西安地鐵2號線區間隧道風險剖析與規避對策

康 佐

(西安市地下鐵道有限責任公司,710016,西安∥工程師)

西安地鐵2號線區間隧道風險剖析與規避對策

康 佐

(西安市地下鐵道有限責任公司,710016,西安∥工程師)

由風險管理理念入手,針對黃土地區的地質特性,從西安地鐵建設周邊環境風險、施工措施保證風險、區間隧道設計施工風險控制點等入手,剖析了各風險點的節點位置,并根據實際提出一些有效的規避對策。結合目前西安地鐵2號線開工建設以來的工程實際情況,強調了隧道周邊外部環境對地鐵區間的安全影響性,指出了黃土地區暗挖隧道工程降水輔助措施的重要性,提出了事前剖析風險源的工作意識,給出了暗挖隧道和盾構隧道施工過程中的風險節點以及相應的規避思路。從設計和施工雙重角度揭示了西安地鐵區間隧道的風險點。

地鐵;隧道工程;黃土地區;風險管理;規避對策

Author's addressXi'an Metro Co.,Ltd.,710016,Xi'an,China

西安地鐵2號線從鐵路北客站至會展中心站(長延堡站)共有16個區間。其中盾構區間有11個,非盾溝暗挖區間有5個。共穿越了11條地裂縫(包括新生f10-1地裂縫)。

風險管理是針對可能發生災害的人、事、物預先加以處理、管制,以達防患于未然的目的。針對西安地鐵2號線區間隧道開展風險剖析也是實施風險管理理念的舉措之一。在信息化發達的現代施工中,開展過程管理和事前預測將對減少工程事故有著十分重要的意義。2007年,鐵道部在《關于加強鐵路隧道工程安全工作的若干意見》的專項文件中就強調了風險管理的重要性,明確風險管理應從建立風險管理制度、規范風險評估工作和做好風險防范工作等三個方面來深入開展。西安地鐵地處黃土地區,特殊的地質環境構建了其一系列具有區域特點的風險環節。

地鐵隧道的安全、經濟和正常使用,與其所在的地質環境有著密切的聯系。西安位于渭河盆地中部,地質復雜,既有濕陷性黃土,又有飽和軟黃土等。所有這些不良地質環境將對地鐵工程的修建及運營產生較大影響。隧道工程與其他工程項目相比,具有隱蔽性、復雜性和不確定性等特點,其投資風險大,無論是設計、施工、決策都會遇到很多困難和障礙。對地鐵區間隧道而言,地面交通、周邊建筑、上覆管線、地質環境等都會影響其施工和運營的安全性,應做到事先剖析、合理規避。因此,對西安地鐵區間隧道開展風險歸納剖析,是制定正確風險應對規避對策的根本,也是保質保量按期完成地鐵施工任務的有力保障。

1 西安地鐵2號線區間隧道風險剖析與規避對策

西安地鐵2號線區間隧道風險主要分周邊環境風險、施工措施保證風險、施工工法工序轉換風險等。周邊環境風險主要包括地質情況、地下管線、黃土陷穴和人防空洞、地鐵沿線建(構)筑物;施工措施保證風險主要包括有效降水、超前探測、過程監測和注漿功效;施工工法工序轉換風險主要指暗挖和盾構隧道施工過程中的節點控制風險。

1.1 周邊環境風險及其規避對策

1.1.1 地下管線

地鐵施工不可避免要在管線繁多的地面下進行。根據西安地鐵2號線開工至今積累的現場經驗可見,區間隧道結構附近的排水、給水管涵因滲水導致表層濕陷性黃土結構破壞,是區間隧道施工過程中的重大風險源之一。地下管線的滲漏由于其發生的偶然性和不為人先知性,往往在發生明顯破壞癥狀后才會引起人們重視。

對地下管線的風險規避應從以下7個方面來實現:

