復雜環(huán)境條件長距離盾構掘進施工安全風險分析

王利強

摘要 文章以深圳地鐵14號線大寶區(qū)間為例，對復雜環(huán)境長大盾構區(qū)間施工安全風險進行基本的闡述，并對盾構掘進施工狀況進行了安全風險辨識、評估、分析評價分類，對不同級別的風險源提出針對性的管控措施，特別是盾構下穿河流、長距離巖溶區(qū)、下穿既有地鐵3號線、下穿在建地鐵車站等高風險源得到有效控制，為以后地鐵長大盾構區(qū)間施工提供借鑒。

關鍵詞 地鐵；長距離；風險；評估；預控措施

中圖分類號 U455.43文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0059-04

0 引言

在地鐵盾構施工中，為保證施工安全，風險管理在工程建設過程中尤為重要。風險的控制必須堅持“安全第一，保護環(huán)境，預防為主”原則，采取經(jīng)濟、可行、主動的處治措施來減少或降低風險[1]。大寶區(qū)間隧道處于典型的喀斯特地貌地區(qū)，地質(zhì)條件相對復雜，施工安全風險大，技術難度高，施工過程中地表、拱頂沉降、突泥涌水現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。為此，在復雜環(huán)境條件下長距離隧道的施工風險管理具有重要的意義。

1 工程概況

深圳地鐵14號線大運站～寶荷站盾構區(qū)間，從大運站出發(fā)，沿龍崗大道下方敷設，采用φ6 980 mm復合式盾構掘進，區(qū)間右線全長5 777.262 m，左線全長5 573.421 m，隧道埋深約11.4～67 m。

工程有以下特點：一是下穿既有3號線高架橋，沉降變形控制要求高；二是下穿龍崗河、次高壓燃氣、巖溶發(fā)育區(qū)等，安全風險高；三是長距離掘進巖溶強發(fā)育區(qū)，姿態(tài)控制及刀具檢查與換刀難；四是區(qū)間隧道穿越地層復雜，不良地質(zhì)巖溶的處理整治難；五是盾構穿越既有建（構）筑物、管線等控制要求高，安全風險高。

1.1 工程地質(zhì)

大運站～寶荷站區(qū)間，地層主要包括人工填土層、沖洪積層、坡積層、殘積層、溶洞堆積物、炭質(zhì)頁巖、砂巖、凝灰質(zhì)石英巖、灰?guī)r。隧道埋深大約在11.4～67 m之間，穿越的地層主要是微風化石灰?guī)r、全強風化砂巖、全強風化凝灰質(zhì)石英巖，局部穿越微風化砂巖、微風化石灰?guī)r及粉質(zhì)黏土和中微風化凝灰質(zhì)石英巖。

1.2 水文地質(zhì)

該區(qū)間地表水主要為龍崗河少量溝渠水，在旱季時水流少，水位大約0.5～1 m，在暴雨季節(jié)，水流增加，水位迅速上升。

地下水埋深約6～9 m，根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型，沿線地下水主要有三種類型：第一類為第四系松散巖類孔隙水，由于地層滲透性的差異，局部具承壓性；第二類為基巖裂隙水，主要賦存于塊狀強風化、中等風化帶及斷裂構造裂隙中，略具承壓性；第三類是巖溶水，主要賦存于碎屑灰?guī)r和灰?guī)r巖層發(fā)育的溶洞及溶蝕裂隙中，略具承壓性[2]。

1.3 特殊土與不良地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭示，從大運站到寶荷站的區(qū)間平均線巖溶率為31.6%。該區(qū)域發(fā)育的巖溶類型主要是溶隙和溶洞，同時還有一些灰?guī)r表面的溶溝和溶槽發(fā)育較為顯著。巖溶地貌常常存在多種地質(zhì)結構，如溶洞、土洞、溶溝、溶槽、溶隙、豎井、落水洞、暗河以及巖溶塌陷區(qū)，這些巖溶地貌在發(fā)育程度、充填情況和覆蓋層厚度等方面存在較大差異，富水性較高且水分分布不均勻[3]。因此，它們被認為是城市軌道交通工程建設中的重要風險因素之一。

