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1、全与铁路运输生产的正常进行。本工程竣工交付使用至今已 4年多,在施工期间及质量回访的多次沉降观测中,与工程紧邻的既有铁路桥没有发生任何沉降等异常现象,表明施工没有对既有桥基造成不利影响;?、?、?轴桩基与整个工程桩基础协调一致,实地观测基本没有发生沉降,库内桁吊行走平稳,使用正常。表明本基础处理方法切实可行,是较成功的基础处理方案。参考文献 1?GB50202?2002?建筑地基基础工程施工质量验收规范 S 3?YBJ233?1991?钢管桩施工技术规程 S 4?J G J94?94?建筑桩基础技术规范 S收稿日期:2007-10-21第一作者简介:周刘刚(1981?),男,2003年毕业于长
2、安大学隧道与地下工程专业,工程师。城市地铁及地下工程施工环境安全风险评估与控制周刘刚1?王海祥2(1?中铁工程设计咨询集团有限公司,北京?100020;2?铁道第一勘察设计院,陕西西安?710043)Evaluation and Control on Environmental Safety Risk in ConstructionofUrbanMetro and Underground EngineeringZhou Liugang?Wang Haixiang?摘?要?结合地铁及地下工程建设环境安全风险管理现状,介绍了地铁施工安全风险源分布现状及与结构的相互影响,阐述了地铁建设领域安全风险管
3、理分级和评估体系,以及安全风险的控制标准和监测方案的实施。关键词?地铁?安全风险?风险评估?监控量测?随着北京、上海等城市地铁建设及地下空间开发等工程的相继完工,建设中凸现出的各类安全风险因素带给社会的损失和影响已无法回避,加强地铁及地下工程建设中的环境安全风险管理的重要性已越来越被业内及社会所关注。如何建立和完善有效的城市地铁及地下工程建设环境安全风险评估与管理体系和制度,预防、控制和规避风险,并建立各级各类风险源变形控制标准和可靠的应急预案体系,在风险预警和安全风险形成后能够采取及时有效的应急措施,将风险危害和影响程度减至最低,已经成为城市轨道交通建设迫在眉睫的事情。1?城市浅埋暗挖工程建
4、设环境安全风险源分布现状?由于城市地铁和地下工程使用功能的特征,使得地铁线网及其他地下工程往往沿城市的繁华街区、各功能区以及居民聚居的生活区规划布置。在这些区域施工,盾构法和浅埋暗挖法施工成为地表和地下工况复杂,制约因素较多的条件下较为合适的选择。随之而来的环境安全风险也相应成为施工过程中需要克服的难点问题。城市地铁及地下工程建设环境安全风险源主要是指在地铁和其他地下工程建设中,工程结构所穿越的包括软土、流砂、岩溶、硬岩、断裂、涌(渗)水、上覆地层空洞区、水囊区、河流、湖泊等特殊地层条件和水文地质条件;地下管涵、暗河、护城河、桥桩、人防工事、地下通道等地下既有建(构)筑物和市政基础设施;既有地
5、铁线路,地表路面结构,既有铁路等地面、地下交通;民房、商业建筑、机关、文物古建、古城墙等建筑物及其基础等等一系列隐含风险或重大风险的现场客观工程环境点。这些风险源与工程结构施工相互影响,共同构成一个工程建设环境安全风险有机体;同时也包括?新技术、新工艺、新材料、新设备?的应用给工程施工安全和结构自身安全所带来风险因素。本文主要论述前一种土建施工环境安全风险的管理与应急措施。这些风险源有着共同的特征,就是具有突发性、不确定性、多变性和不易控制等特点,牵涉社会单位多,91城市地铁及地下工程施工环境安全风险评估与控制:周刘刚?王海祥协调工作量大,而且一旦发生事故,皆会造成较严重的社会负面影响,成为制