1)整合既有人力、物力資源,成立必要的協調機構和協調制度。

2)制定信息通報制度,提前發現危險征兆并積極采取應對措施。

3)仔細、認真地完成對管線現狀的調查,劃分施工敏感區域。

4)對于緊急情況下的預案應落實到單位、工班,并應編制可操作工序指導作業書(條件允許時可進行管線加固預案演習)。

5)對施工監控測量數據,應及時、認真地進行分析和處理,并需書面通知有關各方。建議檢測工作最好由產權單位自行檢測管理直至該區段施工完畢。

6)施工前應對提供的管線資料進行核實,對周邊環境做到心中有數,如遇到與資料不符的應立即通知各方。

7)施工方法及后期施工組織設計應考慮盡量縮短工期,及時完成永久內襯結構,減少對周邊工程環境影響的時間。

1.1.2 黃土陷穴和地下人防空洞

黃土地區因其自身結構特點,在長期地下水影響作用下易形成黃土陷穴。這些空洞,對地鐵區間隧道,尤其是盾構隧道的正常掘進帶來了很大威脅。此外,西安作為古城,歷史的原因使其地下人防工事較多,一定程度上影響到了地鐵隧道工程的正常施作。對于地下黃土陷穴和人防空洞,建議在區間地鐵隧道施工之前,在線路沿線利用地質探測雷達對空洞進行超前探測。對發現的黃土陷穴可采用黃土水泥漿填充,對于人防空洞則可以根據實際情況,采取開挖回填混凝土的方式對空洞體進行密實填充,從而排除地鐵隧道偏壓和失壓的危險。

1.2 施工措施保證風險及其規避對策

西安地鐵區間隧道的施工措施中以保證降水效果為首要。根據西安地鐵2號線多個區間的現場施工情況來看,凡是降水效果較好或地下水位較低的區段,其隧道開挖作業面環境均能滿足設計要求。雖然西安市基坑降水深度大于10 m的案例較少,但在認真開展降水措施、科學合理組織降水作業的前提下,降深16 m的降水施工措施也能基本保證實現。而對于降水大于16 m的基坑或地下工程,則應結合其他輔助措施進行局部堵水方可正常實施。綜合上述降水情況和在施工中實際風險發生的概率情況,可對當前的降水實施過程得出以下規避對策:

1)鑒于黃土地區土體在無水環境下的良好直立性,在進行地鐵區間隧道開挖過程中要認真開展降水施工及采取相應的輔助措施,應從根本上認識其重要性和必要性。

2)黃土地區的降水作業有其地域特性,因此開展相應輔助措施的施作必須由專業的降水隊伍進行。對降水措施進行專業分包將大大增加降水效益。

3)為更加真實地監測降水情況,全線降水工程均須打設專門的降水觀測井。

1.3 施工工法工序轉換風險及其規避對策

1.3.1 暗挖隧道

西安地鐵2號線暗挖隧道涉及到的特殊斷面有雙聯拱隧道、三聯拱隧道、大斷面與小斷面隧道變換、小凈距平行隧道等。如何在施工中體現設計的初衷,是保證上述特殊斷面安全開挖的關鍵。因此,應在施工前對各斷面進行充分的風險剖析,并初步預測風險點易發生的節點位置。

1.3.1.1 雙聯拱隧道的開挖與支護

圖1 區間聯絡線段雙聯拱隧道平面示意圖(單位:mm)

1.3.1.2 三聯拱隧道的開挖與支護

如圖2所示,E斷面開挖結束,封閉掌子面,開挖三聯拱右側中洞,澆筑中隔墻;臺階法開挖右洞,并施做右洞二襯及防水;右線繼續開挖標準A斷面;左線標準A斷面開挖至與三聯拱分界處時,封閉掌子面;通過4 m漸變段開挖左側中洞并施作中隔墻;對4 m漸變段進行返挖;臺階法開挖左洞,并施做右洞二襯及防水;臺階法開挖中間部分土體,澆筑底板和拱部混凝土;待三聯拱斷面封閉成環并達到設計強度后,左線繼續開挖E斷面。

