西安地鐵建設(shè)技術(shù)攻關(guān)與安全管理

王鳴曉 康 佐

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710016)

在西安地鐵建設(shè)初期，人們就將黃土地層中的地鐵修建、地裂縫處理及古建筑保護列為西安地鐵建設(shè)的三大技術(shù)難題。很顯然，這一說法是在廣泛調(diào)查地質(zhì)資料、綜合分析建設(shè)環(huán)境和對比國內(nèi)其他城市建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上得出的，這3個技術(shù)問題各有特點。黃土地層中地鐵的修建技術(shù)是西安地鐵建設(shè)中的一個基本問題，它貫穿于沿線每個車站和區(qū)間，其復(fù)雜性在于黃土特殊的力學(xué)性質(zhì)，簡而言之，就是黃土在擾動和浸水前后力學(xué)性質(zhì)的突變對基坑、隧道所造成的不利影響;地裂縫的處理問題是西安地鐵建設(shè)中的一個難點問題，其復(fù)雜性在于地裂縫的活動性，關(guān)鍵在于尋找一種能夠主動適應(yīng)地裂縫變形的合理襯砌結(jié)構(gòu)形式和有效防水措施;古建筑的保護是西安地鐵建設(shè)中的一個重點問題，其復(fù)雜性在于如何有效控制地層變形，保證古建筑的安全?；締栴}體現(xiàn)在西安地鐵均修建在黃土層中，難點問題體現(xiàn)在地裂縫處理技術(shù)頗具挑戰(zhàn)性，重點問題體現(xiàn)在確保文物安全的強制性上。

截至2010年底，西安地鐵建設(shè)已穩(wěn)步推進了4年的時間，以上3個技術(shù)問題得到了充分暴露和初步解決。其中，較為系統(tǒng)地總結(jié)了黃土地區(qū)地鐵建設(shè)的應(yīng)對措施，初步提出了適應(yīng)地裂縫變形的襯砌結(jié)構(gòu)形式和防水措施，安全有效地穿越了古城墻、護城河、鐘樓等重要古建筑。

1 西安地鐵建設(shè)情況

2006年9月，國務(wù)院正式批準了《西安市城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃(2006—2015年)》，確定在近期10年內(nèi)建設(shè)線網(wǎng)中的十字骨架1、2號線，總長50.2 km。2010年元月27日，西安市《城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃調(diào)整方案》得到了國家發(fā)改委正式批復(fù)，將增加建設(shè)地鐵3號線一期工程和1號線二期工程，新增線路長度42.6 km。地鐵1號線二期工程計劃于2013年開工建設(shè)，2016年建成通車試運營。地鐵3號線一期工程計劃于2011年開工建設(shè)，2015年底通車試運營。

地鐵2號線北客站至?xí)怪行亩斡?007年8月全線開工，17座車站主體結(jié)構(gòu)完工，全線隧道貫通，2011年上半年開始設(shè)備綜合聯(lián)調(diào)，6月份通車試運行，已于國慶節(jié)前通車試運營。地鐵1號線漢城路至紡織城段2009年初開工，計劃于2011年底隧道貫通，2013年建成通車。

2 地鐵建設(shè)與文物保護協(xié)調(diào)發(fā)展問題

2.1 西安市文物概況

西安市區(qū)文物古跡的分布可謂星羅棋布，從城市快速軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃看，線網(wǎng)覆蓋區(qū)域的重點文物分布較多，而且種類齊全，包含了大遺址、大陵墓、古建筑和各種地下文物等。其中，大遺址有西周豐京和鎬京遺址、秦阿房宮遺址、漢長安遺址、唐大明宮遺址、明清西安城墻，大陵墓有杜陵，古建筑有大雁塔、鐘樓等。

