北京地鐵施工階段地質風險辨識評估及防控機制建設

葉新豐 ，張 宇，劉魁剛 ，高亞彬 ，余 鵬

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.北京市基礎設施投資有限公司，北京 100101；3.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068；4.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 研究背景

“十三五”以來，我國進入軌道交通建設飛速發展階段。截至2019年12月31日，我國內地累計40座城市開通城軌交通運營線路6 730.27 km，新增溫州、濟南、常州、徐州、呼和浩特5座運營城市，新增運營線路968.77 km。以北京為例，2020年在建地鐵線路16條(段)，在建里程共計304.6 km。巨大的建設規模背后，頻發的施工事故也觸目驚心，由于地鐵建設在繁華的城市街區，事故往往造成施工人員及無辜市民的人身財產損失，據李皓燃[1]對2002—2016年期間246起地鐵施工事故的統計，在我國城市軌道交通建設過程中，發生的各類風險事件有43%以上與地層坍塌有關，單起坍塌事故平均死傷人數1.8人，事故占比及單次事故傷亡人數均排列第一。僅在2019年，軌道交通工程就發生了多起因不良地質因素而造成城市街區道路坍塌的事故。由此可見，對施工中地質風險認識不足，往往會造成難以承受的后果。近年來，軌道交通建設施工期的安全管理雙預防機制全面建立，多地軌道交通建設管理單位均建立了適合自身的軌道交通施工安全風險管理體系。2008年，北京市軌道交通建設管理公司建立了以穿越既有設施及自身結構為辨識對象的安全風險管理體系，使地下工程下穿既有設施的安全風險可控；2009年，北京市頒發《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》(京建施[2009]841號)，以確保施工作業過程的安全風險可控。由于地質條件的復雜性和不確定性，其風險多來自于圍巖對在建地鐵的影響。在充分認識到地質風險重要性的前提下，按以往經驗設置諸多管控環節，對地質風險進行排查控制，如在詳勘報告中提出地質風險專題，首次空洞普查提出地層空洞處置建議等。雖然在多個環節設置了管控措施，但目前仍存在以下幾個問題：第一，缺乏對各類報告的整合分析機制。在現場實施過程中，涉及地質風險因素的報告會有很多，但缺乏對各類報告的集中辨識、分析、整合，難以進行集中管控工作。第二，缺乏成套的指標評價體系。在地質風險管控過程中，以經驗類比法采取風險管控措施，尚未形成量化的評價體系，且往往以某一報告為基礎進行分析，缺乏整體的風險評價指標，易造成疊加風險因素的遺漏。第三，缺乏動態調整及跟蹤反饋機制。在施工過程中，地鐵周邊環境受影響因素頗多，如氣候、人為等因素的影響，會造成地質風險動態變化，使風險指標也隨之調整，此時需對地質風險及時調整，及時反饋各參建單位對動態新增風險的管控，但在對地質風險采取措施后的控制效果缺乏明確的反饋機制。

為了有效管控施工階段的地質風險，需研究有針對性的地質風險防控機制，有諸多學者對地質風險的管控做了大量研究。沈小克等[2]在對北京市地質條件進行分析的基礎上，提出了主要的地質風險因子，并結合地下空間開發特點，對主要的地質風險及其控制對策進行了探討。竺維彬等[3-4]結合已發生的地鐵盾構典型事故，對地鐵施工風險源進行了深入研究。王芳[5]以西安地鐵盾構隧道施工為例，對黃土隧道盾構施工風險分析及對策做了研究。呂喬森等[6]通過大量的工程實例，提出了公路隧道地質風險等級的劃分標準。張慶林等[7]對福州地區特有的工程地質、水文地質等條件進行綜合分析，認為盾構機在軟硬不均地層、孤石地層、斷裂帶、富水砂層中穿越，是隧道施工的主要風險源。吳言軍等[8]針對北京地鐵房山線存在的主要風險類別、特征及影響因素進行分析，并提出對應的防范措施或建議。值得肯定的是，針對地鐵施工地質風險的研究已取得了一系列成果，但以上研究或偏于建設前期的規劃階段，或偏于技術性只針對單一均質地層、某一工法存在的風險提出建議措施，對地鐵施工過程中的動態地質風險及應對機制尚未深入研究，尤其是適應北京地層的地鐵施工階段的地質風險防范管理機制研究較少。本文根據現有的地質風險相關報告，辨識分析北京地鐵地質風險清單，首次構建一套較為完整的適用于施工階段的地質風險控制機制，并在昌南線進行試點應用，已取得良好的風險管控效果。

