復(fù)雜地層條件下地鐵隧道下穿管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制措施

劉治寶

(中鐵二十二局集團(tuán)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(fā)展，新建地鐵隧道下穿地下管線、深大基坑、橋梁基礎(chǔ)等施工對(duì)既有構(gòu)筑物的影響越來越大。地鐵隧道下穿施工不可避免地對(duì)既有地下構(gòu)筑物產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起地層沉降和既有結(jié)構(gòu)的變形變位。這不僅對(duì)地鐵隧道的安全施工產(chǎn)生不利影響，而且也嚴(yán)重影響了既有構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制已成為市政工程防災(zāi)減災(zāi)研究的重要組成部分。本文依托北京地鐵14號(hào)線隧道暗挖法下穿既有南水北調(diào)引水管廊工程，在總結(jié)主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，歸納主要風(fēng)險(xiǎn)因素及其產(chǎn)生原因，進(jìn)行工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，進(jìn)而提出風(fēng)險(xiǎn)管控措施，以期對(duì)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(diào)工程北京段起點(diǎn)為房山拒馬河，穿永定河，過豐臺(tái)，沿西四環(huán)路北上，最后至頤和園團(tuán)城湖，全長(zhǎng)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(hào)線郭莊子站—大井站區(qū)間隧道下穿南水北調(diào)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(guān)系示意如圖1。

圖1 北京地鐵14號(hào)線隧道區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊工程示意

本區(qū)段主要地層為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沉積層、第三紀(jì)沉積層。工程場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)無地表水體通過，地面下45 m深度范圍內(nèi)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(cè)向徑流補(bǔ)給。地下水徑流條件較好，以側(cè)向徑流和人工開采為主要排泄方式。據(jù)調(diào)查，該區(qū)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(duì)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(qū)間隧道周邊地下水豐富，因此應(yīng)對(duì)本工程結(jié)構(gòu)防滲予以高度重視。

2 風(fēng)險(xiǎn)事件及原因分析

2.1 隧道工程風(fēng)險(xiǎn)事件產(chǎn)生原因

引起隧道工程風(fēng)險(xiǎn)的原因有很多，主要有以下幾方面的原因:

1)對(duì)地鐵隧道工程認(rèn)識(shí)的局限性

勘察期間經(jīng)常是通過少數(shù)幾個(gè)鉆孔，就將其獲得的勘察資料視為設(shè)計(jì)的依據(jù)。這是工程設(shè)計(jì)中信息不完備的典型例子?？梢姡诘刭|(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)段，地鐵隧道的設(shè)計(jì)和施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

2)地鐵隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)滯后于掌子面開挖

地鐵隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)總是滯后于掌子面開挖，一部分變形信息已經(jīng)在開挖面到達(dá)前發(fā)生，造成信息的空間滯后;并且也不能立即獲取量測(cè)數(shù)據(jù)，造成時(shí)間上的滯后。

3)地鐵隧道工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜

地鐵隧道穿越區(qū)的地層是經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的，經(jīng)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(jī)性和各向異性。但是由于地質(zhì)勘探、現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)等設(shè)備條件的限制，人們只能通過有限的試驗(yàn)和測(cè)試來對(duì)巖土體的力學(xué)和變形參數(shù)作近似的量測(cè)估計(jì)。

4)地鐵隧道工程建設(shè)中的不確定因素

地鐵隧道施工過程中，建設(shè)隊(duì)伍、機(jī)械設(shè)備、施工操作技術(shù)水平等對(duì)工程的風(fēng)險(xiǎn)都有直接的影響。由于工程施工技術(shù)方案與工藝流程復(fù)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(shù)和設(shè)備的選取都存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5)地鐵隧道穿越區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性

地鐵隧道穿越區(qū)周邊環(huán)境極其復(fù)雜，主要體現(xiàn)在:①地面構(gòu)筑物的使用年限、結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)類型、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)等;②既有構(gòu)筑物與地鐵隧道之間的空間關(guān)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(tài)環(huán)境狀況和居民居住特征等。

2.2 地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)事件及其產(chǎn)生原因

由于地鐵隧道施工既要確保隧道自身結(jié)構(gòu)安全，又要保證南水北調(diào)既有管廊結(jié)構(gòu)的安全，所以地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊工程安全風(fēng)險(xiǎn)較大。評(píng)估重點(diǎn)為南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全性。地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊工程的主要風(fēng)險(xiǎn)事件及其產(chǎn)生原因如表1所示。

表1 地鐵隧道下穿管廊工程主要風(fēng)險(xiǎn)事件及其產(chǎn)生原因

3 地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率以及風(fēng)險(xiǎn)事件影響程度，構(gòu)建工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)表(表2)。

表2 工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

計(jì)算地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊工程主要風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)下穿施工的影響程度，對(duì)照表2進(jìn)行下穿工程主要風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見表3。

由表3可知，地鐵隧道區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。由風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則及控制方案(表4)可知，Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事件應(yīng)堅(jiān)決杜絕，發(fā)生后應(yīng)立即停止施工并啟動(dòng)預(yù)案。

表3 地鐵隧道下穿管廊工程主要風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

表4 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則及控制方案

4 地鐵隧道區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊工程風(fēng)險(xiǎn)控制施工措施

為將北京地鐵14號(hào)線區(qū)間隧道下穿南水北調(diào)引水管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)控制在安全范圍內(nèi)，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(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方法對(duì)南水北調(diào)管廊工程附近的不良地質(zhì)情況進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)含水囊、透鏡體及空洞時(shí)進(jìn)行注漿加固和空洞填充。

2)在施工過程中，要加強(qiáng)對(duì)隧道開挖掌子面巖土體的觀察并對(duì)圍巖、地下水、含砂量、大粒徑卵石含量等地質(zhì)情況以及地面沉降、洞內(nèi)收斂、拱頂沉降等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，切實(shí)做好信息化施工，為風(fēng)險(xiǎn)控制提供詳實(shí)數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

1)地鐵隧道下穿管廊工程的主要風(fēng)險(xiǎn)事件為隧道穿越區(qū)地面沉降過大、管廊結(jié)構(gòu)變形過大、隧道結(jié)構(gòu)變形過大和隧道掘進(jìn)困難。

2)北京地鐵14號(hào)線隧道區(qū)間下穿南水北調(diào)引水管廊工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定為Ⅰ級(jí)，因此需進(jìn)行嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)管控。

3)為實(shí)現(xiàn)對(duì)北京地鐵14號(hào)線隧道區(qū)間下穿南水北調(diào)引水管廊工程Ⅰ級(jí)重大風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，應(yīng)在隧道下穿施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地層預(yù)注漿加固，施工中實(shí)時(shí)掌握隧道掌子面圍巖變形特征，并嚴(yán)格遵守隧道開挖支護(hù)準(zhǔn)則，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，做好信息化施工。

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