我国近海城市地铁施工事故统计分析

陈平 周红 舒婷

摘 要：相较一般地下工程，在近海地区进行地铁建设时所遇到的地质变化和工程环境更加复杂，使得各类施工事故频发。因此，文章针对地理位置相邻或土岩层分布共同点较多的 8 个近海城市——厦门、广州、深圳、东莞、福州、青岛、台湾、香港，进行 2001 年—2018 年间 93 起地铁施工事故统计分析，从事故类型、事故发生时间、施工工法、伤亡人数、事故致因等方面描述事故发生的规律，同时利用多因素灰色关联分析法进一步确定地质条件和水是影响近海区地铁施工安全最为关键的 2 个因素。最后，根据近海城市事故发生的主要特征提出相关对策和建议，为国内近海城市的地铁安全建设提供参考。

关键词：地铁;施工事故;近海城市;统计分析

中图分类号：U231

随着我国近海城市建设快速发展，公共交通服务便捷性需求不断增长，近海及岛屿城市地铁工程项目越来越多。地铁隧道属于线性建筑，穿越不同水文地质复雜岩土体，由于开挖所形成的集水廊道、人为开挖对原有渗流场及应力场的破坏等问题，时常引发突泥涌水、塌方、地表塌陷[1]。海域地下水受海水的垂直入渗补给，富水性强、水压高，施工程序和施工设备的复杂性、隐蔽性等增加了工程建设过程中不确定因素，使得修建隧道遇到不良地质的突涌水灾可能性更大。中国水域面积辽阔，内陆水域达17.42×104 km2（长江、黄河、珠江等七大水系），辽东湾、渤海湾等海湾水域面积超过0.5×104 km2，近海区域越来越多城市由于交通建设需要修建地铁、水下隧道。

目前地铁施工事故统计研究多针对国内所有城市或某一特定城市进行规律性分析[2-4]，并未聚焦于地质水文环境更为复杂的近海区域城市。因此本文根据厦门处于海滨地区及其花岗岩残疾土地层的地质情况，针对厦门及与厦门地理位置相邻或土岩层分布共同点较多的另7个近海城市——广州、深圳、东莞、福州、青岛、台湾、香港，进行地铁建设施工事故统计，从事故类型、施工工法、事故发生时间等角度出发，结合灰色关联度分析方法，着重分析近海区域的地质水文等因素对高频事故类型发生的影响，以期发现事故致因及其规律，为近海地区城市地铁建设安全管理提供参考，以便对可能发生的地铁风险有全面掌握。

1 近海城市地铁施工事故统计分析

本文利用综合分析法结合多因素灰色关联分析方法从事故类型、施工事故发生时间、施工工法、伤亡人数、致险原因等方面揭示事故规律。事故资料数据的主要收集来源为公开发表的政府网站的事故快报、大型地铁事故详细报告、国内外文献查阅[5]及新闻媒体报道等，统计时间范围为2001年 — 2018年，最终共统计事故93起。

1.1 按事故类型分类统计

根据GB 6441-86 《企业职工伤亡事故分类标准》[6]，对8个近海城市的93起地铁隧道施工事故进行事故分类统计，得到11种主要事故类型，各类事故起数统计如表1所示，不同类型事故下的累计伤亡人数统计如图1所示。

由表1和图1可知，研究区域高频次、高伤亡人数事故类型是坍塌，占事故总数的53.76%，累计伤亡人数最多。其次为透水，占事故总数的11.83%，透水事故未直接造成人员伤亡，但在很多情况下，事故类型并非单独发生，通常会由原生安全事故诱导一系列次生安全事故，往往由于透水的发生引起坍塌事故。除此之外，物体打击、火灾、中毒、爆炸、触电、起重伤害、机械伤害、高处坠落等其他事故类型发生频次接近，总体占比34.41%，这些事故虽然发生频次较低，但一旦发生，就会造成较大的人员伤亡，且这类事故多为单人死亡事故，与事故特点有关，需特别注意加强对施工人员的安全意识培训。