圖2 區間渡線段三聯拱隧道平面示意圖(單位:mm)

1.3.1.3 大、小斷面隧道變換的開挖支護

大斷面隧道向小斷面隧道變化采用在大斷面隧道端頭墻上按小斷面隧道開挖輪廓線直接開洞的方法進行。

小斷面隧道向大斷面隧道過渡時,開挖面積較為接近,因此采取漸變過渡的施工方法。在小斷面隧道施工至與大斷面隧道相接里程前4 m時,采用提前爬高、加寬至大斷面,形成一漸變過渡段的方法完成小斷面向大斷面的過渡(如圖3所示)。

1.3.1.4 小凈距平行隧道施工方案設計

如圖4、5所示,區間渡線及聯絡線段左、右線隧道之間均為軟弱土體(飽和軟土、老黃土),土體最薄處僅1.1 m寬。為保證施工安全和土體的穩定性,必須對土體進行加固處理。寬為1.1～3.0 m范圍內的土體均需加固。其中渡線段所示土體加固范圍視現場監控量測情況,必要時可擴大到D斷面與A斷面所夾土體范圍。

為什么要堅持“早上四點起床”呢？這是為了在上午完成上司交給你的工作，然后在下午開始鋪墊新工作。能否靈活運用一大早時間，是能干的人與不能干的人之間的分水嶺。對上班族來說，充分利用早晨尤為重要。半天干完全天活，人生的順逐就從早晨四點開始。關鍵并不在于“早起”，而是重新審視“早晨的靈活用法”。

圖3 區間渡線段大、小斷面隧道變換處平面示意圖(單位:mm)

圖4 區間渡線段小凈距平行隧道平面示意圖(單位:mm)

圖5 區間聯絡線段小凈距平行隧道平面示意圖(單位:mm)

1.3.1.5 其他需要注意的事項

1)暗挖段面工序轉換過程要加強監控量測,必須等監測數據穩定后方可進行下一步施工。

2)不同工法之間的轉換和工序銜接要簡便明了,盡量減少轉換時間。當一種工法向另一種工法過渡時,要對暫時停下的掌子面進行封閉。開口時要加強超前注漿和銜接處的初期支護。

3)工序轉換之前必須確保上一步工序已經達到強度要求。

4)設置臨時支撐的大斷面工序的轉換過程中,拆除臨時支撐需要跳孔拆除,并且要跟蹤監測;如有異常應立即停止拆除,并進行加固處理,必要時進行換撐處理。

5)工序轉換要確保聯拱隧道連接部位的處理,要保證連接剛度,同時做好防水。因為連接部位是防水的薄弱環節。

1.3.2 盾構隧道

盾構隧道施工不僅在西安地鐵是第一次使用,而且在黃土地區也是第一次采用,因此其施工適應性一直為人關注,尤其是在充滿文化底蘊的古城西安,盾構施工不僅存在共有的風險,還存在一些地域性風險。

1.3.2.1 地質預測預報的準確性風險

由于地質勘探的局限性,盾構掘進過程中遇到未預測到的不良地質和地下障礙物的風險較大。此外,西安作為文化古城,其地下古墓或人防空洞將對盾構正常作業帶來風險。為此,在盾構施工前應完成以下工作:

1)工程施工前,通過補充地質鉆孔和回聲測深儀,進一步查清地質條件和覆土厚度,為盾構機選型、盾構掘進參數的選取及制定相應的輔助措施提供第一手準確資料。

2)盾構機本身設有超前鉆機及超聲波等超前地質探測裝置,在施工中應進一步對工作面前方的地層進行探測,以便早發現、早處理。

1.3.2.2 盾構機適應性和可靠性風險

盾構機的類型及其施工的可靠性,包括保持開挖面的穩定、切削刀盤的種類、出土方式、主軸的扭矩、推進能力以及最為關鍵的盾構機械的密封性能等,均應緊密結合工程地質、水文地質等條件進行認真研究、比選。盾構機選用正確與否關系到工程的成敗。

