西安地铁2号线区间隧道风险剖析与规避对策

康 佐

(西安市地下铁道有限责任公司,710016,西安∥工程师)

西安地铁2号线区间隧道风险剖析与规避对策

康 佐

(西安市地下铁道有限责任公司,710016,西安∥工程师)

由风险管理理念入手,针对黄土地区的地质特性,从西安地铁建设周边环境风险、施工措施保证风险、区间隧道设计施工风险控制点等入手,剖析了各风险点的节点位置,并根据实际提出一些有效的规避对策。结合目前西安地铁2号线开工建设以来的工程实际情况,强调了隧道周边外部环境对地铁区间的安全影响性,指出了黄土地区暗挖隧道工程降水辅助措施的重要性,提出了事前剖析风险源的工作意识,给出了暗挖隧道和盾构隧道施工过程中的风险节点以及相应的规避思路。从设计和施工双重角度揭示了西安地铁区间隧道的风险点。

地铁;隧道工程;黄土地区;风险管理;规避对策

Author's addressXi'an Metro Co.,Ltd.,710016,Xi'an,China

西安地铁2号线从铁路北客站至会展中心站(长延堡站)共有16个区间。其中盾构区间有11个,非盾沟暗挖区间有5个。共穿越了11条地裂缝(包括新生f10-1地裂缝)。

风险管理是针对可能发生灾害的人、事、物预先加以处理、管制,以达防患于未然的目的。针对西安地铁2号线区间隧道开展风险剖析也是实施风险管理理念的举措之一。在信息化发达的现代施工中,开展过程管理和事前预测将对减少工程事故有着十分重要的意义。2007年,铁道部在《关于加强铁路隧道工程安全工作的若干意见》的专项文件中就强调了风险管理的重要性,明确风险管理应从建立风险管理制度、规范风险评估工作和做好风险防范工作等三个方面来深入开展。西安地铁地处黄土地区,特殊的地质环境构建了其一系列具有区域特点的风险环节。

地铁隧道的安全、经济和正常使用,与其所在的地质环境有着密切的联系。西安位于渭河盆地中部,地质复杂,既有湿陷性黄土,又有饱和软黄土等。所有这些不良地质环境将对地铁工程的修建及运营产生较大影响。隧道工程与其他工程项目相比,具有隐蔽性、复杂性和不确定性等特点,其投资风险大,无论是设计、施工、决策都会遇到很多困难和障碍。对地铁区间隧道而言,地面交通、周边建筑、上覆管线、地质环境等都会影响其施工和运营的安全性,应做到事先剖析、合理规避。因此,对西安地铁区间隧道开展风险归纳剖析,是制定正确风险应对规避对策的根本,也是保质保量按期完成地铁施工任务的有力保障。

1 西安地铁2号线区间隧道风险剖析与规避对策

西安地铁2号线区间隧道风险主要分周边环境风险、施工措施保证风险、施工工法工序转换风险等。周边环境风险主要包括地质情况、地下管线、黄土陷穴和人防空洞、地铁沿线建(构)筑物;施工措施保证风险主要包括有效降水、超前探测、过程监测和注浆功效;施工工法工序转换风险主要指暗挖和盾构隧道施工过程中的节点控制风险。

1.1 周边环境风险及其规避对策

1.1.1 地下管线

地铁施工不可避免要在管线繁多的地面下进行。根据西安地铁2号线开工至今积累的现场经验可见,区间隧道结构附近的排水、给水管涵因渗水导致表层湿陷性黄土结构破坏,是区间隧道施工过程中的重大风险源之一。地下管线的渗漏由于其发生的偶然性和不为人先知性,往往在发生明显破坏症状后才会引起人们重视。

对地下管线的风险规避应从以下7个方面来实现:

1)整合既有人力、物力资源,成立必要的协调机构和协调制度。

2)制定信息通报制度,提前发现危险征兆并积极采取应对措施。

3)仔细、认真地完成对管线现状的调查,划分施工敏感区域。

4)对于紧急情况下的预案应落实到单位、工班,并应编制可操作工序指导作业书(条件允许时可进行管线加固预案演习)。

5)对施工监控测量数据,应及时、认真地进行分析和处理,并需书面通知有关各方。建议检测工作最好由产权单位自行检测管理直至该区段施工完毕。

6)施工前应对提供的管线资料进行核实,对周边环境做到心中有数,如遇到与资料不符的应立即通知各方。

7)施工方法及后期施工组织设计应考虑尽量缩短工期,及时完成永久内衬结构,减少对周边工程环境影响的时间。

1.1.2 黄土陷穴和地下人防空洞

黄土地区因其自身结构特点,在长期地下水影响作用下易形成黄土陷穴。这些空洞,对地铁区间隧道,尤其是盾构隧道的正常掘进带来了很大威胁。此外,西安作为古城,历史的原因使其地下人防工事较多,一定程度上影响到了地铁隧道工程的正常施作。对于地下黄土陷穴和人防空洞,建议在区间地铁隧道施工之前,在线路沿线利用地质探测雷达对空洞进行超前探测。对发现的黄土陷穴可采用黄土水泥浆填充,对于人防空洞则可以根据实际情况,采取开挖回填混凝土的方式对空洞体进行密实填充,从而排除地铁隧道偏压和失压的危险。

