地鐵下穿施工安全評價分析*

鐘春玲 夏彥杰

(吉林建筑大學土木工程學院,長春 130118)

隨著我國城市地下交通建設(shè)規(guī)模的高速發(fā)展,越來越多的地鐵建設(shè)面臨需要穿越已有線路的問題.由于既有線路在前期規(guī)劃設(shè)計中未考慮新線的修建,所以，新建地鐵線路施工不可避免地會引起既有線路的變形,而地鐵運營對既有線路的軌道沉降有非常嚴格的控制標準.如何保證下穿施工的安全和既有線路的正常運營,在工程實踐中,這一問題已引起高度重視,一些地區(qū)將新建地鐵穿越既有線路的工程評定為“特級環(huán)境風險工程” ,因此需要對這類問題開展必要的深入的研究分析[1-2].關(guān)于地鐵下穿施工,以往的研究成果大多集中在地鐵線路下穿既有線路時的施工技術(shù)方法或針對典型案例對隧道變形的數(shù)值模擬分析,而對于地鐵下穿施工的安全影響因素方面的研究仍舊不多,特別是對施工過程中的安全評價指標的建立缺少研究分析,而要對這類特級風險工程進行有效的風險管理,特別是對危險因素的早期評估,就需要對地鐵隧道下穿施工中的安全影響因素進行查找和分析,建立相應的安全評價指標,以減少施工過程中安全事故的發(fā)生.

1 地鐵下穿既有線案例

1.1 北京地鐵10號線下穿地鐵1號線

北京地鐵10號線國貿(mào)-雙井站區(qū)間段從地鐵1號線下方通過,結(jié)構(gòu)埋深為18m.按照標準斷面10號線頂板距離地鐵1號線隧道底板距離僅有1.09m.由于1號線隧道二次襯砌為素混凝土,據(jù)現(xiàn)場觀察，墻上已有較多裂紋,綜合1號線結(jié)構(gòu)資料、現(xiàn)場檢測和計算分析,顯示地鐵1號線結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全度已達到臨界狀態(tài),地鐵1號線平均每6min有一輛地鐵列車通過,在列車動荷載作用下,下部隧道的開挖必會加劇1號線隧道破壞.而且，10號線隧道區(qū)間位于繁華的市政主干道下面,地面建(構(gòu))筑密集,地質(zhì)條件情況十分復雜,沿線有河流、建筑物、橋梁等風險控制點.經(jīng)研究決定地鐵10號線開挖引起的1號線軌道沉降應控制在5mm內(nèi).

隧道區(qū)間位于永定河沖積扇的中下部位,場地勘察深度范圍自上而下低等主要分為粉土填土、粉土、粉細砂、粉質(zhì)粘土、黏土、粉土和砂卵石.1號線區(qū)間位于粉質(zhì)粘土、砂卵石層中,10號線區(qū)間大部分位于黏土層中,局部位于砂卵石層中.在地鐵施工過程中要考慮對既有1號線的結(jié)構(gòu)保護和10號線的下穿施工安全.實際施工階段對1號線采取的保護措施有:

(1) 對原有的二襯裂縫采用YJ建筑結(jié)構(gòu)膠進行灌縫;

(2) 對二襯結(jié)構(gòu)進行粘貼芳綸纖維布加固;

(3) 對1號線道床采取防脫護軌、軌間拉桿措施以防止軌道水平變形;

(4) 下穿施工時間在1號線停運時間,運營速度控制在30Km/h～40Km/h.施工前經(jīng)過對風險狀態(tài)評估、設(shè)計和施工方案的審查,以及第三方監(jiān)測等一系列工作后;在實際施工階段未有安全事故的發(fā)生,最終取得成功.

