城市軌道交通暗挖隧道施工安全的探討

王穎苗

（北京百事百達工程管理有限公司 直屬項目部，北京 100022）

0 引言

隨著城市化建設(shè)快速發(fā)展，交通問題突顯，發(fā)展城市軌道交通是緩解城市交通擁堵的有效手段之一。而城市軌道交通建設(shè)，特別是大中城市的建設(shè)項目周邊環(huán)境條件復雜，環(huán)境風險是影響工程建設(shè)安全、造價和工期控制的最基礎(chǔ)性客觀因素之一。城市軌道交通的施工周邊環(huán)境特指與工程建設(shè)安全相互作用和影響的工程環(huán)境，包括處于地面或底層狀態(tài)的現(xiàn)有(或在建)建(構(gòu))筑物(含文物保護古建)、管道、橋梁、隧洞、城市軌道交通設(shè)備、道路、地表水體等。若對周圍環(huán)境條件不熟悉、采取的防護手段和工程管理措施等不到位，易造成建(構(gòu))筑物變形過大、傾斜、倒塌，或者地下管道泄漏、破裂、地層隆沉、坍塌等環(huán)境危險性事故。

因此，如何確保城市軌道交通暗挖隧道的施工安全，尤其是預防塌方，有效控制環(huán)境風險、降低城市軌道交通暗挖施工對周邊環(huán)境安全的影響，是城市軌道交通建設(shè)必須研究的課題之一。

1 城市軌道交通暗挖工程安全事故分析

1.1 區(qū)間豎井涌水事故

1.1.1 事故背景

該區(qū)間的暗挖隧洞工程采用淺埋暗挖法施工，豎井東側(cè)有熱電廠排水方涵，該項目隧道開挖的支護設(shè)計方案為大管棚支護。在大管棚施工中，從管棚內(nèi)忽然出現(xiàn)大量水流涌入豎井，施工現(xiàn)場隨即對涌水的管道進行了堵塞，但地下水不斷從未堵塞的其他管道流出并逐漸灌滿豎井和隧道，由于豎井東側(cè)的土體被涌水沖刷帶走，管棚被流水沖擊產(chǎn)生變形喪失了應(yīng)有的支護效果，造成了方涵周圍土體出現(xiàn)裂縫并下沉，引發(fā)地表產(chǎn)生裂縫和孔洞。

1.1.2 事故原因簡析

在施工前，施工單位已開展過管線的探查，調(diào)查結(jié)果顯示隧洞頂部與該排水方涵相距很近，曾提議將此條排水方涵截流，因未獲批準制定了施作大管棚的保護措施。根據(jù)當時大管棚施工現(xiàn)場狀況，施工拱頂管棚時未出現(xiàn)問題，只在施工拱腳處的管棚時發(fā)生了滲漏。經(jīng)分析認為導致此次涌流事件的原因主要有以下幾點。

（1）污水方涵年久失修。該方涵是熱電廠用于排放循環(huán)水和泄洪的重要設(shè)施之一，建于20 世紀50 年代，已超過設(shè)計使用壽命。在截水后對方涵進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)方涵底部結(jié)構(gòu)的混凝土剝蝕、鋼筋銹蝕嚴重，并且在未影響段也發(fā)現(xiàn)多處裂縫。方涵本身長期滲漏致使其下部粘性土體液化，局部已形成地下的飽和水囊，一經(jīng)擾動極易產(chǎn)生滲水，隨著水包的破壞，方涵內(nèi)的水便順流而出。

（2）施作管棚時擾動了土體。管棚鉆進穿越方涵底部時擾動了底部土體，同時由于管棚鉆進采用水冷卻，已施作完的鋼管向外滴水未引起重視；最后一根管棚正好打在液化嚴重的水囊處引起泥水外溢，從而引發(fā)方涵內(nèi)污水從最后一根管棚流出，水流帶動土體擾動其他管棚進而造成涌水。

（3）施工采用全部大管棚完成后一次性注漿，不是每施工完一個管棚就及時注漿，一旦出現(xiàn)一個管道滲漏，極易引起其余管道跟著滲漏[1]。

1.2 區(qū)間隧道塌方事故

1.2.1 事故背景

該區(qū)間隧洞進行左線施工，在距離橫通隧洞中央線一側(cè)的人防擴大區(qū)段位置開挖時，采用交叉中隔壁法(CRD)開挖的導洞上方正臺階底拱腳處突然發(fā)生涌流，涌水量大，水流沖刷導致隧洞上部土體嚴重流失，進而造成附近橋梁的擋土墻失穩(wěn)坍塌，地面形成了一個體積較大的深坑。