为更细致地分析地铁隧道施工事故的发生规律，针对发生率较高的坍塌事故进行详细分类。孙景来等人提出的按照坍塌原因对坍塌事故类型进行分类，将坍塌事故分为围岩失稳坍塌和支护强度不足导致的坍塌2大类[7]。其中，围岩失稳坍塌的引发原因包括：充水、施工扰动、地压及异常地质构造;支护强度不足的引发原因包括：勘探不清导致的设计不合理、管理不规范导致的施工质量差、未按设计施工。由于部分数据缺失，将在相关事故报告中已有明确致因的坍塌事故进行分类，统计结果如表2、图2所示。

由表2和图2可知，与水相关的致险因素占43.18%，与地质相关的致险因素占11.36%，两者之和超过50%。坍塌事故的发生与地区地质水文条件密切相关，根据统计地区地质分析可知，本文统计工程施工项目多穿过第四系残积层及花岗岩全风化带，局部穿过淤泥质土、黏性土、砂类土以及基岩的强微风化带。由于花岗岩地层具有遇水软化且强度急剧降低的特性，地下浸水过多极易造成坍塌，且局部地铁工程段地质条件差，围岩自稳能力差，也会造成坍塌变形、管涌、流砂、地面沉降过大等现象。

1.2 按事故发生时间统计

依据研究区域地铁事故发生月份，选取每个月份事故总起数、坍塌事故类型频数、透水事故频数3项指标进行统计，统计结果如表3所示。

由表3可知，研究区域3月、7月事故发生最为频繁，其次为1月、10月。研究区域城市跨越亚热带季风区和热带季风区，受到海洋气团的影响而暖热多雨，平均相对湿度高，在7月达到最高峰。3月天气逐渐温暖、雨水增多，研究区域地势较低，地质不稳定且城市内水系发达，地铁隧道一般由于地表水影响埋深较浅，由持续性降雨导致的土质疏松等现象增加了地铁施工安全风险，导致地铁施工事故陡增，其中坍塌事故占大部分。海洋邻近区域全年气温变化缓和，1月气温全年最低，施工条件良好，工程量大量增长，进而事故发生更为频繁。进入10月以后，天气变化较大，城市进入梅雨季节，短时间的突降暴雨导致气候潮湿、气温降低、施工现场能见度低等问题，从而引发施工事故;且持续性降雨使得事故现场积水严重，造成路面坍塌，同时还可能间接引发高处坠落事故。因此应根据气温天气变化调整工人作息，针对可能发生的极端天气做好应急预案，强化安全意识和风险管理。

1.3 按事故工法统计

当前地铁施工工法主要包括明挖法、暗挖法、盾构法、沉管法、盖挖法、混合法等，将93起地铁施工事故之中有明确记录的工法进行频率统计，得到结果如表4、图3所示，同类工法下累计的伤亡人数如图4所示。

由表4和图3可知，研究区域发生地铁施工事故中最常使用明挖法和盾构法，这2种施工工法总和占到70%以上，安全问题尤为突出。由于施工工法本身存在风险，易发生安全事故;且这2种施工方法最为常用，施工总数较多，增加了安全事故的可能性，导致近20年累计伤亡人员数量达到最多。在使用这2种工法施工时，则应更加注重加强设计、技术及管理各个方面的问题。

采用明挖法地下工程安全事故分类为以下几种破坏形式：塌方、涌砂涌水、机械事故、周边道路破坏事故、周边建筑物破坏事故[8]，针对事故频数最高的明挖法，将施工事故进行进一步分类，得到结果如表5、图 5所示。采用盾构法的工程事故类别主要包括：机械事故、盾構隧道的防洪排水设施不具备或能力不足导致的安全事故、气体爆炸事故、地面沉降、土压平衡盾构喷涌事故、盾构机掘进参数异常导致的事故等[9]，按此分类，依据已有数据得到盾构法施工事故主要类别如表 6、图 6所示。

