第33卷第3期北 京 交 通 大 学 学 报Vol.33No.3
文章编号:1673-0291(2009)03-0052-08
北京地铁施工安全事故分析及防治对策
侯艳娟,张顶立,李鹏飞
(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)
摘 要:当前我国城市地铁建设发展迅速,但也出现了各类施工安全事故频发的严峻事实.基于这一现状,以北京地铁近年来新建线路施工中出现的具体工程事故案例为背景,结合新建地铁的工程特点及施工难点,分析了事故发生的主要原因,通过对现有事故资料的整理分析,按其发生的主要原因分为5种类型:地层过量变形引起坍塌、不良地质体突发灾害、施工诱发地下管线破坏、工程施工管理不力、施工设备及操作技术过失引发的事故.针对每一类事故,制定相应的防治对策及方案,进而提出适合于我国城市地铁施工安全控制和风险管理的具体措施,以期为城市地铁及其他地下工程安全建设提供重要参考.
关键词:城市地铁;安全事故;原因;机理;防治对策中图分类号:U231.3 文献标志码:A
AnalysisandControlMeasuresofSafetyAccidents
inBeijingSubwayConstruction
HOUYanjuan,ZHANGDingli,LIPengfei
(TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,
BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
Abstract:Atpresenttheurbansubwayconstructionaredevelopingrapidly,whilevarioussafetyaccidentsap-pearedfrequentlyduringtheprocess.Basedonthissituationandespeciallyonthespecificaccidentcasesof
Beijingnewsubwayprojects,themainreasonsforsafetyaccidentsareanalyzedandtherelevantcontrolmea-suresareproposed.Combinedwiththeircharacteristicsanddifficulties,theaccidentscanbeclassifiedbyfivetypes:accidentscausedbystrataexcessivedeformation,suddencalamitiesinducedbythebadgeologybodies,undergroundpipelinesbeingdestroyedbyexcavationdisturbance,accidentsduetolackofconstructionman-agement,aswellasaccidentscausedbybadconstructionequipmentandfaultyoperation.Accordingly,pre-ventionandcontrolmeasuresandschemesfitforallthesetypesaresummarizedandproposed,andthentheriskmanagementsystemforurbansubwayprojectsconstructionisestablished.ThecontrolmeasuresmentionedabovehavebeenprovedsuccessfulinsomeprojectsofBeijingsubway,whichcanbetakenastheimportantreferencetoconstructionoftheurbansubwayandotherundergroundprojectsinourcountry.Keywords:urbansubway;safetyaccident;cause;mechanics;controlmeasures 城市地铁工程建设是一项复杂的高风险性系统工程,建设过程中带有很大不确定性,尤其随着地铁
建设进程的推进,新建隧道往往要近邻既有地下基础设施及地上建(构)筑物施工,必然会对其安全造
收稿日期:2008-12-25基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目([1**********]9)作者简介:侯艳娟(1982—),女,内蒙赤峰人,博士生.email::juan8082-hou@yahoo.
(1963,,江苏沛县人,,博士,
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
53
成不利影响,若控制不力则极易造成重大安全事故.
近年来在北京新建地铁工程,包括4号线、5号线、10号线(含奥运支线)及机场线的建设过程中,就曾发生过多起隧道洞内塌方、地表过度沉陷、地下管线破坏以及其他各种类型的事故(据不完全统计40余起),造成了严重后果和恶劣影响.这在留给人们惨痛教训的同时,也为我们鸣响了城市地下工程安全建设的警钟.
为深入分析城市地铁施工安全事故的发生机理,汲取深刻教训,本文作者根据多方资料,对北京新建地铁工程建设中已发生的安全事故进行归类总结,分别针对各类事故特点,采用数值计算、力学分析和统计分析等方法揭示事故机理,并提出相应的防治对策.
水管长期渗漏形成水囊,对土体长期浸泡而严重破坏土体稳定、降低土体强度,同时包含基坑周边堆载过量等人为因素的影响.
图2 熊猫环岛车站基坑坍塌现场Fig.2 FoundationpitlandslideinXIONGMAOHUANDAOStation
1 典型事故案例[1]
2003年10月8日,5号线崇文门站发生因地梁钢筋整体倾覆、死伤4人的重大事故,是一起典型的
由于管理层、作业层人员安全意识不强、执行技术标准和遵守施工纪律不严格,加上工人违章操作所造成的重大责任事故.
2005年3月15日,4号线与10号线换乘站黄庄站发生路面塌陷事故.经调查,该区域雨污水管线较多,因管线施工土体回填不密实及管线长期渗漏等原因形成较大地下空洞及水囊(图1,空洞平均深度约2.2m,洞内面积约21m2);同时施工降水和地层扰动破坏了不良地层结构的受力状态及其周围土体的稳定性,加之路面交通荷载作用,最终导致了大范围路面塌陷
.
2006年1月3日,10号线呼家楼站—光华路站
区间左线南侧掌子面突发涌水事故,而后对应地面发生坍塌,造成东三环路南向北方向部分主辅路塌陷,形成一个面积达200m2、深约17m的大坑(图3).经分析,在掌子面前上方土体受污水管线长期渗漏形成水囊及饱和水淤泥层,开挖后由于土体受力改变造成水囊及淤泥层涌水坍塌,而后污水管断裂,引发更大面积坍塌.
图3 呼—光区间坍塌事故
Fig.3 CollapseaccidentinHU-GUANGsection
2007年3月28日,10号线苏州街站东南出入口塌方事故,导致地面发生严重塌陷(图4),并造成6名工人死亡的惨重后果.
图1 造成黄庄车站严重塌陷事故的地下空洞Fig.1 Serioussubsidenceduetoundergroundcavity
inHUANGZHUANGStation
2005年11月30日,10号线熊猫环岛奥运支线
站主体基坑坍塌,由南侧开始迅速发展,最终造成基坑东、南、西侧围护桩均相继倒塌,周边电缆裸露悬空,燃气管线外露,自来水管、污水管及多根电信管线弯曲断裂(图2).坍塌范围之大、造成破坏之严
重,图4 苏州街车站东南出入口塌方事故Fig.4 CaveaccidentinSUZHOUJIEStation
以上每起事故后果都非常严重,突出反映了地
铁管理及施工人员环境意识薄弱,对周边环境和结.,
54
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
地铁工程的大规模开展,事故频发的现状仍在继续,这无疑向我国城市地铁安全建设,乃至城市地下工程的安全建设提出了巨大挑战.
先在其上方形成冒落拱(有时是松动拱),随隧道开挖范围的增大,冒落拱不断发展,在一定条件下形成某一稳定结构,即相对稳定的“拱结构”,见图6.
2 事故机理
城市地铁建设中的安全事故,既有外在因素也有内在因素,既有客观因素也有主观因素.工程
地质及水文地质条件复杂多变、周边环境复杂,以及工程结构自身复杂等,均可归结为前者.而工程设计理论及方案缺陷、建设决策及管理不力,以及操作技术水平低等则归结为后者.有鉴于此,将安全事故分为5大类型(见图5,施工管理事故包含施工管理不力及施工操作过失)
.
图6 松散地层冒落拱形态
Fig.6 Shapeofslumpingarchinloosestratum
[2-5]
浅埋暗挖隧道施工中,在掌子面开挖后、支护结
构达到强度要求前,上覆地层变位可能造成冒落拱范围扩大,当波及到砂层尤其是含水砂层时极易造成大范围涌水涌砂,此波及范围和程度取决于砂层的分布.作为地表沉降量主要来源的拱顶下沉是通过拱结构来传递的,故压力拱结构的位态在很大程
图5 主要安全事故类型分布Fig.5 Distributionofmainaccidenttypes
度上决定了地表沉降状况.
