轨道交通大断面地下暗挖工程施工风险分析与控制

张永福，魏艳超，李松延

(上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032)

风险管理

轨道交通大断面地下暗挖工程施工风险分析与控制

张永福，魏艳超，李松延

(上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032)

摘 要：以青岛地铁1期工程3号线君峰路站为例，采用基于层次分析法(AHP)与专家打分法的综合集成风险评估法，对车站施工全过程的风险因素进行分析，并针对重大风险源提出相应的风险控制措施。

关键词：轨道交通；暗挖工程；层次分析法；风险分析；风险控制

0 引 言

随着经济的高速发展，我国城市化进程不断加快，人口逐渐向城镇集中。人口的急剧增加对城市交通系统的压力日益增大，人民群众对城市交通系统改造的呼声越来越高。发达国家大城市发展的经验教训说明，地下空间与上部空间的协调发展，充分利用地下空间，是城市交通系统改造的最有效的途径。地铁的建设将是我国 21 世纪城市地下空间开发的重点。

地铁隧道一般都处于城市中心交通繁忙、环境复杂的地段，具有其独特的不确定性与复杂性。地铁工程从规划设计、施工建设到竣工运营每一阶段的风险都会引起巨大的损失。为规范地铁工程建设的风险管理、有效控制工程建设的风险、减少各类风险事故的发生，对地铁隧道施工过程中的各类风险进行有效评估，以控制和规避各种风险的发生，显得尤为重要。笔者以青岛地铁 1 期工程 3 号线君峰路站为例，简单介绍地铁隧道建设中常用的风险分析方法，详细分析本站可能发生的各种风险，并针对其重大风险源给出具体的风险控制措施。

1 工程概况

青岛地铁 1 期工程 3 号线君峰路站位于京口路与君峰路的交汇处，沿京口路布置，呈西北—东南走向。车站两端地形东高西低，沿线建筑多为多层建筑；站址范围内地质条件较好，岩面较高。京口路南侧有埋深 4.075 m 的 6 孔电信管、埋深 4.875 m 的 300 mm 污水管和埋深 4.57 m 的 800 mm 雨水管，其余管线埋深较浅。

车站地貌为侵蚀堆积一级阶地、剥蚀堆积缓坡；第四系不发育，局部可见基岩裸露。地貌成因类型为剥蚀残丘，围岩级别 III 级～IV 级；场区内表覆第四系全新统人工堆积层素填土，下伏燕山晚期粗粒花岗岩，局部穿插有煌斑岩等脉岩。场区的地下水主要为风化裂隙水和构造裂隙水。

车站为地下二层岛式车站，采用马蹄形单拱双层复合式衬砌断面；共设 4 个出入口通道，除敞口段采用明挖法施工，其他段均采用暗挖法施工；设置 3 组风亭，2 号风井作为暗挖车站施工竖井，对应风道作为施工通道。

2 号风井为矩形断面，采用台阶法施工。风井支护结构达到设计强度后，采用台阶法施工风道。隧道主洞采用双侧壁导坑法开挖施工，采用复合衬砌结构形式。

2 风险评估

本文采用基于层次分析法(AHP)与专家打分法的综合集成风险评估法。专家打分法与层次分析法相结合的综合评估方法是一种定性与定量相结合的综合集成方法。首先它通过一定数量的专家对层次分析法模型中底层风险因素发生可能性以及发生后后果非效用值进行评分，再结合层次分析法中各层次风险权重的计算，计算出各层次风险的风险系数，作为衡量风险因素风险水平的最终指标，进而根据风险等级的评定标准来判断各风险因素的风险等级。

2.1 风险评估模型

地铁工程项目风险评估模型的确定是在工程项目风险源列表完成之后，对各底层风险因素进行分类、整理而成的一个树状模型。以本车站为例，通过组织专家研究论证和对工程施工建设全过程的风险因素进行梳理，各风险因素包括暗挖车站施工风险(进洞、暗挖工法、爆破开挖、初支、二衬、附属结构施工等)、周围环境风险、地质及自然风险等，形成风险评估模型。

2.2 风险等级标准

在得到风险评估模型后，组织专家对各底层风险因素进行打分。以下以青岛地铁工程风险分级标准为打分基本参照标准，包括风险发生可能性等级标准、风险损失等级标准(见表 1 和表 2)。

2.3 风险评估矩阵

根据《地铁及地下工程建设风险管理指南》，建立基于R=P×C 的风险评估矩阵以及相应的风险接受准则。其中 R 为风险分，P 为风险因素发生的可能性，C 为风险因素发生后的后果。风险评估矩阵如表 3；风险接受准则如表 4。