1.2.2 事故原因簡析

事故主要原因是工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復雜，隧道系在圓礫層和粉質(zhì)粘土層中修建，地下水位高，尤其是隧道右上方有一根Ф1 750 mm雨污水管，管底距隧道結(jié)構(gòu)外頂5.56 m。由于污水管常年滲漏，造成土體軟化，強度降低并形成局部水囊，導致涌水和土體位移而出現(xiàn)塌陷。

1.3 區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道事故

暗挖隧道事故發(fā)生于區(qū)間隧道的風井處，距現(xiàn)狀江河西岸堤約50 m左右。該區(qū)間的2段盾構(gòu)隧道已貫通，2 段隧道之間的聯(lián)絡(luò)通道采用冷凍法進行暗挖施工。聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)時由左線開始逐步向右線掘進，當距離右線只余幾十厘米時突然發(fā)生了滲水，并伴有大量泥沙流入兩旁的盾構(gòu)隧道內(nèi)，在其作用下已完工的風井附近產(chǎn)生了沉降漏斗并使風井失穩(wěn)，進而導致隧洞結(jié)構(gòu)下沉破裂，形成了沿隧洞方向的一道縱向沉降溝，并由此引發(fā)了地層破壞地面下沉，最終造成地面上房屋的傾斜、沉降，以及周圍路面破裂、下沉，現(xiàn)狀江河圍堤破裂并下沉，江水倒灌直接由風井進入了隧洞內(nèi)。

從技術(shù)層面分析本次事故，主要是施工方對使用凍結(jié)法進行的地層構(gòu)造和凍土開挖不了解，對凍結(jié)壁的穩(wěn)定性剖析也不夠深入，導致并不能及時在凍結(jié)壁穩(wěn)定失效之前完成掌子面的封閉處理[1]。

2 預防城市軌道交通暗挖隧道塌方的措施建議

2.1 重視設(shè)計

塌方主要發(fā)生在施工階段，導致人們易輕視設(shè)計的作用，而重視專項設(shè)計會對塌方的預防起到十分關(guān)鍵的作用。

2.1.1 準確的地質(zhì)勘查

準確的地質(zhì)勘查可以降低因設(shè)計選線或不合理設(shè)計方案而導致塌方情況出現(xiàn)的機率。城市軌道交通暗挖隧道是典型的地質(zhì)環(huán)境工程，地質(zhì)環(huán)境條件是控制地下環(huán)境工程安全的首要關(guān)鍵因素。坍塌的形成與地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣聯(lián)系緊密，惡劣的地質(zhì)環(huán)境條件會直接造成坍塌，而地質(zhì)勘查的科學性、準確度，對于防止隧洞的坍塌又起著舉足輕重的作用。

在部分工程項目中，因勘探費用、勘探技術(shù)和方法等原因，地質(zhì)勘查工作較粗略，難以提供詳細的地質(zhì)學資料作為準確的設(shè)計依據(jù)，給暗挖隧道設(shè)計方案乃至后續(xù)施工造成了影響。因此，做好細致合理的地質(zhì)學勘測工作十分必要，為設(shè)計階段的支護設(shè)計提供依據(jù)。建議根據(jù)準確的地勘報告，在工程設(shè)計時做好最優(yōu)預測的選線工作，編制基于地質(zhì)條件的設(shè)計方案或措施，從而使專項設(shè)計對塌方的預防具有針對性。

2.1.2 合理的暗挖專項設(shè)計

（1）選線設(shè)計。在了解隧道洞區(qū)的宏觀地理背景、結(jié)構(gòu)特點、地質(zhì)地貌特征及較詳盡地質(zhì)資料的情況下，分析隧道區(qū)內(nèi)的活斷層、富水帶、超高應(yīng)力分布狀況，做出科學合理的隧道線體設(shè)計。在設(shè)計選線時，應(yīng)盡量躲避大斷層、富水和高應(yīng)力集中區(qū)域，這樣既能保證施工時的安全性，又可防止因地質(zhì)條件惡劣、支護過多造成施工投入的加大，從而在設(shè)計選線階段為預防塌方創(chuàng)造條件。

（2）支護參數(shù)設(shè)計。在隧洞支護設(shè)置過程中應(yīng)做好支護基本參數(shù)的設(shè)計，選擇既安全高效又節(jié)約費用的支護基本參數(shù)。如果支撐參數(shù)選取范圍較為保守，將增加施工投資，反之支護參數(shù)選取范圍過小，則支撐圍巖結(jié)構(gòu)自穩(wěn)能力將不夠，甚至可能由于支護強度的不足導致須通過改變支護措施而造成地應(yīng)力的又一次重新分配，增大塌方的風險[2]。

