地鐵隧道施工安全保護的對策和措施

羅園輝（廣州市市政工程監(jiān)理有限公司， 廣東 廣州 510045）

1 地鐵隧道安全管理活動及風險綜述

開展地鐵保護區(qū)工程管理工作，首先要對地鐵隧道現狀或近況進行調研，對調研收集的內容進行整合分析；其次通過理論分析、數值模擬計算和經驗類比，對在建或運營中的地鐵隧道的安全風險因素及其影響程度進行綜合評估分析，并且對其變形情況進行預測；最后應對采取的保護措施加以總結并提出對策建議。此項工作主要從行政審批與執(zhí)法、技術審查與支持、結構及設施設備監(jiān)控、保護巡查與結構監(jiān)測維護 4 個方面展開。目前大部分城市地鐵建設有個通用特點，即“重建設、輕保護，招標低價、工期延長”，未能真正將“安全第一、以人為本”的原則落實到一線作業(yè)環(huán)境中。

建設工程安全風險主要包括工程自身及施工作業(yè)風險、周邊環(huán)境風險、自然環(huán)境風險和組織管理風險這 4 類風險。就地鐵隧道建設工程而言，在規(guī)劃設計階段、施工安裝階段和運營階段有以下風險因素可供分析研究。

（1）設計勘察缺陷、施工階段不同類型施工機械設備的垂直水平運輸、多工種立體交叉作業(yè)、同步注漿等材料管控不到位、開倉作業(yè)管控不到位、盾構被卡姿態(tài)失控、管片滲漏或破碎、設備配件滲漏、操作工安全意識不強、操作不當或違規(guī)操作、聯絡通道暗挖支護、結構滲漏水、施工后固結沉降、運營期列車振動等，屬于工程自身及施工作業(yè)風險。

（2）不同類型地下工程的近接施工或穿越重要建構筑物（如高速、鐵路、高架橋、高壓線塔、民房群）、鄰近或下穿各類地下管線、鄰近動水動土作業(yè)（尤其鉆孔打樁或高壓注漿、基坑開挖及排水、大面積堆土卸載或爆破拆除）、違規(guī)勘探鉆探抽排地下水等，屬于周邊環(huán)境風險。

（3）不良水文地質、復雜不均勻地質、特殊復合地質、自然水土流失、承壓地下水、圍巖漏氣冒漿等，屬于自然環(huán)境風險。

（4）各參建單位安全管理機制不完善、管理和操作水平差、安全氛圍營造不夠、安全教育技能培訓（交底）系統不完善、盾構機選型及配置風險、地鐵保護措施不全、現場巡查機制不完善、安全監(jiān)管不到位、長期巡查監(jiān)控內外信息無法關聯協作、部門監(jiān)督不力執(zhí)法不嚴、政治和法律風險等，屬于組織管理風險。

上述各種安全風險因素造成既有結構的異常沉降、收斂變形或水平位移等，將會進一步引起結構病害、危及行車行人安全，甚至影響地鐵運營安全。幾乎所有地鐵隧道在施工實施階段和運營階段都或多或少地發(fā)生過因結構受到外力損傷而影響施工和運營的安全事件。

2 地鐵隧道安全事故案例及重大結構病害分析

2.1 由不良地質透水引起的坍塌事故

2.1.1 事故概述

2018 年廣東省佛山市某地鐵隧道區(qū)間盾構施工的盾尾管片拼裝處從小量滲水滴漏演變?yōu)橥话l(fā)涌水涌沙的“透水坍塌重大事故”，導致正拼裝的盾構管片結構瞬間被破壞，隧道前端正上方發(fā)生地面坍塌冒頂，造成 11 人死亡、1 人失蹤、8 人受傷，直接經濟損失約 5 300 萬元。

2.1.2 調查分析

施工單位安全風險管控不力、應急預警不到位、應急處置不當，未及時撤出作業(yè)人員，未采取有效的技術與管理措施及時消除盾尾密封性能下降等事故隱患。同時，各種管理不當也埋下嚴重的事故隱患：沒有牢固樹立安全理念，沒有真正把安全放在首位；對于復雜地質條件下的盾構施工，安全風險意識淡薄且措施不力；風險處置不科學，現場指揮不當；沒有完善盾構分部的安全管理體制，統一管理流于形式；城市軌道交通盾構施工技術標準、規(guī)程和管理規(guī)定滯后；職能部門的安全監(jiān)管缺乏行業(yè)針對性。

