地鐵工程風(fēng)險評估及處置對策初探

虞俊杰

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司城建設(shè)計院，上海 200070)

1 概述

在新出臺的十二五規(guī)劃中，預(yù)計有27個城市新建超1 600 km軌道交通，總投資約1.5萬億元。一些非省會級城市都已開工建設(shè)地鐵。例如，蘇州地鐵的遠期規(guī)劃共11條線路，總長560 km，將與上海、浙江及省內(nèi)無錫相連。蘇州地鐵已于2007年開工建設(shè)1號線，首批建設(shè)的1、2、4號線將穿越城市中心或沿著城市主干道布設(shè)。地鐵建設(shè)城市中心及主干道基礎(chǔ)設(shè)施相對較完善，地鐵周邊不可避免地分布了很多天橋、箱涵、河道、市政管線、塔、古建筑等，新建地鐵工程施工，將引起地層位移及沉降，進而引發(fā)鄰近結(jié)構(gòu)沉降、變形或受到附加應(yīng)力。如果周邊結(jié)構(gòu)的沉降、變形或受到附加應(yīng)力超過一定的水平，將使既有結(jié)構(gòu)損傷，進而影響既有結(jié)構(gòu)的功能使用，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)次生災(zāi)害。同時，很多城市地鐵工程建設(shè)起步較晚，并且地下工程可供借鑒的成功經(jīng)驗并不多。因此，目前對地鐵工程進行風(fēng)險評估及處置對策進行探討和梳理顯得尤為必要。

文獻［1］完整地對地鐵工程風(fēng)險管理內(nèi)容、風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)全過程的各階段風(fēng)險管理方法等工作進行了規(guī)范。2010年4月，《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范(送審稿)》已通過專家審查，該規(guī)范將正式下發(fā)，以規(guī)范城市軌道交通及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理。文獻［2］探討了采用淺埋暗挖法施工地鐵城市的環(huán)境風(fēng)險管理內(nèi)容、分級標(biāo)準(zhǔn)。文獻［3～4］采用層次分析法和專家打分法，利用風(fēng)險計算公式，推導(dǎo)出各風(fēng)險事件風(fēng)險值，由底層向上逐層計算，最終形成對一個基坑或者一個區(qū)段的施工風(fēng)險評估。

近年來，工程師們都認(rèn)識到了地鐵及地下工程的風(fēng)險控制的重要意義，也在各地地鐵、基坑、隧道工程設(shè)計研究中引入了相關(guān)風(fēng)險管理的科學(xué)方法，獲得了一定的經(jīng)驗。但是，在實際研究過程中，對于風(fēng)險分類、分級標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險應(yīng)對措施等，還未形成一定共識，各地地鐵建設(shè)期，對于風(fēng)險管理工作都在摸索之中。本文對地鐵建設(shè)風(fēng)險評估及處置對策進行初步討論。

2 地鐵工程風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

許多城市目前將設(shè)計文件中體現(xiàn)的風(fēng)險管理稱之為風(fēng)險源設(shè)計，其實質(zhì)仍屬于風(fēng)險管理。因此本文仍稱之為地鐵工程風(fēng)險管理。工程界將地鐵工程風(fēng)險分為兩類，一類是工程自身風(fēng)險;一類是工程環(huán)境風(fēng)險。

2.1 工程自身風(fēng)險

工程自身風(fēng)險根據(jù)工程特點分為一、二、三級，分級原則如下所述。

(1)工程一級自身風(fēng)險:基坑深度在25 m以上(含25 m)的深基坑工程。

(2)工程二級自身風(fēng)險:基坑深度在15～25 m(含15 m)的深基坑工程，近距離并行或交疊的盾構(gòu)法(礦山法)區(qū)間，不良地質(zhì)地段的盾構(gòu)(礦山法)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，不良地質(zhì)地段的盾構(gòu)始發(fā)和到達區(qū)段等;

