地铁施工的地质灾害危险性与安全管理对策

于加新

（上海三维工程建设咨询有限公司，上海 200060）

0 引 言

在我国，随着国民经济现代水平提高，城市人口不断增长，机动车辆与非机动车辆数量迅速增加，很多大城市为解决交通紧张状况纷纷建设地铁。在地铁施工过程中，由于对地质灾害危险性重视不足或防治不当，工程建设遭受或引发地质灾害的安全重大事故屡有发生。例如，2003年 7月 1日凌晨 6：00，上海轨道交通 4号线旁通道工程施工作业面内，因大量水及流砂涌入，引起隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，造成三栋建筑物严重倾斜，防汛墙局部塌陷，导致防汛墙围堰管涌，直接经济损失初步估算为1.5 亿元人民币左右。2007年 3月 28日，北京地铁 10号线苏州桥标段出入口处突发坍塌，6名工人被埋身亡。2008年 11月 15日，杭州地铁 1号线湘湖站因突发性地质灾害发生基坑坍塌事故，造成 17人死亡，4人失踪，24人受伤的重特大安全生产事故，是目前中国地铁修建史上最惨重的安全事故。可见地质灾害的危害性是非常大的，如何防治地质灾害，将地质灾害危险性风险控制在安全范围内，是摆在地铁建设者面前的一个严竣课题

1 地铁施工中地质灾害类型及其危害

地质灾害是岩石圈表部在自然地质作用和人为地质作用的影响下，给人类或物质财富带来的严重灾害事件。地质灾害主要包括：地震、地裂缝、软土变形、滑坡、地面沉降、水土流失、砂土液化、崩塌等，下面将几个主要影响地铁施工的地质灾害简要介绍如下。

1.1 活动性断裂的地震效应

活动性断裂是指近期正在活动，今后 100年可能继续活动的断裂。活动性断裂的地震效应产生的断裂错位、地裂缝等地质灾害对地铁建设的影响是长期的，同时地铁隧道通过断裂带的围岩稳定性差，支护措施如不到位，容易发生塌方。活动性断裂引起的地质灾害危害结果：地铁隧道沉降、塌方、透水等。

1.2 地面沉降与地面塌陷

地面沉降是指某一区域由于各种原因导致的地表浅部的压实加密引起的地面标高下降的现象。地面沉降又称地面下沉或地陷。我国目前已有 20多个城市发生了地面沉降，其中上海、天津、台北、太原等最大累计地面沉降已超过 2 m。地面沉降是地铁建设最常见的地质灾害，北京、上海、深圳、广州、杭州等在地铁建设过程中均发生过不同程度的地面坍塌事故。危害结果：地铁建筑不均匀下沉，地铁盾构断裂，铁轨扭曲，地铁隧道透水，基坑与路面坍塌等。

1.3 流砂、管涌

流砂和管涌是渗透变形的两种形式，均属于地下水的不良作用。流砂多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂中，其表现形式是所有颗粒同时从似于管状通道被渗透水冲走。管涌是指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙孔道中发生移动并被带出，逐渐形成管形通道，从而掏空地基或坝体。流砂和管涌主要发生在地铁车站深基坑施工中。如防治不当，流砂和管涌易造成地铁车站基坑支护变形失稳坍塌，基坑进水，基础发生滑移或不均匀下沉，基础悬浮等，以及地铁隧道透水。

1.4 滑坡与泥石流

滑坡是指那些构成斜坡体的岩土在重力作用下失稳，坡体内部的一个或几个软弱结构面(带)作整体性下滑的地质现象。泥石流为山地突然爆发的饱含大量泥沙、石块的洪流。按成因泥石流分为自然泥石和人为流泥石流，如山西尾砂矿溃坝特大安全事故就是人为泥石流。滑坡与泥石流均具有突然性与破坏力大的特点，滑坡与泥石流主要对地铁车站施工造成威胁。

1.5 溶洞的突水突泥

溶洞的突水突泥指在地铁隧道施工开挖作业面前方或隧道轮廓外侧的特大岩溶洞洞壁突然破裂，造成溶洞内的泥水突然大量涌入隧道。这种地质灾害由于突发性强，往往造成重大人员伤亡和经济损失。矿坑突水涌水，这是最常见的矿山灾害，突发性强、规模大，后果严重。生产过程中常因对矿坑涌水量估计不足，采掘过程中打穿老窿，贯穿透水断层，骤遇蓄水溶洞或暗河，导致地下水或地面水大量涌入。