表 1 风险发生可能性等级标准

表 2 风险损失等级标准

表 3 风险评估矩阵

表 4 风险接受准则

2.4 风险评估成果

将君峰路车站各层次风险判断矩阵得出的总风险，进行分析归纳并制成君峰路车站风险评估成果表(见表 5)。

表 5 风险评估成果表

据风险评估成果表所示，君峰路车站总施工风险为三级。在整个施工过程中，需要对一些较大的风险源进行必要的控制。

本暗挖车站重大风险点包括：钻爆开挖、初期支护、暗挖工法转换、断层破碎带、道路及地下管线等。

3 风险控制措施

对风险等级较高的风险事件，需采取一定的措施进行控制。针对本暗挖车站的重大风险源，分别采取以下控制措施。

3.1 钻爆开挖保护措施

在车站内围岩等级变化区段内控制好爆破参数，是保证区间施工及周围环境影响的关键。另一方面，制约钻眼爆破速度，将直接影响循环速度而导致工期压力。

(1)采用减振开挖方案，掏槽位置的选择尽量位于底部，以加大掏槽爆源距地表被保护建(构)筑物的距离和减小振动。掘进炮眼采用少装药弱爆破；周边光爆孔按设计间距布置，采用间隔装药结构，且装药量小于爆破振动的允许值。

(2)控制同段最大装药量并及时调整钻爆参数，以指导后续钻爆施工。

(3)在选用爆破器材时，尽可能地选用爆破效果好以及对建筑、管线、地面影响小的。

(4)对配套器材，本工程选用药卷直径为 32 mm 的 2 号岩石乳化炸药；雷管选用非电毫秒导爆管雷管；周边眼光爆药卷采用导爆索串接小药卷炸药(φ32 mm)间隔装药。其他炮眼采用连续装药结构和大段别非电塑料导爆管起爆网络。

(5)爆破时掏槽眼和周边眼的布置是爆破施工的关键。

(6)爆破网路采用孔内微差非电起爆，用簇联法联接，导爆管一般跳段使用，使段间隔时间不小于 50 ms，避免振速峰值与地震波相叠加而加大爆破振动。

为了确保钻爆施工所产生的爆破振动速度在允许值内，施工期间(尤其是钻爆初期)，每炮必须进行爆破振速的量测，以便及时调整钻爆参数，减轻振动，确保地面建筑物的安全。

3.2 初期支护保护措施

(1)在围岩软弱带的开挖面完成后，分步骤开挖的每一部分土体，都要及时检查围岩面和初喷混凝土，及时施作锚杆；严格控制初喷混凝土的工艺参数及锚杆施作质量。

(2)锚杆原材料规格、长度、直径必须符合设计要求。锚杆杆体不能有油污或其他不符合规范要求的缺陷。锚杆孔位、孔深及布置形式应符合设计要求，注浆浆液配合比应严格按设计及规范的要求，确保其强度达到设计要求。

(3)现场施工中应加强质检和监理力度，及时施作该部分的初期支护。

(4)钢架支护钢材应采用施工图中标明的型号规格，加工的形状、尺寸必须符合设计要求。

(5)严格控制钢拱架的中线及标高尺寸；钢拱架与岩面间安设鞍形混凝土垫块，确保岩面与钢架的密贴和稳固。

(6)初期支护施工时严格控制砂石质量和配合比，保证混凝土搅拌的均匀性。

(7)需注浆的钻孔应按监理工程师批准的方法和材料，全部用浆液充填。浆液配合所使用的外加剂、拌和方法、注浆压力、设备和注浆方法，都应按照设计要求实施。

(8)喷射混凝土前，认真检查隧道断面尺寸；对欠挖部分及所有开裂、破碎、崩解的破损岩石进行清理和处理，清除浮石和墙角虚渣，以保证喷射混凝土与围岩的粘结，从而提高喷射混凝土与围岩的粘结力及抗渗能力。

3.3 断层破碎带保护措施

(1)加强超前地质预报，提前掌握围岩特性。

(2)隧道施工严格遵循“管超前、严注浆、强支护、快封闭、勤量测”的技术要求，预支护、预加固一段，开挖一段；开挖一段，支护一段；支护一段，形成封闭环一段。

(3)初期支护早封闭、早成环。在对地上建筑物有影响地段，可根据地质情况及监测信息适当加密初期支护钢格栅，及时进行初期支护背后回填注浆。

(4)利用“超前钻孔”等手段探明断层地带的情况。隧道施工时必须采用超前水平钻孔等方法，进行施工地质预报。地质预报勘察时，运用声波与电阻率探测相结合的方法，对隧道围岩进行细化分级，对前方一定范围内的地质情况和断层情况作较详细的预报。

