北京地铁施工阶段地质风险辨识评估及防控机制建设

叶新丰 ，张 宇，刘魁刚 ，高亚彬 ，余 鹏

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.北京市基础设施投资有限公司，北京 100101；3.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；4.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

1 研究背景

“十三五”以来，我国进入轨道交通建设飞速发展阶段。截至2019年12月31日，我国内地累计40座城市开通城轨交通运营线路6 730.27 km，新增温州、济南、常州、徐州、呼和浩特5座运营城市，新增运营线路968.77 km。以北京为例，2020年在建地铁线路16条(段)，在建里程共计304.6 km。巨大的建设规模背后，频发的施工事故也触目惊心，由于地铁建设在繁华的城市街区，事故往往造成施工人员及无辜市民的人身财产损失，据李皓燃[1]对2002—2016年期间246起地铁施工事故的统计，在我国城市轨道交通建设过程中，发生的各类风险事件有43%以上与地层坍塌有关，单起坍塌事故平均死伤人数1.8人，事故占比及单次事故伤亡人数均排列第一。仅在2019年，轨道交通工程就发生了多起因不良地质因素而造成城市街区道路坍塌的事故。由此可见，对施工中地质风险认识不足，往往会造成难以承受的后果。近年来，轨道交通建设施工期的安全管理双预防机制全面建立，多地轨道交通建设管理单位均建立了适合自身的轨道交通施工安全风险管理体系。2008年，北京市轨道交通建设管理公司建立了以穿越既有设施及自身结构为辨识对象的安全风险管理体系，使地下工程下穿既有设施的安全风险可控；2009年，北京市颁发《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》(京建施[2009]841号)，以确保施工作业过程的安全风险可控。由于地质条件的复杂性和不确定性，其风险多来自于围岩对在建地铁的影响。在充分认识到地质风险重要性的前提下，按以往经验设置诸多管控环节，对地质风险进行排查控制，如在详勘报告中提出地质风险专题，首次空洞普查提出地层空洞处置建议等。虽然在多个环节设置了管控措施，但目前仍存在以下几个问题：第一，缺乏对各类报告的整合分析机制。在现场实施过程中，涉及地质风险因素的报告会有很多，但缺乏对各类报告的集中辨识、分析、整合，难以进行集中管控工作。第二，缺乏成套的指标评价体系。在地质风险管控过程中，以经验类比法采取风险管控措施，尚未形成量化的评价体系，且往往以某一报告为基础进行分析，缺乏整体的风险评价指标，易造成叠加风险因素的遗漏。第三，缺乏动态调整及跟踪反馈机制。在施工过程中，地铁周边环境受影响因素颇多，如气候、人为等因素的影响，会造成地质风险动态变化，使风险指标也随之调整，此时需对地质风险及时调整，及时反馈各参建单位对动态新增风险的管控，但在对地质风险采取措施后的控制效果缺乏明确的反馈机制。

为了有效管控施工阶段的地质风险，需研究有针对性的地质风险防控机制，有诸多学者对地质风险的管控做了大量研究。沈小克等[2]在对北京市地质条件进行分析的基础上，提出了主要的地质风险因子，并结合地下空间开发特点，对主要的地质风险及其控制对策进行了探讨。竺维彬等[3-4]结合已发生的地铁盾构典型事故，对地铁施工风险源进行了深入研究。王芳[5]以西安地铁盾构隧道施工为例，对黄土隧道盾构施工风险分析及对策做了研究。吕乔森等[6]通过大量的工程实例，提出了公路隧道地质风险等级的划分标准。张庆林等[7]对福州地区特有的工程地质、水文地质等条件进行综合分析，认为盾构机在软硬不均地层、孤石地层、断裂带、富水砂层中穿越，是隧道施工的主要风险源。吴言军等[8]针对北京地铁房山线存在的主要风险类别、特征及影响因素进行分析，并提出对应的防范措施或建议。值得肯定的是，针对地铁施工地质风险的研究已取得了一系列成果，但以上研究或偏于建设前期的规划阶段，或偏于技术性只针对单一均质地层、某一工法存在的风险提出建议措施，对地铁施工过程中的动态地质风险及应对机制尚未深入研究，尤其是适应北京地层的地铁施工阶段的地质风险防范管理机制研究较少。本文根据现有的地质风险相关报告，辨识分析北京地铁地质风险清单，首次构建一套较为完整的适用于施工阶段的地质风险控制机制，并在昌南线进行试点应用，已取得良好的风险管控效果。

