地鐵施工中超前地質(zhì)預報技術(shù)運用的必要性分析

張道金

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

同山嶺隧道相比，地鐵隧道由于其所處位置和所起功能的明顯差異，勘察時執(zhí)行《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》，與執(zhí)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的山嶺隧道勘察精度差異巨大，施工時是否需要進行超前地質(zhì)預報，業(yè)內(nèi)意見分歧較大。通過對山嶺隧道和地鐵隧道的勘察、設(shè)計、施工、投資、事故風險等多方面對比分析，論述超前地質(zhì)預報技術(shù)在地鐵施工中是否具有必要性，供借鑒參考。

1 山嶺鐵路隧道施工中超前地質(zhì)預報手段的運用

1.1 超前地質(zhì)預報方法

隧道超前地質(zhì)預報就是在分析既有資料的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)調(diào)查、物探、超前地質(zhì)鉆探、超前導坑等手段，對隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進行探測，分析判釋及預報，并提出技術(shù)措施建議。通過超前地質(zhì)預報工作，可以及時掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計參數(shù)，為優(yōu)化隧道施工組織，制定施工安全應急預案，控制工程變更設(shè)計提供依據(jù)，有效規(guī)避工程建設(shè)風險。

超前地質(zhì)預報方法主要有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑預報法。不同的超前地質(zhì)預報方法所能夠探測的距離有一定的差別，預報長度100 m以上的為長距離預報，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法和(100 m以上的)超前鉆探法;預報長度30～100 m的為中長距離預報，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法和(30～100 m的)超前鉆探法;預報長度30 m以內(nèi)的為短距離預報，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法、電磁波發(fā)射法(地質(zhì)雷達探測)、紅外探測和(小于30 m的)超前鉆探法等［1］。

1.2 超前地質(zhì)預報內(nèi)容

應根據(jù)隧道地質(zhì)復雜程度分級和預報對象特征，選定一種或多種預報方法，按編制的超前地質(zhì)預報大綱實施。超前地質(zhì)預報主要預報內(nèi)容包括以下四方面。

(1)地層巖性:對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土等的預報。預知開挖面前方的地層和圍巖類別與設(shè)計是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，及時提供資料修改設(shè)計，調(diào)整支護類型等。

(2)斷層及破碎帶:對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構(gòu)造發(fā)育情況的預報。預知構(gòu)造的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)，以及是否充填、充水等，判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對策。

(3)不良地質(zhì)及災害地質(zhì):對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預報。預知開挖面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工建議措施。

(4)地下水特征:對巖溶管道水及富水斷層、褶皺和裂隙等發(fā)育情況的預報。預知洞內(nèi)涌(突)水量的大小及其變化規(guī)律，評價其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響，提出施工建議措施［2］。

2 地鐵隧道與山嶺鐵路隧道的差異

2.1 勘察手段及精度的差異

通常山嶺鐵路隧道巖土工程勘察需要執(zhí)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用物探、鉆探和試驗等綜合勘探方法，分析隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，合理確定隧道的圍巖分級。地鐵隧道巖土工程勘察需要執(zhí)行《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》，應采用勘探與原位測試、室內(nèi)試驗，輔以工程地質(zhì)調(diào)繪、工程物探的綜合勘察方法，分析隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，合理確定隧道的圍巖分級、巖土施工工程分級，提出隧道開挖、圍巖加固及初期支護等可能出現(xiàn)的巖土工程問題，提供隧道圍巖加固、初期支護和襯砌設(shè)計與施工所需的巖土參數(shù)。二者執(zhí)行不同的勘察規(guī)范，勘察精度要求差異較大，見表1。

表1 山嶺鐵路隧道與地鐵隧道勘探精度對比

2.2 設(shè)計和投資理念的差異

山嶺隧道作為鐵路線路的有機組成部分，其重點是滿足鐵路客貨列車較高速度平穩(wěn)通行，降低或消除外界環(huán)境因素對客貨列車運行的干擾。一般情況下，其處于城市之外或者人煙、構(gòu)筑物稀少區(qū)域，列車對環(huán)境的影響不大，設(shè)計理念上更多考慮的是環(huán)境穩(wěn)定對列車的影響，在能夠保證正常通行情況下，以經(jīng)濟合理的價格進行建造。由于其主要功能是穿越山嶺，相對圍巖條件較好，地下水富水情況較差，圍巖分級Ⅲ～Ⅳ為主，目前平均造價大約為每公里6 000萬［5］。

地鐵隧道作為城市交通體系的重要組成部分，身處人員擁擠、構(gòu)筑物密集的城市地下，不僅需要考慮環(huán)境穩(wěn)定對其的影響，還需要充分考慮其本身正常運行和不能正常運行對環(huán)境的反作用。在施工、運營過程中一旦出現(xiàn)坍塌和地面沉降事故，不僅對工程本身產(chǎn)生嚴重的影響，還將連帶引起如地面人身傷亡、地面交通阻斷、建筑物沉降傾斜等第三方責任損失，其后果遠比山嶺隧道嚴重和復雜的多。設(shè)計理念上需要充分考慮環(huán)境和列車的相互作用，在確保雙方安全的條件下合理建造，一般工程設(shè)計措施較強，造價較昂貴。根據(jù)我國情況，地鐵隧道大多位于土層、巖層風化層或巖土分界面附近，地層結(jié)構(gòu)松散，地下水豐富，圍巖分級Ⅴ～Ⅵ為主，目前平均造價每公里超過1.0億元。

