張道金

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

同山嶺隧道相比，地鐵隧道由于其所處位置和所起功能的明顯差異，勘察時(shí)執(zhí)行《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》，與執(zhí)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的山嶺隧道勘察精度差異巨大，施工時(shí)是否需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，業(yè)內(nèi)意見分歧較大。通過對山嶺隧道和地鐵隧道的勘察、設(shè)計(jì)、施工、投資、事故風(fēng)險(xiǎn)等多方面對比分析，論述超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在地鐵施工中是否具有必要性，供借鑒參考。

1 山嶺鐵路隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的運(yùn)用

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是在分析既有資料的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)調(diào)查、物探、超前地質(zhì)鉆探、超前導(dǎo)坑等手段，對隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測，分析判釋及預(yù)報(bào)，并提出技術(shù)措施建議。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可以及時(shí)掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，為優(yōu)化隧道施工組織，制定施工安全應(yīng)急預(yù)案，控制工程變更設(shè)計(jì)提供依據(jù)，有效規(guī)避工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法。不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法所能夠探測的距離有一定的差別，預(yù)報(bào)長度100 m以上的為長距離預(yù)報(bào)，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法和(100 m以上的)超前鉆探法;預(yù)報(bào)長度30～100 m的為中長距離預(yù)報(bào)，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法和(30～100 m的)超前鉆探法;預(yù)報(bào)長度30 m以內(nèi)的為短距離預(yù)報(bào)，主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法、電磁波發(fā)射法(地質(zhì)雷達(dá)探測)、紅外探測和(小于30 m的)超前鉆探法等［1］。

1.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容

應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)和預(yù)報(bào)對象特征，選定一種或多種預(yù)報(bào)方法，按編制的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)大綱實(shí)施。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要預(yù)報(bào)內(nèi)容包括以下四方面。

(1)地層巖性:對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土等的預(yù)報(bào)。預(yù)知開挖面前方的地層和圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，及時(shí)提供資料修改設(shè)計(jì)，調(diào)整支護(hù)類型等。

(2)斷層及破碎帶:對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構(gòu)造發(fā)育情況的預(yù)報(bào)。預(yù)知構(gòu)造的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)，以及是否充填、充水等，判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對策。

(3)不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì):對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預(yù)報(bào)。預(yù)知開挖面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工建議措施。

(4)地下水特征:對巖溶管道水及富水?dāng)鄬印Ⅰ薨櫤土严兜劝l(fā)育情況的預(yù)報(bào)。預(yù)知洞內(nèi)涌(突)水量的大小及其變化規(guī)律，評(píng)價(jià)其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響，提出施工建議措施［2］。

2 地鐵隧道與山嶺鐵路隧道的差異

2.1 勘察手段及精度的差異

通常山嶺鐵路隧道巖土工程勘察需要執(zhí)行《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用物探、鉆探和試驗(yàn)等綜合勘探方法，分析隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，合理確定隧道的圍巖分級(jí)。地鐵隧道巖土工程勘察需要執(zhí)行《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》，應(yīng)采用勘探與原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)，輔以工程地質(zhì)調(diào)繪、工程物探的綜合勘察方法，分析隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，合理確定隧道的圍巖分級(jí)、巖土施工工程分級(jí)，提出隧道開挖、圍巖加固及初期支護(hù)等可能出現(xiàn)的巖土工程問題，提供隧道圍巖加固、初期支護(hù)和襯砌設(shè)計(jì)與施工所需的巖土參數(shù)。二者執(zhí)行不同的勘察規(guī)范，勘察精度要求差異較大，見表1。