6、约工程建设的难点。2?城市浅埋暗挖工程建设环境安全风险源与地下结构施工的相互影响?根据地铁及其他地下工程周边风险源的分布情况,众多风险源与要修建的地下结构在建设施工场区内构成了多方位、立体式相互影响的单位工程环境系统。结构与风险源在这种系统内形成了下穿、上跨、邻近、小净距并行、拆改、托换等一种或多种共存的位置关系。在这种环境系统中,拟建的暗挖地铁车站、区间或地下通道等结构,在施工降水、土方开挖、支撑拆除等过程中,周围地层原始平衡状态被打破,造成地层损失,引起地表沉降、路面开裂、建筑物倾斜、既有地铁线路和铁路线路轨道差异沉降、管线折裂等风险。同时,这些风险的存在和发生,又进一步恶化施工环境,使风
7、险发展和加剧,引起隧道结构变形收敛加剧、工作面塌方,出现流砂、渗水、涌水、结构裂缝、不均匀沉降、结构安全性能降低等反向风险。因此,城市浅埋暗挖工程建设环境安全风险源与地下结构施工的相互影响,都将给地下工程施工带来生命、经济、社会效益的巨大损失。3?环境安全风险管理分级及评估3?1?北京轨道交通工程建设环境安全管理分级?已试行的北京轨道交通工程建设环境安全的分级管理制度,将环境安全分为特级、一级、二级和三级四个等级。特级环境安全风险:指下穿既有轨道线路(含铁路)的新建工程。一级环境安全风险:指下穿既有建(构)筑物,上穿既有轨道线路的新建工程。二级环境安全风险:指临近既有建(构)筑物,下穿重要市政
8、管线及河流的新建工程。三级环境安全风险:指下穿一般市政管线及其他市政基础设施的新建工程。该工程建设环境主要指受地铁施工影响的建(构)筑物和市政基础设施,对于目前地铁浅埋暗挖施工中已经出现的导致施工事故和风险的其他因素却未纳入其中,这些因素包括:暗挖隧道结构所处的岩(土)层条件。如上覆土层较薄,且为松散的杂填土、砂砾地层或者流砂地层等,在辅助工程措施缺乏或不到位、施工现场监管跟不上的情况下,很容易出现坍塌甚至人员伤亡的严重后果,此类现象在北京已完工和在建地铁中已出现过。暗挖隧道结构开挖断面内的特殊水文地质条件。如存在隔水夹层,降水效果不佳,在开挖时,工作面或者仰拱部位长期不断涌水,开挖及支护作业
9、条件变差,迟滞了初支施做,延缓了初支封闭的时间,引起较大的隧道收敛变形。同时,水流汇积在仰拱部位,长期浸泡,容易造成工作面坍塌。笔者曾经参与施工的北京地铁 5号线某暗挖车站工程,就出现过此现象,给施工安全和进度带来了很大隐患。北京地区近几年开工建设的几条地铁线路中,已开始重视对大跨度浅埋暗挖地铁车站或区间下穿重要街区地段的地质异常区进行预测和控制。地质异常区主要为地层松散的空洞区以及形似水囊的富水区域。这些空洞区主要是由于路基回填不密实,或长期在部分管线渗漏水的浸泡下逐渐酥软,空隙率增大,含水饱和,以至地层承载力降低。一旦长期交通繁忙,路面荷载过重,很容易形成主干路面快速下沉、开裂、塌陷,甚至
10、使得个别含水管线爆裂;水囊也是在此种情况下因为不断有市政含水运行管线渗漏的补给,使得局部地层中渗水长期聚积,没有排泄通道,形成较大范围的富水体。一旦下方开挖引起水囊区渗漏,就形成水力通道,给隧道施工和结构带来风险,同时也会造成上方路面开裂,出现空洞、塌陷等危险。对于该管理等级中指出的下穿或临近既有建(构)筑物,在具体工程实施中,风险评估和制定方案时应加以细化,对不同类型建筑有针对性地制定措施。例如,这些常见的建(构)筑物,可分为民房、住宅楼等住宅建筑,高层写字楼、商厦、政府机关等社会建筑,历史遗迹、文物保护单位等古建筑。同时,各类建筑的地下结构和基础也各异,应列入风险分析的因素之内。尤其是对于
