復雜地層條件下地鐵隧道下穿管廊工程的風險評估與控制措施

劉治寶

(中鐵二十二局集團第一工程有限公司，北京 100040)

隨著城市軌道交通工程的快速發展，新建地鐵隧道下穿地下管線、深大基坑、橋梁基礎等施工對既有構筑物的影響越來越大。地鐵隧道下穿施工不可避免地對既有地下構筑物產生擾動，從而引起地層沉降和既有結構的變形變位。這不僅對地鐵隧道的安全施工產生不利影響，而且也嚴重影響了既有構筑物的生命周期和健康服役，可能引起重大安全事故。因此，地鐵隧道下穿施工過程中的風險評估與控制已成為市政工程防災減災研究的重要組成部分。本文依托北京地鐵14號線隧道暗挖法下穿既有南水北調引水管廊工程，在總結主要風險評估方法的基礎上，歸納主要風險因素及其產生原因，進行工程風險等級劃分，進而提出風險管控措施，以期對類似工程提供借鑒。

1 地鐵隧道下穿管廊工程概況

南水北調工程北京段起點為房山拒馬河，穿永定河，過豐臺，沿西四環路北上，最后至頤和園團城湖，全長80.4 km。北京段共穿越永定河等32條河流、京石高速等干線公路20處以及京廣線等鐵路12處。管廊施工采用C30混凝土。

北京地鐵14號線郭莊子站—大井站區間隧道下穿南水北調北京段管廊工程。地鐵隧道拱頂距管廊底板約8.6 m，管廊尺寸為4.9 m×9.2 m，管廊頂板深約3 m。地鐵隧道洞身主要穿越卵石地層，采用礦山法施工。地鐵隧道與引水管廊的位置關系示意如圖1。

圖1 北京地鐵14號線隧道區間下穿南水北調管廊工程示意

本區段主要地層為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沉積層、第三紀沉積層。工程場區范圍內無地表水體通過，地面下45 m深度范圍內的松散沉積層中分布的地下水類型主要為潛水。潛水主要接受大氣降水入滲和側向徑流補給。地下水徑流條件較好，以側向徑流和人工開采為主要排泄方式。據調查，該區段地下水多年來水位變化較大，主要受人為因素的影響。一般11月份至來年3月份水位較高，其它月份水位相對較低，年變幅一般為4～6 m。本工程施工正好處于高水位期，區間隧道周邊地下水豐富，因此應對本工程結構防滲予以高度重視。

2 風險事件及原因分析

2.1 隧道工程風險事件產生原因

引起隧道工程風險的原因有很多，主要有以下幾方面的原因:

1)對地鐵隧道工程認識的局限性

勘察期間經常是通過少數幾個鉆孔，就將其獲得的勘察資料視為設計的依據。這是工程設計中信息不完備的典型例子。可見，在地質條件復雜的區段，地鐵隧道的設計和施工存在較大風險。

2)地鐵隧道監控量測數據滯后于掌子面開挖

地鐵隧道洞內監測點的埋設總是滯后于掌子面開挖，一部分變形信息已經在開挖面到達前發生，造成信息的空間滯后;并且也不能立即獲取量測數據，造成時間上的滯后。

3)地鐵隧道工程地質與水文地質條件復雜

地鐵隧道穿越區的地層是經過漫長的地質年代形成的，經歷了各種各樣的自然和人為因素的綜合作用，具有明顯的隨機性和各向異性。但是由于地質勘探、現場和室內試驗等設備條件的限制，人們只能通過有限的試驗和測試來對巖土體的力學和變形參數作近似的量測估計。

4)地鐵隧道工程建設中的不確定因素

地鐵隧道施工過程中，建設隊伍、機械設備、施工操作技術水平等對工程的風險都有直接的影響。由于工程施工技術方案與工藝流程復雜，且不同的工法又有不同的適用條件，因此工程施工方案、技術和設備的選取都存在潛在風險。

5)地鐵隧道穿越區環境的復雜性

地鐵隧道穿越區周邊環境極其復雜，主要體現在:①地面構筑物的使用年限、結構類型、基礎類型、沉降控制標準等;②既有構筑物與地鐵隧道之間的空間關系與相互影響;③周邊道路及地下管涵的類別、修建年代、材料及建造方法等;④周圍生態環境狀況和居民居住特征等。

2.2 地鐵隧道下穿南水北調管廊工程的風險事件及其產生原因

由于地鐵隧道施工既要確保隧道自身結構安全，又要保證南水北調既有管廊結構的安全，所以地鐵隧道下穿南水北調管廊工程安全風險較大。評估重點為南水北調管廊結構狀態的安全性。地鐵隧道下穿南水北調管廊工程的主要風險事件及其產生原因如表1所示。

表1 地鐵隧道下穿管廊工程主要風險事件及其產生原因

3 地鐵隧道下穿南水北調管廊工程的風險評估

依據風險事件發生概率以及風險事件影響程度，構建工程風險等級評價表(表2)。

表2 工程風險等級評價

計算地鐵隧道下穿南水北調管廊工程主要風險事件的發生概率，結合風險事件對下穿施工的影響程度，對照表2進行下穿工程主要風險事件風險等級評定，評定結果見表3。

由表3可知，地鐵隧道區間下穿南水北調管廊工程的風險等級為Ⅰ級。由風險接受準則及控制方案(表4)可知，Ⅰ級風險事件應堅決杜絕，發生后應立即停止施工并啟動預案。

表3 地鐵隧道下穿管廊工程主要風險事件風險等級劃分

表4 風險接受準則及控制方案

4 地鐵隧道區間下穿南水北調管廊工程風險控制施工措施

為將北京地鐵14號線區間隧道下穿南水北調引水管廊工程的風險控制在安全范圍內，在下穿施工中采取了以下措施:

1)在下穿施工前，采用TSP和地質雷達相結合的方法對南水北調管廊工程附近的不良地質情況進行超前地質預報，當發現含水囊、透鏡體及空洞時進行注漿加固和空洞填充。

2)在施工過程中，要加強對隧道開挖掌子面巖土體的觀察并對圍巖、地下水、含砂量、大粒徑卵石含量等地質情況以及地面沉降、洞內收斂、拱頂沉降等進行監控量測，切實做好信息化施工，為風險控制提供詳實數據支持。

5 結論

1)地鐵隧道下穿管廊工程的主要風險事件為隧道穿越區地面沉降過大、管廊結構變形過大、隧道結構變形過大和隧道掘進困難。

2)北京地鐵14號線隧道區間下穿南水北調引水管廊工程的風險等級評定為Ⅰ級，因此需進行嚴格的風險管控。

3)為實現對北京地鐵14號線隧道區間下穿南水北調引水管廊工程Ⅰ級重大風險的有效控制，應在隧道下穿施工前進行超前地質預報和地層預注漿加固，施工中實時掌握隧道掌子面圍巖變形特征，并嚴格遵守隧道開挖支護準則，加強監控量測，做好信息化施工。

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