通过建立图7所示的压力拱模型并对其进行力学分析,得出如下结论[6].
通常情况下,冒落拱呈扁平状,其高度随跨度的增加而增大,因此控制地层沉降的最有效措施即是限制拱跨度的发展.由于地层结构及强度的差异性,拱顶下沉向地表的传递过程中可能经历多个“拱结构”的平衡和失稳过程,失稳直接波及到地表的拱结构为“主导”拱结构,而维持这种主导拱结构的稳定性是减小地表沉降的重要措施.
2.1 地层过量变形引起坍塌事故
地层变形和围岩失稳是城市地下工程环境风险的主要诱因,主要表现在地层的过度变形、突然变形和失稳.从细观力学角度看,隧道施工引起的地层扰动和失水等均可造成地层颗粒间结构的失稳,从而引起地层的破坏和变形.当地层变形传递到地中结构周围与其发生作用,变形量的突然增大更容易造成结构破坏,甚至出现伴生灾害和事故.地层变形对地下管线的破坏作用往往使得安全事故更为严重、影响更大.地层过量变形主要由以下原因造成:①地层自身结构松散,强度弱、均匀性差,开挖扰动极易破坏原有脆弱的稳定状态;②在含水地层中开挖使地层失水固结,从而产生较大沉降;③施工中各种原因造成土体颗粒流失,产生明显的土体损失,迫使上覆地层整体沉降;④制定的地层沉降控制标准不够合理,实施效果差.
在上述各种风险因素的驱使下,若控制措施不当、支护结构施作时机不利或刚度不足以阻止地层发生过量变形,甚至导致支护结构本身亦随之沉降,则必然会进一步加剧地层沉降规模和发展速率,导致坍塌的严重后果.
北京地区以砂卵石地层为典型,其结构松散、呈不均匀颗粒状,且孔隙比较大,粘聚力极低,这使得隧道围岩的稳定性较差,隧道顶部大块卵石剥落时
图7 压力拱受力分析Fig.7 Forceanalysisofpressurearch
2.2 不良地质体突发灾害事故
大量不良地质体的存在是北京浅埋地层的典型特征,也是北京地铁施工安全的重要风险源.施工中
已揭露的不良地质体包括空洞、水囊、暗河、建筑垃圾及其他不明构筑物,其中以空洞、水囊更为普遍和典型,其成因也较为复杂.空洞形成的原因主要有:①,,
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
55
行回填后未回填密实而形成空洞;②管道渗漏水,在长期冲刷作用下管道周围(特别是砂层中)形成空洞;③地下工程施工回填不密实形成空洞;④地层本身(砂层为主)受外界扰动,经长期作用压密固结而在周围形成空洞.
既有施工实践表明,空洞对地层稳定及隧道施工的影响通常可分为以下几种模式,并相应具有不同作用机理.
1)对于离地铁隧道有一定距离的单一空洞,若在地铁施工过程中保持相对稳定或是自身规模较小,则一般不会造成太大影响.2)若空洞距离隧道较近,在施工中由于地层被扰动而导致其显著扩展,当扩展到一定程度时则会丧失稳定性,进而引起地层变形突增,大大增加地铁隧道施工风险.
3)当地层中存在空洞群时,施工扰动使其连通而重新成为一个大型空洞,这对地层变形和地铁施工的影响会非常大,一旦造成事故往往后果很严重.4)有相当一部分空洞是由于管线施工回填不密实、管线渗漏水等因素造成的,所以对于附近存在管线的地层空洞,其失稳必然会对管线的安全构成威胁,破坏性不容忽视.
以北京地铁4号线黄庄站为例,通过数值模拟预测空洞的不同位置、大小和形状对地表沉降的影响.图8中1、2、3号空洞均为直径2m的圆形,分别位于隧道正上方、斜上方45°和正右侧且距隧道结构均为2.5m.计算结果见图9至图12
.
响极大;③相对而言,空洞的形状对于地表沉降的影响不大,大体为扁平形状比竖长形状更有利.
图9 不同位置单一空洞地表沉降图Fig.9 Surfacesettlementchartofdifferentsinglecavity
图10 不同大小空洞地表沉降图(以洞2为例)Fig.10 Surfacesettlementchartofdifferentcavitysizes
图11 不同距离空洞地表沉降图(以洞2为例)
Fig.11 Surfacesettlementchartof
differentcavitydistances
图8 模型图Fig.8 Modelmesh
由以上计算分析可得到以下规律:①空洞的存在对原有地层的沉降影响较为明显,随空洞从隧道顶部到侧方的位置变化,地表沉降逐渐增大,模型中3号空洞对应的地表沉降最大;②空洞距离隧道越远对地层和隧道的影响越小,而在同一位置处,随洞径增大,地表沉降明显增大,当洞径增至4m时,地表沉降已处于失控状态(达到120mm),这极有可能是由于施工扰动使原有空洞群连通为大型空洞、或
图12 不同形状空洞地表沉降图(以洞1为例)Fig.12 Surfacesettlementchartofdifferentcavityforms
综上,与一般地层情况相比,有空洞存在时,隧道施工风险更为突出,究其本质是空洞破坏了地层
结构的均匀性,弱化了地层自身强度和抗变形能力.在隧道开挖时其自身变形或失稳坍塌与地层应有沉降的叠加,是最终导致隧道施工事故急剧恶化的根.
56
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
对于地层中的水囊,一般有两种类型:一种是由富水松散地层因地下水长期积存而形成,另一种则与空洞密切相关:当地层中既有空洞因邻近管线渗漏、地下水汇聚、地表绿化带灌溉或降雨入渗等原因充填一定量的水时则形成水囊.水囊的存在较之空洞会给地铁施工带来更大安全隐患,主要导致隧道内并发坍塌和涌水灾害.2.3 施工引发地下管线破坏事故2.3.1 事故原因
城市地层中各种管线交错密集、分布复杂,不可避免受到地铁施工影响.以北京地铁4号和10号线交叉站黄庄站为例,车站结构施工范围内有56条管线,且分属单位近20家之多,其施工复杂程度可见一斑.北京地铁新建工程建设中频频遭遇地下管线问题,管线破坏或断裂的安全事故时有发生,其原因主要有以下方面:①隧道施工前对管线准确位置、自身状况等具体信息调查不详、资料欠缺;②现行的管线管理及保护制度和措施尚存在很多缺陷,甚至出现过在未准确落实现场管线情况前就盲目施工的情况;③大量不明管线存在于密布复杂的地下管网中,部分年久失修甚至洇渗严重,对周围土层的密实性及稳定性产生了极大影响,这类问题对地铁施工的破坏程度尤其严重.
因此,地铁施工期间对管线的安全控制非常重要,然而这一问题一直是多年来城市地铁施工中的难题.对于历史较久的地下管线,其周围环境的侵蚀及多年的使用损害都会造成其力学性能劣化,但劣化程度很难准确确定,进而当前力学性状难以准确描述.尤其管线节头处泄漏现象非常普遍,长久的漏水浸泡不仅对管线本身安全产生严重影响,更将相应造成其周围地层条件恶化,加大地铁施工难度及风险.已有多起事故表明,管线渗水常常导致已被扰动地层形成流砂,造成地下空洞、致使路面塌陷,而这又加剧了老化管道的破裂,最终造成管线破坏和隧道施工塌方的双重安全事故.
