地鐵隧道礦山法施工事故風險分析與評價

鄭濤，孫捷城，王國富,

隨著我國社會經(jīng)濟突飛猛進的發(fā)展，城市軌道交通的建設方興未艾，自 1969年北京修建了我國第1條地鐵線路以來，天津(1976)、上海(1995)、廣州(1997)、長春(2002)等城市陸續(xù)開始城市地鐵的建設。到2013年底，我國已修建地鐵線路87條，且運營里程達2 539 km，與此同時，有36座城市獲批修建城市地鐵線路。《“十二五”綜合交通運輸體系規(guī)劃》指出，截止到 2016年，全國城市地鐵建設里程已達4 000 km，迎來地鐵修建的高潮，且今后幾年每年增長里程在500 km左右[1]。根據(jù)目前各城市建設情況，估計到 2020年左右，我國城市地鐵運營里程將達到6000 km。此外，與其他交通工具相比，地鐵具有安全可靠、方便快捷、舒適環(huán)保、運能大以及用地省等優(yōu)點[2]。但不可否認的是，在中國城市地鐵迅猛發(fā)展的同時，其施工過程頻發(fā)的各種安全事故為其蒙上了不小的陰影，如2003-07-01上海地鐵某聯(lián)絡通道在施工期間發(fā)生大面積坍塌、防汛墻塌陷致使工期延誤數(shù)年之久的特別重大事故，2007-03-28 02標蘇州地鐵發(fā)生坍塌事故，引發(fā)地面出現(xiàn)塌陷，致6人死亡[3]等。針對各種安全事故，國內眾多學者對其進行分析和總結，侯艷娟等[4]基于北京地鐵施工安全事故典型案例，根據(jù)事故發(fā)生原因將安全事故分為5類，并針對每一類事故給出相應的防治策略與方案，同時提出適合中國國情的安全控制和風險管理措施。李鳳偉等[5]對2003～2010年地鐵建設118起安全事故進行統(tǒng)計分析，指出塌陷和坍塌是主要事故類型，并對事故按區(qū)域、事件、類型等因素進行研究，提出死亡比率的概念以反映城市安全管理水平。羅偉[6]基于極限分析法研究淺埋隧道破壞原理，并且對其圍巖壓力計算表達式進行理論推導，通過非線性規(guī)劃優(yōu)化方法優(yōu)化目標函數(shù)，分析淺埋隧道穩(wěn)定性及其可靠度。楊遠程[7]從人、機、料、環(huán)和管理等方面全面分析總結地鐵施工期間風險源因素，并提出風險事故成因分析方法(RCTM)以及事故根源追溯方法。錢七虎[8]全面介紹了我國當前地下工程建設所面臨的挑戰(zhàn)，并對事故發(fā)生原因進行了深入分析，明確指出主觀原因和責任事故是地下工程安全事故的主要原因，最后給出事故預防的技術方法和管理手段。楊晨等[9]基于深圳地鐵安全事故統(tǒng)計，指出坍塌是地鐵工程施工期的多發(fā)事故，并從基坑工程、盾構工程、礦山法開挖以及高支模架施工4個方面分別介紹事故特點與預防措施。城市地鐵屬于萬眾矚目的工程，在網(wǎng)絡日益普及的今天，一旦出現(xiàn)安全事故，極可能造成不可估量的社會影響和極大的輿論壓力。因此，準確分析城市地鐵施工期間風險事故原因，研究其結構的可靠度是一個非常重要的課題。在前人研究的基礎上，本文對國內近十年來100起地鐵建設期安全事故進行深入分析，并結合青島地鐵某典型事故案例，運用可靠度理論以及FLAC3D軟件分析地鐵隧道的穩(wěn)定性，最后給出了風險事故控制及地鐵隧道施工穩(wěn)定性的相關建議，以供相關技術人員參考。

1 安全事故統(tǒng)計

通過分析我國近10年來100起地鐵隧道礦山法建設施工期所發(fā)生的安全事故樣本發(fā)現(xiàn)[3]，該樣本包含坍塌事故 55起，由各種機械傷害引起的事故11起，火災與水災誘發(fā)事故各7起，墜物擊打引起事故6起，模板坍塌造成事故5起，爆炸引發(fā)事故4起，由其他方面原因導致事故5起，詳細數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1及圖1所示[10]。對于各類事故造成的人員傷亡方面，坍塌占總傷亡人數(shù)的55.9%，具體數(shù)據(jù)參考表1與圖2。通過對上述各類事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，坍塌是地鐵隧道工程建設期的多發(fā)多害事故，是重點防備的事故類型。

圖1 安全事故統(tǒng)計Fig. 1 Accidents statistics

表1 安全事故統(tǒng)計(按事故類型劃分)Table 1 Accidents statistics (Classification by accident type)