统计分析表明，明挖法施工事故中涌砂涌水事故占61.53%、塌方事故占23.07%、机械事故占11.54%;盾构法施工事故中由于排水能力不足导致的事故占37.5%、地面沉降导致的事故占29.17%、机械事故及气体爆炸事故分别占比12.5%和12.75%。由此可知，塌方和水害是施工过程中的重要危险因素，是管理及预防的重中之重。

1.4 按事故致因统计

事故形成必须同时具备3个条件，即承载体、致险因子和孕险环境[10]。结合安监部门公布的事故调查报告及有关专家认定，总结研究区域地铁施工安全事故，归纳其发生原因主要包括以下3个方面[9]：①外界原因，包括不良地质、地下水、降雨、危旧房屋、地下管线等;②设计原因，包括结构形式不合理、施工方法不合理、勘察不足等;③施工原因，包括人的不安全行为、技术和设备隐患、施工质量不合格、管理不善等。由于地铁施工事故属于部分信息已知、部分信息未知的灰色系统，因此本文采用灰色关联分析法，定量分析不同事故致因因素对事故灾难危害性的影响程度，进而有针对性地采取预防措施。灰色关联分析的基本思想是以灰色发展态势的相似或相异程度来衡量因素间的关联程度，克服了回归分析和随机过程理论的不足，对样本量的多少和样本有无规律都同样适用[11]，主要通过对灰色系统内有限数据序列的分析，寻求系统内部诸因素间的关系，找出影响目标值的主要因素，进而分析各因素间关联程度，其计算步骤如下。

（1）确定参考数据列和比较数据列。

（2）原始数据变换。由于各数列单位不同，为使不同数据之间有可比性，采用初值化法处理，即

（1）

式（1）中， Xi（ 1）为参考数据列; Xi（ k ）为比较数据列; Xi'（ k ）为比较数据列无量纲化后的结果。

（3）求差序列。

Δi（ k ）=X1'（ k ）- Xi'（ k ）                         （2）

Δi（ k ）=（Δi（ 1），Δi（ 2），…，Δi（ n）），i = 1，2，…，m

式（2）中， Δi（ k ）为绝对差数列; X1'（ k ）为参考数列无量纲化后的结果; Xi'（ k ）  为比较数据列无量纲化后的结果。

（4）求两极最大差M与最小差m。

（3）

式（3）中，M、m为各个序列差的绝对值中最大值和最小值。

（5）求关联系数。

（4）

式（4）中， γ0i（ k ）为关联系数; ξ为分辨系数，ξ∈（0，1）;i为数列矩阵行数;k为数列矩阵列数。

（6）计算关联度。

（5）

式（5）中， γ0i为关联度;n为评价因子数量。

结合研究区域事故统计有效事故报告等资料，选取有效事故总起数作为参考数据列，记为Y1;选取与事故有关因子作为比较数据列：不良地质X1、地下水X2、降雨X3、危旧房屋X4、地下管线X5、结构形式不合理X6、施工方法不合理X7、勘察不足X8、人的不安全行为X9、技术和设备隐患X10、施工措施不当X11、管理不善X12，建立原数据矩阵，如表7所示。由式（1）至式（5）对原数据进行处理。通常情况下，分辨系数ξ越小，分辨力越大，一般取ξ= 0.5，由此得到事故起Y1与Xi的灰色关联度，如表 8所示。

由表8可知，各因素与地铁施工事故起数灰色关联度为：γ01 >γ02>γ03>γ04>γ05>γ06。不良地质、地下水、降水、地下管线等因素灰色关联度超过0.5，由此可见地质和水文条件是影响近海区地铁施工安全最为关键的2个因素;相较于一般地区，研究区域多穿过花岗岩全风化带，局部工段地质条件差，且长期受海水补给及潮汐影响，地下水位较高且变化较大[12]，因此在施工前应着重做好水文地质勘查、超前预报及应对突发地质情况、极端天气的合理技术方案。其次，地铁事故绝大多数由外界原因、设计原因、施工原因共同作用导致，当勘查—设计—施工各个环节存在缺陷时，地铁事故发生的概率将大幅度增加。