2 地鐵施工階段風險特征

風險的本質是發生事故的概率和嚴重性的乘積，地質環境發生風險的概率主要與水文及地質的復雜程度、人為干擾因素、后果嚴重性及事故產生的損失相關，具體特征表現在以下4個方面。

2.1 存在的普遍性

地鐵作為地下工程，既影響周邊環境，同時也受周邊環境的影響，而最直接的影響是受到周邊水文地質情況的影響，明挖法、礦山法、盾構法、高架線等基礎工程都與水文地質條件相關；巖土工程本身具有不確定性，現有的鉆探、物探等勘察手段無法精確探明每一處與工程相關的地質情況，因而造成了地質風險的普遍存在。在設計前期階段，重大地質風險通常采用調整路由、選擇合理工法等方式予以規避。地鐵進入施工階段后，地質風險因受局部地層情況、水文條件、氣候狀況、人為因素等影響而發生變化，產生局部的風險情況難以避免，且普遍存在。

2.2 產生的階段性

地鐵施工期地質風險具有明顯的階段性：在工程前期，大量的地質風險來自于原狀地層的不良發育；在施工后期，地質風險大多來自于前期工程對地層的干擾及圍巖自穩能力的弱化。地質風險同時受氣候變化的階段性影響，地下水的季節性變化、降水量的季節性變化均為地質風險的階段性表現。

2.3 影響的疊加性

地質風險關聯因素眾多，在影響工程時不止是單一因素作用的結果，往往包含了各種因素的耦合作用。在地鐵事故調查階段發現，因不良地質造成的事故往往有地層因素、水文因素、人為因素相互之間的疊加作用，由此決定了事故發生的大小。

2.4 后果的嚴重性

地鐵作為一個城市的民生工程，修建在繁華市區，通常已經明確建設期限，施工階段因地質風險導致的事故，往往造成城市街道路面坍塌、交通阻斷、建構筑物損壞、人員傷亡、工期延誤、環境破壞和不良的社會影響。面對日益嚴峻的安全形勢，其后果難以承受。

3 地質風險辨識評估方法

3.1 風險辨識方法

風險辯識主要通過近年地鐵發生的與地質相關的事故、風險事件的原因分析，結合勘察、設計、施工、監理、第三方監測的咨詢報告及資料，分析可能導致事故產生的潛在地質因素。在分析造成事故的主要原因及次要原因以后，可將地鐵施工過程地質風險因素列出，如圖1表示。

圖1 地鐵施工地質風險因素Figure 1 Geological risk factors of metro construction

3.2 風險辨識依據

地質風險的辨識依據主要是施工中產生的各類文件，依據地質風險產生的時間階段不同，可分為靜態地質風險及動態地質風險。靜態地質風險為施工前已經存在的地質風險，是主要通過施工前輸入性文件進行辨識的地質風險；動態地質風險為施工過程中產生的地質風險，是主要通過階段性文件進行辨識的地質風險。地質風險辨識依據的劃分如圖2所示。

圖2 地質風險辨識依據Figure 2 Geological risk identification basis

3.3 風險評估方法

依據對地質風險評價方法(PH 法)的研究[8-10]，將風險設定為損害(主要影響因素)發生的可能性和后果的組合，按照風險發生的可能性和危害的后果進行風險等級(風險值大小)評價，評價依據如表1、2所示。評價公式R=PH，其中：R為風險值，P為風險發生概率，H為風險危害后果。