圖2 傷亡人數(shù)比例Fig. 2 Proportion of casualties

2 可靠度理論分析

由于大量事故以及人員傷亡是坍塌引起的，所以對坍塌事故進行深入研究是一個非常重要的課題。作為極其復雜的地下工程，城市地鐵隧道周邊地層條件千差萬別，且受力由于現(xiàn)場實際情況的不同而存在較大差異，故造成坍塌事故的因素有很多，但歸其本質最根本的原因是由于巖土體參數(shù)的變化，若采用傳統(tǒng)的確定性安全系數(shù)對巖土體強度參數(shù)進行分析，誤差較大，在工程實際中將傾向于應用考慮巖土體不確定性可靠度分析方法。本文通過強度折減法(c和 φ 值分別取不同的折減系數(shù))[11-12]與點估計法[13]分析地鐵隧道的可靠度，更好地避免坍塌事故發(fā)生，并且通過FLAC3D有限差分軟件，對青島地鐵3號線某起典型坍塌案例進行深入分析，得到引起坍塌事故的原因，以便更好地指導同類軌道交通的建設。目前對于地鐵隧道可靠度研究的方法較多[14]，較為常用的有一次二階矩法、漸進積分法、響應面法、Momte Carlo法和點估計法等。一次二階矩法需將分布函數(shù)展開成Taylor級數(shù)，且不能考慮設計點附近的局部性質，產生較大誤差；漸進積分方法需對基本變量概率密度函數(shù)對數(shù)的一階二階導數(shù)進行求導計算，使問題的繁瑣程度有所增加；隨機響應面方法通過插值展開點和系數(shù)進行調整，計算過程復雜；Momte Carlo方法需要重復模擬過程，工作量較大。點估計法是Daniels[13]提出一種可靠度計算方法，且該方法不必預先分析隨機變量的分布類型，只需計算出隨機變量的均值和方差，便可求出分布函數(shù)的一階矩(均值)和二階矩(方差)，由此得到地鐵隧道的可靠指標和破壞概率。該方法計算過程簡單，并且計算結果與實際情況相符合，是一種較實用的可靠度分析方法。

點估計法無需考慮分布函數(shù)的變化形態(tài)，可直接選取變量的均值±標準差，來構建基本取值點。在地鐵隧道施工過程中，隧道穩(wěn)定性受到巖土體強度參數(shù)、外加荷載、施工環(huán)境的影響，而對于強度折減法主要考慮對地鐵隧道可靠度影響較大的巖土體強度指標c和φ 值[15]，相應的取值有：

式中：μc，μφ，σc，σφ為 c和 φ 值的均值和標準差。

建立數(shù)值分析模型，對于每一組隨機參數(shù)的組合，采用對巖土體強度參數(shù)(c和 φ 值)的折減得到隧道拱頂特征點的位移與折減系數(shù)關系曲線[16]，將曲線上突變的拐點作為安全系數(shù)，得到1組對應的隧道圍巖安全系數(shù)如式(2)，由式(3)～(6)可計算出隧道安全系數(shù)的均值μF，標準差σF，可靠度指標β以及失穩(wěn)破壞概率Pf，進而評價隧道工程的可靠度。

式中：()φβ為標準正態(tài)分布函數(shù)，可在標準正態(tài)分布表中查詢。

3 工程實例分析

3.1 事故概況

2012-04-25凌晨突降大雨，青島地鐵3號線某區(qū)間由于雨水滲入掌子面前方的土體，引起掌子面涌水、涌砂、突泥，進而發(fā)生隧道坍塌冒頂事故。此事故誘發(fā)地面坍塌范圍約15 m×15 m，坍塌深度約為8 m，并且造成4條高壓電纜受損，部分砂土、各種雜物涌入隧道，造成大面積浸水，如圖3所示。由于工作人員發(fā)現(xiàn)較早，搶險及時，未引起人員傷亡情況，但坍塌段位于青島市交通干道，人流量較大，引起較多市民圍觀，產生極壞的社會負面影響。

事故原因如下：坍塌區(qū)隧道圍巖為富水砂層，在其開挖前已經(jīng)布設降水井進行降水，并且降水后地下水位已降至隧道底部以下，確保隧道開挖在無水環(huán)境下進行，但由于突降大雨，排放雨水的暗渠無法大量排水，導致暗渠轉折處(即塌方位置)產生破裂，暗渠中的大量雨水涌入隧道上方土層，在雨水浸泡下，原來無水的隧道周圍砂層內黏聚力下降、內摩擦角變小，整體強度變弱，自穩(wěn)能力下降，掌子面發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，并導致地面發(fā)生冒頂事故。

圖3 地面塌方部位Fig. 3 Ground collapse site

3.2 坍塌事故可靠度分析

塌方處隧道埋深約8 m，穿越地層巖性以砂土為主，采用上下臺階預留核心土方法開挖，數(shù)值計算模型分為回填土、砂土、上臺階、下臺階、核心土、上下臺階襯砌、強風化花崗巖、中風化花崗巖等9種模型單元，模型范圍為52 m(橫向)×10 m(縱向)×31 m(豎向)，對其四周進行水平約束，底面豎直方向約束，上邊界為自由邊界，各模型力學參數(shù)見表2，模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，即τ=c+σtanφ，f=tanφ，其模型如圖 4 所示。