2.1.3 措施與對策

（1）優(yōu)化勘探規(guī)范規(guī)程，加強復雜地質條件下盾構施工安全風險防范。

（2）加強關鍵指標的監(jiān)測監(jiān)控，為提前預判、做出應急救援的正確決策提供有力支持。

（3）加強提高風險管控能力和應急救援能力。

（4）優(yōu)化盾構設備的設計和制造，制定盾尾密刷、油脂質量標準和操作規(guī)程等。

（5）全面落實主體責任，自覺接受屬地安全監(jiān)管，重視安全隱患排查閉合，以安全保質量。

2.2 由非法打樁引起的擊穿隧道事故

2.2.1 事故概述

2010 年上海某地鐵隧道正上方因某施工單位非法施工打樁，導致隧道管片被擊穿破損、頂部泥漿噴出，幸好應急處置得當，搶修逾 10 h 后排除安全隱患，并未造成人員傷亡，但險些影響地鐵開通運營，給社會帶來惡劣影響；而該段受損隧道管片，后期再次耗時耗力作鋼內襯加固。同類型事故也在 2017 年底的深圳地鐵 9 號線和 11 號線的施工中發(fā)生過。

2.2.2 調查分析

該樁基施工單位在未經地鐵運營單位審批的情況下擅自進行打樁施工作業(yè)。

2.2.3 措施與對策

加強歸口監(jiān)管和各部門的聯合執(zhí)法，完善和健全管理長效機制，包括督促各區(qū)強化小散工程監(jiān)管，加強地鐵安全保護區(qū)監(jiān)管等，以進一步強化安全意識和安全行為，切實維護地鐵運營安全。

2.3 由鄰近區(qū)域大面積堆土引起的超載事故

2.3.1 事故概述

2013 年上海地鐵某區(qū)間隧道正上方地面因市政道路施工需要進行路基填方而發(fā)生大量堆載，路基沿線長度逾300 m、寬度逾 20 m、土高最高約 7 m，經即時監(jiān)測發(fā)現隧道健康監(jiān)測值的沉降量對比 2 個月前的數據突增了 3.5 mm～22.8 mm，且下行線隧道側排水溝與中心道床剝離 2 mm。同類事故也發(fā)生在其他地區(qū)營運中隧道上方的小區(qū)綠化施工。2015 年深圳前海雙界河路市政工程也發(fā)生類似事故，影響了地鐵 1 號線、5 號線的運營和 11 號線的建設。

2.3.2 調查分析

經分析，隧道正上方加載土方的重量傳遞至地鐵外壁附加荷載已遠大于 20 kPa，直接導致管片橫向收斂變形量急劇增大，出現管片開口、滲漏水、缺角、橫向變形等較嚴重病害。

2.3.3 措施與對策

（1）經應急處置、清理隧道結構上方及周邊約 3 m高的棄土并外運后，隧道沉降小幅回彈了 0.46 mm～5.50 mm。跟蹤監(jiān)測至變化穩(wěn)定。

（2）對已被擾動范圍地層進行分層灌注多組分液漿加固。

2.4 由鄰近深基坑施工卸載引起的異常情況

2.4.1 事故隱患

目前國內已建成的地鐵運營路段大多存在一些臨近建構筑物的深基坑接近地鐵隧道的情況，導致距離 L 與深度 H 的比基本都小于 1.0，車輛換乘點部分可以說是零距離接觸。

2.4.2 調查分析

經過調查收集某地區(qū)地鐵 1 號線在 1999—2011 年期間鄰近深基坑施工時的監(jiān)控監(jiān)測數據，得出以下不良影響和結構隱患：反饋收斂變形變化曲線數字累計最大超 140 mm，部分管片橫徑差異過大，出現多道縱向貫穿裂縫，對應下行線沉降累計變化（基坑開挖對應范圍）已達－48 mm、上行線達到－29.2 mm 等。運營單位立即采取相應措施加以控制，沉降與變形已有一定回調并逐漸趨于穩(wěn)定。類似特殊案例可參見 2018 年底陜西省西安市夏殿村安置小區(qū)項目基坑、2019 年中陜西省西安市碧桂園云頂項目一期、2017 年陜西省西安市萬科城市之光南區(qū)項目等。

