鄭濤，孫捷城，王國(guó)富,

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，城市軌道交通的建設(shè)方興未艾，自 1969年北京修建了我國(guó)第1條地鐵線路以來(lái)，天津(1976)、上海(1995)、廣州(1997)、長(zhǎng)春(2002)等城市陸續(xù)開(kāi)始城市地鐵的建設(shè)。到2013年底，我國(guó)已修建地鐵線路87條，且運(yùn)營(yíng)里程達(dá)2 539 km，與此同時(shí)，有36座城市獲批修建城市地鐵線路?！丁笆濉本C合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》指出，截止到 2016年，全國(guó)城市地鐵建設(shè)里程已達(dá)4 000 km，迎來(lái)地鐵修建的高潮，且今后幾年每年增長(zhǎng)里程在500 km左右[1]。根據(jù)目前各城市建設(shè)情況，估計(jì)到 2020年左右，我國(guó)城市地鐵運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到6000 km。此外，與其他交通工具相比，地鐵具有安全可靠、方便快捷、舒適環(huán)保、運(yùn)能大以及用地省等優(yōu)點(diǎn)[2]。但不可否認(rèn)的是，在中國(guó)城市地鐵迅猛發(fā)展的同時(shí)，其施工過(guò)程頻發(fā)的各種安全事故為其蒙上了不小的陰影，如2003-07-01上海地鐵某聯(lián)絡(luò)通道在施工期間發(fā)生大面積坍塌、防汛墻塌陷致使工期延誤數(shù)年之久的特別重大事故，2007-03-28 02標(biāo)蘇州地鐵發(fā)生坍塌事故，引發(fā)地面出現(xiàn)塌陷，致6人死亡[3]等。針對(duì)各種安全事故，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)，侯艷娟等[4]基于北京地鐵施工安全事故典型案例，根據(jù)事故發(fā)生原因?qū)踩鹿史譃?類(lèi)，并針對(duì)每一類(lèi)事故給出相應(yīng)的防治策略與方案，同時(shí)提出適合中國(guó)國(guó)情的安全控制和風(fēng)險(xiǎn)管理措施。李鳳偉等[5]對(duì)2003～2010年地鐵建設(shè)118起安全事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出塌陷和坍塌是主要事故類(lèi)型，并對(duì)事故按區(qū)域、事件、類(lèi)型等因素進(jìn)行研究，提出死亡比率的概念以反映城市安全管理水平。羅偉[6]基于極限分析法研究淺埋隧道破壞原理，并且對(duì)其圍巖壓力計(jì)算表達(dá)式進(jìn)行理論推導(dǎo)，通過(guò)非線性規(guī)劃優(yōu)化方法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，分析淺埋隧道穩(wěn)定性及其可靠度。楊遠(yuǎn)程[7]從人、機(jī)、料、環(huán)和管理等方面全面分析總結(jié)地鐵施工期間風(fēng)險(xiǎn)源因素，并提出風(fēng)險(xiǎn)事故成因分析方法(RCTM)以及事故根源追溯方法。錢(qián)七虎[8]全面介紹了我國(guó)當(dāng)前地下工程建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)事故發(fā)生原因進(jìn)行了深入分析，明確指出主觀原因和責(zé)任事故是地下工程安全事故的主要原因，最后給出事故預(yù)防的技術(shù)方法和管理手段。楊晨等[9]基于深圳地鐵安全事故統(tǒng)計(jì)，指出坍塌是地鐵工程施工期的多發(fā)事故，并從基坑工程、盾構(gòu)工程、礦山法開(kāi)挖以及高支模架施工4個(gè)方面分別介紹事故特點(diǎn)與預(yù)防措施。城市地鐵屬于萬(wàn)眾矚目的工程，在網(wǎng)絡(luò)日益普及的今天，一旦出現(xiàn)安全事故，極可能造成不可估量的社會(huì)影響和極大的輿論壓力。因此，準(zhǔn)確分析城市地鐵施工期間風(fēng)險(xiǎn)事故原因，研究其結(jié)構(gòu)的可靠度是一個(gè)非常重要的課題。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)國(guó)內(nèi)近十年來(lái)100起地鐵建設(shè)期安全事故進(jìn)行深入分析，并結(jié)合青島地鐵某典型事故案例，運(yùn)用可靠度理論以及FLAC3D軟件分析地鐵隧道的穩(wěn)定性，最后給出了風(fēng)險(xiǎn)事故控制及地鐵隧道施工穩(wěn)定性的相關(guān)建議，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 安全事故統(tǒng)計(jì)

