城市轨道交通暗挖隧道施工安全的探讨

王颖苗

（北京百事百达工程管理有限公司 直属项目部，北京 100022）

0 引言

随着城市化建设快速发展，交通问题突显，发展城市轨道交通是缓解城市交通拥堵的有效手段之一。而城市轨道交通建设，特别是大中城市的建设项目周边环境条件复杂，环境风险是影响工程建设安全、造价和工期控制的最基础性客观因素之一。城市轨道交通的施工周边环境特指与工程建设安全相互作用和影响的工程环境，包括处于地面或底层状态的现有(或在建)建(构)筑物(含文物保护古建)、管道、桥梁、隧洞、城市轨道交通设备、道路、地表水体等。若对周围环境条件不熟悉、采取的防护手段和工程管理措施等不到位，易造成建(构)筑物变形过大、倾斜、倒塌，或者地下管道泄漏、破裂、地层隆沉、坍塌等环境危险性事故。

因此，如何确保城市轨道交通暗挖隧道的施工安全，尤其是预防塌方，有效控制环境风险、降低城市轨道交通暗挖施工对周边环境安全的影响，是城市轨道交通建设必须研究的课题之一。

1 城市轨道交通暗挖工程安全事故分析

1.1 区间竖井涌水事故

1.1.1 事故背景

该区间的暗挖隧洞工程采用浅埋暗挖法施工，竖井东侧有热电厂排水方涵，该项目隧道开挖的支护设计方案为大管棚支护。在大管棚施工中，从管棚内忽然出现大量水流涌入竖井，施工现场随即对涌水的管道进行了堵塞，但地下水不断从未堵塞的其他管道流出并逐渐灌满竖井和隧道，由于竖井东侧的土体被涌水冲刷带走，管棚被流水冲击产生变形丧失了应有的支护效果，造成了方涵周围土体出现裂缝并下沉，引发地表产生裂缝和孔洞。

1.1.2 事故原因简析

在施工前，施工单位已开展过管线的探查，调查结果显示隧洞顶部与该排水方涵相距很近，曾提议将此条排水方涵截流，因未获批准制定了施作大管棚的保护措施。根据当时大管棚施工现场状况，施工拱顶管棚时未出现问题，只在施工拱脚处的管棚时发生了渗漏。经分析认为导致此次涌流事件的原因主要有以下几点。

（1）污水方涵年久失修。该方涵是热电厂用于排放循环水和泄洪的重要设施之一，建于20 世纪50 年代，已超过设计使用寿命。在截水后对方涵进行全面检查，发现方涵底部结构的混凝土剥蚀、钢筋锈蚀严重，并且在未影响段也发现多处裂缝。方涵本身长期渗漏致使其下部粘性土体液化，局部已形成地下的饱和水囊，一经扰动极易产生渗水，随着水包的破坏，方涵内的水便顺流而出。

（2）施作管棚时扰动了土体。管棚钻进穿越方涵底部时扰动了底部土体，同时由于管棚钻进采用水冷却，已施作完的钢管向外滴水未引起重视；最后一根管棚正好打在液化严重的水囊处引起泥水外溢，从而引发方涵内污水从最后一根管棚流出，水流带动土体扰动其他管棚进而造成涌水。

（3）施工采用全部大管棚完成后一次性注浆，不是每施工完一个管棚就及时注浆，一旦出现一个管道渗漏，极易引起其余管道跟着渗漏[1]。

1.2 区间隧道塌方事故

1.2.1 事故背景

该区间隧洞进行左线施工，在距离横通隧洞中央线一侧的人防扩大区段位置开挖时，采用交叉中隔壁法(CRD)开挖的导洞上方正台阶底拱脚处突然发生涌流，涌水量大，水流冲刷导致隧洞上部土体严重流失，进而造成附近桥梁的挡土墙失稳坍塌，地面形成了一个体积较大的深坑。

1.2.2 事故原因简析

事故主要原因是工程地质、水文地质条件复杂，隧道系在圆砾层和粉质粘土层中修建，地下水位高，尤其是隧道右上方有一根Ф1 750 mm雨污水管，管底距隧道结构外顶5.56 m。由于污水管常年渗漏，造成土体软化，强度降低并形成局部水囊，导致涌水和土体位移而出现塌陷。

1.3 区间联络通道事故

暗挖隧道事故发生于区间隧道的风井处，距现状江河西岸堤约50 m左右。该区间的2段盾构隧道已贯通，2 段隧道之间的联络通道采用冷冻法进行暗挖施工。联络通道建设时由左线开始逐步向右线掘进，当距离右线只余几十厘米时突然发生了渗水，并伴有大量泥沙流入两旁的盾构隧道内，在其作用下已完工的风井附近产生了沉降漏斗并使风井失稳，进而导致隧洞结构下沉破裂，形成了沿隧洞方向的一道纵向沉降沟，并由此引发了地层破坏地面下沉，最终造成地面上房屋的倾斜、沉降，以及周围路面破裂、下沉，现状江河围堤破裂并下沉，江水倒灌直接由风井进入了隧洞内。

从技术层面分析本次事故，主要是施工方对使用冻结法进行的地层构造和冻土开挖不了解，对冻结壁的稳定性剖析也不够深入，导致并不能及时在冻结壁稳定失效之前完成掌子面的封闭处理[1]。