2.2 地下水處理

地下水是引起塌方的一個重要因素，因其影響的危害主要體現(xiàn)在圍巖軟化、泥化、溶解、膨脹等，若對地下水處理不當，將導致地層結(jié)構(gòu)完整性和強度明顯下降。地下水對地下暗挖工程施工安全的最大威脅是洞室內(nèi)出現(xiàn)不可控的涌水。

通過降(排)水、注漿止水、堵漏等方式處理地下水，能夠增強圍巖的自穩(wěn)力，在預防流沙、突水、突泥等情況時，可遵循“以堵為主、以降為輔”的原則。上述塌方事故案例皆為地下水破壞土體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而使掌子面失穩(wěn)引起的塌方。

2.3 風險性評估

對于大型地下暗挖工程項目應(yīng)開展風險性評估。此種評估應(yīng)考慮在規(guī)劃、可行性研究階段實施，在后續(xù)的設(shè)計和施工中，應(yīng)對該項目開展更有針對性的風險性評估。在進行風險性評估時，須考慮的要素包括風險時間、風險點、風險點影響范圍、風險預警值、風險預防對策和防范措施、搶險預案等[3]。

降低暗挖隧道施工安全風險，特別是預防隧道塌方，最重要的環(huán)節(jié)之一是在暗挖工程中對建設(shè)項目的安全狀況及項目周邊的環(huán)境風險進行動態(tài)跟蹤和實時監(jiān)控，并進行預警、信息反饋和針對性處置。同時，依據(jù)專項設(shè)計和專項施工風險控制措施，對暗挖工程涉及的重點部位和周邊的高環(huán)境風險因素(如地表沉降或隆起、建(構(gòu))筑物下陷和傾倒、隧道影響區(qū)域內(nèi)的地下管線沉淀量和差異沉降、橋梁墩臺沉降與差異沉降等)開展第三方監(jiān)測、現(xiàn)場巡視和動態(tài)評估，保證對環(huán)境風險管控的針對性和實效性。

2.4 信息化施工

（1）監(jiān)控量測。施工監(jiān)測能夠及時了解巖層的變動狀況，通過對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，可以發(fā)現(xiàn)并分析巖層的變動數(shù)值和變化趨勢，并作為施工是否安全的判斷依據(jù)[4]。為了控制風險，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，在速率變化和累積沉降等方面進行監(jiān)控，若出現(xiàn)沉降苗頭適時發(fā)出預警提示；當風險事件出現(xiàn)后，也能夠利用監(jiān)測數(shù)據(jù)確定或判斷事件性質(zhì)和責任[5]。

（2）超前地質(zhì)預報。超前地質(zhì)預報在暗挖隧道施工中是一項行之有效的措施。從前述案例中可以發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通的塌方，部分是由于遇到了不明地下涌水所導致。這種地下涌水大多是現(xiàn)況管線的滲漏水，特別是年代久遠的廢舊管線，在施工開挖時易出現(xiàn)突然涌流進而引發(fā)塌方事故。因此，通過超前地質(zhì)預報，可以通過巖層的含水量變動及時發(fā)現(xiàn)問題，并提前根據(jù)開挖的實際情況采取加密注漿等措施，降低地下水影響的風險。

2.5 重視事故先兆

地下暗挖工程項目建設(shè)中，尤其是在疏松的土質(zhì)地層中進行開挖，巖層的應(yīng)力改變是有過程性的，雖然該變化過程可能持續(xù)時間短，但若能較早發(fā)現(xiàn)會有一定的補救時間。根據(jù)上述區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道事故，當工程出現(xiàn)凍土開挖異常變軟后，若能及時封堵掌子面，則有足夠時間進行補救而避免事故；在基坑坍塌案例中，如果對地面裂縫、監(jiān)測偏移值和位移速率等給予足夠的重視，則有時間進行應(yīng)急處置。因此，地下工程施工時，對開挖土層的變化應(yīng)予以足夠重視，抓住變化的先兆，以免錯過處理的最佳時機。

3 結(jié)束語

城市軌道交通暗挖隧道等地下工程的安全風險是多方面的，而塌方是多種因素綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果，既有自然地質(zhì)因素，也有人為影響因素，而地質(zhì)成因是最主要的因素。因此，針對地質(zhì)成因應(yīng)做好設(shè)計、風險評估及施工管理，重視風險監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，做好事前監(jiān)控，同時不斷提高人員的技術(shù)水平及處置能力，從而防止塌方事故發(fā)生、降低城市軌道交通暗挖隧道施工風險。