通過(guò)分析我國(guó)近10年來(lái)100起地鐵隧道礦山法建設(shè)施工期所發(fā)生的安全事故樣本發(fā)現(xiàn)[3]，該樣本包含坍塌事故 55起，由各種機(jī)械傷害引起的事故11起，火災(zāi)與水災(zāi)誘發(fā)事故各7起，墜物擊打引起事故6起，模板坍塌造成事故5起，爆炸引發(fā)事故4起，由其他方面原因?qū)е率鹿?起，詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1及圖1所示[10]。對(duì)于各類(lèi)事故造成的人員傷亡方面，坍塌占總傷亡人數(shù)的55.9%，具體數(shù)據(jù)參考表1與圖2。通過(guò)對(duì)上述各類(lèi)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，坍塌是地鐵隧道工程建設(shè)期的多發(fā)多害事故，是重點(diǎn)防備的事故類(lèi)型。

圖1 安全事故統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Accidents statistics

表1 安全事故統(tǒng)計(jì)(按事故類(lèi)型劃分)Table 1 Accidents statistics (Classification by accident type)

圖2 傷亡人數(shù)比例Fig. 2 Proportion of casualties

2 可靠度理論分析

由于大量事故以及人員傷亡是坍塌引起的，所以對(duì)坍塌事故進(jìn)行深入研究是一個(gè)非常重要的課題。作為極其復(fù)雜的地下工程，城市地鐵隧道周邊地層條件千差萬(wàn)別，且受力由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的不同而存在較大差異，故造成坍塌事故的因素有很多，但歸其本質(zhì)最根本的原因是由于巖土體參數(shù)的變化，若采用傳統(tǒng)的確定性安全系數(shù)對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析，誤差較大，在工程實(shí)際中將傾向于應(yīng)用考慮巖土體不確定性可靠度分析方法。本文通過(guò)強(qiáng)度折減法(c和 φ 值分別取不同的折減系數(shù))[11-12]與點(diǎn)估計(jì)法[13]分析地鐵隧道的可靠度，更好地避免坍塌事故發(fā)生，并且通過(guò)FLAC3D有限差分軟件，對(duì)青島地鐵3號(hào)線某起典型坍塌案例進(jìn)行深入分析，得到引起坍塌事故的原因，以便更好地指導(dǎo)同類(lèi)軌道交通的建設(shè)。目前對(duì)于地鐵隧道可靠度研究的方法較多[14]，較為常用的有一次二階矩法、漸進(jìn)積分法、響應(yīng)面法、Momte Carlo法和點(diǎn)估計(jì)法等。一次二階矩法需將分布函數(shù)展開(kāi)成Taylor級(jí)數(shù)，且不能考慮設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的局部性質(zhì)，產(chǎn)生較大誤差；漸進(jìn)積分方法需對(duì)基本變量概率密度函數(shù)對(duì)數(shù)的一階二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)計(jì)算，使問(wèn)題的繁瑣程度有所增加；隨機(jī)響應(yīng)面方法通過(guò)插值展開(kāi)點(diǎn)和系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜；Momte Carlo方法需要重復(fù)模擬過(guò)程，工作量較大。點(diǎn)估計(jì)法是Daniels[13]提出一種可靠度計(jì)算方法，且該方法不必預(yù)先分析隨機(jī)變量的分布類(lèi)型，只需計(jì)算出隨機(jī)變量的均值和方差，便可求出分布函數(shù)的一階矩(均值)和二階矩(方差)，由此得到地鐵隧道的可靠指標(biāo)和破壞概率。該方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，并且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符合，是一種較實(shí)用的可靠度分析方法。

點(diǎn)估計(jì)法無(wú)需考慮分布函數(shù)的變化形態(tài)，可直接選取變量的均值±標(biāo)準(zhǔn)差，來(lái)構(gòu)建基本取值點(diǎn)。在地鐵隧道施工過(guò)程中，隧道穩(wěn)定性受到巖土體強(qiáng)度參數(shù)、外加荷載、施工環(huán)境的影響，而對(duì)于強(qiáng)度折減法主要考慮對(duì)地鐵隧道可靠度影響較大的巖土體強(qiáng)度指標(biāo)c和φ 值[15]，相應(yīng)的取值有：