圖4 數(shù)值計算模型建立Fig. 4 Numerical model

根據(jù)青島地鐵3號線專項設計資料中砂土的無側限雙軸實驗知砂土峰值強度指標分別為 μc=40 kPa，μφ=45°，變異系數(shù)分別為 ξc=0.20，ξφ=0.15，則標準差分別為σc=8 kPa，σφ=6.75°。根據(jù)有限元強度折減法，將隧道圍巖的強度參數(shù)值c和f除以一個折減系數(shù)Ftrial后得到1組ci和fi值，每一組ci和fi值輸入到計算模型中進行計算，在c和f 值不斷減小的過程中隧道的安全系數(shù)也隨之降低，可以得到一組臨界值c0和f0，即：當f≤f0和c≤c0時隧道將發(fā)生失穩(wěn)破壞，f＞f0和c＞c0時隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。計算時：通過預設折減系數(shù)Ftrial進行逐次計算，得到隧道拱頂特征點的位移與折減系數(shù)(S-Ftrial)相對應的曲線，將曲線上突變的拐點作為安全系數(shù)Fn，故在不同強度參數(shù)組合條件下隧道的安全系數(shù)分別為：

由此求得隧道安全系數(shù)均值 μF=1.27，標準差σF=0.14，可靠度指標 β=1.91，失穩(wěn)破壞概率Pf=1 - φ(1.91) = 2.81%，表明隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值計算結果顯示，無水條件下隧道開挖后，最大豎向沉降35.3 mm，地表最大沉降約20 mm，見圖5，滿足《地鐵工程監(jiān)控量測技術規(guī)程》[17]中地面沉降控制值30 mm的要求，可以看作隧道處于安全狀態(tài)。

表2 模型參數(shù)Table 2 Parameters of model

圖5 豎向位移云圖Fig. 5 Vertical displacement

由于突然出現(xiàn)大雨，年久失修的地下排水暗渠因不堪重負而發(fā)生破裂，致使大量雨水入滲隧道上方地層，回填土、砂土逐漸趨于飽和狀態(tài)，強度急劇下降，基本喪失自穩(wěn)能力，部分雨水甚至通過掌子面進入隧道內，最終導致掌子面出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，同時隧道上覆土體發(fā)生坍塌，地面出現(xiàn)冒頂。根據(jù)劉波模型試驗中關于干性土體與飽和土體參數(shù)取值研究[18]，土體飽和后，密度稍有上升，強度參數(shù)下降約58%。回填土、砂土的力學參數(shù)為干燥時參數(shù)的一半，中風化花崗巖與襯砌力學參數(shù)選用原先數(shù)值，見表3。

表3 飽水狀態(tài)下模型參數(shù)Table 3 Parameters of model under water saturated state

此時，根據(jù)現(xiàn)場評估資料知，砂土峰值強度指標分別為 μc=24 kPa，μφ=20°，變異系數(shù)分別為ξc=0.23，ξφ=0.17，則標準差分別為 σc=5.52 kPa，σφ=3.4°。通過有限元強度折減法得其安全系數(shù)為：

按照上述分析方法隧道安全系數(shù)的均值μF=1，標準差σF=0.14，可靠度指標β=0，隧道失穩(wěn)破壞概率Pf=1 - φ(0) = 2.81%，表明隧道處于失穩(wěn)狀態(tài)，由數(shù)值模擬結果顯示飽水狀態(tài)下，最大豎向沉降達377.8 mm，地表最大沉降約150 mm，遠遠超過《地鐵工程監(jiān)控量測技術規(guī)程》[17]中地面沉降控制值30 mm的要求，可看作已出現(xiàn)坍塌事故。

圖6 飽水狀態(tài)下最大豎向位移云圖Fig. 6 Vertical displacement under water saturated state

4 結論

1) 城市地鐵工程建設施工期坍塌事故占據(jù)了安全事故的一半，產生了較大的人員傷亡以及經(jīng)濟損失，并且延誤了工期，通過可靠度分析方法與數(shù)值模擬計算分析坍塌原因，得到巖土體強度參數(shù)對坍塌有著直接影響。

2) 通過有限元強度折減法與點估計方法相結合研究地鐵隧道結構的可靠性，在考慮土體參數(shù)的變異性的基礎上，避免了計算的復雜性，可為類似工程分析提供參考。

3) 青島地鐵 3號線在某隧道未受雨水影響時安全系數(shù)均值為1.27，可靠度指標達1.91，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在雨水滲入地層以后，圍巖強度降低，自穩(wěn)能力變差，在施工擾動后隧道安全系數(shù)均值為1，可靠度指標為0，隧道坍塌，與實際情況一致。

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