2.3.2 管线受力机理
隧道开挖时,土体的卸荷作用导致周边地层向隧道内位移,进而带动邻近地下管线的位移,显然,管线位移与周围土体变形一样具有明显的时效性.由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连接方式、接口材料,以及施工质量、使用年限不同而有较大的差异,因而隧道施工对管线可能造成不同形态的破坏,见图13.
地下管线可分为刚性和柔性两种.通常,刚性管
,过一定限度时则会发生断裂破坏;柔性管道受力后接头可产生近于自由转动的角度,该角度及管节中的应力小于允许值时,管道可正常使用,否则也将产生断裂或泄露.
图13 隧道施工造成地下管线破坏形态Fig.13 Differentdamagesofpipelinesduetotunneling
管线与隧道可能存在复杂的空间位置关系,选
取隧道与管线垂直和平行两种典型情况[7],对盾构隧道施工引起的管线沉降变形进行计算,并分别研究刚性管线和柔性管线破坏标准及评价方法.以文献[8]中完好的煤气铸铁管线为例分析在地层变位影响下管线的受力机理(图14).
图14 管线受力分析示意图Fig.14 Stressanalysisofpipeline
在正常情况下,埋入地下的煤气管道所受的主要负荷为内压力P1(工作压力和实验压力)、外压力P2(垂直土荷载、水平土荷载和地面活荷载),这里以S1、S2、S3分别表示埋设管线单元体的径向应力、纵向应力和环向应力.通过对3种应力的理论分析认为:
1)若管线位于隧道开挖影响范围内,管周土体将受到扰动而引起管基变位下沉(通常可认为埋设管线的地基是均匀的,管线可作为连续均匀地基上的连续梁来考虑,外压不会产生纵向应力),此时管道产生纵向弯曲效应,这种弯曲应力达到一定值将有可将管线或承口拉裂.
2)当管径比较小且埋深较浅时,纵向应力是造成管线破坏的主要因素,可只考虑由管基不均匀沉降而引起的管线纵向弯曲应力或接头开裂应力.
3)地下水管及煤气管对其轴向水平变形也非常敏感,在拉伸变形作用下,可造成管接头漏水漏气,甚至脱开;压缩变形可使接头压入而漏损,严重时压
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
57
坏接头或使管道产生裂缝.
总体上,隧道施工引起的地层变位对管线的损害仍可归纳为倾斜损害、曲率损害和水平变形损害等形式,与建筑物的情况基本类似.2.3.3 不良地质体的影响
管线出现渗漏破裂和不良地质体(主要为水囊、空洞)的形成往往是密不可分的.一方面,常因管线长期渗漏而在地层中形成水囊,或管周土体松散、填埋不实而产生较大空洞,在开挖卸载及水压力等作用下发生坍塌.另一方面,这些不良地质体也反作用于管线,使其支承条件进一步恶化,增大受力超限、发生变形破坏甚至断裂的安全风险.2.4 工程施工管理不力事故
城市地铁工程与其他工程项目相比,会遇到更多更复杂的决策、管理和组织问题,安全事故隐患在施工现场几乎无处不在.而施工管理工作涉及到地铁施工的方方面面,若没有完善的管理制度、强大的监管力度,再加上施工人员疏忽麻痹则极易突发事故.目前地铁施工管理方面涉及到的深层问题主要表现在两方面:
1)管理人员经验不足,北京地铁空前的大规模建设使得施工经验丰富的技术人员相对紧缺,从根本上造成了管理上的很多盲区.
2)项目管理层及施工人员时有侥幸心理,在判断不准的情况下,通常是削弱而不是加强技术措施,甚至发生很多常规施工不应有的事故.2.5 施工设备及操作过失事故
由于地铁建设队伍众多,施工设备及技术水平难免参差不齐,施工设备差、操作技术水平低的队伍在施工中更容易发生安全事故,这在北京地铁施工中是较为普遍的.
城市地铁工程赋存于高风险的地质条件和城市环境中,其致险因子多而复杂,一旦其中某个环节出现问题,就有可能引发各类事故.上述5种事故原因几乎涵盖了城市地铁施工安全事故的各种类型,但实际中很多事故无法单纯归因于某一种,往往是多种因素共同作用的结果.
北京地铁施工方法及工程结构自身复杂、施工难度大,这也是事故多发的重要原因.由于全面采用明挖、暗挖和盾构等多种不同方法施工,所发生事故的特点和类型也随之不同,其中暗挖施工受地层条件和周边环境的影响更为突出、风险更大.
针对各类事故制定有效的防治对策,就可为工程建设各个阶段、各个方面的安全提供保障.3.1 防控地层过量变形
主要措施包括:①在勘察阶段详细把握工程地
质及水文地质资料,是减少安全事故的前提;②在设计阶段对围岩稳定性准确判释、合理加强支护措施,是降低事故发生的有效保证;③在施工阶段谨慎选择施工方法、重视加强初支力度,以满足围岩稳定的要求,这对软弱围岩隧道施工尤为重要;④结合现场施工安全措施的完善和施工管理的有效落实,将地层过量变形以及围岩坍塌的发生率降到最低.
有关地层变形控制的几个重要问题值得探讨:
1)制定科学合理的地层变形控制标准已迫在眉睫.目前,对于浅埋暗挖地铁施工地表沉降30mm的单一控制标准已不能满足施工要求,在一定程度上制约了工程建设的发展.通过对北京新建地铁12个浅埋暗挖区间、7个浅埋暗挖车站地表沉降值的调研及统计分析,结果表明,需要对原有标准进行适当调整和修正,使之更加科学合理.
图15、图16表明,大多数暗挖区间隧道的地表
图15 暗挖地铁区间隧道地表沉降分布频率图
Fig.15 Frequencystatisticalchartofgroundsettlementinshallowtunnelconstruction
图16 暗挖地铁车站地表沉降分布频率图Fig.16 Frequencystatisticalchartofgroundsettlement
insubwayconstruction
沉降值在20～60mm范围内,55%以上的地表沉降值超过了30mm;大多数暗挖车站地表沉降值在30～100mm之间;总体地表沉降值共约有96.7%以上的比例超过了30mm的控制标准.在此统计结果基础上,王梦恕、张顶立等通过研究,提出在一般情况
3 事故防治对策
58
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
下,将地铁暗挖车站和区间的地表沉降控制标准分别调整为60mm和40mm,这在满足施工和周边环境要求的前提下反映了目前我国各种工程条件和现有施工能力的平均水平,较为经济合理.当然,地表沉降控制标准不能一概而论,对于特殊地质条件和特殊工程环境下,应根据地铁及施工环境(建筑物、管线等)状态进行专项分析,以最大程度确保地表和周边建(构)筑物安全.
2)不同地层变形模式存在较大差异,相应的控制原则和技术措施也不同.在具备合理控制标准基础上,结合具体地层条件和施工方案采取相应控制措施.
3)地表及深部地层变形,以及施工影响范围内的结构如地下管线、地表建(构)筑物等的变形是密切相关的,彼此之间存在着复杂的相互作用关系,这一问题仍须深入研究.
4)即使在已经出现地层过大变形的情况下,只要施工及有关监管各方措施及管理执行到位,坍塌事故可以在一定程度上加以规避或减轻.3.2 积极有效应对不良地质体
如前所述,不良地质体的分布具有随机性和隐蔽性,不易预知和探明,往往在事故发生后才得以揭露.而且由于其不可预见性,施工中突然遭遇不良地质体往往猝不及防,从而造成更为严重的破坏后果.应对不良地质体的一般原则:①将不良地质体的预报作为超前预报的重点,在交通繁忙的闹市区对地层中水体水带分布、空洞及异常区进行重点探测,以事先杜绝风险源;②对地质异常区派专人定期巡查,以便及时发现问题及时处理;③暗挖施工前尤其要对结构上方空洞及地质异常区进行处理,保证暗挖施工安全;④加强监控量测对施工的指导作用,使量测数据发挥实效;⑤出现险情后及时疏导并迅速启动应急预案,最大限度地降低事故损失.