2 地铁施工阶段风险特征

风险的本质是发生事故的概率和严重性的乘积，地质环境发生风险的概率主要与水文及地质的复杂程度、人为干扰因素、后果严重性及事故产生的损失相关，具体特征表现在以下4个方面。

2.1 存在的普遍性

地铁作为地下工程，既影响周边环境，同时也受周边环境的影响，而最直接的影响是受到周边水文地质情况的影响，明挖法、矿山法、盾构法、高架线等基础工程都与水文地质条件相关；岩土工程本身具有不确定性，现有的钻探、物探等勘察手段无法精确探明每一处与工程相关的地质情况，因而造成了地质风险的普遍存在。在设计前期阶段，重大地质风险通常采用调整路由、选择合理工法等方式予以规避。地铁进入施工阶段后，地质风险因受局部地层情况、水文条件、气候状况、人为因素等影响而发生变化，产生局部的风险情况难以避免，且普遍存在。

2.2 产生的阶段性

地铁施工期地质风险具有明显的阶段性：在工程前期，大量的地质风险来自于原状地层的不良发育；在施工后期，地质风险大多来自于前期工程对地层的干扰及围岩自稳能力的弱化。地质风险同时受气候变化的阶段性影响，地下水的季节性变化、降水量的季节性变化均为地质风险的阶段性表现。

2.3 影响的叠加性

地质风险关联因素众多，在影响工程时不止是单一因素作用的结果，往往包含了各种因素的耦合作用。在地铁事故调查阶段发现，因不良地质造成的事故往往有地层因素、水文因素、人为因素相互之间的叠加作用，由此决定了事故发生的大小。

2.4 后果的严重性

地铁作为一个城市的民生工程，修建在繁华市区，通常已经明确建设期限，施工阶段因地质风险导致的事故，往往造成城市街道路面坍塌、交通阻断、建构筑物损坏、人员伤亡、工期延误、环境破坏和不良的社会影响。面对日益严峻的安全形势，其后果难以承受。

3 地质风险辨识评估方法

3.1 风险辨识方法

风险辩识主要通过近年地铁发生的与地质相关的事故、风险事件的原因分析，结合勘察、设计、施工、监理、第三方监测的咨询报告及资料，分析可能导致事故产生的潜在地质因素。在分析造成事故的主要原因及次要原因以后，可将地铁施工过程地质风险因素列出，如图1表示。

图1 地铁施工地质风险因素Figure 1 Geological risk factors of metro construction

3.2 风险辨识依据

地质风险的辨识依据主要是施工中产生的各类文件，依据地质风险产生的时间阶段不同，可分为静态地质风险及动态地质风险。静态地质风险为施工前已经存在的地质风险，是主要通过施工前输入性文件进行辨识的地质风险；动态地质风险为施工过程中产生的地质风险，是主要通过阶段性文件进行辨识的地质风险。地质风险辨识依据的划分如图2所示。

图2 地质风险辨识依据Figure 2 Geological risk identification basis

3.3 风险评估方法

依据对地质风险评价方法(PH 法)的研究[8-10]，将风险设定为损害(主要影响因素)发生的可能性和后果的组合，按照风险发生的可能性和危害的后果进行风险等级(风险值大小)评价，评价依据如表1、2所示。评价公式R=PH，其中：R为风险值，P为风险发生概率，H为风险危害后果。