上述地质灾害往往由人类的地铁工程活动所引发，或是和人类工程活动有关，是人类工程活动诱发的次生地质灾害。比如，滑坡、崩塌、泥石流等灾害除与大气降水有关外，与人类的开挖、堆填和用水有极大关系；地面沉降、地裂缝、河(湖)水入侵等灾害主要是过量抽取地下液体所致；瓦斯突出、隧道突水以及开挖区地面沉降等是由人类施工开挖活动所致等等。总之，人类工程活动作为一种强大的营力，不仅正在日益强烈地改变着和破坏着地壳表层地质环境及其演化规律和演化速率，而且还经常触发和诱发大量的人为地质灾害。地质灾害的发生、发展进程，有的是逐渐完成的，有的则具有很强的突发性。据此，又可将地质灾害概分为渐变性地质灾害和突发性地质灾害两大类。前者如地面沉降、水土流失、水土污染等；后者如地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地下工程灾害等。渐变性地质灾害常有明显前兆，对其防治有较从容的时间，可有预见地进行，其成灾后果一般只造成经济损失，不会出现人员伤亡。突发性地质灾害突然，可预见性差，其防治工作常是被动式的应急进行。其成灾后果，不光是经济损失，也常造成人员伤亡。故是地质灾害防治的重点对象。不同类型的地质灾害有时不是单一发生的，它们往往相互作用，同时发生。例如杭州地铁塌陷事故具专家分析就是有自然因素(复杂的地质条件、地下水的不良作用、周边环境恶劣)和人为因素(基坑西侧围护坝作为一条交通主干道来使用，来往车流量大，给基坑的承重墙带来太大冲击)共同造成的。

2 地铁施工中地质灾害安全管理对策

每年世界因地质灾害引起的灾难性事故成千上万，为此1999年世界地球日(4月 22日)的主题是“地质灾害防治”。国内地铁隧道具统计因地质灾害引起的安全事故达 75% 以上，故如何防治地质灾害是十分重要的。这就警示我们，地铁建设，安全风险极大，必须慎之又慎，若相应的安全技术、管理水平不能及时跟上、配套，切忌盲目草率行事，否则势必代价高昂和沉痛，得不偿失

2.1 地铁建设前期地质灾害安全管理对策

地铁建设前期地质灾害防治应执行“预防为主、避让与治理相结合，全面规划、突出重点”的原则。国土资源部《地质灾害防治管理办法》第 15条规定，城市建设、有可能导致地质灾害发生的工程项目建设和在地质灾害易发区内进行的工程建设，在申请建设用地之前必须进行地质灾害危险性评估。因此，地铁建设前期在地铁建设区域首先要进行地质灾害危险性评估，评估报告内容应对建设区域的地质环境条件、地质灾害危险性现状、地质灾害危险性预测、地质灾害危险性防治措施等作详细叙述。对已查明为活动性断裂发育区，大型滑坡、泥石流沟谷、岩洞群、一般情况下地铁建设工程在选线路时(特别是地铁车站)均宜加以避让。当必须进行建设时，应制定详细的防治对策，经专家技术经济论证对比后，慎重取舍建设场地。勘察单位应采用遥感图像地质解译、地质调绘、综合物探和钻探的综合勘探方法，对易发生地质灾害区域要提高勘察精度，加密勘察，对复杂的地质条件和周边环境可能造成对工程的地质灾害应作出重点说明。设计单位应精心设计，对复杂的地质条件和周边环境可能发生的地质灾害工程，尤其对隧道出入口、车站深基坑等要在设计方案中作专门的安全防护考虑。如合理确定支护措施和参数，制定特殊不良地质风险预案，选择安全可靠的施工方法等。建设单位在招投标时应将防治地质灾害安全措施费用纳入工程费用，同时在工期要求上要实事求是，科学合理。