对工前探测得到的不良地质体及早处理,对于可能成为地铁施工安全隐患的空洞、水囊要排水后进行回填和注浆,对于一些特殊地质体结构(如具有文物价值的4号线西四元大都下水道)则要特殊对待.对于一些临时遭遇的不良地质体,应尽快准确判断其性质和规模,根据地铁施工的实际情况采取有效措施及时治理.
3.3 加强地下管线的调查及变形控制
针对地铁施工中管线事故,防治的关键在于首先根据地下管线与新建地铁工程的相对位置,深入分析其与地层的相互作用,进而评估地铁施工与地1)施工前对施工场地周围邻近管线进行调查,主要包括管线使用功能、与隧道相对位置、埋深、管径、埋设年代、构造、材质、接头形式等.
2)对管线因施工产生的变形进行预测,定量掌握施工影响程度.通常采用结构模型分析法或耦合模型分析法,确定使地层变位达到最小时的最佳施工方法,同时对隧道开挖过程中管线地基变位机理和形态的正确预测.
3)以管线的安全为目标,制定科学合理的管线控制标准,目前主要有管线变形控制标准、管节受弯应力控制标准和管接缝张开值控制标准等.实际中应根据各管网线路的材质及可变性情况,结合地表沉陷槽分布规律进行综合考虑,尤其要对管线“递进式”的破坏模式进行深入分析,相应提出分级破坏标准,并在此基础上提出工前加固方案.
4)实施管线安全的动态控制,按照施工过程力学理论,采用变位分配原理,在既定的施工方案下,将沉降或应力控制目标进行分解,明确到每个阶段.5)施工过程中采取切实有效的监测方法,选择关键部位的重点控制指标,实施全过程监测,对监测数据实时处理并及时反馈.3.4 规范施工管理及提高现场施工技术
加强地铁施工过程管理对高质量完成地铁工程建设具有特殊的重要意义,主要从以下4个方面加强措施:
1)管理制度的完善和落实是各项施工安全的有力保证和基本前提,各级安全生产责任人和现场施工人员都应以树立安全生产意识为先.
2)施工现场的整顿清理和安全防护,及时发现和纠正存在的安全问题,尽可能消除事故隐患,鉴于北京地铁施工中曾发生数起因外界交通违规造成施工人员伤亡的惨重事故,因此必须加强施工现场的安全防范.
3)对施工机械设备进行必要的安全检查及故障排除,杜绝事故隐患.在施工中严格执行机械设备的管理与使用制度.4)重视施工人员的安全教育和技术培训.3.5 建立城市地铁建设安全风险管理体系就城市地铁建设这一领域,相对于结构本身而言,周边环境面临的安全风险更为显著[9].因此,建立城市地铁建设安全风险管理体系非常重要,主要有以下几个方面的工作:①岩土工程勘察和环境调查;②环境安全分级;③邻近建(构)筑物的现状评估;④环境影响预测和安全控制标准的制定;⑤环境
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
59
理专家决策系统.
在构建科学合理的安全风险体系的基础上,开展安全风险管理工作,以最大程度规避各类安全事故.目前,在北京、上海和广州等城市地铁工程建设中,已逐步引入了风险管理的理念和模式,取得了良好效果[10].
Works[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngi-neering,2006,2(1):13-20.(inChinese)
[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教
育出版社,2004.
WANGMengshu.TechnologyofShallowTunnelExcavation[M].Hefei:AnhuiEducationPress,2004.(inChinese)[4]彭泽瑞.北京地铁复八线土建工程施工技术[M].北京:
中国科学技术出版社,2003.
PENGZerui.ConstructionTechnologyofBeijingSubwayLineFuba[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2003.(inChinese)
[5]张成平,张顶立,王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表
塌陷分析及其控制[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3601-3608.
ZHANGChengping,ZHANGDingli,WANGMengshu.StrataDeformationPatternofFirst-StageConstructioninShenzhenSubwayUsingShallowTunnelConstructionMethod[J].RockandSoilMechanics,2006,27(supp.2):249-255.(inChi-nese)
[6]张顶立,吕勤.深圳地铁一期工程浅埋暗挖施工地层变
形模式[J].岩土力学,2006,27(增刊):249-255.ZHANGDingli,LUQin.StrataDeformationPatternofFirst-StageConstructioninShenzhenSubwayUsingShallowTunnelConstructionMethod[J].RockandSoilMechanics,2006,27(supp.):249-255.(inChinese)
[7]陈龙.城市软土盾构隧道施工期风险分析与评估研究
[D].上海:同济大学,2004.
CHENLong.RiskAnalysisandAssessmentDuringConstruc-tionofSoftSoilShieldTunnelinUrbanArea[D].Shanghai:TongjiUniversity,2004.(inChinese)
[8]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究
[D].成都:西南交通大学,2003.
WUBo.StudyofLandSubsidenceInducedbyUrbanSubwayTunnelingonComplicatedConditions[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2003.(inChinese)
[9]张顶立.城市地铁施工的环境安全风险管理[J].土木
工程学报,2005,38(增刊):5-9.
ZHANGDingli.EnvironmentalSafetyRiskManagementofUr-banSubwayConstruction[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2005,38(supp.):5-9.(inChinese)
[10]张成满,罗富荣.地铁工程建设中的环境安全风险技
术管理体系[J].都市快轨交通,2007,20(4):63-65.ZHANGChengman,LUOFurong.EnvironmentSafetyRiskManagementTechnologySystemofSubwayConstruction[J].UrbanRapidRailTransit,2007,20(4):63-65.(inChi-nese)
4 结语
1)以北京地铁为例,按事故诱因对城市地铁施工安全事故进行科学分类,主要包括:地层过量变形引起坍塌事故、不良地质体突发灾害事故、施工引发
地下管线破坏事故、工程施工管理不力事故及施工设备及操作过失事故.
2)针对各类事故提出相应防治措施:制定科学合理的控制标准、重视施工环境的调查评估、积极应对异常情况、加强施工管理、提高施工技术水平,是北京地铁乃至城市地下工程事故防控的根本.3)规范的施工技术和严格的施工管理是杜绝事故和保证安全施工的关键.实际中事故原因往往是极其复杂的,但都与施工过程中的具体环节息息相关,可以说,在各方管理、操作以及施工措施都不遗余力地严格执行到位的前提下,很多事故是完全可以避免或大大削弱的.
4)今后我国城市地铁施工仍将面临多种复杂的情况,建立健全城市地铁建设的安全风险管理制度,探索出适合于地铁建设的风险管理模式,并推广应用于各地城市地铁建设中是当前的迫切需要.参考文献:
[1]北京市轨道交通建设管理有限公司,北京交通大学隧道
及地下工程试验研究中心.北京地铁施工事故案例分析[R].北京:北京市轨道交通建设管理有限公司,北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心,2006.
BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,BeijingJiaotongUniversity.CasesAnalysisofSafetyAccidentsinBeijingSubway[R].Beijing:BeijingMTRCon-structionAdministrationCorporation,TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,BeijingJiaotongUniversity,2006.(inChinese)
[2]黄宏伟.隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展
[J].地下空间与工程学报,2006,2(1):13-20.HUANGHongwei.State-of-the-ArtoftheResearchonRiskManagementinConstructionofTunnelandUnderground
第33卷第3期北 京 交 通 大 学 学 报Vol.33No.3
文章编号:1673-0291(2009)03-0052-08
北京地铁施工安全事故分析及防治对策
侯艳娟,张顶立,李鹏飞
(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)
摘 要:当前我国城市地铁建设发展迅速,但也出现了各类施工安全事故频发的严峻事实.基于这一现状,以北京地铁近年来新建线路施工中出现的具体工程事故案例为背景,结合新建地铁的工程特点及施工难点,分析了事故发生的主要原因,通过对现有事故资料的整理分析,按其发生的主要原因分为5种类型:地层过量变形引起坍塌、不良地质体突发灾害、施工诱发地下管线破坏、工程施工管理不力、施工设备及操作技术过失引发的事故.针对每一类事故,制定相应的防治对策及方案,进而提出适合于我国城市地铁施工安全控制和风险管理的具体措施,以期为城市地铁及其他地下工程安全建设提供重要参考.
关键词:城市地铁;安全事故;原因;机理;防治对策中图分类号:U231.3 文献标志码:A
AnalysisandControlMeasuresofSafetyAccidents
inBeijingSubwayConstruction
HOUYanjuan,ZHANGDingli,LIPengfei
(TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,
BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
Abstract:Atpresenttheurbansubwayconstructionaredevelopingrapidly,whilevarioussafetyaccidentsap-pearedfrequentlyduringtheprocess.Basedonthissituationandespeciallyonthespecificaccidentcasesof
Beijingnewsubwayprojects,themainreasonsforsafetyaccidentsareanalyzedandtherelevantcontrolmea-suresareproposed.Combinedwiththeircharacteristicsanddifficulties,theaccidentscanbeclassifiedbyfivetypes:accidentscausedbystrataexcessivedeformation,suddencalamitiesinducedbythebadgeologybodies,undergroundpipelinesbeingdestroyedbyexcavationdisturbance,accidentsduetolackofconstructionman-agement,aswellasaccidentscausedbybadconstructionequipmentandfaultyoperation.Accordingly,pre-ventionandcontrolmeasuresandschemesfitforallthesetypesaresummarizedandproposed,andthentheriskmanagementsystemforurbansubwayprojectsconstructionisestablished.ThecontrolmeasuresmentionedabovehavebeenprovedsuccessfulinsomeprojectsofBeijingsubway,whichcanbetakenastheimportantreferencetoconstructionoftheurbansubwayandotherundergroundprojectsinourcountry.Keywords:urbansubway;safetyaccident;cause;mechanics;controlmeasures 城市地铁工程建设是一项复杂的高风险性系统工程,建设过程中带有很大不确定性,尤其随着地铁
建设进程的推进,新建隧道往往要近邻既有地下基础设施及地上建(构)筑物施工,必然会对其安全造
收稿日期:2008-12-25基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目([1**********]9)作者简介:侯艳娟(1982—),女,内蒙赤峰人,博士生.email::juan8082-hou@yahoo.
(1963,,江苏沛县人,,博士,
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
53
成不利影响,若控制不力则极易造成重大安全事故.
近年来在北京新建地铁工程,包括4号线、5号线、10号线(含奥运支线)及机场线的建设过程中,就曾发生过多起隧道洞内塌方、地表过度沉陷、地下管线破坏以及其他各种类型的事故(据不完全统计40余起),造成了严重后果和恶劣影响.这在留给人们惨痛教训的同时,也为我们鸣响了城市地下工程安全建设的警钟.
为深入分析城市地铁施工安全事故的发生机理,汲取深刻教训,本文作者根据多方资料,对北京新建地铁工程建设中已发生的安全事故进行归类总结,分别针对各类事故特点,采用数值计算、力学分析和统计分析等方法揭示事故机理,并提出相应的防治对策.
水管长期渗漏形成水囊,对土体长期浸泡而严重破坏土体稳定、降低土体强度,同时包含基坑周边堆载过量等人为因素的影响.
图2 熊猫环岛车站基坑坍塌现场Fig.2 FoundationpitlandslideinXIONGMAOHUANDAOStation
1 典型事故案例[1]
2003年10月8日,5号线崇文门站发生因地梁钢筋整体倾覆、死伤4人的重大事故,是一起典型的
由于管理层、作业层人员安全意识不强、执行技术标准和遵守施工纪律不严格,加上工人违章操作所造成的重大责任事故.
2005年3月15日,4号线与10号线换乘站黄庄站发生路面塌陷事故.经调查,该区域雨污水管线较多,因管线施工土体回填不密实及管线长期渗漏等原因形成较大地下空洞及水囊(图1,空洞平均深度约2.2m,洞内面积约21m2);同时施工降水和地层扰动破坏了不良地层结构的受力状态及其周围土体的稳定性,加之路面交通荷载作用,最终导致了大范围路面塌陷
.
2006年1月3日,10号线呼家楼站—光华路站
区间左线南侧掌子面突发涌水事故,而后对应地面发生坍塌,造成东三环路南向北方向部分主辅路塌陷,形成一个面积达200m2、深约17m的大坑(图3).经分析,在掌子面前上方土体受污水管线长期渗漏形成水囊及饱和水淤泥层,开挖后由于土体受力改变造成水囊及淤泥层涌水坍塌,而后污水管断裂,引发更大面积坍塌.
图3 呼—光区间坍塌事故
Fig.3 CollapseaccidentinHU-GUANGsection
2007年3月28日,10号线苏州街站东南出入口塌方事故,导致地面发生严重塌陷(图4),并造成6名工人死亡的惨重后果.
图1 造成黄庄车站严重塌陷事故的地下空洞Fig.1 Serioussubsidenceduetoundergroundcavity
inHUANGZHUANGStation
2005年11月30日,10号线熊猫环岛奥运支线
站主体基坑坍塌,由南侧开始迅速发展,最终造成基坑东、南、西侧围护桩均相继倒塌,周边电缆裸露悬空,燃气管线外露,自来水管、污水管及多根电信管线弯曲断裂(图2).坍塌范围之大、造成破坏之严
重,图4 苏州街车站东南出入口塌方事故Fig.4 CaveaccidentinSUZHOUJIEStation
以上每起事故后果都非常严重,突出反映了地
铁管理及施工人员环境意识薄弱,对周边环境和结.,
54
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
地铁工程的大规模开展,事故频发的现状仍在继续,这无疑向我国城市地铁安全建设,乃至城市地下工程的安全建设提出了巨大挑战.
先在其上方形成冒落拱(有时是松动拱),随隧道开挖范围的增大,冒落拱不断发展,在一定条件下形成某一稳定结构,即相对稳定的“拱结构”,见图6.
2 事故机理
城市地铁建设中的安全事故,既有外在因素也有内在因素,既有客观因素也有主观因素.工程
地质及水文地质条件复杂多变、周边环境复杂,以及工程结构自身复杂等,均可归结为前者.而工程设计理论及方案缺陷、建设决策及管理不力,以及操作技术水平低等则归结为后者.有鉴于此,将安全事故分为5大类型(见图5,施工管理事故包含施工管理不力及施工操作过失)
.
图6 松散地层冒落拱形态
Fig.6 Shapeofslumpingarchinloosestratum
[2-5]
浅埋暗挖隧道施工中,在掌子面开挖后、支护结
构达到强度要求前,上覆地层变位可能造成冒落拱范围扩大,当波及到砂层尤其是含水砂层时极易造成大范围涌水涌砂,此波及范围和程度取决于砂层的分布.作为地表沉降量主要来源的拱顶下沉是通过拱结构来传递的,故压力拱结构的位态在很大程
图5 主要安全事故类型分布Fig.5 Distributionofmainaccidenttypes
度上决定了地表沉降状况.