2 施工風險管理

城市軌道交通工程建設投入資金巨大，施工技術、工藝復雜，施工時間較長，周圍環(huán)境情況復雜，需要各種施工設備，同時還涉及多種專業(yè)工種和人員，這些工種之間相互關聯(lián)。在工程建設過程中，很容易發(fā)生各種風險，一旦發(fā)生風險，就會導致人員傷亡或經(jīng)濟損失等嚴重后果，直接危及人民的生命、財產(chǎn)和健康安全，甚至會對環(huán)境造成嚴重沖擊甚至破壞。為了有效管理不同種類的風險，必須在工程建設初期實施風險源辨識及評價分析，過程中風險管理實行動態(tài)管控。

2.1 風險因素識別和分析

風險是指不利事件或事故發(fā)生的可能性與造成損失的組合。施工現(xiàn)場可能發(fā)生并對項目經(jīng)濟、安全、工期、環(huán)境以及社會產(chǎn)生影響的事件是施工過程中的重要因素。城市軌道交通工程建設的風險因素很多，包括自然環(huán)境、場地條件、結構設計與施工、機電設備安裝、參建人員以及周邊建筑物（如道路、房屋、管線、橋梁等）[1]。在進行風險管理時，需要在滿足安全可靠、經(jīng)濟合理和技術可行的條件下通過采取風險控制措施將各類風險降低至合理且可以接受的水平。

對復雜環(huán)境條件下的安全風險進行辨識評估，可以更清楚地確定關鍵的控制區(qū)域和有效的控制措施，以增強施工安全風險管理的應對能力。大運站～寶荷站區(qū)間的風險分為地質(zhì)風險、設計及自身風險、環(huán)境風險。風險因素識別[1，3]與分析見表1。

2.2 風險等級劃分、預控措施

根據(jù)深圳地鐵已建線路的風險或事故資料、現(xiàn)場施工調(diào)查、施工圖以及14號線大寶區(qū)間地下工程的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、結構類型、施工技術、環(huán)境條件等特點，遵循“安全第一，保護環(huán)境，預防為主”的風險控制原則[1]，根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》（GB 50652—2011）進行工程風險分析與評估。

風險評估采用作業(yè)條件危險性評價法（LEC法），該方法是以與系統(tǒng)危險性有關的三個因素指標來評價系統(tǒng)人員傷亡危險的大小，其計算公式如下：

D=L×E×C （1）

式中，D——風險性分值。L——發(fā)生事故的可能性大小，事故或風險事件的事故可能性大小，當用概率來表示時，絕對不可能的事件發(fā)生的概率為0，而必然發(fā)生的事件的概率為1，但在做系統(tǒng)安全考慮時，絕對不發(fā)生是不可能的，所以人為地將發(fā)生事故可能性極小的分數(shù)定為0.1，而必然要發(fā)生事故的分數(shù)定為10，介于這兩者之間的情況指定為若干個中間值。E——人體暴露于風險環(huán)境中的頻繁程度，人員或設備出現(xiàn)在風險環(huán)境中的時間越多，則風險性越大。規(guī)定連續(xù)暴露在此風險環(huán)境的情況定為10，而非常罕見地出現(xiàn)在風險環(huán)境中定為0.5，介于這兩者之間的情況定為若干中間值。C——發(fā)生事故會產(chǎn)生的損失后果，事故造成人身傷害與財產(chǎn)損失變化范圍很大，對傷亡事故來說，可從極小的輕傷直到多人死亡的嚴重后果。由于范圍很大，所以規(guī)定分數(shù)值為1～100，輕傷規(guī)定分數(shù)為1，把造成10人以上死亡的可能性分數(shù)值規(guī)定為100，其他情況的數(shù)值均在1～100之間。根據(jù)風險性分值D對風險進行評估，確定風險等級，但應注意風險等級的劃分是憑經(jīng)驗判斷，難免帶有局限性，不能認為是普遍適用的，應用時需要根據(jù)實際情況予以修正。風險等級劃分方法見表2。