表1 風險發生概率分類Table 1 Classification of risk probability

表2 風險危害后果分類Table 2 The degree of the consequences of potential risks

根據上述評價方法，結合北京地鐵施工情況，可將施工部位劃分為一級風險(R≥13)、二級風險(7≤R＜13)、三級風險(R＜7)。一級風險屬重大風險，危害性較大，須給予充分重視。

3.4 地質風險評估

依據地鐵施工地質風險因素的分類方法(見圖1)，結合風險辨識依據、受影響工法、風險程度描述，以及地鐵施工的相關事故和經驗，得出地質風險參考值，如表3所示。

表3 地質風險參考值Table 3 Calculation of geological risk coefficients

3.5 風險控制措施

在對地質風險評估形成清單后，依據地質風險等級的大小，制定風險控制措施，圖3給出了風險管控措施的分類。北京地鐵對地質風險的常用措施，可分為過程監控類、加強探測類、加強處置類3種。依據評級標準，二、三級可選擇過程控制類及加強探測類，一級因危害性較大須采用加強處置類措施。

圖3 風險控制措施分類Figure 3 Classification of risk control measures

4 施工階段地質風險控制機制

4.1 組織機構設置

施工階段地質風險辨識、評估方法與施工安全風險技術管理體系(以下簡稱“風險體系”)對周邊環境的辨識評估方法基本一致，可作為風險體系的一項補充內容來開展工作，因此可由原風險體系環節的相關單位參與地質風險控制工作。圖4給出了地質風險管控機構的組織構架。在組織機構中，主要從3個層面進行工作設置：一是設置風險信息的輸入層，加強地質風險相關文件的編制，增強地質風險輸入的準確性；二是設置風險信息的分析層，加強對風險信息相關報告的分析辨識及評估，加強對風險相關信息的集成；三是設置風險措施實施層，對地質風險措施建議進行決策，對現場風險控制措施進行實施。

圖4 風險組織機構Figure 4 Risk management organization

4.2 風險控制流程

目前，作為靜態地質風險及動態地質風險的辨識依據的各類報告均在工作中成熟應用，施工階段地質風險的核心工作是相關地質風險信息的匯總、傳遞、分析、評估、控制和總結，以確保在施工的各個階段風險信息不遺漏、風險評價無偏差、風險措施相適應。基于風險控制的核心工作要求，制定風險控制流程如圖5所示。

圖5 風險控制流程Figure 5 Risk control process

5 風險識別和防控機制應用

將地鐵施工階段的地質風險及防控機制首先應用于昌平線南延工程。該線北起既有13號線西二旗站，南至薊門橋，具有工期緊、工法多、風險高等特點。基于地鐵施工地質風險及防控機制，選取西土城站作為地質風險識別及防控機制的試點工點。

5.1 地鐵工程概況

西土城站位于北土城西路、知春路與學院路、西土城路交叉路口的小月河南側，車站沿西土城路東側輔路南北向設置，與既有10號線在西土城站換乘。車站采用3層三連拱結構、四導洞PBA工法施工，總長212.3 m，斷面寬25.0 m，高22.25 m，覆土12.23～13.04 m，底板最大埋深34.94 m。拱頂位于粉質黏土③層(局部粉土③1層)，底板位于卵石⑤層。地下水主要為層間潛水(三)，水位標高位于底板以上5.01～5.43 m。車站周邊環境復雜，道路下方管線密集，主要有1 500 mm污水管等重要管線。

5.2 地質風險識別

如前所述，根據地質風險識別工作流程，首先在輸入層搜集地質風險資料，進而在分析層對地質風險進行識別和判定。西土城站共梳理一級地質風險2處，二級地質風險3處，三級地質風險11處，地質風險匯總如表4所示。在編制地質風險匯總表后，由第三方監測單位將地質風險編碼，并標記于車站平、剖面圖上(見圖6、7)。

圖6 西土城站地質風險識別平面圖Figure 6 Geological risk identification plan of Xitucheng Station