2 预防城市轨道交通暗挖隧道塌方的措施建议

2.1 重视设计

塌方主要发生在施工阶段，导致人们易轻视设计的作用，而重视专项设计会对塌方的预防起到十分关键的作用。

2.1.1 准确的地质勘查

准确的地质勘查可以降低因设计选线或不合理设计方案而导致塌方情况出现的机率。城市轨道交通暗挖隧道是典型的地质环境工程，地质环境条件是控制地下环境工程安全的首要关键因素。坍塌的形成与地质环境的优劣联系紧密，恶劣的地质环境条件会直接造成坍塌，而地质勘查的科学性、准确度，对于防止隧洞的坍塌又起着举足轻重的作用。

在部分工程项目中，因勘探费用、勘探技术和方法等原因，地质勘查工作较粗略，难以提供详细的地质学资料作为准确的设计依据，给暗挖隧道设计方案乃至后续施工造成了影响。因此，做好细致合理的地质学勘测工作十分必要，为设计阶段的支护设计提供依据。建议根据准确的地勘报告，在工程设计时做好最优预测的选线工作，编制基于地质条件的设计方案或措施，从而使专项设计对塌方的预防具有针对性。

2.1.2 合理的暗挖专项设计

（1）选线设计。在了解隧道洞区的宏观地理背景、结构特点、地质地貌特征及较详尽地质资料的情况下，分析隧道区内的活断层、富水带、超高应力分布状况，做出科学合理的隧道线体设计。在设计选线时，应尽量躲避大断层、富水和高应力集中区域，这样既能保证施工时的安全性，又可防止因地质条件恶劣、支护过多造成施工投入的加大，从而在设计选线阶段为预防塌方创造条件。

（2）支护参数设计。在隧洞支护设置过程中应做好支护基本参数的设计，选择既安全高效又节约费用的支护基本参数。如果支撑参数选取范围较为保守，将增加施工投资，反之支护参数选取范围过小，则支撑围岩结构自稳能力将不够，甚至可能由于支护强度的不足导致须通过改变支护措施而造成地应力的又一次重新分配，增大塌方的风险[2]。

2.2 地下水处理

地下水是引起塌方的一个重要因素，因其影响的危害主要体现在围岩软化、泥化、溶解、膨胀等，若对地下水处理不当，将导致地层结构完整性和强度明显下降。地下水对地下暗挖工程施工安全的最大威胁是洞室内出现不可控的涌水。

通过降(排)水、注浆止水、堵漏等方式处理地下水，能够增强围岩的自稳力，在预防流沙、突水、突泥等情况时，可遵循“以堵为主、以降为辅”的原则。上述塌方事故案例皆为地下水破坏土体稳定结构而使掌子面失稳引起的塌方。

2.3 风险性评估

对于大型地下暗挖工程项目应开展风险性评估。此种评估应考虑在规划、可行性研究阶段实施，在后续的设计和施工中，应对该项目开展更有针对性的风险性评估。在进行风险性评估时，须考虑的要素包括风险时间、风险点、风险点影响范围、风险预警值、风险预防对策和防范措施、抢险预案等[3]。

降低暗挖隧道施工安全风险，特别是预防隧道塌方，最重要的环节之一是在暗挖工程中对建设项目的安全状况及项目周边的环境风险进行动态跟踪和实时监控，并进行预警、信息反馈和针对性处置。同时，依据专项设计和专项施工风险控制措施，对暗挖工程涉及的重点部位和周边的高环境风险因素(如地表沉降或隆起、建(构)筑物下陷和倾倒、隧道影响区域内的地下管线沉淀量和差异沉降、桥梁墩台沉降与差异沉降等)开展第三方监测、现场巡视和动态评估，保证对环境风险管控的针对性和实效性。

2.4 信息化施工

（1）监控量测。施工监测能够及时了解岩层的变动状况，通过对各种监测数据的收集，可以发现并分析岩层的变动数值和变化趋势，并作为施工是否安全的判断依据[4]。为了控制风险，通过监测数据，在速率变化和累积沉降等方面进行监控，若出现沉降苗头适时发出预警提示；当风险事件出现后，也能够利用监测数据确定或判断事件性质和责任[5]。

（2）超前地质预报。超前地质预报在暗挖隧道施工中是一项行之有效的措施。从前述案例中可以发现，城市轨道交通的塌方，部分是由于遇到了不明地下涌水所导致。这种地下涌水大多是现况管线的渗漏水，特别是年代久远的废旧管线，在施工开挖时易出现突然涌流进而引发塌方事故。因此，通过超前地质预报，可以通过岩层的含水量变动及时发现问题，并提前根据开挖的实际情况采取加密注浆等措施，降低地下水影响的风险。

2.5 重视事故先兆

地下暗挖工程项目建设中，尤其是在疏松的土质地层中进行开挖，岩层的应力改变是有过程性的，虽然该变化过程可能持续时间短，但若能较早发现会有一定的补救时间。根据上述区间联络通道事故，当工程出现冻土开挖异常变软后，若能及时封堵掌子面，则有足够时间进行补救而避免事故；在基坑坍塌案例中，如果对地面裂缝、监测偏移值和位移速率等给予足够的重视，则有时间进行应急处置。因此，地下工程施工时，对开挖土层的变化应予以足够重视，抓住变化的先兆，以免错过处理的最佳时机。

3 结束语

城市轨道交通暗挖隧道等地下工程的安全风险是多方面的，而塌方是多种因素综合作用产生的结果，既有自然地质因素，也有人为影响因素，而地质成因是最主要的因素。因此，针对地质成因应做好设计、风险评估及施工管理，重视风险监测数据分析，做好事前监控，同时不断提高人员的技术水平及处置能力，从而防止塌方事故发生、降低城市轨道交通暗挖隧道施工风险。