(5)采取超前注浆等预加固措施，改良地层：根据超前地质预报结果，确定施工方案。

(6)适当缩短循环进尺，加强支护。衬砌紧跟开挖面、尽早封闭。采用超前小导管注浆、钢架、网喷混凝土等多种支护手段，构成强支护体系。

(7)富水软弱破碎地质，当围岩变形量测趋于稳定时，仰拱填充超前，衬砌适度紧跟，施工缝、沉降缝作特殊处理。当衬砌混凝土强度达到规定强度后才能拆模。

(8)加强围岩量测。发现围岩变形或异常情况，及时采取紧急措施处理。措施包括按设计进行永久性混凝土衬砌支护、增加衬砌混凝土厚度、提高衬砌混凝土强度等级等。

(9)将回填注浆作为暗挖施工的必需工序加以控制。施工过程及时采用扩散性好的浆液，进行初支背后回填注浆、二衬背后回填注浆，做到及时充填、饱满充填，减少对土体的扰动。

(10)施工过程严格按照信息化进行组织管理。对地表沉降和建筑物变形进行严密监测，对所有受影响的建筑物进行布点监测，对楼房应增加倾斜监测，对特殊地段应加强量测频率并及时分析反馈监测结果。同时运用实测数据进一步修正完善地表沉降和建筑物变形的预测结果，对可能引起有害变形的建筑物作出早期预警并制订应急措施。

3.4 暗挖施工工法转换

区间隧道并线段断面多变，大跨浅埋隧道施工难度大。施工中根据不同的断面形式选择不同的施工方法和支护手段，工序转换多。施工方法转换时纵向应顺接，控制拆撑长度，对掌子面不稳地段采用网喷混凝土进行封堵。渡线和联络线段断面变化多、跨度大、结构受力复杂，施工时要加强监测、科学组织，确保施工安全和施工质量。

3.5 道路及管线保护措施

(1)防止开挖引起不均匀沉降或爆破震速过大影响地面道路交通。

(2)详细阅读、掌握设计、建设单位提供的地下管线图纸资料。通过建设单位在工程施工前组织召开的各管线单位技术交底会议，收集管线资料。对影响施工和受施工影响的地下管线进行核对，弄清确切情况并做好记录。

(3)在施工前结合施工设计管线图纸，做好管线技术交底工作，并保证其内容传达到每一个人。

(4)施工前管线探槽、探孔开挖工作制度化。自检合格后报监理验收，做好随时迎接业主检查的工作。

(5)对受施工影响的地下管线设置若干沉降测点。工程实施中，定期观测管线的沉降量，及时提供观测点布置图及沉降观测资料。

(6)在工程施工中，严格按照经审定的施工组织设计与地下管线保护技术措施的要求进行施工。各级管线保护的负责人深入施工现场，监护好地下管线并督促操作(指挥)人员遵守操作规程；严禁违章操作、违章指挥和违章施工。

(7)按事先制订好的应急措施配备好抢修器材，以便在管线出现险兆时及时抢修，做到防患于未然。

4 结 语

本文以青岛地铁 1 期工程 3 号线君峰路站为例，结合施工现场特有的地质条件及工程特点，通过风险分析，对工程施工期间的各种风险因素进行了详细分析；基于 R=P×C 的风险定级方法，对君峰路站风险事件进行定量的风险评估，确定各风险等级大小，为工程决策提供依据；并且针对君峰路站风险等级较高的事件，提出了具体的风险控制措施，以确保施工的安全。

按照以上提出的施工方案及风险控制措施，君峰路站的施工得以平稳顺利推进，隧道工程及周边环境未出现工程事故，地表沉降及周边建筑的变形也满足相应的控制标准。

参考文献：

[1]孔恒,王梦恕.城市地铁浅埋暗挖法隧道邻近施工理论与关键控制技术[J].市政技术,2011(1).

[2]傅志峰,左昌群,陈建平.武汉地铁2号线工程地质风险及对策[J].西部交通科技, 2010(5).

[3]钟威,陈建平,孙金山.武汉地铁2号线矿山法施工区间隧道风险分析及其控制[J].安全与环境工程, 2012(1).

质量安全

中图分类号：TU712

文献标识码：B

文章编号：1007-4104(2014)07-0059-04

收稿日期：2014-04-29

通信地址：上海市宛平南路75号。