2.2 重點文物保護的具體措施

西安地鐵除在線網(wǎng)規(guī)劃時盡量避讓重點文物保護單位及遺址外，在建設(shè)規(guī)劃、可研報告和初步設(shè)計上報審批階段，都按程序編報了文物保護專題報告，均根據(jù)審批意見來指導(dǎo)施工圖設(shè)計和施工。在2007年地鐵2號線建設(shè)前期，《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》尚未發(fā)布，在省市文物局指導(dǎo)下，以國家文物總局批復(fù)意見為依據(jù)，組織設(shè)計、科研、文保、施工單位聯(lián)合攻關(guān)，先后完成了多項專題研究報告，確定了施工和運營的控制標準。

施工沉降控制標準為:鐘樓基座地表及其頂面產(chǎn)生的最大沉降量不超過－5 mm，局部傾斜不超過0.000 5的沉降變形;盾構(gòu)施工沉降在城墻范圍可以采用地表最大沉降量為+5～－15 mm，局部傾斜不超過0.001的沉降變形。地鐵運營振動控制標準為:因地鐵振動引起的鐘樓、城墻(地面)的垂直振動速度允許最大值建議控制在0.15 ～0.20 mm/s。

根據(jù)上述控制標準的要求，設(shè)計、施工時從工法選擇和施工技術(shù)方面采取如下措施:

1)線路平面布設(shè)時從鐘樓及南北門兩側(cè)繞行，設(shè)計上盡量遠離鐘樓基座及城墻的變形敏感區(qū)。

2)線路縱向布設(shè)時加大埋深，盡可能降低振動對文物的影響。

3)將鐘樓車站布置在鐘樓以北，靠近鐘樓端最近距離約為185 m，從站位布局上盡可能減少施工對鐘樓的影響。

4)采取先進的盾構(gòu)施工工法，盡可能地控制和減少施工期沉降及振動影響。

5)沿鐘樓基座四周及南北城門相應(yīng)部位打隔離樁，控制施工過程及工后沉降，阻隔減弱振動傳遞，以降低運營期振動影響。

6)采用先進的鋼彈簧浮置板道床，以減少運營期間的振動對鐘樓及城墻的影響。

經(jīng)過工程實踐，前期專題研究報告提出的文物沉降指標符合工程實際，施工保護方案采取的保護措施合理有效，經(jīng)監(jiān)測，施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求。2號線鐘樓左線最大沉降量為1.4 mm、右線最大沉降量為0.21 mm，均低于沉降指標(5 mm)。南門區(qū)段左線最大沉降量為2.27 mm、右線最大沉降量為3.09 mm;北門區(qū)段左線最大沉降量為4.3 mm、右線最大沉降量為7.5 mm，均在沉降指標+5～－15 mm范圍。從目前土建實施情況來看，與研究結(jié)論基本相符，鐘樓和南北門安全完好，地鐵建設(shè)順利推進，其運營影響情況待后續(xù)實際驗證。

地鐵1、2號線的建設(shè)針對文物保護問題，從審批程序、專題研究到技術(shù)方案等方面都進行積極地探索和嘗試，為后續(xù)線路的建設(shè)積累了一定的經(jīng)驗。建設(shè)過程中通過科學(xué)的研究論證，在與文物部門的協(xié)作下，制定完善的保護方案，將地鐵工程對文物的影響減少到最小，甚至對文物的保護起到積極的作用。

3 地裂縫問題

3.1 西安地裂縫分布及其特征

西安地裂縫是一種地區(qū)性的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，是一種在空間上具有三維變形特征的地表線狀裂縫，包括已出露地表的地裂縫和未在地表出露的隱伏地裂縫。西安市區(qū)共發(fā)現(xiàn)有14條地裂縫。西安地鐵2號線穿越了11條地裂縫和2條次級裂縫，1號線穿越了5條地裂縫。

3.2 地裂縫的成因、危害及對地鐵工程的影響

西安地裂縫發(fā)育有其獨特的地質(zhì)背景，其成因是以隱伏斷裂構(gòu)造的發(fā)育為基礎(chǔ)，受渭河盆地區(qū)域主應(yīng)力場控制。其次，20世紀70～90年代中期，由于長期過量開采深層承壓水，使承壓水水頭下降，加劇了地裂縫的發(fā)展。也就是說，西安地裂縫是構(gòu)造作用和抽取深層地下水共同作用的結(jié)果。