表1 山嶺鐵路隧道與地鐵隧道勘探精度對比

2.2 設(shè)計(jì)和投資理念的差異

山嶺隧道作為鐵路線路的有機(jī)組成部分，其重點(diǎn)是滿足鐵路客貨列車較高速度平穩(wěn)通行，降低或消除外界環(huán)境因素對客貨列車運(yùn)行的干擾。一般情況下，其處于城市之外或者人煙、構(gòu)筑物稀少區(qū)域，列車對環(huán)境的影響不大，設(shè)計(jì)理念上更多考慮的是環(huán)境穩(wěn)定對列車的影響，在能夠保證正常通行情況下，以經(jīng)濟(jì)合理的價(jià)格進(jìn)行建造。由于其主要功能是穿越山嶺，相對圍巖條件較好，地下水富水情況較差，圍巖分級(jí)Ⅲ～Ⅳ為主，目前平均造價(jià)大約為每公里6 000萬［5］。

地鐵隧道作為城市交通體系的重要組成部分，身處人員擁擠、構(gòu)筑物密集的城市地下，不僅需要考慮環(huán)境穩(wěn)定對其的影響，還需要充分考慮其本身正常運(yùn)行和不能正常運(yùn)行對環(huán)境的反作用。在施工、運(yùn)營過程中一旦出現(xiàn)坍塌和地面沉降事故，不僅對工程本身產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，還將連帶引起如地面人身傷亡、地面交通阻斷、建筑物沉降傾斜等第三方責(zé)任損失，其后果遠(yuǎn)比山嶺隧道嚴(yán)重和復(fù)雜的多。設(shè)計(jì)理念上需要充分考慮環(huán)境和列車的相互作用，在確保雙方安全的條件下合理建造，一般工程設(shè)計(jì)措施較強(qiáng)，造價(jià)較昂貴。根據(jù)我國情況，地鐵隧道大多位于土層、巖層風(fēng)化層或巖土分界面附近，地層結(jié)構(gòu)松散，地下水豐富，圍巖分級(jí)Ⅴ～Ⅵ為主，目前平均造價(jià)每公里超過1.0億元。

2.3 施工方法的差異

隧道施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件、地質(zhì)條件、斷面大小、埋深、結(jié)構(gòu)形式、隧道長度、設(shè)備配置、工期要求、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)等因素綜合確定。山嶺鐵路隧道主要采用鉆爆法施工，根據(jù)需要選擇全斷面法、臺(tái)階法、中隔壁法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。當(dāng)穿越斷層破碎帶、軟弱圍巖段，或富水、淺埋等地段時(shí)，根據(jù)圍巖情況、施工方法和機(jī)械配置，選擇地表或洞內(nèi)的一種或數(shù)種輔助加固處理措施。

地鐵施工方法的確定除需要考慮山嶺隧道的所有因素外，還需要考慮地面建筑、城市道路交通、地下管線和文物保護(hù)等。經(jīng)過40年的發(fā)展，我國地鐵修建方法已由最初的明挖法發(fā)展到現(xiàn)在的明挖法、蓋挖法和暗挖法等多種方法并存，暗挖法得到進(jìn)一步拓展和深化，鉆爆法、盾構(gòu)法、淺埋暗挖法、頂管法、沉管法等相繼涌現(xiàn)，施工技術(shù)不斷發(fā)展提高，已初步形成了專門的學(xué)科體系。

3 城市地鐵施工安全事故特征分析

通過對2003年以來收集到的126起施工安全事故案例的分析、整理和歸類，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律為:按日劃分，一天的凌晨、10:00、17:00三個(gè)時(shí)段發(fā)生概率大;按月劃分，一年中的1月、7月偏高;按施工工法統(tǒng)計(jì)，則是明挖法、盾構(gòu)法占到80%以上，按《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)(UDC658.382GB)》，坍塌事故發(fā)生頻率最高，超過所有事故總和的一半以上。