2.2.1 風險分級

該區(qū)間風險共34項，其中Ⅰ級風險2項，Ⅱ級風險20項，Ⅲ級風險12項，采取措施后風險等級均為Ⅲ級。安全風險評價分級見表3。

2.2.2 風險預控措施

Ⅰ級風險預控措施：①施工前進行檢測與評估；②施工前收集建構筑物的施工資料或竣工圖，核實區(qū)間與建構筑物的位置關系，排查區(qū)間穿越范圍內(nèi)不明障礙物；③盾構機配備超前地質(zhì)預報及超前注漿設備，掌握巖溶發(fā)育情況，必要時進行洞內(nèi)注漿加固；④加強施工管理，穿越前做好試驗段確定掘進參數(shù)，調(diào)整好盾構機推進姿態(tài)，確保連續(xù)穿越，控制地層損失率不大于0.5%；⑤加強同步注漿與二次注漿，壓力控制在0.2～0.5 MPa，注漿量5.5～6.46 m3/m；二次壓漿在管片出盾尾5環(huán)后進行，注漿壓力控制在0.4～0.8 MPa之間，注漿量約1.29～1.94 m3/m；⑥施工前對該區(qū)域地質(zhì)情況進行詳細調(diào)查，探明地質(zhì)情況、溶洞分布情況，做好地表預注漿加固處理；⑦加強對既有建構筑物的監(jiān)控量測；⑧及時布置測點，穿越過程中加強監(jiān)控量測，并根據(jù)監(jiān)測結果及時調(diào)整盾構掘進參數(shù)；⑨做好巡視巡查，及時消除隱患，落實好領導帶班制度；⑩做好分級管控，分類分級編制評審安全專項方案[4]。

Ⅱ級風險預控措施：①做好始發(fā)端、接收端土體加固質(zhì)量，并取芯驗證，確保止水簾布及翻板安裝質(zhì)量；②洞門外6 m內(nèi)采用注漿加固，確保加固后的地基無側限抗壓強度不低于1 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10?6 cm/s；③加強對既有建構筑物的監(jiān)控量測，做到動態(tài)指導施工；④做好巡視巡查，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整掘進參數(shù)，采取有效措施及時消除隱患；⑤制定應急預案，做好應急演練工作；⑥做好各項方案、預案的交底工作，并在作業(yè)前向作業(yè)層人員進行風險管控交底和培訓；⑦施工前對巖溶區(qū)段進行地質(zhì)補勘工作；針對換刀點具體地層采取對應的換刀措施；⑧及時布置測點，穿越過程中加強對管線的監(jiān)控量測并根據(jù)監(jiān)測結果及時調(diào)整盾構掘進參數(shù)；⑨規(guī)劃好換刀點的設置，提前確定加固措施[4]。

2.3 風險預控及管理

（1）動態(tài)風險跟蹤管理。城市軌道交通工程建設中難以完全消除或避免風險，且外界的影響或變化也會導致無法預測的風險。根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，地質(zhì)、周邊環(huán)境和施工自身等安全風險因素發(fā)生變化，進行施工風險的動態(tài)分析、辨識和評價，并采取有針對性的措施，使風險消除或降到可接受范圍。

（2）加強專項方案的編制、審批和落實。按照《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》（建設部令第37號）、當?shù)卣鞴懿块T和建設單位的相關規(guī)定，及時完善各施工專項方案，加強實施前的交底、培訓教育，并在實施過程中嚴格監(jiān)管，嚴格按照方案施工。