表4 西土城站地質風險識別匯總Table 4 Summary of geological risks of Xitucheng Station

5.3 防控機制應用

結合上述圖表的綜合分析，并以其中編號B-2潛水地層止水效果不良的一級風險及C-2管線滲漏區的二級地質風險為例，說明地質風險防控機制的運行情況。

根據詳勘報告，車站主體導洞受層間潛水影響大，多處有粉細砂透鏡體分布，依據現場巡視報告，現場施工體現為3號橫通道西側A軸導洞剛破面即出現滲漏水，1號橫通道向南各導洞也出現滲漏水現象，且與地質風險識別剖面圖中的透鏡體部位較為吻合，各導洞開挖拱頂掉塊位置接近，即拱頂粉細砂地層與含水透鏡體、相鄰導洞坍塌等風險在此區域疊加影響顯著。根據上述風險辨識及分析，將該區域的地質風險定為一級，編號為B-2。第三方監測單位依據現場情況及風險辨識結果，發布風險提示單，建議對拱頂上方粉細砂地質作補充，結合疏松區位置，協調相關設計和勘察單位，對該部位進行了補充地質勘察工作。勘察單位共補充詳勘2處，根據補勘結果，建議導洞開挖過程中采取地下水控制措施，采用注漿與導流相結合的措施，切斷補給源，減小地下水對暗挖施工的影響。

根據管線調查報告，車站開挖范圍內存在一根1 500 mm污水管。該管線修建于上世紀60年代，年代久遠，現狀不佳，2017年7月破裂后搶險回填，但回填地層不密實，雷達探測結果顯示仍有2處疏松區；管線改移至東側后仍位于車站主體導洞上方，第三方監測單位辨識此處風險屬于二級地質風險，編號為C-2，依據等級及施工進度及時發布風險提示單；提出在管線下方施工區域要加強超強探查，同時加強管線區域地質核查，對管線疏回填散區域加強空洞注漿，要求施工單位加強回填管線狀態核查，加強改移管線的保護，加密監測巡視，以確保管線安全，對管線采取管線內紫外光固化防護措施，并在部分薄弱段進行改移。

圖7 西土城站地質風險識別剖面圖Figure 7 Geological risk identification profile of Xitucheng Station

5.4 管控效果評價

基于地質風險識別、評價及管控流程，在本站施工伊始，即協調信息輸入、分析、處置各層級的參建單位，對地質風險進行靜態和動態管控。在車站施工過程中，根據地質風險識別匯總表中的清單，及時對地質風險發布風險提示單和風險預警；根據地層透鏡體及粉細砂層分布情況，提醒施工單位及時進行地層加固和超前探測，有效防止了較大的坍塌；結合疏松區和開挖揭露地層的變化部位及時進行補勘，使后續施工措施針對性更強；及時對污水管線滲漏區域進行探查和保護，以確保污水管線滲漏區域對地鐵施工影響的風險可控。在本站施工過程中，未發生大范圍坍塌和沉陷、管線滲漏等風險事件，表明基于地質風險的識別、評價及管控流程在本站得到有效驗證。

6 結語

1) 基于施工階段地質風險特征及目前對地質風險管理工作的開展，將施工階段地質風險分為靜態地質風險及動態地質風險兩類，分別提出了兩類風險的辨識依據。

2) 基于PH風險評估模型，得到了地鐵施工階段地質風險事件的風險值，同時依據風險值的大小劃分出風險等級。

3) 形成施工階段的地鐵地質風險清單，并分類給出過程監控類、加強探測類、加強處置類3類控制地質風險的建議措施。

4) 形成輸入層、分析層、實施層的應對地質風險的組織架構，充分發揮第三方監測在地質風險管理中匯總、分析的作用，同時建立了適用于北京地鐵施工階段的地質風險控制機制，并應用于正在建設的昌平線南延西土城站。

5) 地質風險分析及辨識的全面性還需工程實踐驗證，在后續工程施工中還會遇到新的地質風險種類，需繼續對已有的風險評價體系進行補充。本研究對地質風險的辨識、分析和控制具有一定的借鑒意義，今后將結合北京地鐵實踐，進一步完善風險評價體系及控制措施，這對控制北京地鐵施工階段風險具有重要意義。