2.2 地铁施工阶段地质灾害安全管理对策

地铁建设时，应执行“自然因素造成的地质灾害，由各级人民政府负责治理；人为因素引发的地质灾害，谁引发、谁治理”的原则；建设单位负责牵头成立地质灾害防治小组，小组成员包括建设、勘察、设计、施工、监理、监测等单位人员以及地质、结构专家等，统一管理，分工协作。杭州地铁坍塌事故发生后，广州、上海、杭州相继成立地质灾害防治小组，这是对地质灾害防治的高度重视。地质灾害防治小组切不可走形式，它的职责非常重要，每天要将工地的地质变化情况汇总加以分析研究，定期巡视检查，发现地质灾害隐患应及时会诊，指导排除。施工单位应精心施工，根据地质勘察报告及城建档案等资料摸清工程地质条件及周边环境等情况，是否有暗浜、流砂、承压水层等不良地质。须查清基坑周边环境：建(构)筑物的结构类型、层数、基础、埋深及上部结构形状；地下管线的管类、规格、分布；暗浜和废弃人防及管线的距离和大小；道路的距离和车流；地表水的汇流和排疏情况等对基坑开挖有影响的情况。对危险性较大的隧道和深基坑工程要有针对性地编制专项施工方案，对施工中遇到的地质灾害应有相应的预控防治抢险措施。施工时应严格执行作业程序，加强安全管理，落实安全措施，合理安排工期。除设立专职安全员外，现场还应配备经验丰富的专业地质工程师，及时发现开挖作业面的地质地质灾害隐患。当施工现场地质条件与原设计不符时，应及时会同设计、监理等进行变更设计，哪怕是一个细节都不能放过。监理单位严格审查专项施工方案内容，发现地质灾害隐患应督促施工单位进行防治，当情况危急时应立即下达停工指令，对施工单位抢险所发生的费用应事后与建设单位签字认可。监测单位在工程建设中应做好地面沉降监测，设置监测点，作好监测记录与分析工作，发现隐患及时报警，避免或减轻地质灾害对施工、地面建筑及居民人身安全的危害。同时还应做到信息化施工。

2.3 地铁运行阶段地质灾害安全管理对策

地质灾害对地铁建设的影响是长期的，特别是一些活动性断裂，容易造成地铁隧道沉降、断裂、渗水和轨基不均匀沉降等。我国有许多地铁城市有活动性断裂，如南京市湖熟—浦口断裂，从江宁区湖熟镇经市中心鼓楼斜穿整个主城区，过长江至浦口区。该断裂为主体隐伏活动性断裂，主城区内该断裂通过的部位地质灾害常有发生，修建不久的鼓楼隧道、定淮门大桥等已发生过多次坍塌、沉降事故。同时已建成的地铁隧道改变了原有的地质环境，又会产生新的地质灾害。尤其目前国内大城市地铁线较多，在地铁上方及附近基坑开挖对投入运行的地铁影响极大。例如，在上海的一些地铁上方基坑开挖过程中，土体卸载必然引起基坑底部土体回弹，土体的回弹使地铁隧道产生竖向直径增大的圆环变形。同时，基坑土体卸载在时间上和空间上的不均匀性，又使隧道沿纵向产生不均匀的曲线变化。在未加固的软塑性粘土中，基坑土体卸载引起的坑底土体回弹约为0.5%H～1%H(H 为开挖深度)。因此，为减小基坑开挖对地铁隧道的影响，确保地铁隧道安全，通常采用高压旋喷桩对基坑底部进行土体加固处理，同时对地铁上部基坑进行分段开挖，并及时对已浇筑完的底板进行加载，将施工引起的地铁隧道回弹量控制在 20 mm。工程建成后，对地铁隧道通过地质条件复杂的地段地面、隧道和轨基应设长期沉降监测点。通过监测数据，对地质灾害引起的不均匀沉降及时进行处理。同时，通过日本 3·19 特大地震警示，对沿海地铁站应有防地震、防海啸等防灾预案，确保地铁运营中的安全。

3 结 语

“加快重大基础设施建设”已成为目前国家建设的重中之重。各主要大城市又开始新的地铁建设热潮，各地城市决策者应以发生过的地质灾害安全事故为镜鉴，对地质灾害应高度重视。建设前期做好地质灾害危险性评估论证和安全防护设计；建设过程中应精心组织施工，加强安全监理，做好监测预警和地质灾害超前预报，实施信息化施工，将地质灾害风险控制在安全范围内。地质灾害防治工程是一项长期的工作，任重而道远。随着新技术、新方法、新材料在地质灾害防治工程中应用，地质灾害防治措施和施工技术必将迈向新的台阶。

[1]罗云.建设工程应急预案编制与范例[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]常士骠，张苏民.地质工程手册[M]，第四版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]GB 50021—2001，岩土工程勘察规范[S].

[4]黄俊，张顶立，虞辰杰.地铁隧道开挖引起地表塌陷分析[J].中国地质灾害与防治学报，2004(01).