2 统计结果分析

根据事故统计结果，从多角度、多因素对事故进行了统计分析，总结分析结果如下。

（1）事故类型。研究区域城市地铁施工中发生最多的是坍塌事故，占53.76%;与国内各地地铁事故统计结果不同的是，发生频数次之的是透水事故，占比高达11.83%。针对频数超过半数的坍塌事故进一步分类，发现与水相关的致险因素达43.18%，可见水为关键致险因素。

（2）事故发生时间。研究区域城市地铁施工事故集中发生于3月和7月。由于此类地区跨越亚热带季风区和热带季风区，受海洋气团的影响暖热多雨，同时地质不稳定、城市内水系统发达，因此梅雨季节的持续性降雨和短时间的突降暴雨都是施工时不得不考虑的因素。

（3）施工工法。近海城市施工事故中最为常用的工法为明挖法和盾构法，分别占比37.14%和34.29%，进而分析2种工法发生事故的破坏形式，发现塌方和水害是施工过程中的重要危险因素。

（4）事故原因。通过灰色关联度分析进一步确定地质和水是影响近海区地铁施工安全最为关键的2个因素，研究区域施工段地质条件差，地下水位高且变化大，易受到突发地质和极端天气灾害的影响。在勘查—设计—施工各阶段应着重做好水文地质勘察、超前预报等。

3 结语

本文研究了2001年—2018年国内地理位置相邻或土岩层分布共同点较多的8个近海城市所发生的93起施工事故，通过统计分析，发现地铁施工事故中坍塌和透水事故发生频率最高，其中水是关键致险因素。从事故发生时间来看，发现事故集中于3月和7月，由于上述城市地处热带季风区，受海洋气团影响而暖热多雨，梅雨季节的持续性降雨和突降暴雨是事故发生的重要因素。在施工工法上，研究区域施工事故中最为常用的工法为明挖法和盾构法，塌方和水害是施工过程中的2个重要危险因素，并结合多因素灰色系统分析，进而肯定地质因素和水是影响近海区地铁施工安全最为关键的2个因素。

相较于一般城市，近海城市地铁隧道一般埋深较浅，受地表水影响大，同时研究区域项目多穿过残积层及花岗岩全风化带，花岗岩地层遇水软化、围岩自稳能力差，导致坍塌变形、管涌等事故频发。因此，在与上述城市相似的近海地区进行地下海底地铁或隧道建设，应着重做好工程地质、水文勘查与超前预报，得出与工程实际相结合的、合理可行的技术措施和应对险情的工程预案;并尽可能准确地判明富水带地段、断层破碎段及其他不良地质体的位置范围。此外，还需要针对该类地区的气候特点，对可能发生的极端天气做好应急预案 [13]。此外，施工事故主要是施工措施不当和管理不善等多方面原因共同造成，应增强全体人员风险管理意识，聘用或培训专业素质和职业道德水平高的从业人员，强化现场建设监督与管理，从管理层面着手进一步降低事故发生的频率。

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收稿日期 2019-10-15

责任编辑 胡姬

Statistical analysis of metro construction accidents in Chinas coastal cities

Chen Ping， Zhou Hong， Shu Ting

Abstract： Compared with the general underground engineering， the geological changes and engineering environment encountered in the construction of the subway in the coastal area are more complex， which makes all kinds of construction accidents occur frequently. Therefore， according to the statistical analysis of 93 subway construction accidents in Xiamen， Guangzhou， Shenzhen， Dongguan， Fuzhou， Qingdao， Taiwan and Hong Kong， which are the eight coastal cities with adjacent geographical location or common ground distribution， this paper describes the accidents in terms of accident type， accident season， construction method， casualties， accident cause， etc. At the same time， using multi factor grey correlation analysis to further determine the geological conditions and water are the two most critical factors affecting the safety of subway construction in the offshore area. In conclusion， based on the main characteristics of accidents in coastal cities， the paper puts forward relevant countermeasures and suggestions， providing reference for the safety construction of domestic coastal cities.

Keywords： subway， construction accident， coastal city， statistical analysis