表1 风险发生概率分类Table 1 Classification of risk probability

表2 风险危害后果分类Table 2 The degree of the consequences of potential risks

根据上述评价方法，结合北京地铁施工情况，可将施工部位划分为一级风险(R≥13)、二级风险(7≤R＜13)、三级风险(R＜7)。一级风险属重大风险，危害性较大，须给予充分重视。

3.4 地质风险评估

依据地铁施工地质风险因素的分类方法(见图1)，结合风险辨识依据、受影响工法、风险程度描述，以及地铁施工的相关事故和经验，得出地质风险参考值，如表3所示。

表3 地质风险参考值Table 3 Calculation of geological risk coefficients

3.5 风险控制措施

在对地质风险评估形成清单后，依据地质风险等级的大小，制定风险控制措施，图3给出了风险管控措施的分类。北京地铁对地质风险的常用措施，可分为过程监控类、加强探测类、加强处置类3种。依据评级标准，二、三级可选择过程控制类及加强探测类，一级因危害性较大须采用加强处置类措施。

图3 风险控制措施分类Figure 3 Classification of risk control measures

4 施工阶段地质风险控制机制

4.1 组织机构设置

施工阶段地质风险辨识、评估方法与施工安全风险技术管理体系(以下简称“风险体系”)对周边环境的辨识评估方法基本一致，可作为风险体系的一项补充内容来开展工作，因此可由原风险体系环节的相关单位参与地质风险控制工作。图4给出了地质风险管控机构的组织构架。在组织机构中，主要从3个层面进行工作设置：一是设置风险信息的输入层，加强地质风险相关文件的编制，增强地质风险输入的准确性；二是设置风险信息的分析层，加强对风险信息相关报告的分析辨识及评估，加强对风险相关信息的集成；三是设置风险措施实施层，对地质风险措施建议进行决策，对现场风险控制措施进行实施。

图4 风险组织机构Figure 4 Risk management organization

4.2 风险控制流程

目前，作为静态地质风险及动态地质风险的辨识依据的各类报告均在工作中成熟应用，施工阶段地质风险的核心工作是相关地质风险信息的汇总、传递、分析、评估、控制和总结，以确保在施工的各个阶段风险信息不遗漏、风险评价无偏差、风险措施相适应。基于风险控制的核心工作要求，制定风险控制流程如图5所示。

图5 风险控制流程Figure 5 Risk control process

5 风险识别和防控机制应用

将地铁施工阶段的地质风险及防控机制首先应用于昌平线南延工程。该线北起既有13号线西二旗站，南至蓟门桥，具有工期紧、工法多、风险高等特点。基于地铁施工地质风险及防控机制，选取西土城站作为地质风险识别及防控机制的试点工点。

5.1 地铁工程概况

西土城站位于北土城西路、知春路与学院路、西土城路交叉路口的小月河南侧，车站沿西土城路东侧辅路南北向设置，与既有10号线在西土城站换乘。车站采用3层三连拱结构、四导洞PBA工法施工，总长212.3 m，断面宽25.0 m，高22.25 m，覆土12.23～13.04 m，底板最大埋深34.94 m。拱顶位于粉质黏土③层(局部粉土③1层)，底板位于卵石⑤层。地下水主要为层间潜水(三)，水位标高位于底板以上5.01～5.43 m。车站周边环境复杂，道路下方管线密集，主要有1 500 mm污水管等重要管线。

5.2 地质风险识别

如前所述，根据地质风险识别工作流程，首先在输入层搜集地质风险资料，进而在分析层对地质风险进行识别和判定。西土城站共梳理一级地质风险2处，二级地质风险3处，三级地质风险11处，地质风险汇总如表4所示。在编制地质风险汇总表后，由第三方监测单位将地质风险编码，并标记于车站平、剖面图上(见图6、7)。

图6 西土城站地质风险识别平面图Figure 6 Geological risk identification plan of Xitucheng Station

