地铁施工中超前地质预报技术运用的必要性分析

2014-05-07张道金

铁道勘察 2014年2期

张道金

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

同山岭隧道相比，地铁隧道由于其所处位置和所起功能的明显差异，勘察时执行《城市轨道交通岩土工程勘察规范》，与执行《铁路工程地质勘察规范》的山岭隧道勘察精度差异巨大，施工时是否需要进行超前地质预报，业内意见分歧较大。通过对山岭隧道和地铁隧道的勘察、设计、施工、投资、事故风险等多方面对比分析，论述超前地质预报技术在地铁施工中是否具有必要性，供借鉴参考。

1 山岭铁路隧道施工中超前地质预报手段的运用

1.1 超前地质预报方法

隧道超前地质预报就是在分析既有资料的基础上，采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测，分析判释及预报，并提出技术措施建议。通过超前地质预报工作，可以及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数，为优化隧道施工组织，制定施工安全应急预案，控制工程变更设计提供依据，有效规避工程建设风险。

超前地质预报方法主要有地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法。不同的超前地质预报方法所能够探测的距离有一定的差别，预报长度100 m以上的为长距离预报，主要方法有地质调查法、地震波反射法和(100 m以上的)超前钻探法;预报长度30～100 m的为中长距离预报，主要方法有地质调查法、地震波反射法和(30～100 m的)超前钻探法;预报长度30 m以内的为短距离预报，主要方法有地质调查法、地震波反射法、电磁波发射法(地质雷达探测)、红外探测和(小于30 m的)超前钻探法等［1］。

1.2 超前地质预报内容

应根据隧道地质复杂程度分级和预报对象特征，选定一种或多种预报方法，按编制的超前地质预报大纲实施。超前地质预报主要预报内容包括以下四方面。

(1)地层岩性:对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土等的预报。预知开挖面前方的地层和围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，及时提供资料修改设计，调整支护类型等。

(2)断层及破碎带:对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预报。预知构造的位置、宽度、产状、性质，以及是否充填、充水等，判断其稳定程度，提出施工对策。

(3)不良地质及灾害地质:对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预报。预知开挖面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，查明其范围、规模、性质，提出施工建议措施。

(4)地下水特征:对岩溶管道水及富水断层、褶皱和裂隙等发育情况的预报。预知洞内涌(突)水量的大小及其变化规律，评价其对环境地质、水文地质的影响，提出施工建议措施［2］。

2 地铁隧道与山岭铁路隧道的差异

2.1 勘察手段及精度的差异

通常山岭铁路隧道岩土工程勘察需要执行《铁路工程地质勘察规范》，在地质调绘的基础上，采用物探、钻探和试验等综合勘探方法，分析隧道的工程地质和水文地质条件，合理确定隧道的围岩分级。地铁隧道岩土工程勘察需要执行《城市轨道交通岩土工程勘察规范》，应采用勘探与原位测试、室内试验，辅以工程地质调绘、工程物探的综合勘察方法，分析隧道的工程地质和水文地质条件，合理确定隧道的围岩分级、岩土施工工程分级，提出隧道开挖、围岩加固及初期支护等可能出现的岩土工程问题，提供隧道围岩加固、初期支护和衬砌设计与施工所需的岩土参数。二者执行不同的勘察规范，勘察精度要求差异较大，见表1。

表1 山岭铁路隧道与地铁隧道勘探精度对比

2.2 设计和投资理念的差异

山岭隧道作为铁路线路的有机组成部分，其重点是满足铁路客货列车较高速度平稳通行，降低或消除外界环境因素对客货列车运行的干扰。一般情况下，其处于城市之外或者人烟、构筑物稀少区域，列车对环境的影响不大，设计理念上更多考虑的是环境稳定对列车的影响，在能够保证正常通行情况下，以经济合理的价格进行建造。由于其主要功能是穿越山岭，相对围岩条件较好，地下水富水情况较差，围岩分级Ⅲ～Ⅳ为主，目前平均造价大约为每公里6 000万［5］。

地铁隧道作为城市交通体系的重要组成部分，身处人员拥挤、构筑物密集的城市地下，不仅需要考虑环境稳定对其的影响，还需要充分考虑其本身正常运行和不能正常运行对环境的反作用。在施工、运营过程中一旦出现坍塌和地面沉降事故，不仅对工程本身产生严重的影响，还将连带引起如地面人身伤亡、地面交通阻断、建筑物沉降倾斜等第三方责任损失，其后果远比山岭隧道严重和复杂的多。设计理念上需要充分考虑环境和列车的相互作用，在确保双方安全的条件下合理建造，一般工程设计措施较强，造价较昂贵。根据我国情况，地铁隧道大多位于土层、岩层风化层或岩土分界面附近，地层结构松散，地下水丰富，围岩分级Ⅴ～Ⅵ为主，目前平均造价每公里超过1.0亿元。

2.3 施工方法的差异

隧道施工方法的选择应根据环境条件、地质条件、断面大小、埋深、结构形式、隧道长度、设备配置、工期要求、经济效益以及环境保护等因素综合确定。山岭铁路隧道主要采用钻爆法施工，根据需要选择全断面法、台阶法、中隔壁法或双侧壁导坑法。当穿越断层破碎带、软弱围岩段，或富水、浅埋等地段时，根据围岩情况、施工方法和机械配置，选择地表或洞内的一种或数种辅助加固处理措施。