式中：μc，μφ，σc，σφ為 c和 φ 值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

建立數(shù)值分析模型，對(duì)于每一組隨機(jī)參數(shù)的組合，采用對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)(c和 φ 值)的折減得到隧道拱頂特征點(diǎn)的位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線[16]，將曲線上突變的拐點(diǎn)作為安全系數(shù)，得到1組對(duì)應(yīng)的隧道圍巖安全系數(shù)如式(2)，由式(3)～(6)可計(jì)算出隧道安全系數(shù)的均值μF，標(biāo)準(zhǔn)差σF，可靠度指標(biāo)β以及失穩(wěn)破壞概率Pf，進(jìn)而評(píng)價(jià)隧道工程的可靠度。

式中：()φβ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，可在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查詢(xún)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 事故概況

2012-04-25凌晨突降大雨，青島地鐵3號(hào)線某區(qū)間由于雨水滲入掌子面前方的土體，引起掌子面涌水、涌砂、突泥，進(jìn)而發(fā)生隧道坍塌冒頂事故。此事故誘發(fā)地面坍塌范圍約15 m×15 m，坍塌深度約為8 m，并且造成4條高壓電纜受損，部分砂土、各種雜物涌入隧道，造成大面積浸水，如圖3所示。由于工作人員發(fā)現(xiàn)較早，搶險(xiǎn)及時(shí)，未引起人員傷亡情況，但坍塌段位于青島市交通干道，人流量較大，引起較多市民圍觀，產(chǎn)生極壞的社會(huì)負(fù)面影響。

事故原因如下：坍塌區(qū)隧道圍巖為富水砂層，在其開(kāi)挖前已經(jīng)布設(shè)降水井進(jìn)行降水，并且降水后地下水位已降至隧道底部以下，確保隧道開(kāi)挖在無(wú)水環(huán)境下進(jìn)行，但由于突降大雨，排放雨水的暗渠無(wú)法大量排水，導(dǎo)致暗渠轉(zhuǎn)折處(即塌方位置)產(chǎn)生破裂，暗渠中的大量雨水涌入隧道上方土層，在雨水浸泡下，原來(lái)無(wú)水的隧道周?chē)皩觾?nèi)黏聚力下降、內(nèi)摩擦角變小，整體強(qiáng)度變?nèi)酰苑€(wěn)能力下降，掌子面發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，并導(dǎo)致地面發(fā)生冒頂事故。

圖3 地面塌方部位Fig. 3 Ground collapse site

3.2 坍塌事故可靠度分析

塌方處隧道埋深約8 m，穿越地層巖性以砂土為主，采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土方法開(kāi)挖，數(shù)值計(jì)算模型分為回填土、砂土、上臺(tái)階、下臺(tái)階、核心土、上下臺(tái)階襯砌、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等9種模型單元，模型范圍為52 m(橫向)×10 m(縱向)×31 m(豎向)，對(duì)其四周進(jìn)行水平約束，底面豎直方向約束，上邊界為自由邊界，各模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，即τ=c+σtanφ，f=tanφ，其模型如圖 4 所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型建立Fig. 4 Numerical model

根據(jù)青島地鐵3號(hào)線專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)資料中砂土的無(wú)側(cè)限雙軸實(shí)驗(yàn)知砂土峰值強(qiáng)度指標(biāo)分別為 μc=40 kPa，μφ=45°，變異系數(shù)分別為 ξc=0.20，ξφ=0.15，則標(biāo)準(zhǔn)差分別為σc=8 kPa，σφ=6.75°。根據(jù)有限元強(qiáng)度折減法，將隧道圍巖的強(qiáng)度參數(shù)值c和f除以一個(gè)折減系數(shù)Ftrial后得到1組ci和fi值，每一組ci和fi值輸入到計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算，在c和f 值不斷減小的過(guò)程中隧道的安全系數(shù)也隨之降低，可以得到一組臨界值c0和f0，即：當(dāng)f≤f0和c≤c0時(shí)隧道將發(fā)生失穩(wěn)破壞，f＞f0和c＞c0時(shí)隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算時(shí)：通過(guò)預(yù)設(shè)折減系數(shù)Ftrial進(jìn)行逐次計(jì)算，得到隧道拱頂特征點(diǎn)的位移與折減系數(shù)(S-Ftrial)相對(duì)應(yīng)的曲線，將曲線上突變的拐點(diǎn)作為安全系數(shù)Fn，故在不同強(qiáng)度參數(shù)組合條件下隧道的安全系數(shù)分別為：