1.2 施工措施保证风险及其规避对策

西安地铁区间隧道的施工措施中以保证降水效果为首要。根据西安地铁2号线多个区间的现场施工情况来看,凡是降水效果较好或地下水位较低的区段,其隧道开挖作业面环境均能满足设计要求。虽然西安市基坑降水深度大于10 m的案例较少,但在认真开展降水措施、科学合理组织降水作业的前提下,降深16 m的降水施工措施也能基本保证实现。而对于降水大于16 m的基坑或地下工程,则应结合其他辅助措施进行局部堵水方可正常实施。综合上述降水情况和在施工中实际风险发生的概率情况,可对当前的降水实施过程得出以下规避对策:

1)鉴于黄土地区土体在无水环境下的良好直立性,在进行地铁区间隧道开挖过程中要认真开展降水施工及采取相应的辅助措施,应从根本上认识其重要性和必要性。

2)黄土地区的降水作业有其地域特性,因此开展相应辅助措施的施作必须由专业的降水队伍进行。对降水措施进行专业分包将大大增加降水效益。

3)为更加真实地监测降水情况,全线降水工程均须打设专门的降水观测井。

1.3 施工工法工序转换风险及其规避对策

1.3.1 暗挖隧道

西安地铁2号线暗挖隧道涉及到的特殊断面有双联拱隧道、三联拱隧道、大断面与小断面隧道变换、小净距平行隧道等。如何在施工中体现设计的初衷,是保证上述特殊断面安全开挖的关键。因此,应在施工前对各断面进行充分的风险剖析,并初步预测风险点易发生的节点位置。

1.3.1.1 双联拱隧道的开挖与支护

图1 区间联络线段双联拱隧道平面示意图(单位:mm)

1.3.1.2 三联拱隧道的开挖与支护

如图2所示,E断面开挖结束,封闭掌子面,开挖三联拱右侧中洞,浇筑中隔墙;台阶法开挖右洞,并施做右洞二衬及防水;右线继续开挖标准A断面;左线标准A断面开挖至与三联拱分界处时,封闭掌子面;通过4 m渐变段开挖左侧中洞并施作中隔墙;对4 m渐变段进行返挖;台阶法开挖左洞,并施做右洞二衬及防水;台阶法开挖中间部分土体,浇筑底板和拱部混凝土;待三联拱断面封闭成环并达到设计强度后,左线继续开挖E断面。

图2 区间渡线段三联拱隧道平面示意图(单位:mm)

1.3.1.3 大、小断面隧道变换的开挖支护

大断面隧道向小断面隧道变化采用在大断面隧道端头墙上按小断面隧道开挖轮廓线直接开洞的方法进行。

小断面隧道向大断面隧道过渡时,开挖面积较为接近,因此采取渐变过渡的施工方法。在小断面隧道施工至与大断面隧道相接里程前4 m时,采用提前爬高、加宽至大断面,形成一渐变过渡段的方法完成小断面向大断面的过渡(如图3所示)。

1.3.1.4 小净距平行隧道施工方案设计

如图4、5所示,区间渡线及联络线段左、右线隧道之间均为软弱土体(饱和软土、老黄土),土体最薄处仅1.1 m宽。为保证施工安全和土体的稳定性,必须对土体进行加固处理。宽为1.1～3.0 m范围内的土体均需加固。其中渡线段所示土体加固范围视现场监控量测情况,必要时可扩大到D断面与A断面所夹土体范围。

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图3 区间渡线段大、小断面隧道变换处平面示意图(单位:mm)

图4 区间渡线段小净距平行隧道平面示意图(单位:mm)

图5 区间联络线段小净距平行隧道平面示意图(单位:mm)

1.3.1.5 其他需要注意的事项

1)暗挖段面工序转换过程要加强监控量测,必须等监测数据稳定后方可进行下一步施工。

2)不同工法之间的转换和工序衔接要简便明了,尽量减少转换时间。当一种工法向另一种工法过渡时,要对暂时停下的掌子面进行封闭。开口时要加强超前注浆和衔接处的初期支护。