自20世紀70年代后期以來，由于自然和人為等因素的作用，西安市區(qū)先后出現(xiàn)14條地裂縫，其活動時間之長、規(guī)模之大、危害之強，在國內(nèi)尚屬罕見。地裂縫對工程建筑造成的危害主要是，由于地裂縫的活動使建筑物基底產(chǎn)生不均勻沉降，致使地基失效，從而造成建筑物的變形或破壞。地裂縫所到之處，致使不少地面建筑物和地下設(shè)施遭到破壞，迄今為止已造成數(shù)億元的直接經(jīng)濟損失。

地裂縫的活動對地鐵產(chǎn)生較大影響。由于地裂縫處兩側(cè)上、下盤地層相互錯動，引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)跟隨地層變形，造成結(jié)構(gòu)開裂或壓曲破壞;變形縫防滲設(shè)施遭到破壞，引起地鐵隧道的滲漏水，影響列車運行;導(dǎo)致列車軌道產(chǎn)生不均勻沉降變形，影響運行安全。

3.3 地鐵線路通過地裂縫段的處理措施

對于地鐵線路通過地裂縫段采取的處理原則是:“防”與“放”相結(jié)合，以結(jié)構(gòu)適應(yīng)地裂縫的變形為主，采取局部加強、預(yù)留凈空、分段處理、柔性接頭、先結(jié)構(gòu)后防水的綜合防治措施。

1)首先，地鐵車站等重要節(jié)點應(yīng)采取避讓的原則，區(qū)間盡可能采用正交或大角度通過地裂縫。

2)在地裂縫處理段擴大結(jié)構(gòu)斷面、預(yù)留凈空。根據(jù)預(yù)測的地裂縫百年變形量預(yù)留必要的變形空間，預(yù)留凈空500 mm，以便在地鐵使用期內(nèi)地裂縫錯動后仍能通過線路調(diào)坡來保證行車安全。

3)在地裂縫影響段必須對分段結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，采用柔性接頭進行處理，預(yù)留變形縫以適應(yīng)地裂縫的變形。取地裂縫地段65 m為設(shè)防長度，分段來設(shè)置特殊變形縫，釋放錯動產(chǎn)生的變形;預(yù)埋可多次注漿的注漿管，預(yù)備緊急情況時進行應(yīng)急堵漏處理。

4)采取特殊的防水措施。對地裂縫段變形縫的防水，采取特殊的處理方式使其在達到最大變形量時也能夠起到防水作用。

5)采用可調(diào)節(jié)道床。對于地裂縫段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，為了使軌道能滿足地裂縫變形調(diào)整的要求，采用可調(diào)式框架板軌道。

6)在施工和運營期間，加強地裂縫段的變形監(jiān)控量測。

對地裂縫的探索研究是一個長期的過程，地鐵工程的建設(shè)對西安地區(qū)地裂縫的認識和研究起到了極大的推動作用。隨著地鐵建設(shè)的推進，逐步開展施工、運營過程中地裂縫段的監(jiān)控量測，并對可能引起的沉降進行更深的研究探索，做到前期方案預(yù)防，中間手段預(yù)防，后期監(jiān)測預(yù)防，以確保地鐵通過地裂縫段設(shè)計、施工、運營的長期安全。

4 黃土地質(zhì)條件下的地鐵建設(shè)

4.1 黃土工程地質(zhì)特點

西安位于典型的黃土地貌區(qū)，廣泛分布有厚度大、濕陷性強、危害大的新黃土。黃土的濕陷性是指黃土在一定壓力條件下，土體受水浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速遭到破壞而產(chǎn)生顯著附加下沉的性質(zhì)。黃土場地的濕陷類型分為自重型濕陷場地和非自重型濕陷場地。以興慶公園為中心分布有約10 km2的飽和軟黃土，此類土工程性質(zhì)類似于華東或南方地區(qū)的軟土，強度低、變形能力強。

