地鐵工程風險評估及處置對策初探

虞俊杰

(中鐵上海設計院集團有限公司城建設計院，上海 200070)

1 概述

在新出臺的十二五規(guī)劃中，預計有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、浙江及省內無錫相連。蘇州地鐵已于2007年開工建設1號線，首批建設的1、2、4號線將穿越城市中心或沿著城市主干道布設。地鐵建設城市中心及主干道基礎設施相對較完善，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)鄰近結構沉降、變形或受到附加應力。如果周邊結構的沉降、變形或受到附加應力超過一定的水平，將使既有結構損傷，進而影響既有結構的功能使用，甚至引發(fā)結構次生災害。同時，很多城市地鐵工程建設起步較晚，并且地下工程可供借鑒的成功經驗并不多。因此，目前對地鐵工程進行風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險管理內容、風險分級標準、建設全過程的各階段風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風險管理規(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風險管理。文獻［2］探討了采用淺埋暗挖法施工地鐵城市的環(huán)境風險管理內容、分級標準。文獻［3～4］采用層次分析法和專家打分法，利用風險計算公式，推導出各風險事件風險值，由底層向上逐層計算，最終形成對一個基坑或者一個區(qū)段的施工風險評估。

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

2 地鐵工程風險分級標準

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

2.1 工程自身風險

工程自身風險根據(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法(礦山法)區(qū)間，不良地質地段的盾構(礦山法)區(qū)間聯(lián)絡通道，不良地質地段的盾構始發(fā)和到達區(qū)段等;

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

2.2 工程環(huán)境風險

工程環(huán)境風險根據(jù)工程特點和周邊環(huán)境特點分為特級、一、二、三級，比工程自身風險多設一個級別——特級，其分級原則如下:

(1)特級工程環(huán)境風險:下穿既有線(含地鐵、鐵路)的工程;

(2)工程一級環(huán)境風險:下穿重要建(構)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)筑物(距離小于1.0H);

(3)工程二級環(huán)境風險:下穿一般建(構)筑物、重要市政道路管線及河流的工程，鄰近建(構)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)筑物(距離小于1.0H)、有承壓水影響的基坑;

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

分級標準見表1、表2。

表1 工程自身風險分級標準

表2 工程環(huán)境風險分級標準

3 風險分級修正

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

3.1 不良地質層盾構隧道施工

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

表3 ②y層參數(shù)標準值及承載力特征值

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

3.2 鄰近多根重要管線車站施工

目前城市地鐵建設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。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，結合周邊環(huán)境、車站圍護、附屬結構施工方式，對于此類工程進行風險等級修正。可以上升一個等級，作為“特級工程環(huán)境風險”。在工程對策上，采用主動加固結合施工保護共同作用，進而保護城市大動脈。

4 風險控制指標制定

目前國內比較常見的風險控制標準表現(xiàn)為相關監(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計文件和相關規(guī)范規(guī)定的，在實際施工風險控制應用時，能起到的參照及指導意義并不大。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險安全監(jiān)控，具有一定的指導意義。各地鐵建設城市可根據(jù)以上風險等級劃分，制定相應控制指標，指導施工期間的風險控制。

地鐵工程風險控制指標包括: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、圍護結構測斜、支撐軸力以及立柱沉降等。

5 風險工程處理對策

5.1 風險工程處理對策說明

風險管理貫穿于地鐵建設全過程，始于項目決策階段，終于項目運營期。各階段主要任務見圖1。

圖1 各階段任務

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

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

不論是工程自身風險還是工程環(huán)境風險，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，對風險進行過程控制(即圖1內的“風險監(jiān)控及處理系統(tǒng)”)。

地下工程施工條件復雜，“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，應急預案體系也被各地地鐵建設充分應用到風險管理工作中。

5.2 鄰近建筑風險工程處理對策

(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”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，信息化指導施工。

5.3 鄰近管線風險工程處理對策

(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:對于風險等級較高的管線保護，采用施作灌注樁及基礎支撐管線，這樣可以嚴格控制管線沉降。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 基坑及盾構自身風險工程處理對策

(1)技術措施:在圍護結構選取，支撐體系設計，地基加固，承壓水控制等方面做多方案比選，采取最符合相應風險等級方案的技術措施。

(2)專項攻關:對于各個風險點進行有針對性專項處理。

(3)過程控制:盾構施工期間，加強進出洞控制，及時反饋各項技術指標信息，結合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得最佳盾構控制參數(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”原理進行施工管理。

以上風險工程處置措施需根據(jù)不同風險等級以及現(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，東側是正在建設中的金色雅園C區(qū)，西側是該省移動公司，站前折返線上部地面東側為常青花園空地，西側為建設中的金色雅園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)墻結合內支撐的圍護結構形式。

6.1 建設前期風險處置

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險源，并會同該市建設及決策單位確定大型風險源處理方式(風險轉移、風險消除、風險自留、風險回避等)。

項目準備期，建設方會同設計及科研單位，對要消除和自留的風險事件進行技術設計，形成相關技術方案及圖紙。目前國內各地鐵建設城市都已在初步設計階段有專項風險設計文件。以上內容可參考相關風險評估文件，在此不贅述，本文將主要介紹該站實施期風險處置措施。

6.2 建設實施期風險處置

(1)風險事件經過

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坑內回填瓜米石，并將抽排基坑內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)風險事件處理對策

①基坑內迅速回填，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增設坑內、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，先澆筑靠近標準段處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。證明了該風險處置對策是有效和及時的。

7 結論

(1)本文對地鐵建設風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，對工程建設有一定指導意義。

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

(3)風險處置貫穿于建設全過程，建設實施期加強風險監(jiān)控并及時采取風險應對措施，能有效控制地鐵建設風險。

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

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