2.4.3 措施與對策

（1）往后地鐵相鄰物業(yè)進行開發(fā)與規(guī)劃設計應按照“遠大近小、遠深近淺、先遠后近、跳浜施工”的原則指導施工。

（2）施工過程應按照“時空效應”理論的“分層、分塊、對稱、平衡、限時”原則實施現場基坑開挖順序和開挖支撐施工參數，從而有效控制隧道異常沉降和水平位移的不利影響。

（3）分析沉降變形規(guī)律，軟弱地基范圍的收斂變形約75% 為大地沉降，會有適當反彈回調。開通運營前 5 年較大，10～15 年后趨于穩(wěn)定。位于流塑性地層的隧道可以采取“雙液”微擾動輕注漿治理措施，分段分階段地應對不均勻沉降；同時科學指導運營單位根據實際需要調整沉降維修標準。

（4）鋼支撐采用“自動補償軸力系統”，可有效控制圍護結構的水平位移，降低施工對地鐵隧道造成的不利影響。

（5）健全應急救援預案，現場應提前準備好應急救援物資，包括設備和材料。

2.5 鄰近或穿越重要建（構）筑物（如高速、高架橋、隧道或民房群）的施工

2.5.1 施工重難點

近十年來我國各大城市如火如荼地開展地鐵工程建設。由于已運營路線較多，難免存在在建隧道需要穿越正在運營的大直徑隧道。例如，廣州地鐵 14 號線一期土建施工 8-9 標區(qū)間隧道上下行線及出場線施工，按照設計要求先后 5 次下穿北二環(huán)高速（含匝道）、1 次下穿在建隧道、沙坑涌和 49 棟民房群和藍天航油管，且多次穿越 G10 廣從路以及復雜地下砂層施工，路線鄰近跨越數條 110 kV 高壓線塔，可謂困難重重、風險較高。實施穿越工程必須做到施工方案完善，充分落實方案技術交底、安全交底及培訓教育；要求現場施工主管（機長）具備豐富經驗，及時足量注漿，充分穩(wěn)定隧道管片的周邊地層。

2.5.2 措施與對策

施工時結合工程經驗，采取了多項冗余保障措施：依照“保頭護尾、均勻慢速推進、適時調整糾偏、平順盾構姿態(tài)、及時足量同步注漿、適時二次注漿加固”原則指導重點區(qū)域穿越；勤監(jiān)測、多跟蹤，關注盾構 GPS 測量偏差、電子水平尺即時監(jiān)測復核、當天形成測量報告分析和CAD 圖形模擬，確保動態(tài)監(jiān)控、及時反饋；施工方案與應急處置預案同步指導施工作業(yè)，應急設備材料準備充分、能夠即時到位，輔助施工順利開展。

2.5.3 監(jiān)測結果

各風險點平安渡過后相隔 1 個月，進行最終施工復測以及第三方監(jiān)測復測，結果發(fā)現：穿越房屋群、北二環(huán)高速的沉降量累計最大值為 －16.80 mm，累計監(jiān)測 55 次未發(fā)生報警值；穿越廣從路的沉降量累計最大值為 －29.61 mm，未發(fā)生過日報警值或累計報警值情形。最終該項目監(jiān)測數據質量能滿足設計要求，監(jiān)測精度均達到 JGJ 8—2016《建筑物變形監(jiān)測規(guī)范》二等精度的要求。

2.6 地鐵隧道重大結構病害的處理及維護保養(yǎng)

2.6.1 重大結構病害

重大結構病害案例包括 2015 年南京地鐵 10 號線元通—中勝—奧體中心區(qū)間隧道和 2014 年深圳地鐵 1 號線鯉前區(qū)間隧道等。

2.6.2 調查分析

隧道結構病害，從內在來看，其主要誘因：施工風險考慮不足，盾構操作機長經驗不足，洞內注漿加固未能及時足量實施，一線操作工人責任心不強。例如：管片拼裝螺栓漏擰緊導致施工后錯臺變化增大，盾構設備故障頻發(fā)、日久失修導致盾構姿態(tài)失控，管片中心線偏離且未及時調整回正常范圍，施工中管片錯臺滲漏現象過多且未及時修正，等。從外在來看，其主要誘因：地質不均勻或地層上軟下硬，導致盾構施工沉降和運營期間沉降過大；自然水土流失，導致隧道累計疊加位移變化且難以趨于穩(wěn)定；鄰接工程施工擾動較大，導致其對隧道外壁形成不利影響；隧道運營初期，對振陷的鋼軌、管片未能及時進行相應的注漿加固；等等。