4.2 黃土地區(qū)地鐵建設(shè)應(yīng)對措施

西安地鐵公司就黃土地區(qū)淺埋暗挖隧道、降水試驗等專題開展研究，確立了加大埋深避繞、提前降水固土、地基處理治理、管線風險排查等設(shè)計施工措施。積極開展?jié)裣菪渣S土地區(qū)地鐵區(qū)間盾構(gòu)和暗挖隧道修筑關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，通過研究以及地鐵工程的實踐，基本解決了黃土地質(zhì)條件下盾構(gòu)快速掘進、飽和黃土下暗挖施工安全、濕陷性黃土地基處理、黃土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境降水措施等諸多技術(shù)問題，為黃土地質(zhì)條件下修建地鐵奠定了一定基礎(chǔ)。在飽和軟黃土區(qū)通過強化止水降水措施、加固圍巖和減緩施工速度的方法，安全有效地通過了若干個風險點。

1)為確保在黃土和全斷面砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)機的順利掘進，從盾構(gòu)機的選型、設(shè)計及適應(yīng)性、盾構(gòu)施工中的渣土改良、掘進過程中參數(shù)的設(shè)定、強化監(jiān)控量測等方面著手，采用必要而合理的措施。

2)針對飽和黃土地質(zhì)條件的暗挖施工，在有條件的情況下盡量采用盾構(gòu)法施工，以有效降低由于降水引起的飽和軟黃土的失水壓縮。在采用淺埋暗挖法施工的地段，應(yīng)采用分級降水，同時加強對周邊環(huán)境的監(jiān)測，若降水造成的沉降較大時，設(shè)置回灌措施。對于周邊無條件實施降水的工點，應(yīng)考慮注漿止水，其中以二重管無收縮雙液注漿工藝(WSS)取得的收效最為明顯，可確保暗挖工程在無水條件下實施。對于地鐵車站和豎井，應(yīng)加強基坑止水措施，可采用止水帷幕，減少降水對帷幕外地下水的擾動。采用坑內(nèi)降水，必要時進行回灌。降水宜分階段進行，確定周邊建筑物沉降穩(wěn)定后方可開始下一階段降水。工程建設(shè)速度不宜過快。

3)針對濕陷性黃土地基處理技術(shù)，在線路縱斷面設(shè)計中盡可能加大埋深避讓不利地層，對于附屬結(jié)構(gòu)采取樁基穿越、灰土換填技術(shù);對于車輛段等遠離城市中心區(qū)域，采取強夯和灰土擠密樁等措施。

4)針對黃土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境降水工程，根據(jù)以往2號線的土建工程經(jīng)驗，10 m降深范圍內(nèi)古土壤和老黃土地層中的水系疏干時間和效果較為明顯，工程提前半月降水即可達到開挖條件;對于降深大于10 m的古土壤和老黃土地層，降水時效要加大，但基本能達到施工條件，局部遇夾砂地層，采取輔助雙液鋼花管注漿也能達到開挖條件，上述地層降水對地表影響很小;對于飽和軟黃土地層，降水對地表沉降有影響，但在遠離建筑物10 m范圍外的建筑物，降水可以實施，但對10 m范圍內(nèi)的建筑，隧道施工需降水并結(jié)合洞內(nèi)WSS注漿方可達到開挖條件。

5 工程安全管理

西安地鐵自開工建設(shè)以來，西安地鐵人始終高度重視安全質(zhì)量管理工作，將安全質(zhì)量作為西安地鐵“三個確?！蹦繕酥唬肓撕芏噢k法，做了大量工作，確保了地鐵建設(shè)安全質(zhì)量工作始終平穩(wěn)可控，2號線開工4年來沒有發(fā)生過重大安全質(zhì)量事故?？傮w來說，西安地鐵安全質(zhì)量管理工作具有以下幾個顯著特點:

