏措施如果制定的不合理或者执行的不到位，很可能引起隧道管片的受力不均，进而引起管片的破损。另外，当隧道轴线与设计轴线偏差无法通过盾构的纠偏进行弥补时，就需进行线路的调整，这种调整对于隧道后期的运营存在较大的影响(列车降速、乘客乘坐感受差等);对于偏差较大无法进行调线的隧道，只能采取其他措施进行处理（如:采用明挖工法对已有隧道进行破除，重新修建）。
总结以往工程中引起盾构姿态变差的原因主要可分为以下4个方面:测量原因、盾构操作原因、盾构设备原因、地质原因。实际施工中，盾构偏离设计轴线，是一个由小到大，逐渐累积直到无可挽回的过程。细究其原因往往不是一种，而是前述多种因素的叠加效应。所以，如果想要避免这种情况的发生，使盾构一直能保持在一个理想的姿态掘进，就必须从多方面着手，防微杜渐。
盾构操作风险。盾构操作风险是指由于盾构现场施工人员经验欠缺，在盾构施工参数控制方面出现问题，导致安全风险事故的发生，主要表现为地表塌陷、临近构筑物发生破坏等。北京地铁某区间盾构在推进过程中发生了塌陷事故，通过对推进过程中土压力变化的分析，事故的主要原因为土压力控制偏低。导致出土量增大，地层损失，引起地表塌陷。盾构推进过程土压力曲线见下图。
盾构推进过程土压力曲线
管片错台、破损风险。管片错台、破损对于隧道整体的性能存在较大的影响，主要影响隧道的防水及整体结构受力。管片发生错台后，两块管片之间的橡胶止水密封条贴合面积减少，甚至错开(图3)，导致隧道防水性能降低或失效;管片发生破损后，管片内的钢筋裸露，影响结构的整体性，必须对破损处进行修补。
管片错台（cm）
盾构施工风险控制技术
通过对北京地铁盾构施工风险的分析，可以得出导致风险的发生主要有以下几个方面的因素：(1)盾构设备因素，主要表现在盾构选型不当，盾构设备质量存在问题，导致掘进过程中出现设备故障；(2)盾构始发、到达因素，主要表现在盾构始发、到达引起的地表塌陷、洞门土体塌方等事故；(3)施工过程控制因素，主要表现在盾构掘进过程中参数控制不合理，同步注浆浆液质量不佳或注浆量不足导致地表塌陷或沉降超限；(4)施工质量因素，主要表现在盾构偏离设计轴线，管片破损和错台。
盾构设备适应性评估。盾构选型应与工程水文地质条件相适应，同时应满足施工环境和自身工程特点(如隧道转弯半径、管片环宽等)的要求。设备选型应包含以下几方面内容:盾构类型、刀盘开口型式、刀盘开口率、刀具类型、刀具布置、设备功率、推进油缸及铰接类型、同步注浆孔位置、土体改良系统、螺旋输送机参数等。对特殊的地质条件应额外增加相应的部件，如:对于磨蚀性较高的地层，需在刀盘、刀具和螺旋输送机筒壁上配置耐磨层。盾构选型的风险主要通过技术管理来进行规避，盾构设备进场至少3个月前，施工单位应根据盾构穿越隧道地层条件和施工环境条件对盾构设备进行适应性自评估并形成评估报告，报监理单位审核，监理单位审核通过后组织专家对盾构适应性评估报告进行论证。
盾构设备故障风险通过规范设备验收流程和加强管理来规避，制定的盾构设备适应性评估与进场验收流程详见下图。
盾构进场流程
盾构设备适应性评估报告专家论证通过后，监理单位组织专家及施工、建设单位相关管理人员前往盾构存储基地或设备制造场地进行盾构工厂验收，验收内容为评估报告所涉及的全部内容，并应特别注意以下事项：(1)现场盾构设备与适应性评估报告中的盾构设备主要技术参数是否相符；(2)非新生产盾构主驱动应拆卸进行检查验收，主要验收主驱动密封和大小齿圈是否完好；(3)刀具安装和焊接是否完好，刀具高差是否满足适用性评估报告的要求，对于砂卵石地层，刀盘刀具是否具有耐磨层；(4)螺旋输送机叶片焊接完成后是否进行过探伤(需提供探伤报告)，对于砂卵石地层螺旋输送机筒壁与相关叶片是否具有耐磨层。盾构设备存储基地验收通过后(且盾构吊装方案审核通过后)，盾构设备方可进场组装，组装过程中，施工单位需对盾构设备进行验收，并形成验收报告。监理单位负责对盾构设备及验收报告进行核查，核查通过后盾构方可始发。