2.6.3 措施與對策

（1）針對人員經驗不足，應有經驗豐富的公司技術負責人、項目總工組織多次技術研討、技術交底及專家評審論證活動。

（2）針對結構滲漏水病害，施工時應對隧道壁內進行騎縫注漿或對隧道壁后進行注雙液漿或聚氨酯，并多次治理加以鞏固。

（3）針對結構掉塊、掉邊病害，如隧道 3 點、9 點以上的破損，主要以清理為主并輔之以速凝水泥修復；如 3點、9 點以下的破損，主要以清理為主，確保不露筋。

（4）對于道床脫開、過渡段差異沉降過大的區(qū)段，采取外部壓樁回填注漿的方法以穩(wěn)定結構沉降，同時結合內部道床加高措施保證軌道平順。

（5）針對不均勻、不良的地層，應積極開展對隧道外防水材料及防水工藝的試驗與應用，以保證不會因隧道滲漏而發(fā)生水土流失現象。

（6）實行收斂治理，其基本原則是“上卸載、側糾偏、內加固”，針對變形位置加強內部堵漏、監(jiān)測和標識，以防隧道結構發(fā)生突變。在特殊情況下，多種措施齊上陣，內加固管片裂縫處采用芳綸布加固、損傷嚴重區(qū)段采用貼鋼板加固，可增強 25%～30% 的極限承載力。若管片直徑變形量≥100 mm、拱頂存在 1.5 m 以上縱向裂縫，則要及時貼鋼板環(huán)加固，加固期間地面限制超規(guī)大型運輸車輛通行。

3 對安全控制指標及安全管理措施的補充說明

地鐵結構安全控制指標主要包括地鐵結構及設施的絕對沉降量（最終位移值）、變形、差異沉降、結構裂縫、相對收斂、變形曲率半徑、管片接縫張開量、滲漏、地鐵外壁附加荷載量、隧道振動峰值速度、軌間距、道床脫空量等（見表 1）。

表1 城市軌道交通結構安全控制指標值

安全管理分 4 個等級（依次為限制級、1 級、2 級和 3級），3 級為影響輕微，對應其等級采取相應的管理措施（見表 2）。從設計、施工角度來分析，安全保護控制措施具體實施可以從圍護體系、土體加固、支撐體系、開挖＋支撐、降水降壓、施工監(jiān)測監(jiān)控、信息化施工、應急預案等方面展開，具體表現在：優(yōu)化施工工藝、加固加強隧道兩側、鋼支撐軸力伺服系統、調整降水擾流路徑、持續(xù)監(jiān)測內結構與外環(huán)境、實時監(jiān)控即時信息預警、完善應急響應體系等，從而為地鐵隧道提供充分且必要的保障。具體施工工藝及參數選擇，在此不做贅述。

表2 建設項目安全管理措施

4 地鐵隧道安全保護對策

當地鐵保護區(qū)范圍內的近接工程經審批通過、正式施工前，應對地鐵隧道現狀進行調查，根據結果對隧道安全管理等級進行評估或修正并制定相應對策。施工中應加強地鐵隧道的日常巡查和監(jiān)測，適時對安全評估進行調整，若監(jiān)測結果超過預警值，須立即采取對策使結構變形穩(wěn)定。待施工后結構變形穩(wěn)定，即對隧道開展詳細調查（包括健康度評定），再次評估隧道狀態(tài)對應采取維保加固措施，從而確保地鐵隧道的結構及運營安全（見表 3 和表 4）。