由此求得隧道安全系數(shù)均值 μF=1.27，標(biāo)準(zhǔn)差σF=0.14，可靠度指標(biāo) β=1.91，失穩(wěn)破壞概率Pf=1 - φ(1.91) = 2.81%，表明隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，無(wú)水條件下隧道開(kāi)挖后，最大豎向沉降35.3 mm，地表最大沉降約20 mm，見(jiàn)圖5，滿足《地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[17]中地面沉降控制值30 mm的要求，可以看作隧道處于安全狀態(tài)。

表2 模型參數(shù)Table 2 Parameters of model

圖5 豎向位移云圖Fig. 5 Vertical displacement

由于突然出現(xiàn)大雨，年久失修的地下排水暗渠因不堪重負(fù)而發(fā)生破裂，致使大量雨水入滲隧道上方地層，回填土、砂土逐漸趨于飽和狀態(tài)，強(qiáng)度急劇下降，基本喪失自穩(wěn)能力，部分雨水甚至通過(guò)掌子面進(jìn)入隧道內(nèi)，最終導(dǎo)致掌子面出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，同時(shí)隧道上覆土體發(fā)生坍塌，地面出現(xiàn)冒頂。根據(jù)劉波模型試驗(yàn)中關(guān)于干性土體與飽和土體參數(shù)取值研究[18]，土體飽和后，密度稍有上升，強(qiáng)度參數(shù)下降約58%?；靥钔痢⑸巴恋牧W(xué)參數(shù)為干燥時(shí)參數(shù)的一半，中風(fēng)化花崗巖與襯砌力學(xué)參數(shù)選用原先數(shù)值，見(jiàn)表3。

表3 飽水狀態(tài)下模型參數(shù)Table 3 Parameters of model under water saturated state

此時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估資料知，砂土峰值強(qiáng)度指標(biāo)分別為 μc=24 kPa，μφ=20°，變異系數(shù)分別為ξc=0.23，ξφ=0.17，則標(biāo)準(zhǔn)差分別為 σc=5.52 kPa，σφ=3.4°。通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法得其安全系數(shù)為：

按照上述分析方法隧道安全系數(shù)的均值μF=1，標(biāo)準(zhǔn)差σF=0.14，可靠度指標(biāo)β=0，隧道失穩(wěn)破壞概率Pf=1 - φ(0) = 2.81%，表明隧道處于失穩(wěn)狀態(tài)，由數(shù)值模擬結(jié)果顯示飽水狀態(tài)下，最大豎向沉降達(dá)377.8 mm，地表最大沉降約150 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)《地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[17]中地面沉降控制值30 mm的要求，可看作已出現(xiàn)坍塌事故。

圖6 飽水狀態(tài)下最大豎向位移云圖Fig. 6 Vertical displacement under water saturated state

4 結(jié)論

1) 城市地鐵工程建設(shè)施工期坍塌事故占據(jù)了安全事故的一半，產(chǎn)生了較大的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，并且延誤了工期，通過(guò)可靠度分析方法與數(shù)值模擬計(jì)算分析坍塌原因，得到巖土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)坍塌有著直接影響。

2) 通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法與點(diǎn)估計(jì)方法相結(jié)合研究地鐵隧道結(jié)構(gòu)的可靠性，在考慮土體參數(shù)的變異性的基礎(chǔ)上，避免了計(jì)算的復(fù)雜性，可為類(lèi)似工程分析提供參考。

3) 青島地鐵 3號(hào)線在某隧道未受雨水影響時(shí)安全系數(shù)均值為1.27，可靠度指標(biāo)達(dá)1.91，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在雨水滲入地層以后，圍巖強(qiáng)度降低，自穩(wěn)能力變差，在施工擾動(dòng)后隧道安全系數(shù)均值為1，可靠度指標(biāo)為0，隧道坍塌，與實(shí)際情況一致。

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