盾构始发、到达。根据地质勘察资料对盾构始发端及到达端的土体进行加固，保证盾构施工始发阶段及到达阶段的安全。在进行端头加固方案确定时，应包含以下几方面的内容:加固范围、加固施工方法、加固后土体强度等。在端头加固施工完成之后，应及时对加固效果进行验收，只有在加固效果满足原定方案要求时，才可进行下步工序;若加固效果不满足原定方案，应继续进行加固施工，直至加固效果满足施工方案。在满足端头加固条件后，尚需在始发、到达端安装扇形压板及橡胶帘布，在安装完成后方可进行盾构的始发、到达。作为盾构掘进过程中较为重要的关键工序，盾构始发、到达段，应对其参数着重控制。由于端头土体的特殊性，在确定掘进参数时应根据土体的加固效果进行，同时在盾构推出始发加固段土体时，应确保土舱内压力已建立，保证未加固段土体的稳定性，确保盾构出加固区后不发生地表塌陷事故。
盾构施工过程控制。盾构施工过程中参数控制的好坏，对于隧道施工的顺利、安全有决定性的影响，因此加强对盾构施工参数控制情况的监控是非常有必要的。北京地铁盾构施工2007年开始采用自主研发的盾构施工实时监控系统对全网所有盾构施工参数控制情况进行实时监控(下图)，该系统能够实时显示盾构施工参数并自动进行预警，能够及时发现盾构施工过程中的问题，并采取措施进行处理防止风险事故的发生。盾构工程开始前应结合地层条件、施工环境和设备情况，对盾构施工参数控制范围进行设定。文献提出的组段划分方法可较好地应用于盾构施工参数的确定，盾构施工参数主要包括以下几方面:土压力、刀盘扭矩、总推力、推进速度、刀盘转速、同步注浆量、同步注浆压力等。然后将设定好的参数控制范围输入盾构施工实时监控系统中，当参数控制超过控制范围时，系统会自动预警，及时提醒相关技术及管理人员参数发生异常。
盾构参数监控
同步注浆风险控制主要包括注浆压力、注浆量及浆液质量，同步注浆压力和同步注浆量可以通过盾构施工实时监控系统来进行监控，某些同步注浆量不足的环应及时进行二次补浆，对于同步注浆压力低，同步注浆量持续增大的情况应充分重视，有可能是地层存在空洞。同步注浆浆液质量对于控制沉降也非常重要，必须加强对同步注浆浆液质量的检查，监理单位每天或每20环对同步注浆浆液取样抽查不少于1次，发现浆液质量不合要求，应督促立即整改。
轴线偏差的控制技术主要有以下几点：(1)通过盾构施工实时监控系统对盾构偏差情况进行实时监控并自动预警，发现盾构姿态有变差的趋势及时提醒现场施工注意纠偏；(2)加强现场换站测量的管理，对换站前后盾构姿态数据进行对比，盾构姿态差值超过15mm时，施工单位应立即组织人员复测复核，确认无误后，方可恢复施工;为防止管片移动对测量的影响，施工单位应在换站测量后的第一天(或15环)对后视棱镜和全站仪坐标进行复核；(3)对地面和地下测量控制点进行复核测量，并加强测点的保护。
管片发生错台及破损的主要原因有:管片运输过程中损坏;管片拼装操作不规范;盾构纠偏量超标等。控制措施主要有以下几点：(1)运输过程中加强对管片的保护，加强管片进场的验收，避免不合格产品进场；(2)通过盾构施工实时监控系统，对盾构姿态的监控，并监控每一环管片的纠偏量，纠偏量超标的要及时进行预警，避免盾构纠偏量过大；(3)加强对管片操作手的培训，施工过程中加强对管片拼装质量的检查。
结语
通过对北京地铁近年来盾构施工事故的总结和分析，得出北京地铁盾构施工的主要风险有以下几部分:盾构选型风险;盾构设备风险;始发、到达施工风险;掘进偏离设计轴线风险;盾构操作风险;管片错台、破损风险。同时，结合相关案例对事故发生的原因及带来的不良后果进行了分析。导致北京地铁盾构施工风险发生的主要风险因素为盾构设备，盾构始发、到达，施工过程控制，施工质量。并针对风险因素提出了北京地铁盾构施工风险控制技术，为今后北京地铁盾构施工提供借鉴和参考，以规避施工风险。