表3 地鐵隧道現狀調查與監(jiān)測要求

表4 保護區(qū)建設項目及常用對策匯總表

4.1 通過標準化、規(guī)范化和制度化管理合理約束地鐵保護區(qū)內的施工主體及活動

原建設部于 2005 年頒布的《城市軌道交通運營管理辦法》和住建部于 2013 年頒布的《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》，指導并規(guī)范了地鐵隧道工程在土建施工和運營階段如何在保護區(qū)內開展安全保護工作。為了保障和維護地鐵隧道結構本身和運營的安全，按照“地鐵建設優(yōu)先、地面服從地下”的原則，必須對保護區(qū)內的施工進行標準化、規(guī)范化、制度化管理，通過執(zhí)行報驗、研討、論證、審批等管理流程并應用精確的技術數據，確保達到地鐵規(guī)劃、建設以及運營線路的安全保護要求。具體如下。

（1）相關行政主管部門應建立和健全城市軌道交通設施的安全保護管理體系，使得規(guī)范和要求管轄區(qū)內地鐵隧道建設施工和運營使用的管理措施更趨完善，也更有針對性。

（2）在技術方面，各參建單位應根據城市軌道交通設施的保護要求，制定相關安全保護專項方案，并且在一線建設過程中嚴格實施。無論是控制保護區(qū)車隧結構外側 50 m還是特殊保護區(qū) 5 m，都應主動控制好有關安全指標具體量的變化范圍。

（3）在管理方面，城市軌道交通運營單位應依法依規(guī)開展有關交通設施安全保護工作。凡是在地鐵保護區(qū)范圍內即將開展鄰近工程活動的，有關規(guī)劃都應提前征求地鐵公司的書面意見，有關設計、施工和監(jiān)測方案都應提前書面報驗經軌道交通運營單位審批同意、達到地鐵保護要求后方可入場作業(yè)，并且施工過程應服從地鐵運營單位的監(jiān)管和管理。

4.2 建立施工、移交及運營期間的全過程實時信息化管理模式

建議該工作可由專業(yè)單位提供技術先進、長期穩(wěn)定的專業(yè)服務，運用從不同終端（如地上地下佩戴“GPS 記錄儀終端”的巡查人員、可實行飛檢的全自動設備、自動化遠程視頻監(jiān)控系統和結構監(jiān)測芯片等）實時反饋的末梢數據和經過實時監(jiān)控系統平臺綜合處理和分析的一系列全區(qū)域、全天候、全實時、多指標的大數據，形成數據庫、案例庫、影視庫以便實施安全分級管理。同時，引入多種地鐵監(jiān)測新技術，如隧道斷面收斂變形自動監(jiān)測系統、基于光電位移傳感的可視化預警監(jiān)測集成、分布式光纖自動監(jiān)測變形等。其意義在于：非常有利于優(yōu)化日常養(yǎng)護和維護工作，壓縮流程高效反應；有助于完善應急處理措施，提供全面的應急決策建議和科學依據；能進一步縮減部門編制，提高管理質素，縮減管理成本。

如果將地鐵線網運營比作一個區(qū)塊鏈，那么實行全過程實時信息化管理，就是將城際軌道、地面有軌電車、市區(qū)公共巴士、出租運營的士、機場航空航班等不同類型的區(qū)塊鏈閉合成環(huán)，最終從整體上完善公共交通運營安全體系，助力優(yōu)化市民出行方案，從而大大提升城市公共安全形象和強化參建單位的文化特色。這將具有非常重要的現實意義。

4.3 全面開展研究地鐵保護區(qū)內周邊工程活動對隧道的影響規(guī)律及實施對策

作為常見的近接工程，如基坑施工、地面堆卸載、上下穿隧道、地基加固處理樁基施工、注漿作業(yè)等，都有可能出現在地鐵的建設過程和運營階段，并且按照時間、空間和工法三要素對地鐵隧道結構產生不利影響，繼而造成結構承載力下降、結構變形過大并侵入界限、乃至結構破壞的后果。因此，近些年來地鐵管理部門嚴格遵循地鐵保護原則，對地鐵保護區(qū)范圍內的工程建設限制加載、卸載作業(yè)，以確保地鐵隧道安全可靠耐久。從預防為主、科學發(fā)展的長遠觀點來看，必要的科研投入能夠得到豐厚的科研成果，并在建設現場應用和按需量化實施過程中得到反饋，在推動地鐵施工的安全管理，保障科技化、集成化、自動化的安全生產方面具有重大意義。