坍塌事故就是建筑物、構(gòu)造物、堆置物、土石方等，因設(shè)計(jì)、堆置、擺放或施工不合理而發(fā)生倒塌造成傷害的事故。坍塌事故主要分為以下類別:深基坑(槽)施工中的土石方坍塌，拆除過程中的坍塌，模板、支撐失穩(wěn)引起的坍塌，腳手架坍塌，大型起重機(jī)械安、拆裝過程中引起的坍塌，暗挖施工中造成路面及周圍建筑物坍塌。統(tǒng)計(jì)表明:深基坑(槽)施工中土石方坍塌的事故數(shù)量最多，其次是暗挖和盾構(gòu)施工中造成路面、周圍建筑物坍塌，以及模板、支持失穩(wěn)引起的坍塌［6－7］。

坍塌事故的區(qū)域分布特征表明，復(fù)雜的巖土結(jié)構(gòu)、松散和軟弱地層、豐富的地下水是其產(chǎn)生的重要原因之一(見表2)，但和地質(zhì)資料不準(zhǔn)確不存在必然聯(lián)系。對于淺埋地鐵隧道，分布無規(guī)律、成因復(fù)雜的空洞、水囊、暗河、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物也是施工的重要風(fēng)險(xiǎn)源［8］，在北京、昆明、廣州、南京等地的地鐵暗挖施工坍塌事故中均不同程度顯現(xiàn)。

表2 典型城市地鐵坍塌事故分析

4 地鐵施工中采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要性分析

4.1 地質(zhì)勘察精度方面

通常地鐵隧道為兩根單線，需要進(jìn)行沿線路兩側(cè)交叉布置的勘探，間距根據(jù)場地的復(fù)雜程度綜合確定，一般為20～50 m;在洞口、陡坡段、大斷面、異形斷面、工法變化等部位，以及聯(lián)絡(luò)通道、渡線、施工豎井等有勘探點(diǎn)控制，并布設(shè)剖面;還應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)地段的物探、沿線管線探測工作等;基本能夠查明沿線的地層結(jié)構(gòu)分布、不良地質(zhì)發(fā)育和地下水變化特征，提供相對準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。從勘探點(diǎn)的密度和分布來說，已經(jīng)能夠滿足中長距離“點(diǎn)狀”的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度，不再需要進(jìn)行隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

但是，對于分布規(guī)律性不強(qiáng)、易引起地鐵施工事故的空洞、水囊、滲漏、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物的調(diào)查，需要給予充分的重視，特別是淺埋暗挖隧道，應(yīng)確保施工前的地面調(diào)查、物理勘探的驗(yàn)證和評(píng)審工作。

當(dāng)由于地面交通、構(gòu)筑物或其他環(huán)境原因造成勘察精度不能滿足《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求時(shí)，應(yīng)具體分析，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行洞內(nèi)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用方面

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是對地層巖性、斷層及破碎帶、不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)、地下水特征四個(gè)方面的預(yù)報(bào)，避免突水、突泥、涌沙等地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)圍巖條件和地下水特征變化及時(shí)修改設(shè)計(jì)和支護(hù)措施。

目前我國地鐵隧道縱斷面位置大多位于淺層的土層、巖層風(fēng)化層和巖土分界面附近，地層軟弱、結(jié)構(gòu)松散、壓縮性高、靈敏性高、強(qiáng)度低、自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)中一般已經(jīng)充分考慮周圍地理環(huán)境和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境的影響，采取了地面超前加固和洞內(nèi)支撐的合理措施，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測地層結(jié)構(gòu)的變化、破碎帶發(fā)育、不良地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)及地下水的作用效果不明顯。

4.3 地鐵隧道施工工藝方面

目前隧道最常用的施工方法為明挖法和盾構(gòu)法。通常在地面條件允許的情況下，明挖法以其施工技術(shù)簡單、快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)而被用為首選方案;而盾構(gòu)工法也以其機(jī)械化程度高、對環(huán)境干擾少、地層適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代以來得到極快發(fā)展［9］。

明挖法是指挖開地面，由上向下開挖土石方至設(shè)計(jì)高程后，自基底由下向上順作施工，完成隧道主體結(jié)構(gòu)，最后回填基坑或恢復(fù)地面的施工方法。施工過程中對地質(zhì)資料揭示徹底，能夠根據(jù)地層的變化情況及時(shí)調(diào)整和修正設(shè)計(jì)，不需要額外進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。