通过建立图7所示的压力拱模型并对其进行力学分析,得出如下结论[6].
通常情况下,冒落拱呈扁平状,其高度随跨度的增加而增大,因此控制地层沉降的最有效措施即是限制拱跨度的发展.由于地层结构及强度的差异性,拱顶下沉向地表的传递过程中可能经历多个“拱结构”的平衡和失稳过程,失稳直接波及到地表的拱结构为“主导”拱结构,而维持这种主导拱结构的稳定性是减小地表沉降的重要措施.
2.1 地层过量变形引起坍塌事故
地层变形和围岩失稳是城市地下工程环境风险的主要诱因,主要表现在地层的过度变形、突然变形和失稳.从细观力学角度看,隧道施工引起的地层扰动和失水等均可造成地层颗粒间结构的失稳,从而引起地层的破坏和变形.当地层变形传递到地中结构周围与其发生作用,变形量的突然增大更容易造成结构破坏,甚至出现伴生灾害和事故.地层变形对地下管线的破坏作用往往使得安全事故更为严重、影响更大.地层过量变形主要由以下原因造成:①地层自身结构松散,强度弱、均匀性差,开挖扰动极易破坏原有脆弱的稳定状态;②在含水地层中开挖使地层失水固结,从而产生较大沉降;③施工中各种原因造成土体颗粒流失,产生明显的土体损失,迫使上覆地层整体沉降;④制定的地层沉降控制标准不够合理,实施效果差.
在上述各种风险因素的驱使下,若控制措施不当、支护结构施作时机不利或刚度不足以阻止地层发生过量变形,甚至导致支护结构本身亦随之沉降,则必然会进一步加剧地层沉降规模和发展速率,导致坍塌的严重后果.
北京地区以砂卵石地层为典型,其结构松散、呈不均匀颗粒状,且孔隙比较大,粘聚力极低,这使得隧道围岩的稳定性较差,隧道顶部大块卵石剥落时
图7 压力拱受力分析Fig.7 Forceanalysisofpressurearch
2.2 不良地质体突发灾害事故
大量不良地质体的存在是北京浅埋地层的典型特征,也是北京地铁施工安全的重要风险源.施工中
已揭露的不良地质体包括空洞、水囊、暗河、建筑垃圾及其他不明构筑物,其中以空洞、水囊更为普遍和典型,其成因也较为复杂.空洞形成的原因主要有:①,,
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
55
行回填后未回填密实而形成空洞;②管道渗漏水,在长期冲刷作用下管道周围(特别是砂层中)形成空洞;③地下工程施工回填不密实形成空洞;④地层本身(砂层为主)受外界扰动,经长期作用压密固结而在周围形成空洞.
既有施工实践表明,空洞对地层稳定及隧道施工的影响通常可分为以下几种模式,并相应具有不同作用机理.
1)对于离地铁隧道有一定距离的单一空洞,若在地铁施工过程中保持相对稳定或是自身规模较小,则一般不会造成太大影响.2)若空洞距离隧道较近,在施工中由于地层被扰动而导致其显著扩展,当扩展到一定程度时则会丧失稳定性,进而引起地层变形突增,大大增加地铁隧道施工风险.
3)当地层中存在空洞群时,施工扰动使其连通而重新成为一个大型空洞,这对地层变形和地铁施工的影响会非常大,一旦造成事故往往后果很严重.4)有相当一部分空洞是由于管线施工回填不密实、管线渗漏水等因素造成的,所以对于附近存在管线的地层空洞,其失稳必然会对管线的安全构成威胁,破坏性不容忽视.
以北京地铁4号线黄庄站为例,通过数值模拟预测空洞的不同位置、大小和形状对地表沉降的影响.图8中1、2、3号空洞均为直径2m的圆形,分别位于隧道正上方、斜上方45°和正右侧且距隧道结构均为2.5m.计算结果见图9至图12
.
响极大;③相对而言,空洞的形状对于地表沉降的影响不大,大体为扁平形状比竖长形状更有利.
图9 不同位置单一空洞地表沉降图Fig.9 Surfacesettlementchartofdifferentsinglecavity
图10 不同大小空洞地表沉降图(以洞2为例)Fig.10 Surfacesettlementchartofdifferentcavitysizes
图11 不同距离空洞地表沉降图(以洞2为例)
Fig.11 Surfacesettlementchartof
differentcavitydistances
图8 模型图Fig.8 Modelmesh
由以上计算分析可得到以下规律:①空洞的存在对原有地层的沉降影响较为明显,随空洞从隧道顶部到侧方的位置变化,地表沉降逐渐增大,模型中3号空洞对应的地表沉降最大;②空洞距离隧道越远对地层和隧道的影响越小,而在同一位置处,随洞径增大,地表沉降明显增大,当洞径增至4m时,地表沉降已处于失控状态(达到120mm),这极有可能是由于施工扰动使原有空洞群连通为大型空洞、或
图12 不同形状空洞地表沉降图(以洞1为例)Fig.12 Surfacesettlementchartofdifferentcavityforms
综上,与一般地层情况相比,有空洞存在时,隧道施工风险更为突出,究其本质是空洞破坏了地层
结构的均匀性,弱化了地层自身强度和抗变形能力.在隧道开挖时其自身变形或失稳坍塌与地层应有沉降的叠加,是最终导致隧道施工事故急剧恶化的根.
56
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
对于地层中的水囊,一般有两种类型:一种是由富水松散地层因地下水长期积存而形成,另一种则与空洞密切相关:当地层中既有空洞因邻近管线渗漏、地下水汇聚、地表绿化带灌溉或降雨入渗等原因充填一定量的水时则形成水囊.水囊的存在较之空洞会给地铁施工带来更大安全隐患,主要导致隧道内并发坍塌和涌水灾害.2.3 施工引发地下管线破坏事故2.3.1 事故原因
城市地层中各种管线交错密集、分布复杂,不可避免受到地铁施工影响.以北京地铁4号和10号线交叉站黄庄站为例,车站结构施工范围内有56条管线,且分属单位近20家之多,其施工复杂程度可见一斑.北京地铁新建工程建设中频频遭遇地下管线问题,管线破坏或断裂的安全事故时有发生,其原因主要有以下方面:①隧道施工前对管线准确位置、自身状况等具体信息调查不详、资料欠缺;②现行的管线管理及保护制度和措施尚存在很多缺陷,甚至出现过在未准确落实现场管线情况前就盲目施工的情况;③大量不明管线存在于密布复杂的地下管网中,部分年久失修甚至洇渗严重,对周围土层的密实性及稳定性产生了极大影响,这类问题对地铁施工的破坏程度尤其严重.
因此,地铁施工期间对管线的安全控制非常重要,然而这一问题一直是多年来城市地铁施工中的难题.对于历史较久的地下管线,其周围环境的侵蚀及多年的使用损害都会造成其力学性能劣化,但劣化程度很难准确确定,进而当前力学性状难以准确描述.尤其管线节头处泄漏现象非常普遍,长久的漏水浸泡不仅对管线本身安全产生严重影响,更将相应造成其周围地层条件恶化,加大地铁施工难度及风险.已有多起事故表明,管线渗水常常导致已被扰动地层形成流砂,造成地下空洞、致使路面塌陷,而这又加剧了老化管道的破裂,最终造成管线破坏和隧道施工塌方的双重安全事故.
2.3.2 管线受力机理
隧道开挖时,土体的卸荷作用导致周边地层向隧道内位移,进而带动邻近地下管线的位移,显然,管线位移与周围土体变形一样具有明显的时效性.由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连接方式、接口材料,以及施工质量、使用年限不同而有较大的差异,因而隧道施工对管线可能造成不同形态的破坏,见图13.