(3)工程三級自身風(fēng)險:基坑深度在5～15 m(含5 m)的基坑工程，一般盾構(gòu)(礦山法)區(qū)間等。

2.2 工程環(huán)境風(fēng)險

工程環(huán)境風(fēng)險根據(jù)工程特點和周邊環(huán)境特點分為特級、一、二、三級，比工程自身風(fēng)險多設(shè)一個級別——特級，其分級原則如下:

(1)特級工程環(huán)境風(fēng)險:下穿既有線(含地鐵、鐵路)的工程;

(2)工程一級環(huán)境風(fēng)險:下穿重要建(構(gòu))筑物、重要市政管線及河流的工程，上穿既有軌道線路的工程，明挖法鄰近既有線(距離小于0.7H，H為基坑深度)、重要橋梁(基坑破裂面影響樁長大于1/2倍樁長)、重要建(構(gòu))筑物(距離小于1.0H);

(3)工程二級環(huán)境風(fēng)險:下穿一般建(構(gòu))筑物、重要市政道路管線及河流的工程，鄰近建(構(gòu))筑物、重要市政管線及河流的工程，明挖法鄰近既有線(小于1.0H)，明挖法鄰近重要橋梁(基坑破裂面影響樁長小于1/2倍樁長且大于1/3倍樁長)，明挖法鄰近建(構(gòu))筑物(距離小于1.0H)、有承壓水影響的基坑;

(4)工程三級環(huán)境風(fēng)險:下穿一般市政管線、一般市政道路及其他市政基礎(chǔ)工程設(shè)施的工程，鄰近一般既有建(構(gòu))筑物、市政道路工程，明挖法鄰近一般建(構(gòu))筑物、重要市政道路。

分級標(biāo)準(zhǔn)見表1、表2。

表1 工程自身風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 工程環(huán)境風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

3 風(fēng)險分級修正

以上分級標(biāo)準(zhǔn)有一定的通用性，但是考慮到地鐵建設(shè)城市多位于東部沿海地區(qū)，地質(zhì)情況特殊、城市地鐵車站周邊環(huán)境特點，以及借鑒已有成熟經(jīng)驗積累的上海軌道交通建設(shè)期間的警情案例特點［5～7］，筆者認(rèn)為，可以對地鐵工程風(fēng)險等級進行一定修正。風(fēng)險等級確定是制定整個工程風(fēng)險應(yīng)對措施的依據(jù)之一，風(fēng)險等級不僅影響到地鐵結(jié)構(gòu)和環(huán)境的安全，而且直接影響到工程投資。因此應(yīng)當(dāng)慎重確定，慎重修正。文獻［8～9］已利用價值工程理論確定最經(jīng)濟的地下工程圍護方案。

3.1 不良地質(zhì)層盾構(gòu)隧道施工

以蘇州地鐵為例，②y層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，為蘇州地區(qū)地下工程常見的不良地質(zhì)層，為第四紀(jì)全新世(Q42)濱海～湖沼相沉積物，厚度變化較大。欠均勻，流塑，夾少量有機質(zhì)及薄層泥炭質(zhì)土，壓縮性高。其參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及承載力特征值(表3)固結(jié)快剪峰值黏聚力Ck=11.0 kPa，固結(jié)快剪峰值內(nèi)摩擦角φk=5.5°，承載力特征值fak=50 kPa。從指標(biāo)可以看出，該土層承載力較低，力學(xué)性能較差。