1.2 北京地鐵5號線下穿地鐵2號線

北京地鐵5號線崇文門站結(jié)構(gòu)為雙柱3跨島式車站,車站采用暗挖法施工,兩端為雙層結(jié)構(gòu),中間為單層結(jié)構(gòu),車站總長度為208.9m,總寬度為24.2m.車站單層部分從既有2 號線地鐵崇文門站東端區(qū)間近距離(1.98m)下方穿過, 該工程存在著新建隧道斷面大(寬24.2m、高11.46m)、距離既有地鐵隧道近、既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)存在變形縫易發(fā)生差異沉降且修建年代久(1968 年)、水文地質(zhì)條件復雜等工程難點,而且要確保既有地鐵的正常安全運營[3].在工程施工中，經(jīng)過比較中洞法和柱洞法對既有線的沉降影響,最后采用柱洞法施工,施工時采用直徑600mm超前咬合管棚管幕進行預支護來避免土體坍塌,并減少隧道施工引起的土體沉降[4].為增加土體穩(wěn)定性、提高土體的密實度、承載力,減小土體、初支及管幕的下沉,采用全斷面預注漿、跟蹤注漿等措施來避免土體的沉降和減少對既有線結(jié)構(gòu)變形.為保證既有線路正常運營安全,在施工過程中，采用具備遠程、實時、自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢測系統(tǒng),及時掌握既有線的沉降變形.

1.3 廣州地鐵3號線下穿地鐵1號線

廣州既有地鐵1號線體育西路站于1997年9月竣工,設(shè)計時未考慮新建3號線車站施工影響.1號線車站為地下兩層,雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),地板埋深為14m,車站頂板覆土約為1.8m,底縱梁為全上翻形式.此處3號線車站基坑深24.3m,基坑寬34.7m.既有1號線將車站分為南北兩個明挖基坑,下穿段采用暗挖施工.

在下穿施工時,如何保證既有1號線車站的正常運營和結(jié)構(gòu)的安全是施工中的關(guān)鍵.針對1號線車站的結(jié)構(gòu)型式、受力特點、底板所處的地質(zhì)條件,在設(shè)計中采用了暗挖三連拱隧道方案,3號線暗挖拱頂距離1號線底板之間僅67cm.為減少對既有線的沉降和變形,根據(jù)地質(zhì)情況與工期目標,暗挖施工采用了5洞開挖方案,開挖前對1號線底縱梁進行加固，對1號線頂板進行卸載和限制1號線頂板上方車輛荷載;施工中為控制既有線的水平位移,兩側(cè)基坑土體采用對稱開挖,同時3號線圍護樁與1號線結(jié)構(gòu)之間設(shè)置附加斜支撐;對需要爆破的地方,采用微振動爆破施工,局部采用人工破除.施工中遵循“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則,加強對初支和二襯背后的注漿.施工中加強監(jiān)控監(jiān)測,利用反饋數(shù)據(jù)指導施工[5].

1.4 深圳地鐵5號線區(qū)間下穿住宅小區(qū)

深圳地鐵5號線怡黃盾構(gòu)區(qū)間下穿景貝南小區(qū),盾構(gòu)隧道的最大覆土厚度為16.61m,最小覆土厚度為8.5m,在隧洞穿越范圍內(nèi)為上軟下硬地層,隧洞頂板為砂、卵石土等敏感地層,盾構(gòu)機在掘進過程中對土體的擾動會影響至地表,引起地表及建筑物沉降.

在下穿施工過程中,為預防建筑物沉降過大,采用洞外提前地表加固、開挖中后期注漿、采用高分子材料修補斷裂帶、盾構(gòu)機掘進參數(shù)修改等措施控制建筑物下沉變形;施工過程中為預備緊急情況,成立搶險小組,緊急情況下,啟動應急預案[6].

2 地鐵下穿施工安全影響因素

通過對以上幾個典型地鐵下穿既有建(構(gòu))筑物案例的總結(jié)，可以得出在地鐵下穿施工過程中主要的影響因素有:

(1) 既有建構(gòu)筑物沉降和位移的安全要求對下穿施工安全的影響;

(2) 地下水文地質(zhì)條件對下穿施工安全的影響;

(3) 既有建構(gòu)筑物與新建線路的結(jié)構(gòu)形式對下穿施工安全的影響;

(4) 下穿施工方案的選擇與確定對下穿施工安全的影響;

(5) 施工作業(yè)者與施工機械的選擇對下穿施工安全的影響;

(6) 現(xiàn)場施工環(huán)境對下穿施工安全的影響等.