地下管线可分为刚性和柔性两种.通常,刚性管
,过一定限度时则会发生断裂破坏;柔性管道受力后接头可产生近于自由转动的角度,该角度及管节中的应力小于允许值时,管道可正常使用,否则也将产生断裂或泄露.
图13 隧道施工造成地下管线破坏形态Fig.13 Differentdamagesofpipelinesduetotunneling
管线与隧道可能存在复杂的空间位置关系,选
取隧道与管线垂直和平行两种典型情况[7],对盾构隧道施工引起的管线沉降变形进行计算,并分别研究刚性管线和柔性管线破坏标准及评价方法.以文献[8]中完好的煤气铸铁管线为例分析在地层变位影响下管线的受力机理(图14).
图14 管线受力分析示意图Fig.14 Stressanalysisofpipeline
在正常情况下,埋入地下的煤气管道所受的主要负荷为内压力P1(工作压力和实验压力)、外压力P2(垂直土荷载、水平土荷载和地面活荷载),这里以S1、S2、S3分别表示埋设管线单元体的径向应力、纵向应力和环向应力.通过对3种应力的理论分析认为:
1)若管线位于隧道开挖影响范围内,管周土体将受到扰动而引起管基变位下沉(通常可认为埋设管线的地基是均匀的,管线可作为连续均匀地基上的连续梁来考虑,外压不会产生纵向应力),此时管道产生纵向弯曲效应,这种弯曲应力达到一定值将有可将管线或承口拉裂.
2)当管径比较小且埋深较浅时,纵向应力是造成管线破坏的主要因素,可只考虑由管基不均匀沉降而引起的管线纵向弯曲应力或接头开裂应力.
3)地下水管及煤气管对其轴向水平变形也非常敏感,在拉伸变形作用下,可造成管接头漏水漏气,甚至脱开;压缩变形可使接头压入而漏损,严重时压
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
57
坏接头或使管道产生裂缝.
总体上,隧道施工引起的地层变位对管线的损害仍可归纳为倾斜损害、曲率损害和水平变形损害等形式,与建筑物的情况基本类似.2.3.3 不良地质体的影响
管线出现渗漏破裂和不良地质体(主要为水囊、空洞)的形成往往是密不可分的.一方面,常因管线长期渗漏而在地层中形成水囊,或管周土体松散、填埋不实而产生较大空洞,在开挖卸载及水压力等作用下发生坍塌.另一方面,这些不良地质体也反作用于管线,使其支承条件进一步恶化,增大受力超限、发生变形破坏甚至断裂的安全风险.2.4 工程施工管理不力事故
城市地铁工程与其他工程项目相比,会遇到更多更复杂的决策、管理和组织问题,安全事故隐患在施工现场几乎无处不在.而施工管理工作涉及到地铁施工的方方面面,若没有完善的管理制度、强大的监管力度,再加上施工人员疏忽麻痹则极易突发事故.目前地铁施工管理方面涉及到的深层问题主要表现在两方面:
1)管理人员经验不足,北京地铁空前的大规模建设使得施工经验丰富的技术人员相对紧缺,从根本上造成了管理上的很多盲区.
2)项目管理层及施工人员时有侥幸心理,在判断不准的情况下,通常是削弱而不是加强技术措施,甚至发生很多常规施工不应有的事故.2.5 施工设备及操作过失事故
由于地铁建设队伍众多,施工设备及技术水平难免参差不齐,施工设备差、操作技术水平低的队伍在施工中更容易发生安全事故,这在北京地铁施工中是较为普遍的.
城市地铁工程赋存于高风险的地质条件和城市环境中,其致险因子多而复杂,一旦其中某个环节出现问题,就有可能引发各类事故.上述5种事故原因几乎涵盖了城市地铁施工安全事故的各种类型,但实际中很多事故无法单纯归因于某一种,往往是多种因素共同作用的结果.
北京地铁施工方法及工程结构自身复杂、施工难度大,这也是事故多发的重要原因.由于全面采用明挖、暗挖和盾构等多种不同方法施工,所发生事故的特点和类型也随之不同,其中暗挖施工受地层条件和周边环境的影响更为突出、风险更大.
针对各类事故制定有效的防治对策,就可为工程建设各个阶段、各个方面的安全提供保障.3.1 防控地层过量变形
主要措施包括:①在勘察阶段详细把握工程地
质及水文地质资料,是减少安全事故的前提;②在设计阶段对围岩稳定性准确判释、合理加强支护措施,是降低事故发生的有效保证;③在施工阶段谨慎选择施工方法、重视加强初支力度,以满足围岩稳定的要求,这对软弱围岩隧道施工尤为重要;④结合现场施工安全措施的完善和施工管理的有效落实,将地层过量变形以及围岩坍塌的发生率降到最低.
有关地层变形控制的几个重要问题值得探讨:
1)制定科学合理的地层变形控制标准已迫在眉睫.目前,对于浅埋暗挖地铁施工地表沉降30mm的单一控制标准已不能满足施工要求,在一定程度上制约了工程建设的发展.通过对北京新建地铁12个浅埋暗挖区间、7个浅埋暗挖车站地表沉降值的调研及统计分析,结果表明,需要对原有标准进行适当调整和修正,使之更加科学合理.
图15、图16表明,大多数暗挖区间隧道的地表
图15 暗挖地铁区间隧道地表沉降分布频率图
Fig.15 Frequencystatisticalchartofgroundsettlementinshallowtunnelconstruction
图16 暗挖地铁车站地表沉降分布频率图Fig.16 Frequencystatisticalchartofgroundsettlement
insubwayconstruction
沉降值在20～60mm范围内,55%以上的地表沉降值超过了30mm;大多数暗挖车站地表沉降值在30～100mm之间;总体地表沉降值共约有96.7%以上的比例超过了30mm的控制标准.在此统计结果基础上,王梦恕、张顶立等通过研究,提出在一般情况
3 事故防治对策
58
北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷
下,将地铁暗挖车站和区间的地表沉降控制标准分别调整为60mm和40mm,这在满足施工和周边环境要求的前提下反映了目前我国各种工程条件和现有施工能力的平均水平,较为经济合理.当然,地表沉降控制标准不能一概而论,对于特殊地质条件和特殊工程环境下,应根据地铁及施工环境(建筑物、管线等)状态进行专项分析,以最大程度确保地表和周边建(构)筑物安全.
2)不同地层变形模式存在较大差异,相应的控制原则和技术措施也不同.在具备合理控制标准基础上,结合具体地层条件和施工方案采取相应控制措施.
3)地表及深部地层变形,以及施工影响范围内的结构如地下管线、地表建(构)筑物等的变形是密切相关的,彼此之间存在着复杂的相互作用关系,这一问题仍须深入研究.
4)即使在已经出现地层过大变形的情况下,只要施工及有关监管各方措施及管理执行到位,坍塌事故可以在一定程度上加以规避或减轻.3.2 积极有效应对不良地质体
如前所述,不良地质体的分布具有随机性和隐蔽性,不易预知和探明,往往在事故发生后才得以揭露.而且由于其不可预见性,施工中突然遭遇不良地质体往往猝不及防,从而造成更为严重的破坏后果.应对不良地质体的一般原则:①将不良地质体的预报作为超前预报的重点,在交通繁忙的闹市区对地层中水体水带分布、空洞及异常区进行重点探测,以事先杜绝风险源;②对地质异常区派专人定期巡查,以便及时发现问题及时处理;③暗挖施工前尤其要对结构上方空洞及地质异常区进行处理,保证暗挖施工安全;④加强监控量测对施工的指导作用,使量测数据发挥实效;⑤出现险情后及时疏导并迅速启动应急预案,最大限度地降低事故损失.