盾構(gòu)法是使用盾構(gòu)機(jī)械在地面以下暗挖隧道的一種施工方法，盾構(gòu)前端為既可以支承地層壓力又可以在地層中推進(jìn)的鋼筒保護(hù)結(jié)構(gòu)，刀盤旋轉(zhuǎn)施工時(shí)工作面與腔室封閉隔離。由于盾構(gòu)施工機(jī)械化和全程封閉的特點(diǎn)，以及在復(fù)雜、軟弱、松散地層應(yīng)平穩(wěn)勻速通過的要求，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不便于實(shí)施，其重點(diǎn)是準(zhǔn)確的計(jì)算排土體積和監(jiān)測開挖斷面，快速、合理注漿充填，控制地面沉降。

在重慶、青島等城市處于堅(jiān)硬巖石地層中修建地鐵時(shí)，圍巖分級(jí)以Ⅲ～Ⅳ為主［10］，通常采用鉆爆法開挖、噴錨支護(hù)，與常規(guī)的山嶺隧道相當(dāng)，當(dāng)勘察精度不能滿足《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求時(shí)，應(yīng)按《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》的要求，采用地質(zhì)調(diào)查法、TSP為主的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

5 結(jié)束語

(1)復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)、松散和軟弱的地層、豐富的地下水是地鐵隧道施工事故的重要原因，但二者之間不是因果關(guān)系，也不是需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必然前提。

(2)地鐵隧道勘探點(diǎn)的布置已經(jīng)能夠達(dá)到“點(diǎn)狀”中長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，其勘察精度可以較準(zhǔn)確的解釋隧道圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不具有必然性。

(3)如果由于外界環(huán)境的干擾，難以按照《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》的要求精度進(jìn)行勘察時(shí)，應(yīng)具體問題具體分析，必要時(shí)應(yīng)按《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》的要求進(jìn)行相應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

(4)淺埋暗挖地鐵隧道應(yīng)注重對于分布規(guī)律性不強(qiáng)，易引起地鐵施工事故的空洞、水囊、滲漏、建筑垃圾及其他不明構(gòu)筑物的調(diào)查，應(yīng)確保施工前的地面調(diào)查、物理勘探的驗(yàn)證和評(píng)審工作。

［1］ 鐵建設(shè)［2008］105號(hào) 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］

［2］ 黃新連．隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中幾個(gè)問題的探討［J］．鐵道勘察，2010，36(4)

［3］ TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］

［4］ GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］

［5］ 彭永忠，鄧朝輝，韓鵬輝．獅子洋隧道盾構(gòu)段掘進(jìn)工程單價(jià)分析［J］．鐵道勘察，2012，38(3)

［6］ 鄧小鵬，李啟明，周志鵬．地鐵施工安全事故規(guī)律性的統(tǒng)計(jì)分析［J］．統(tǒng)計(jì)與決策2010，9(27)

［7］ 胡群芳，秦家寶．2003～2011年地鐵隧道工程建設(shè)施工事故統(tǒng)計(jì)分析［C］∥第二屆全國工程風(fēng)險(xiǎn)與保險(xiǎn)研究學(xué)術(shù)研討會(huì)暨中國土木工程學(xué)會(huì)工程風(fēng)險(xiǎn)與保險(xiǎn)研究分會(huì)第一屆第三次全體理事會(huì)論文集．天津:中國土木工程學(xué)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)與保險(xiǎn)研究分會(huì)，2012

［8］ 侯艷娟，張頂立，李鵬飛．北京地鐵施工安全事故分析及防治對策［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，3(8)

［9］ 溫繼偉，陳寶義．北京某地鐵區(qū)間隧道的施工方法［J］．山西建筑，2010，32(32)

［10］唐志強(qiáng)．青島地鐵隧道施工采用TBM工法分析［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013，5(90)