表3 ②y層參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值及承載力特征值

蘇州地鐵4號線部分區(qū)間在該層內(nèi)穿越。深圳地鐵5號線工程存在填海造陸產(chǎn)生的淤泥質(zhì)土層，有②1(淤泥)、②2(淤泥質(zhì)黏土)。天津地鐵建設(shè)中，存在埋深淺且土層厚度較大的全新統(tǒng)淤泥質(zhì)海相層。以上這些特殊性質(zhì)土層將給施工期間盾構(gòu)姿態(tài)及沉降控制帶來很多新的挑戰(zhàn)，而在不良地質(zhì)土層內(nèi)進行盾構(gòu)施工普遍存在于各個地鐵建設(shè)城市。在原來分級標(biāo)準(zhǔn)中，將一般盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險定義為工程“三級自身風(fēng)險”，筆者建議，在未獲得這些不良土層穿越工程經(jīng)驗之前，可以升一等級，定義為“二級自身風(fēng)險”，待獲得一定的施工應(yīng)對技術(shù)措施經(jīng)驗后，再對該風(fēng)險等級進行調(diào)整。

3.2 鄰近多根重要管線車站施工

目前城市地鐵建設(shè)多位于城市主干道及市中心區(qū)域，管線分布呈現(xiàn)“數(shù)量多、重要性高、保護難度大、距離基坑近”的顯著特點。以蘇州地鐵為例，部分車站(例:4號線支線邵昂路站、溪秀路站)，沿著車站縱向平行布設(shè)4根管徑≥1 m的有壓給水管，而且距離基坑均在1倍基坑深度范圍內(nèi)。同時各個出入口還將以頂管形式下穿以上管線。這些給水管均為城市供水干管，其重要性不言而喻。因此筆者建議，結(jié)合周邊環(huán)境、車站圍護、附屬結(jié)構(gòu)施工方式，對于此類工程進行風(fēng)險等級修正。可以上升一個等級，作為“特級工程環(huán)境風(fēng)險”。在工程對策上，采用主動加固結(jié)合施工保護共同作用，進而保護城市大動脈。

4 風(fēng)險控制指標(biāo)制定

目前國內(nèi)比較常見的風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)為相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的警戒值。地鐵工程較常采用的警戒值多是設(shè)計文件和相關(guān)規(guī)范規(guī)定的，在實際施工風(fēng)險控制應(yīng)用時，能起到的參照及指導(dǎo)意義并不大。文獻［10～12］提出的警戒值概念及警情管理模式的安全控制體系的出現(xiàn)，實現(xiàn)了監(jiān)測控制的定量化以及施工風(fēng)險處置的流程化。對類似蘇州、上海、天津、深圳等地下工程的風(fēng)險安全監(jiān)控，具有一定的指導(dǎo)意義。各地鐵建設(shè)城市可根據(jù)以上風(fēng)險等級劃分，制定相應(yīng)控制指標(biāo)，指導(dǎo)施工期間的風(fēng)險控制。

地鐵工程風(fēng)險控制指標(biāo)包括:地表沉降、管線沉降、電力塔傾斜、圍護墻頂位移及沉降、建筑物沉降(傾斜)、建筑物開裂、圍護結(jié)構(gòu)測斜、支撐軸力以及立柱沉降等。

5 風(fēng)險工程處理對策

5.1 風(fēng)險工程處理對策說明

風(fēng)險管理貫穿于地鐵建設(shè)全過程，始于項目決策階段，終于項目運營期。各階段主要任務(wù)見圖1。

圖1 各階段任務(wù)

本章節(jié)主要介紹建設(shè)實施期應(yīng)用的風(fēng)險處置對策，對于其他時期可參考文獻［13］。

對于工程自身風(fēng)險，主要利用施工工藝改進及工程措施的優(yōu)化和加強來應(yīng)對;而對于環(huán)境工程風(fēng)險來說，根據(jù)不同的環(huán)境工程風(fēng)險等級，可以采取“主動加固”、“施工保護”以及這兩者結(jié)合的方式對風(fēng)險工程進行處理。

不論是工程自身風(fēng)險還是工程環(huán)境風(fēng)險，都需要對工程實施監(jiān)測。可借鑒上海地鐵的做法，利用基于警戒值及警情管理模式的安全監(jiān)控體系，對風(fēng)險進行過程控制(即圖1內(nèi)的“風(fēng)險監(jiān)控及處理系統(tǒng)”)。