1)實行了安全生產(chǎn)責任問責制，安全質(zhì)量與工程招標掛鉤。在全國地鐵行業(yè)首家出臺了安全生產(chǎn)責任問責制，一年內(nèi)發(fā)生兩起以上同類一般安全生產(chǎn)責任事故并造成較大社會影響的施工、監(jiān)理單位，將直接清退出西安地鐵建設(shè)市場;對發(fā)生人員傷亡或造成一定經(jīng)濟損失和社會影響的施工、監(jiān)理單位，取消其1～2年投標資格。

2)健全完善了各項管理制度，提升了安全質(zhì)量管理水平。先后制定了84項管理制度，其中工程技術(shù)、安全質(zhì)量管理、風險控制及應(yīng)急救援制度29項，并且全部經(jīng)過專家評審，有效提升了安全質(zhì)量管理水平。

3)開展了10多項專題研究，解決了大量施工技術(shù)及安全質(zhì)量問題。針對西安地質(zhì)特點，先后聯(lián)合8家科研院所，投入1 200多萬元，開展了14項地鐵工程技術(shù)研究和課題攻關(guān)，解決了施工中的許多難點問題，提高了工效，縮短了工期，確保了施工安全。

4)強化了安全保證金管理，生產(chǎn)過程得到有效控制。將安全保證金與各施工、監(jiān)理單位安全生產(chǎn)情況及安全措施掛鉤，按季考核，獎優(yōu)罰劣，使安全生產(chǎn)管理從事后處罰向事前預(yù)防和過程管理轉(zhuǎn)變，消除了事故隱患，降低了小事故的發(fā)生頻率。

5)通過教育培訓(xùn)和實踐鍛煉，培養(yǎng)了一支技術(shù)過硬的安全質(zhì)量管理隊伍。目前，公司擁有3名國家注冊安全工程師和55名中、高級工程技術(shù)人員，占一線人員總數(shù)的76%，安全質(zhì)量管理人員的整體素質(zhì)較高。

6)設(shè)立了安全質(zhì)量監(jiān)督處，強化了安全質(zhì)量監(jiān)督職能。明確了安全質(zhì)量監(jiān)督處與工程處、設(shè)備處在安全質(zhì)量管理工作上的職責分工，夯實了安全責任。

6 風險控制

在設(shè)計階段和施工準備階段，積極開展西安地鐵土建工程安全風險評估與管理項目的研究工作，對西安地鐵1號線進行風險評估，提出風險規(guī)避建議，將風險控制在源頭，為建設(shè)管理方實現(xiàn)“分級管理、重點監(jiān)控”提供依據(jù)。此外，進一步健全地鐵安全風險管理制度，規(guī)范與加強對各參建方的監(jiān)督管理，實現(xiàn)安全風險管理的系統(tǒng)化、科學(xué)化，并建立長效機制，持續(xù)提高西安地鐵工程建設(shè)安全風險管理的水平。不斷積累監(jiān)測數(shù)據(jù)和風險管理資料，總結(jié)出西安地鐵施工對環(huán)境影響的相關(guān)參數(shù)，探索安全風險管理機制，為今后地鐵工程的設(shè)計、施工和建設(shè)管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

7 結(jié)語

本文主要是根據(jù)西安城市特點和特殊的工程地質(zhì)環(huán)境，針對西安地鐵建設(shè)工程中三大難題，從工程安全管理和風險控制方面，進行了初步的總結(jié)與探索。今后，將結(jié)合西安地鐵后續(xù)線路的建設(shè)，做進一步的深入研究。

［1］西安市地下鐵道有限責任公司.西安鐘樓本體現(xiàn)狀勘測評估報告［R］.西安，2008.

［2］西安市地下鐵道有限責任公司.西安地鐵二號線盾構(gòu)施工沉降與運行振動對鐘樓影響安全評估報告［R］.西安，2008.

［3］西安市地下鐵道有限責任公司.西安城墻南門、北門地鐵二號線穿越區(qū)段安全評估及西安地鐵二號線施工沉降與運行振動對城墻影響研究成果報告［R］.西安，2008.

［4］西安地下鐵道有限責任公司.西安地鐵土建工程安全風險評估報告［R］.西安，2008.