3)工序转换之前必须确保上一步工序已经达到强度要求。

4)设置临时支撑的大断面工序的转换过程中,拆除临时支撑需要跳孔拆除,并且要跟踪监测;如有异常应立即停止拆除,并进行加固处理,必要时进行换撑处理。

5)工序转换要确保联拱隧道连接部位的处理,要保证连接刚度,同时做好防水。因为连接部位是防水的薄弱环节。

1.3.2 盾构隧道

盾构隧道施工不仅在西安地铁是第一次使用,而且在黄土地区也是第一次采用,因此其施工适应性一直为人关注,尤其是在充满文化底蕴的古城西安,盾构施工不仅存在共有的风险,还存在一些地域性风险。

1.3.2.1 地质预测预报的准确性风险

由于地质勘探的局限性,盾构掘进过程中遇到未预测到的不良地质和地下障碍物的风险较大。此外,西安作为文化古城,其地下古墓或人防空洞将对盾构正常作业带来风险。为此,在盾构施工前应完成以下工作:

1)工程施工前,通过补充地质钻孔和回声测深仪,进一步查清地质条件和覆土厚度,为盾构机选型、盾构掘进参数的选取及制定相应的辅助措施提供第一手准确资料。

2)盾构机本身设有超前钻机及超声波等超前地质探测装置,在施工中应进一步对工作面前方的地层进行探测,以便早发现、早处理。

1.3.2.2 盾构机适应性和可靠性风险

盾构机的类型及其施工的可靠性,包括保持开挖面的稳定、切削刀盘的种类、出土方式、主轴的扭矩、推进能力以及最为关键的盾构机械的密封性能等,均应紧密结合工程地质、水文地质等条件进行认真研究、比选。盾构机选用正确与否关系到工程的成败。

1.3.2.3 盾构进出洞的施工风险

目前,国内盾构法隧道的多起事故均发生在盾构进出洞上,主要包括盾构进出洞端头地层的加固方案、加固范围,以及盾构进出洞盾构姿态的控制、土压的平衡等。选择合理可靠的端头地层加固方案及良好可靠的密封止水装置,对盾构安全进出洞至关重要。

1.3.2.4 开挖面有障碍物的施工风险

盾构推进的工作面前方可能会出现各类障碍物,如废弃钢筋混凝土桩、旧桥台、人防工事等,会造成盾构机较大的破损甚至无法正常推进。在西安地铁盾构施工过程中,尤其要注意隧道两侧建筑物在建设期间的基坑支护锚杆、锚索对盾构掘进刀盘的安全影响。在西安地铁2号线北大街——钟楼的盾构区间,已对侵入隧道主体的锚索进行了拔除操作。

2 结语

1)本文由风险管理理念入手,从西安地铁2号线建设的周边环境风险、施工措施保证风险、区间隧道施工工法工序转换风险控制点等入手剖析了各风险点的节点位置,并根据实际提出一些有效的规避对策。

2)降水问题应引起足够的重视。根据现场情况,凡是降水效果较好的区间,均开展了相关施工方案和降水方案的专家评审工作,降水均由专业队伍负责实施。良好的降水效果能直接促使隧道掘进安全性大大提高、掌子面作业环境良好,工程进度和质量均能得到有效保障。

3)隧道开挖应具有超前意识,应对地铁隧道各区间存在的风险源进行透彻的分析。风险源的提前识别对突发意外事故的紧急排查和事先预防都有相当重要的意义。对于暗挖隧道的施工,尤其要注意此方面的工作开展,应制定应急预案并提前进行演练。

4)施工单位应有足够的抢险意识,抢险物质应满足隧道施工全面开展的需要。对风险源的分析不够,将直接引起抢险物质的准备不足,极易贻误抢险的最佳时机。

5)建立健全动态施工反馈机制,构建风险管理模式,实现信息化施工。

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Analytic and Evasive Countermeasures on Tunneling Risk of Xi'an Metro

Kang Zuo

Starting from the concept of risk management,this paper analyzes the location of the risk points directly related to the geological features of the loess area,the surrounding environment risks,the guaranted risks of construction measures and the risk control in interval tunnel design and construction,proposes some evasive countermeasures.According to the actual construction situation of Xi'an Metro Line 2,this paper emphasizes the security impact of the external environment of tunnel and the importance of supplementary measures,points out the pre-analysis of risk sources,the risk points and effective evasive countermeasures for bored tunnel and shield tunnel in construction.This paper reveals the risk points in design and construction,calls for more attention on engineering works.

metro;tunnel engineering;loess region;risk management;evasive countermeasures

U 456.3+3

2009-05-07)