地铁施工方法的确定除需要考虑山岭隧道的所有因素外，还需要考虑地面建筑、城市道路交通、地下管线和文物保护等。经过40年的发展，我国地铁修建方法已由最初的明挖法发展到现在的明挖法、盖挖法和暗挖法等多种方法并存，暗挖法得到进一步拓展和深化，钻爆法、盾构法、浅埋暗挖法、顶管法、沉管法等相继涌现，施工技术不断发展提高，已初步形成了专门的学科体系。

3 城市地铁施工安全事故特征分析

通过对2003年以来收集到的126起施工安全事故案例的分析、整理和归类，发现其规律为:按日划分，一天的凌晨、10:00、17:00三个时段发生概率大;按月划分，一年中的1月、7月偏高;按施工工法统计，则是明挖法、盾构法占到80%以上，按《企业职工伤亡事故分类标准(UDC658.382GB)》，坍塌事故发生频率最高，超过所有事故总和的一半以上。

坍塌事故就是建筑物、构造物、堆置物、土石方等，因设计、堆置、摆放或施工不合理而发生倒塌造成伤害的事故。坍塌事故主要分为以下类别:深基坑(槽)施工中的土石方坍塌，拆除过程中的坍塌，模板、支撑失稳引起的坍塌，脚手架坍塌，大型起重机械安、拆装过程中引起的坍塌，暗挖施工中造成路面及周围建筑物坍塌。统计表明:深基坑(槽)施工中土石方坍塌的事故数量最多，其次是暗挖和盾构施工中造成路面、周围建筑物坍塌，以及模板、支持失稳引起的坍塌［6－7］。

坍塌事故的区域分布特征表明，复杂的岩土结构、松散和软弱地层、丰富的地下水是其产生的重要原因之一(见表2)，但和地质资料不准确不存在必然联系。对于浅埋地铁隧道，分布无规律、成因复杂的空洞、水囊、暗河、建筑垃圾及其他不明构筑物也是施工的重要风险源［8］，在北京、昆明、广州、南京等地的地铁暗挖施工坍塌事故中均不同程度显现。

表2 典型城市地铁坍塌事故分析

4 地铁施工中采用超前地质预报的必要性分析

4.1 地质勘察精度方面

通常地铁隧道为两根单线，需要进行沿线路两侧交叉布置的勘探，间距根据场地的复杂程度综合确定，一般为20～50 m;在洞口、陡坡段、大断面、异形断面、工法变化等部位，以及联络通道、渡线、施工竖井等有勘探点控制，并布设剖面;还应进行重点地段的物探、沿线管线探测工作等;基本能够查明沿线的地层结构分布、不良地质发育和地下水变化特征，提供相对准确的地质资料。从勘探点的密度和分布来说，已经能够满足中长距离“点状”的超前地质预报精度，不再需要进行隧道施工超前地质预报工作。

但是，对于分布规律性不强、易引起地铁施工事故的空洞、水囊、渗漏、建筑垃圾及其他不明构筑物的调查，需要给予充分的重视，特别是浅埋暗挖隧道，应确保施工前的地面调查、物理勘探的验证和评审工作。

当由于地面交通、构筑物或其他环境原因造成勘察精度不能满足《城市轨道交通岩土工程勘察规范》的要求时，应具体分析，必要时应进行洞内的超前地质预报工作。

4.2 超前地质预报的作用方面

超前地质预报主要是对地层岩性、断层及破碎带、不良地质及灾害地质、地下水特征四个方面的预报，避免突水、突泥、涌沙等地质灾害，根据围岩条件和地下水特征变化及时修改设计和支护措施。

目前我国地铁隧道纵断面位置大多位于浅层的土层、岩层风化层和岩土分界面附近，地层软弱、结构松散、压缩性高、灵敏性高、强度低、自稳性差，易产生蠕动现象。

设计中一般已经充分考虑周围地理环境和工程地质、水文地质环境的影响，采取了地面超前加固和洞内支撑的合理措施，通过超前地质预报预测地层结构的变化、破碎带发育、不良地质和灾害地质及地下水的作用效果不明显。

4.3 地铁隧道施工工艺方面

目前隧道最常用的施工方法为明挖法和盾构法。通常在地面条件允许的情况下，明挖法以其施工技术简单、快速、经济的优点而被用为首选方案;而盾构工法也以其机械化程度高、对环境干扰少、地层适应性强的特点，自20世纪80年代以来得到极快发展［9］。

明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计高程后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回填基坑或恢复地面的施工方法。施工过程中对地质资料揭示彻底，能够根据地层的变化情况及时调整和修正设计，不需要额外进行地质超前预报工作。

盾构法是使用盾构机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法，盾构前端为既可以支承地层压力又可以在地层中推进的钢筒保护结构，刀盘旋转施工时工作面与腔室封闭隔离。由于盾构施工机械化和全程封闭的特点，以及在复杂、软弱、松散地层应平稳匀速通过的要求，超前地质预报不便于实施，其重点是准确的计算排土体积和监测开挖断面，快速、合理注浆充填，控制地面沉降。

在重庆、青岛等城市处于坚硬岩石地层中修建地铁时，围岩分级以Ⅲ～Ⅳ为主［10］，通常采用钻爆法开挖、喷锚支护，与常规的山岭隧道相当，当勘察精度不能满足《城市轨道交通岩土工程勘察规范》的要求时，应按《铁路隧道超前地质预报技术指南》的要求，采用地质调查法、TSP为主的超前地质预报工作。