對地鐵下穿施工中安全影響因素的辨識是下穿施工風險評價和風險控制的基礎(chǔ).為了對地鐵下穿施工更好的做到安全管理，我們需要在安全影響因素有效識別的基礎(chǔ)上，提出相應的安全評估方法，以方便現(xiàn)場安全管理.

3 地鐵下穿施工安全評估方法

地鐵施工中的安全評估方法有多種,定性分析方法有事故樹分析法(FTA法)、層次分析法(AHP法)、核查表法等;定量分析方法有:作業(yè)條件危險性評價法(LEC法)、模糊綜合評價法、概率風險評價方法等.

事故樹分析法是從要分析的特定事故或故障(頂上事件)開始，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因(底事件)為止；事故樹分析法用于定性分析,通過定性分析，確定各種危險因素對事故影響的大小，從而掌握和制定防災控制要點；但要編好一棵事故樹必須對系統(tǒng)非常熟悉和有豐富的經(jīng)驗，并且要準確的掌握好分析方法.因此不能滿足地鐵施工現(xiàn)場對安全影響因素的快速判斷.

層次分析法的特點是在對復雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學化，從而為多目標、多準則或無結(jié)構(gòu)特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法；然而，層次分析法的定量數(shù)據(jù)較少，定性成分多，不易令人信服.

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評標方法.該綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價.它具有結(jié)果清晰,系統(tǒng)性強的特點,能較好地解決模糊的、難以量化的問題,適合各種非確定性問題的解決；但由于模糊綜合評價法的權(quán)重需要一定的專業(yè)知識才能確定，不適合施工現(xiàn)場的快速研判.

由于LEC法可定量確定危險因素的危險等級,用表格形式表達分析結(jié)果,清楚明了；適用于對施工現(xiàn)場安全形式的快速研判.因此,在地鐵下穿施工時,可用LEC法評估結(jié)果的大小為施工做出指導.

LEC法是將影響安全的主要因素分為3類:發(fā)生事故的可能性L;暴露于危險環(huán)境的頻率E;事故發(fā)生后造成的后果C.LEC評價標準分類與評價結(jié)果D值(D=L×E×C)控制要求如表1和表2[7].

表1 LEC評價標準

表2 評價結(jié)果D值分類及控制要求

以施工環(huán)境對下穿施工的安全影響為例,應用LEC法確定影響作業(yè)危險性(表3).其中，LEC的取值應根據(jù)建設(shè)工程專家進行打分篩選后確定.

表3 施工環(huán)境影響作業(yè)危險性分析

4 地鐵下穿施工安全防護建議

在地鐵下穿施工過程中,首先要求保證既有線路的正常運營安全及已有建筑物的結(jié)構(gòu)安全,為此，施工前需要結(jié)合下穿既有建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式、建筑裝修樣式、系統(tǒng)設(shè)備，以及下穿段地層的水文地質(zhì)條件進行統(tǒng)一的改造設(shè)計；其次,在施工中應加強監(jiān)控量測,對既有線的底板、道床、側(cè)墻、柱的沉降變形監(jiān)測,做到信息化指導施工；第三，利用LEC法對現(xiàn)場的安全影響因素做出快速判斷，指導現(xiàn)場施工.由于下穿既有建構(gòu)筑物為特級風險源,因此在施工階段要明確業(yè)主、設(shè)計、施工和監(jiān)理等各方的職責,加強現(xiàn)場管理,制定完善的現(xiàn)場突發(fā)狀況應急預案,減少施工中的傷亡事故.

參 考 文 獻

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[3] 王海祥,李健旺,溫向東.北京地鐵10號線零距離下穿既有地鐵區(qū)間淺埋暗挖工程的設(shè)計與施工[C].上海：同濟大學出版社,2007.

[4] 王占生,張頂立.淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的關(guān)鍵技術(shù)[J].巖石力學與工程學報,2007,26(增2):4208-4214.

[5] 韓 莉.廣州地鐵3號線下穿既有車站工程實例[C].上海：同濟大學出版社,2007.

[6] 熊炎林.深圳地鐵盾構(gòu)下穿建筑物施工技術(shù)[J].建筑機械化,2012(增2):58-60.

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