地下工程施工條件復(fù)雜，“百密也有一疏”，眾多地下工程搶險案例表明，若及時采取補救措施，可以將損失盡量降低。為及時化解險情，應(yīng)急預(yù)案體系也被各地地鐵建設(shè)充分應(yīng)用到風(fēng)險管理工作中。

5.2 鄰近建筑風(fēng)險工程處理對策

(1)加固地層:對于鄰近重要建筑采用地面注漿，預(yù)先對建筑周圍地層加固。

(2)優(yōu)化基坑施工工藝:減少基坑無支撐暴露時間，利用“時空效應(yīng)”進行挖土籌劃，及時加撐。

(3)由第三方對建筑物進行現(xiàn)狀質(zhì)量及允許沉降評定，作為施工重要控制參數(shù)。

(4)對建筑物進行專項監(jiān)測，信息化指導(dǎo)施工。

5.3 鄰近管線風(fēng)險工程處理對策

(1)加固地層:對于鄰近重要管線采用地面注漿，預(yù)先對管線下地層加固，控制管線沉降。

(2)隔離底層:在既有管線和地鐵基坑之間施作灌注樁等，隔離地鐵施工引起的沉降槽范圍。

(3)承臺基礎(chǔ):對于風(fēng)險等級較高的管線保護，采用施作灌注樁及基礎(chǔ)支撐管線，這樣可以嚴(yán)格控制管線沉降。圖2為蘇州地鐵某車站管線保護方案，采取承臺基礎(chǔ)支撐重要管線。

圖2 樁基承臺布置(單位:mm)

(4)開挖暴露:將管線開挖暴露出來，利用可伸縮支架將管線懸吊起，將地層對管線的影響降至最低限度。

5.4 基坑及盾構(gòu)自身風(fēng)險工程處理對策

(1)技術(shù)措施:在圍護結(jié)構(gòu)選取，支撐體系設(shè)計，地基加固，承壓水控制等方面做多方案比選，采取最符合相應(yīng)風(fēng)險等級方案的技術(shù)措施。

(2)專項攻關(guān):對于各個風(fēng)險點進行有針對性專項處理。

(3)過程控制:盾構(gòu)施工期間，加強進出洞控制，及時反饋各項技術(shù)指標(biāo)信息，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得最佳盾構(gòu)控制參數(shù)。監(jiān)測盾尾注漿的注漿壓力與注漿量，確保同步注漿的效果。基坑施工期間，加強監(jiān)測，利用“時空效應(yīng)”原理進行施工管理。

以上風(fēng)險工程處置措施需根據(jù)不同風(fēng)險等級以及現(xiàn)場條件，選擇使用。

6 工程實例

某地鐵車站為該市軌道交通2號線一期工程的第3個車站，車站位于金雅二路中段，東側(cè)是正在建設(shè)中的金色雅園C區(qū)，西側(cè)是該省移動公司，站前折返線上部地面東側(cè)為常青花園空地，西側(cè)為建設(shè)中的金色雅園D區(qū)。周邊空間比較狹窄。長港路以北西北角擬占用作為軌排基地。車站外包尺寸為530.2 m×30.5 m×12.61 m(長×寬×高)，車站頂部覆土厚約3.0 m。車站采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式。

6.1 建設(shè)前期風(fēng)險處置

在該項目決策期，工程可行性研究編制單位列出項目大型風(fēng)險源，并會同該市建設(shè)及決策單位確定大型風(fēng)險源處理方式(風(fēng)險轉(zhuǎn)移、風(fēng)險消除、風(fēng)險自留、風(fēng)險回避等)。