2.3 施工方法的差異

隧道施工方法的選擇應根據(jù)環(huán)境條件、地質(zhì)條件、斷面大小、埋深、結(jié)構(gòu)形式、隧道長度、設(shè)備配置、工期要求、經(jīng)濟效益以及環(huán)境保護等因素綜合確定。山嶺鐵路隧道主要采用鉆爆法施工，根據(jù)需要選擇全斷面法、臺階法、中隔壁法或雙側(cè)壁導坑法。當穿越斷層破碎帶、軟弱圍巖段，或富水、淺埋等地段時，根據(jù)圍巖情況、施工方法和機械配置，選擇地表或洞內(nèi)的一種或數(shù)種輔助加固處理措施。

地鐵施工方法的確定除需要考慮山嶺隧道的所有因素外，還需要考慮地面建筑、城市道路交通、地下管線和文物保護等。經(jīng)過40年的發(fā)展，我國地鐵修建方法已由最初的明挖法發(fā)展到現(xiàn)在的明挖法、蓋挖法和暗挖法等多種方法并存，暗挖法得到進一步拓展和深化，鉆爆法、盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、頂管法、沉管法等相繼涌現(xiàn)，施工技術(shù)不斷發(fā)展提高，已初步形成了專門的學科體系。

3 城市地鐵施工安全事故特征分析

通過對2003年以來收集到的126起施工安全事故案例的分析、整理和歸類，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律為:按日劃分，一天的凌晨、10:00、17:00三個時段發(fā)生概率大;按月劃分，一年中的1月、7月偏高;按施工工法統(tǒng)計，則是明挖法、盾構(gòu)法占到80%以上，按《企業(yè)職工傷亡事故分類標準(UDC658.382GB)》，坍塌事故發(fā)生頻率最高，超過所有事故總和的一半以上。

坍塌事故就是建筑物、構(gòu)造物、堆置物、土石方等，因設(shè)計、堆置、擺放或施工不合理而發(fā)生倒塌造成傷害的事故。坍塌事故主要分為以下類別:深基坑(槽)施工中的土石方坍塌，拆除過程中的坍塌，模板、支撐失穩(wěn)引起的坍塌，腳手架坍塌，大型起重機械安、拆裝過程中引起的坍塌，暗挖施工中造成路面及周圍建筑物坍塌。統(tǒng)計表明:深基坑(槽)施工中土石方坍塌的事故數(shù)量最多，其次是暗挖和盾構(gòu)施工中造成路面、周圍建筑物坍塌，以及模板、支持失穩(wěn)引起的坍塌［6－7］。

坍塌事故的區(qū)域分布特征表明，復雜的巖土結(jié)構(gòu)、松散和軟弱地層、豐富的地下水是其產(chǎn)生的重要原因之一(見表2)，但和地質(zhì)資料不準確不存在必然聯(lián)系。對于淺埋地鐵隧道，分布無規(guī)律、成因復雜的空洞、水囊、暗河、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物也是施工的重要風險源［8］，在北京、昆明、廣州、南京等地的地鐵暗挖施工坍塌事故中均不同程度顯現(xiàn)。

表2 典型城市地鐵坍塌事故分析

4 地鐵施工中采用超前地質(zhì)預報的必要性分析

4.1 地質(zhì)勘察精度方面

通常地鐵隧道為兩根單線，需要進行沿線路兩側(cè)交叉布置的勘探，間距根據(jù)場地的復雜程度綜合確定，一般為20～50 m;在洞口、陡坡段、大斷面、異形斷面、工法變化等部位，以及聯(lián)絡(luò)通道、渡線、施工豎井等有勘探點控制，并布設(shè)剖面;還應進行重點地段的物探、沿線管線探測工作等;基本能夠查明沿線的地層結(jié)構(gòu)分布、不良地質(zhì)發(fā)育和地下水變化特征，提供相對準確的地質(zhì)資料。從勘探點的密度和分布來說，已經(jīng)能夠滿足中長距離“點狀”的超前地質(zhì)預報精度，不再需要進行隧道施工超前地質(zhì)預報工作。

但是，對于分布規(guī)律性不強、易引起地鐵施工事故的空洞、水囊、滲漏、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物的調(diào)查，需要給予充分的重視，特別是淺埋暗挖隧道，應確保施工前的地面調(diào)查、物理勘探的驗證和評審工作。

當由于地面交通、構(gòu)筑物或其他環(huán)境原因造成勘察精度不能滿足《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求時，應具體分析，必要時應進行洞內(nèi)的超前地質(zhì)預報工作。