1.3.2.3 盾構進出洞的施工風險

目前,國內盾構法隧道的多起事故均發生在盾構進出洞上,主要包括盾構進出洞端頭地層的加固方案、加固范圍,以及盾構進出洞盾構姿態的控制、土壓的平衡等。選擇合理可靠的端頭地層加固方案及良好可靠的密封止水裝置,對盾構安全進出洞至關重要。

1.3.2.4 開挖面有障礙物的施工風險

盾構推進的工作面前方可能會出現各類障礙物,如廢棄鋼筋混凝土樁、舊橋臺、人防工事等,會造成盾構機較大的破損甚至無法正常推進。在西安地鐵盾構施工過程中,尤其要注意隧道兩側建筑物在建設期間的基坑支護錨桿、錨索對盾構掘進刀盤的安全影響。在西安地鐵2號線北大街——鐘樓的盾構區間,已對侵入隧道主體的錨索進行了拔除操作。

2 結語

1)本文由風險管理理念入手,從西安地鐵2號線建設的周邊環境風險、施工措施保證風險、區間隧道施工工法工序轉換風險控制點等入手剖析了各風險點的節點位置,并根據實際提出一些有效的規避對策。

2)降水問題應引起足夠的重視。根據現場情況,凡是降水效果較好的區間,均開展了相關施工方案和降水方案的專家評審工作,降水均由專業隊伍負責實施。良好的降水效果能直接促使隧道掘進安全性大大提高、掌子面作業環境良好,工程進度和質量均能得到有效保障。

3)隧道開挖應具有超前意識,應對地鐵隧道各區間存在的風險源進行透徹的分析。風險源的提前識別對突發意外事故的緊急排查和事先預防都有相當重要的意義。對于暗挖隧道的施工,尤其要注意此方面的工作開展,應制定應急預案并提前進行演練。

4)施工單位應有足夠的搶險意識,搶險物質應滿足隧道施工全面開展的需要。對風險源的分析不夠,將直接引起搶險物質的準備不足,極易貽誤搶險的最佳時機。

5)建立健全動態施工反饋機制,構建風險管理模式,實現信息化施工。

[1]陳龍.城市軟土盾構隧道施工期風險分析與評估研究[D].上海:同濟大學,2004.

[2]鐵道部.關于加強鐵路隧道工程安全工作的若干意見[S].[2007]102號文.

[3]劉輝.淺埋暗挖法和盾構法在城市地鐵中的應用[J].鐵道工程學報,2002(2):55.

[4]趙建平.淺埋暗挖隧道管棚預支護機理及其效用研究[D].長沙:中南大學,2005.

[5]張應龍.黃土地區密集建筑物群下地鐵結構與周圍土層的變形特征研究[D].西安:西北工業大學,2005.

[6]黃德中.盾構法與礦山法相結合施工技術[J].地下工程與隧道,2005(2):29.

[7]謝大鵬.淺埋暗挖隧道開挖變形規律的探討[J].城市軌道交通研究,2008(9):31.

Analytic and Evasive Countermeasures on Tunneling Risk of Xi'an Metro

Kang Zuo

Starting from the concept of risk management,this paper analyzes the location of the risk points directly related to the geological features of the loess area,the surrounding environment risks,the guaranted risks of construction measures and the risk control in interval tunnel design and construction,proposes some evasive countermeasures.According to the actual construction situation of Xi'an Metro Line 2,this paper emphasizes the security impact of the external environment of tunnel and the importance of supplementary measures,points out the pre-analysis of risk sources,the risk points and effective evasive countermeasures for bored tunnel and shield tunnel in construction.This paper reveals the risk points in design and construction,calls for more attention on engineering works.

metro;tunnel engineering;loess region;risk management;evasive countermeasures

U 456.3+3

2009-05-07)