（3）加強監(jiān)控量測。現(xiàn)場監(jiān)控量測的重要作用在于隧道施工過程中的風險管控，為了適應隧道復雜的地質(zhì)環(huán)境和周邊環(huán)境，需提高監(jiān)測頻率和監(jiān)測項目。隧道的監(jiān)測項目主要包括地表、拱頂沉降、收斂、管片橢圓度三維激光掃描分析。針對下穿既有地鐵3號線高風險，增設自動化監(jiān)測設備，監(jiān)測點按間距5 m布置，對軌道狀態(tài)與橋梁主體24 h自動化監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸反饋，實現(xiàn)智能預警。通過動態(tài)監(jiān)測的及時性，便于動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)，減少隧道施工風險并保障周邊建筑物和居民的安全。

（4）加強超前地質(zhì)預報。根據(jù)地質(zhì)狀況選擇適合的地質(zhì)預報系統(tǒng)，制定有效的預報方案。區(qū)間隧道采用HSP法進行圍巖地質(zhì)探測，探測原理：利用盾構掘進時刀盤切割巖（土）體所產(chǎn)生的震動信號作為HSP法預報激發(fā)震源，在隧道內(nèi)進行空間陣列式數(shù)據(jù)采集，并通過深度域繞射掃描偏移疊加成像技術，進行反演解釋。采用HSP217型超前地質(zhì)預報儀及分析軟件，利用空間陣列式探測布置方式，對隧道工作面前方80 m測試。通過現(xiàn)場采集的原始波形曲線進行處理分析，生成反演分析成果圖和探測結果，揭示圍巖完整性、自穩(wěn)性，是否存在巖溶發(fā)育與軟弱夾層情況。

（5）加強應急管理。建立系統(tǒng)的風險預報預警和應急機制，編制應急預案并定期演練，建立應急搶險隊并配足應急物資和設備。按照相關規(guī)范要求嚴格施工過程監(jiān)控量測工作，發(fā)現(xiàn)險情第一時間向相關負責人發(fā)布信息，按照應急預案分級啟動應急搶險，防范事故發(fā)生或事故擴大。

3 施工應用效果

該工程具有穿越區(qū)域多、線路復雜、地質(zhì)變化大、周邊環(huán)境復雜多變等特點，從施工方面而言，該工程風險較多，且存在重難點工程，需采取一定的控制措施。該文通過對深圳市城市軌道交通14號線工程中的施工風險對工程安全影響風險進行了識別、分析和評價，加強了盾構施工自身風險施工管控、巖溶及軟土地層的處理控制和工程周邊環(huán)境風險中穿越或鄰近鐵路、公路、河流、橋梁、重大管線及其他建構筑物的風險專項的處理及外部對接工作。結合既有工程經(jīng)驗，通過有效的工程措施，可將工程風險控制在允許的程度。

4 結束語

隨著地鐵建設的不斷發(fā)展，風險管理變得更加重要，尤其是在復雜地質(zhì)環(huán)境下的風險控制，成為地鐵施工中的一項艱巨任務。通過對大寶區(qū)間盾構隧道施工風險管理的總結和分析，得出了一些風險管理技術措施和管理方法，從而確保了施工的安全性和質(zhì)量，并達到了履行業(yè)主工期承諾的目標，可為未來工程施工中的風險管理提供參考。

參考文獻

[1]城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范： GB 50652

—2011[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

[2]劉輝， 黃力平. 深圳城市軌道交通11號線盾構施工技術及管理實踐[M]. 北京：人民交通出版社， 2019.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部辦公廳. 關于印發(fā)城市軌道交通工程地質(zhì)風險控制技術指南的通知（建辦質(zhì)〔2020〕47號）[EB/OL]. 2020-09-30/2024-02-25.

[4]伍軍， 陳饋， 白江濤， 等. 盾構從業(yè)人員培訓教程[M]. 福州：福建科學技術出版社， 2022.