表4 西土城站地质风险识别汇总Table 4 Summary of geological risks of Xitucheng Station

5.3 防控机制应用

结合上述图表的综合分析，并以其中编号B-2潜水地层止水效果不良的一级风险及C-2管线渗漏区的二级地质风险为例，说明地质风险防控机制的运行情况。

根据详勘报告，车站主体导洞受层间潜水影响大，多处有粉细砂透镜体分布，依据现场巡视报告，现场施工体现为3号横通道西侧A轴导洞刚破面即出现渗漏水，1号横通道向南各导洞也出现渗漏水现象，且与地质风险识别剖面图中的透镜体部位较为吻合，各导洞开挖拱顶掉块位置接近，即拱顶粉细砂地层与含水透镜体、相邻导洞坍塌等风险在此区域叠加影响显著。根据上述风险辨识及分析，将该区域的地质风险定为一级，编号为B-2。第三方监测单位依据现场情况及风险辨识结果，发布风险提示单，建议对拱顶上方粉细砂地质作补充，结合疏松区位置，协调相关设计和勘察单位，对该部位进行了补充地质勘察工作。勘察单位共补充详勘2处，根据补勘结果，建议导洞开挖过程中采取地下水控制措施，采用注浆与导流相结合的措施，切断补给源，减小地下水对暗挖施工的影响。

根据管线调查报告，车站开挖范围内存在一根1 500 mm污水管。该管线修建于上世纪60年代，年代久远，现状不佳，2017年7月破裂后抢险回填，但回填地层不密实，雷达探测结果显示仍有2处疏松区；管线改移至东侧后仍位于车站主体导洞上方，第三方监测单位辨识此处风险属于二级地质风险，编号为C-2，依据等级及施工进度及时发布风险提示单；提出在管线下方施工区域要加强超强探查，同时加强管线区域地质核查，对管线疏回填散区域加强空洞注浆，要求施工单位加强回填管线状态核查，加强改移管线的保护，加密监测巡视，以确保管线安全，对管线采取管线内紫外光固化防护措施，并在部分薄弱段进行改移。

图7 西土城站地质风险识别剖面图Figure 7 Geological risk identification profile of Xitucheng Station

5.4 管控效果评价

基于地质风险识别、评价及管控流程，在本站施工伊始，即协调信息输入、分析、处置各层级的参建单位，对地质风险进行静态和动态管控。在车站施工过程中，根据地质风险识别汇总表中的清单，及时对地质风险发布风险提示单和风险预警；根据地层透镜体及粉细砂层分布情况，提醒施工单位及时进行地层加固和超前探测，有效防止了较大的坍塌；结合疏松区和开挖揭露地层的变化部位及时进行补勘，使后续施工措施针对性更强；及时对污水管线渗漏区域进行探查和保护，以确保污水管线渗漏区域对地铁施工影响的风险可控。在本站施工过程中，未发生大范围坍塌和沉陷、管线渗漏等风险事件，表明基于地质风险的识别、评价及管控流程在本站得到有效验证。

6 结语

1) 基于施工阶段地质风险特征及目前对地质风险管理工作的开展，将施工阶段地质风险分为静态地质风险及动态地质风险两类，分别提出了两类风险的辨识依据。

2) 基于PH风险评估模型，得到了地铁施工阶段地质风险事件的风险值，同时依据风险值的大小划分出风险等级。

3) 形成施工阶段的地铁地质风险清单，并分类给出过程监控类、加强探测类、加强处置类3类控制地质风险的建议措施。

4) 形成输入层、分析层、实施层的应对地质风险的组织架构，充分发挥第三方监测在地质风险管理中汇总、分析的作用，同时建立了适用于北京地铁施工阶段的地质风险控制机制，并应用于正在建设的昌平线南延西土城站。

5) 地质风险分析及辨识的全面性还需工程实践验证，在后续工程施工中还会遇到新的地质风险种类，需继续对已有的风险评价体系进行补充。本研究对地质风险的辨识、分析和控制具有一定的借鉴意义，今后将结合北京地铁实践，进一步完善风险评价体系及控制措施，这对控制北京地铁施工阶段风险具有重要意义。