对工前探测得到的不良地质体及早处理,对于可能成为地铁施工安全隐患的空洞、水囊要排水后进行回填和注浆,对于一些特殊地质体结构(如具有文物价值的4号线西四元大都下水道)则要特殊对待.对于一些临时遭遇的不良地质体,应尽快准确判断其性质和规模,根据地铁施工的实际情况采取有效措施及时治理.
3.3 加强地下管线的调查及变形控制
针对地铁施工中管线事故,防治的关键在于首先根据地下管线与新建地铁工程的相对位置,深入分析其与地层的相互作用,进而评估地铁施工与地1)施工前对施工场地周围邻近管线进行调查,主要包括管线使用功能、与隧道相对位置、埋深、管径、埋设年代、构造、材质、接头形式等.
2)对管线因施工产生的变形进行预测,定量掌握施工影响程度.通常采用结构模型分析法或耦合模型分析法,确定使地层变位达到最小时的最佳施工方法,同时对隧道开挖过程中管线地基变位机理和形态的正确预测.
3)以管线的安全为目标,制定科学合理的管线控制标准,目前主要有管线变形控制标准、管节受弯应力控制标准和管接缝张开值控制标准等.实际中应根据各管网线路的材质及可变性情况,结合地表沉陷槽分布规律进行综合考虑,尤其要对管线“递进式”的破坏模式进行深入分析,相应提出分级破坏标准,并在此基础上提出工前加固方案.
4)实施管线安全的动态控制,按照施工过程力学理论,采用变位分配原理,在既定的施工方案下,将沉降或应力控制目标进行分解,明确到每个阶段.5)施工过程中采取切实有效的监测方法,选择关键部位的重点控制指标,实施全过程监测,对监测数据实时处理并及时反馈.3.4 规范施工管理及提高现场施工技术
加强地铁施工过程管理对高质量完成地铁工程建设具有特殊的重要意义,主要从以下4个方面加强措施:
1)管理制度的完善和落实是各项施工安全的有力保证和基本前提,各级安全生产责任人和现场施工人员都应以树立安全生产意识为先.
2)施工现场的整顿清理和安全防护,及时发现和纠正存在的安全问题,尽可能消除事故隐患,鉴于北京地铁施工中曾发生数起因外界交通违规造成施工人员伤亡的惨重事故,因此必须加强施工现场的安全防范.
3)对施工机械设备进行必要的安全检查及故障排除,杜绝事故隐患.在施工中严格执行机械设备的管理与使用制度.4)重视施工人员的安全教育和技术培训.3.5 建立城市地铁建设安全风险管理体系就城市地铁建设这一领域,相对于结构本身而言,周边环境面临的安全风险更为显著[9].因此,建立城市地铁建设安全风险管理体系非常重要,主要有以下几个方面的工作:①岩土工程勘察和环境调查;②环境安全分级;③邻近建(构)筑物的现状评估;④环境影响预测和安全控制标准的制定;⑤环境
第3期 侯艳娟等:北京地铁施工安全事故分析及防治对策
59
理专家决策系统.
在构建科学合理的安全风险体系的基础上,开展安全风险管理工作,以最大程度规避各类安全事故.目前,在北京、上海和广州等城市地铁工程建设中,已逐步引入了风险管理的理念和模式,取得了良好效果[10].
Works[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngi-neering,2006,2(1):13-20.(inChinese)
[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教
育出版社,2004.
WANGMengshu.TechnologyofShallowTunnelExcavation[M].Hefei:AnhuiEducationPress,2004.(inChinese)[4]彭泽瑞.北京地铁复八线土建工程施工技术[M].北京:
中国科学技术出版社,2003.
PENGZerui.ConstructionTechnologyofBeijingSubwayLineFuba[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2003.(inChinese)
[5]张成平,张顶立,王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表
塌陷分析及其控制[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3601-3608.
ZHANGChengping,ZHANGDingli,WANGMengshu.StrataDeformationPatternofFirst-StageConstructioninShenzhenSubwayUsingShallowTunnelConstructionMethod[J].RockandSoilMechanics,2006,27(supp.2):249-255.(inChi-nese)
[6]张顶立,吕勤.深圳地铁一期工程浅埋暗挖施工地层变
形模式[J].岩土力学,2006,27(增刊):249-255.ZHANGDingli,LUQin.StrataDeformationPatternofFirst-StageConstructioninShenzhenSubwayUsingShallowTunnelConstructionMethod[J].RockandSoilMechanics,2006,27(supp.):249-255.(inChinese)
[7]陈龙.城市软土盾构隧道施工期风险分析与评估研究
[D].上海:同济大学,2004.
CHENLong.RiskAnalysisandAssessmentDuringConstruc-tionofSoftSoilShieldTunnelinUrbanArea[D].Shanghai:TongjiUniversity,2004.(inChinese)
[8]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究
[D].成都:西南交通大学,2003.
WUBo.StudyofLandSubsidenceInducedbyUrbanSubwayTunnelingonComplicatedConditions[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2003.(inChinese)
[9]张顶立.城市地铁施工的环境安全风险管理[J].土木
工程学报,2005,38(增刊):5-9.
ZHANGDingli.EnvironmentalSafetyRiskManagementofUr-banSubwayConstruction[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2005,38(supp.):5-9.(inChinese)
[10]张成满,罗富荣.地铁工程建设中的环境安全风险技
术管理体系[J].都市快轨交通,2007,20(4):63-65.ZHANGChengman,LUOFurong.EnvironmentSafetyRiskManagementTechnologySystemofSubwayConstruction[J].UrbanRapidRailTransit,2007,20(4):63-65.(inChi-nese)
4 结语
1)以北京地铁为例,按事故诱因对城市地铁施工安全事故进行科学分类,主要包括:地层过量变形引起坍塌事故、不良地质体突发灾害事故、施工引发
地下管线破坏事故、工程施工管理不力事故及施工设备及操作过失事故.
2)针对各类事故提出相应防治措施:制定科学合理的控制标准、重视施工环境的调查评估、积极应对异常情况、加强施工管理、提高施工技术水平,是北京地铁乃至城市地下工程事故防控的根本.3)规范的施工技术和严格的施工管理是杜绝事故和保证安全施工的关键.实际中事故原因往往是极其复杂的,但都与施工过程中的具体环节息息相关,可以说,在各方管理、操作以及施工措施都不遗余力地严格执行到位的前提下,很多事故是完全可以避免或大大削弱的.
4)今后我国城市地铁施工仍将面临多种复杂的情况,建立健全城市地铁建设的安全风险管理制度,探索出适合于地铁建设的风险管理模式,并推广应用于各地城市地铁建设中是当前的迫切需要.参考文献:
[1]北京市轨道交通建设管理有限公司,北京交通大学隧道
及地下工程试验研究中心.北京地铁施工事故案例分析[R].北京:北京市轨道交通建设管理有限公司,北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心,2006.
BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,BeijingJiaotongUniversity.CasesAnalysisofSafetyAccidentsinBeijingSubway[R].Beijing:BeijingMTRCon-structionAdministrationCorporation,TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,BeijingJiaotongUniversity,2006.(inChinese)
[2]黄宏伟.隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展
[J].地下空间与工程学报,2006,2(1):13-20.HUANGHongwei.State-of-the-ArtoftheResearchonRiskManagementinConstructionofTunnelandUnderground