項目準(zhǔn)備期，建設(shè)方會同設(shè)計及科研單位，對要消除和自留的風(fēng)險事件進行技術(shù)設(shè)計，形成相關(guān)技術(shù)方案及圖紙。目前國內(nèi)各地鐵建設(shè)城市都已在初步設(shè)計階段有專項風(fēng)險設(shè)計文件。以上內(nèi)容可參考相關(guān)風(fēng)險評估文件，在此不贅述，本文將主要介紹該站實施期風(fēng)險處置措施。

6.2 建設(shè)實施期風(fēng)險處置

(1)風(fēng)險事件經(jīng)過

2008年10月24～26日，南端頭井處測斜CX25號孔數(shù)據(jù)連續(xù)增大，已綁扎底板鋼筋的南端頭2號承壓水井出水渾濁且基坑內(nèi)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象(圖3)。

圖3 承壓水井涌水

2008年11月2～3日，該測斜孔數(shù)據(jù)(圖4、圖5)表明地下連續(xù)墻踢腳處有較大變形，支撐極易失穩(wěn)，基坑處于危險狀態(tài)。此時，各方采取緊急措施如下所述。

①坑外注漿穩(wěn)定地下連續(xù)墻。

②坑內(nèi)回填瓜米石，并將抽排基坑內(nèi)明水的水泵高程提高。一方面壓重，另一方面反濾使其抽出的水不含砂。

③拆除地板鋼筋并擬在坑內(nèi)對井壁涌水處進行封堵。

④各監(jiān)測單位加密監(jiān)測頻率。

圖4 CX25測斜孔累計值

2008年11月11日，現(xiàn)場施工單位在清除南井基坑內(nèi)的瓜米石時，南井部分點又出現(xiàn)涌水現(xiàn)象并伴有氣泡，地表沉降及近南側(cè)圍墻上水管沉降較明顯，在周邊建筑房屋窗腳發(fā)現(xiàn)45°裂縫(圖6)。

(2)風(fēng)險事件處理對策

①基坑內(nèi)迅速回填，回填物根據(jù)現(xiàn)場涌水情況加壓加高處理。

圖5 CX25測斜孔日變化值

圖6 建筑裂縫

②增設(shè)坑內(nèi)、坑外降水井，并全部開啟，加強水位、水量觀測，并每天上報(圖7)。

③管線開挖暴露，發(fā)現(xiàn)漏空及時回填黃砂，使用伸縮拉桿裝置吊起管線(圖8)。

圖8 管線開挖暴露并懸吊

④南端頭井分段澆筑底板，先澆筑靠近標(biāo)準(zhǔn)段處8.7 m，再澆筑剩余的9.3 m段。

⑤對建筑物周邊進行注漿加固。

在各方的精心配合下，險情得以有效處置，建筑物沉降及管線沉降速率都明顯得到控制，施工單位分段澆筑端頭井處底板，及時保證了基坑的穩(wěn)定性。證明了該風(fēng)險處置對策是有效和及時的。

7 結(jié)論

(1)本文對地鐵建設(shè)風(fēng)險等級劃分進行了一定的修正，該修正借鑒了各地區(qū)地鐵工程實踐所積累的成果，對工程建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。

(2)目前各城市地鐵風(fēng)險管理都處在起步階段，隨著地鐵建設(shè)的推進、施工工藝的發(fā)展以及地區(qū)經(jīng)驗的積累，風(fēng)險分級還需要進一步進行修正。

(3)風(fēng)險處置貫穿于建設(shè)全過程，建設(shè)實施期加強風(fēng)險監(jiān)控并及時采取風(fēng)險應(yīng)對措施，能有效控制地鐵建設(shè)風(fēng)險。

(4)對于風(fēng)險等級劃分以及對策，工程界還存在著一定的誤區(qū)，有的認(rèn)為將風(fēng)險等級劃分得越高，將風(fēng)險降低到越小越好。但是，隨著風(fēng)險等級提高，所付出的工程代價就越高，造成建設(shè)投資過高。如何進行權(quán)衡，確定合理的建設(shè)投資，值得地鐵建設(shè)同仁一起進一步研究。參考文獻:

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