4.2 超前地質(zhì)預報的作用方面

超前地質(zhì)預報主要是對地層巖性、斷層及破碎帶、不良地質(zhì)及災害地質(zhì)、地下水特征四個方面的預報，避免突水、突泥、涌沙等地質(zhì)災害，根據(jù)圍巖條件和地下水特征變化及時修改設(shè)計和支護措施。

目前我國地鐵隧道縱斷面位置大多位于淺層的土層、巖層風化層和巖土分界面附近，地層軟弱、結(jié)構(gòu)松散、壓縮性高、靈敏性高、強度低、自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生蠕動現(xiàn)象。

設(shè)計中一般已經(jīng)充分考慮周圍地理環(huán)境和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境的影響，采取了地面超前加固和洞內(nèi)支撐的合理措施，通過超前地質(zhì)預報預測地層結(jié)構(gòu)的變化、破碎帶發(fā)育、不良地質(zhì)和災害地質(zhì)及地下水的作用效果不明顯。

4.3 地鐵隧道施工工藝方面

目前隧道最常用的施工方法為明挖法和盾構(gòu)法。通常在地面條件允許的情況下，明挖法以其施工技術(shù)簡單、快速、經(jīng)濟的優(yōu)點而被用為首選方案;而盾構(gòu)工法也以其機械化程度高、對環(huán)境干擾少、地層適應性強的特點，自20世紀80年代以來得到極快發(fā)展［9］。

明挖法是指挖開地面，由上向下開挖土石方至設(shè)計高程后，自基底由下向上順作施工，完成隧道主體結(jié)構(gòu)，最后回填基坑或恢復地面的施工方法。施工過程中對地質(zhì)資料揭示徹底，能夠根據(jù)地層的變化情況及時調(diào)整和修正設(shè)計，不需要額外進行地質(zhì)超前預報工作。

盾構(gòu)法是使用盾構(gòu)機械在地面以下暗挖隧道的一種施工方法，盾構(gòu)前端為既可以支承地層壓力又可以在地層中推進的鋼筒保護結(jié)構(gòu)，刀盤旋轉(zhuǎn)施工時工作面與腔室封閉隔離。由于盾構(gòu)施工機械化和全程封閉的特點，以及在復雜、軟弱、松散地層應平穩(wěn)勻速通過的要求，超前地質(zhì)預報不便于實施，其重點是準確的計算排土體積和監(jiān)測開挖斷面，快速、合理注漿充填，控制地面沉降。

在重慶、青島等城市處于堅硬巖石地層中修建地鐵時，圍巖分級以Ⅲ～Ⅳ為主［10］，通常采用鉆爆法開挖、噴錨支護，與常規(guī)的山嶺隧道相當，當勘察精度不能滿足《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求時，應按《鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南》的要求，采用地質(zhì)調(diào)查法、TSP為主的超前地質(zhì)預報工作。

5 結(jié)束語

(1)復雜的地層結(jié)構(gòu)、松散和軟弱的地層、豐富的地下水是地鐵隧道施工事故的重要原因，但二者之間不是因果關(guān)系，也不是需要進行超前地質(zhì)預報的必然前提。

(2)地鐵隧道勘探點的布置已經(jīng)能夠達到“點狀”中長距離超前地質(zhì)預報，其勘察精度可以較準確的解釋隧道圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，超前地質(zhì)預報工作不具有必然性。

(3)如果由于外界環(huán)境的干擾，難以按照《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求精度進行勘察時，應具體問題具體分析，必要時應按《鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南》的要求進行相應的超前地質(zhì)預報工作。

(4)淺埋暗挖地鐵隧道應注重對于分布規(guī)律性不強，易引起地鐵施工事故的空洞、水囊、滲漏、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物的調(diào)查，應確保施工前的地面調(diào)查、物理勘探的驗證和評審工作。

［1］ 鐵建設(shè)［2008］105號 鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南［S］

［2］ 黃新連．隧道超前地質(zhì)預報中幾個問題的探討［J］．鐵道勘察，2010，36(4)

［3］ TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［4］ GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］

［5］ 彭永忠，鄧朝輝，韓鵬輝．獅子洋隧道盾構(gòu)段掘進工程單價分析［J］．鐵道勘察，2012，38(3)

［6］ 鄧小鵬，李啟明，周志鵬．地鐵施工安全事故規(guī)律性的統(tǒng)計分析［J］．統(tǒng)計與決策2010，9(27)

［7］ 胡群芳，秦家寶．2003～2011年地鐵隧道工程建設(shè)施工事故統(tǒng)計分析［C］∥第二屆全國工程風險與保險研究學術(shù)研討會暨中國土木工程學會工程風險與保險研究分會第一屆第三次全體理事會論文集．天津:中國土木工程學會風險與保險研究分會，2012

［8］ 侯艷娟，張頂立，李鵬飛．北京地鐵施工安全事故分析及防治對策［J］．北京交通大學學報，2009，3(8)

［9］ 溫繼偉，陳寶義．北京某地鐵區(qū)間隧道的施工方法［J］．山西建筑，2010，32(32)

［10］唐志強．青島地鐵隧道施工采用TBM工法分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2013，5(90)