复杂地层条件下地铁隧道下穿管廊工程的风险评估与控制措施

刘治宝

(中铁二十二局集团第一工程有限公司，北京 100040)

随着城市轨道交通工程的快速发展，新建地铁隧道下穿地下管线、深大基坑、桥梁基础等施工对既有构筑物的影响越来越大。地铁隧道下穿施工不可避免地对既有地下构筑物产生扰动，从而引起地层沉降和既有结构的变形变位。这不仅对地铁隧道的安全施工产生不利影响，而且也严重影响了既有构筑物的生命周期和健康服役，可能引起重大安全事故。因此，地铁隧道下穿施工过程中的风险评估与控制已成为市政工程防灾减灾研究的重要组成部分。本文依托北京地铁14号线隧道暗挖法下穿既有南水北调引水管廊工程，在总结主要风险评估方法的基础上，归纳主要风险因素及其产生原因，进行工程风险等级划分，进而提出风险管控措施，以期对类似工程提供借鉴。

1 地铁隧道下穿管廊工程概况

南水北调工程北京段起点为房山拒马河，穿永定河，过丰台，沿西四环路北上，最后至颐和园团城湖，全长80.4 km。北京段共穿越永定河等32条河流、京石高速等干线公路20处以及京广线等铁路12处。管廊施工采用C30混凝土。

北京地铁14号线郭庄子站—大井站区间隧道下穿南水北调北京段管廊工程。地铁隧道拱顶距管廊底板约8.6 m，管廊尺寸为4.9 m×9.2 m，管廊顶板深约3 m。地铁隧道洞身主要穿越卵石地层，采用矿山法施工。地铁隧道与引水管廊的位置关系示意如图1。

图1 北京地铁14号线隧道区间下穿南水北调管廊工程示意

本区段主要地层为人工堆积层、新近沉积层、第四纪沉积层、第三纪沉积层。工程场区范围内无地表水体通过，地面下45 m深度范围内的松散沉积层中分布的地下水类型主要为潜水。潜水主要接受大气降水入渗和侧向径流补给。地下水径流条件较好，以侧向径流和人工开采为主要排泄方式。据调查，该区段地下水多年来水位变化较大，主要受人为因素的影响。一般11月份至来年3月份水位较高，其它月份水位相对较低，年变幅一般为4～6 m。本工程施工正好处于高水位期，区间隧道周边地下水丰富，因此应对本工程结构防渗予以高度重视。

2 风险事件及原因分析

2.1 隧道工程风险事件产生原因

引起隧道工程风险的原因有很多，主要有以下几方面的原因:

1)对地铁隧道工程认识的局限性

勘察期间经常是通过少数几个钻孔，就将其获得的勘察资料视为设计的依据。这是工程设计中信息不完备的典型例子。可见，在地质条件复杂的区段，地铁隧道的设计和施工存在较大风险。

2)地铁隧道监控量测数据滞后于掌子面开挖

地铁隧道洞内监测点的埋设总是滞后于掌子面开挖，一部分变形信息已经在开挖面到达前发生，造成信息的空间滞后;并且也不能立即获取量测数据，造成时间上的滞后。

3)地铁隧道工程地质与水文地质条件复杂

地铁隧道穿越区的地层是经过漫长的地质年代形成的，经历了各种各样的自然和人为因素的综合作用，具有明显的随机性和各向异性。但是由于地质勘探、现场和室内试验等设备条件的限制，人们只能通过有限的试验和测试来对岩土体的力学和变形参数作近似的量测估计。

4)地铁隧道工程建设中的不确定因素

地铁隧道施工过程中，建设队伍、机械设备、施工操作技术水平等对工程的风险都有直接的影响。由于工程施工技术方案与工艺流程复杂，且不同的工法又有不同的适用条件，因此工程施工方案、技术和设备的选取都存在潜在风险。

5)地铁隧道穿越区环境的复杂性

地铁隧道穿越区周边环境极其复杂，主要体现在:①地面构筑物的使用年限、结构类型、基础类型、沉降控制标准等;②既有构筑物与地铁隧道之间的空间关系与相互影响;③周边道路及地下管涵的类别、修建年代、材料及建造方法等;④周围生态环境状况和居民居住特征等。

2.2 地铁隧道下穿南水北调管廊工程的风险事件及其产生原因

由于地铁隧道施工既要确保隧道自身结构安全，又要保证南水北调既有管廊结构的安全，所以地铁隧道下穿南水北调管廊工程安全风险较大。评估重点为南水北调管廊结构状态的安全性。地铁隧道下穿南水北调管廊工程的主要风险事件及其产生原因如表1所示。

表1 地铁隧道下穿管廊工程主要风险事件及其产生原因

3 地铁隧道下穿南水北调管廊工程的风险评估

依据风险事件发生概率以及风险事件影响程度，构建工程风险等级评价表(表2)。

表2 工程风险等级评价

计算地铁隧道下穿南水北调管廊工程主要风险事件的发生概率，结合风险事件对下穿施工的影响程度，对照表2进行下穿工程主要风险事件风险等级评定，评定结果见表3。

由表3可知，地铁隧道区间下穿南水北调管廊工程的风险等级为Ⅰ级。由风险接受准则及控制方案(表4)可知，Ⅰ级风险事件应坚决杜绝，发生后应立即停止施工并启动预案。

表3 地铁隧道下穿管廊工程主要风险事件风险等级划分

表4 风险接受准则及控制方案

4 地铁隧道区间下穿南水北调管廊工程风险控制施工措施

为将北京地铁14号线区间隧道下穿南水北调引水管廊工程的风险控制在安全范围内，在下穿施工中采取了以下措施:

1)在下穿施工前，采用TSP和地质雷达相结合的方法对南水北调管廊工程附近的不良地质情况进行超前地质预报，当发现含水囊、透镜体及空洞时进行注浆加固和空洞填充。

2)在施工过程中，要加强对隧道开挖掌子面岩土体的观察并对围岩、地下水、含砂量、大粒径卵石含量等地质情况以及地面沉降、洞内收敛、拱顶沉降等进行监控量测，切实做好信息化施工，为风险控制提供详实数据支持。

5 结论

1)地铁隧道下穿管廊工程的主要风险事件为隧道穿越区地面沉降过大、管廊结构变形过大、隧道结构变形过大和隧道掘进困难。

2)北京地铁14号线隧道区间下穿南水北调引水管廊工程的风险等级评定为Ⅰ级，因此需进行严格的风险管控。

3)为实现对北京地铁14号线隧道区间下穿南水北调引水管廊工程Ⅰ级重大风险的有效控制，应在隧道下穿施工前进行超前地质预报和地层预注浆加固，施工中实时掌握隧道掌子面围岩变形特征，并严格遵守隧道开挖支护准则，加强监控量测，做好信息化施工。

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