11、古建筑,其地面建筑的稳固性和自身历史价值的重要性,以及其基础结构的特征等都应引起重视。北京地铁 5号线临近的雍和宫,西安地铁 2号线下穿的钟楼和古城墙等均是如此。对于本管理等级中二级环境安全风险的下穿河流,笔者认为其管理分级应提高一级。因为此类工程同建设海底隧道、越江隧道、穿湖隧道一样,面临着巨大的技术难题。就目前全国各城市开工建设和将要开工的地铁项目来看,下穿河流、湖泊或饮水渠等环境安全已成为各条线路各参建方都需要重视和解决的首要风险点。因为下穿河湖的地层一般为淤泥质或者砂卵石等冲积和沉积地层,自稳能力差,一旦出现坍塌或漏水,将是在巨大水压力作用下的大体积水量突然涌入92铁?道?勘?察200
12、7年第 6期隧道的透水事故。因此,此类工程均采用了盾构法施工,以确保对既有河湖基床的保护。例如已修建的天津地铁二号线下穿海河;沈阳地铁 1号线穿越新开河;即将开建的沈阳地铁 2号线一期工程青年公园站下穿青年湖,另外有两段区间分别穿越浑河及白塔堡河;北京地铁 9号线下穿玉渊潭;北京地铁 10号线二期下穿凉水河、永定河引水渠,五穿京密引水渠。这些涉水作业工程的工程安全环境和技术难度以及机械配套等问题,都使得此类工程的安全风险大大增加,成为目前地铁建设环境中的一大特点。3?2?工程建设环境安全风险分析与评估工程建设环境安全风险分析与评估应依据相关规范、规程和本工程的环境安全风险管理分级,贯穿工程的勘
13、察、设计、施工、工后等各阶段,并随着工程的逐步进展,调查、监控及分析资料的逐渐丰富和完善而不断予以细化和修正。(1)风险评估的作用地铁及其他重要的地下工程建设环境安全风险评估工作,应自工程可研立项阶段始就纳入工程内容中来,工程投资概算中应考虑其相关费用,专门用于工程各阶段的风险评估及控制工作。通过对地铁建设中安全风险发生的规律和特点的分析和评估,可以了解和呈现工程环境的现状,识别工程风险因素;对随着工程进展的影响而有可能发生的状态,通过数值模拟分析、反分析、试验室仿真模拟试验、工程类比等分析方法进行预测,估计工程风险程度;为各类风险源的变形变位监控和控制标准和各阶段控制措施和专项方案的指定提供
14、依据,以期提前制定出相应的控制技术和措施,实现对安全风险的科学化和信息化管理,保证地铁建设安全。(2)风险评估的现状目前,地铁建设中无论是整条线路还是具体到各工点,大部分的工程环境风险评估工作是在可研、勘察、设计等阶段,由勘察设计单位汇总提出风险分析、预测、控制标准及技术措施等评估报告,交由建设方审核。最后由建设方组织各参建方,召开由多位专家组成的风险评估专家审查会议,按照会议形成的专家意见完成最终的风险评估报告。在施工阶段,由施工单位对环境安全设计方案进行核实,同时编制环境安全专项施工方案。在方案实施前,由建设方或施工方组织业内专家在对此方案进行评审,以形成最终的环境安全专项施工可实施方案。
15、(3)风险评估制度及体系的建立安全风险评估工作正逐步被我国地铁在建城市所重视,各城市的评估制度及评估体系也已初步形成,全国性的地铁建设工程环境安全风险评估制度、体系、标准、规范的形成也是呼之欲出。2007年 11月即将在上海开幕的?2007第三届上海国际隧道工程研讨会?的主要议题之一就是针对地下工程施工与风险防范技术。(4)专业风险评估单位随着安全风险评估工作愈来愈凸现出的重要性和地铁建设领域风险评估制度和体系的逐步完善,现有的内部评审机制将逐步转化为由外部第三方专业评估单位实施的模式。这样,才能有利于环境安全风险评估工作更专业、更深入、更完善的进行;才能有利于环境安全风险评估事业更科学、更正
16、规、更健康地发展和进步;才能有利于环境安全风险评估所带来的自身风险和责任更加明确、更易于管理。如前所述的广州地铁土建工程安全风险管理项目就由中标后的北京城建设计总院来进行专业的第三方评估。目前社会上缺少有资质的专业风险评估单位,需要在国家和部分省市相关部门的倡议和督导下,有规划地成立多家具有资质等级的风险评估单位,不仅对地铁建设中的土建工程环境安全风险,而且对规划决策、工程造价、工期要求、结构质量、自然灾害等风险进行全方位评估。4?工程环境变形控制标准的确立和监控量测方案的实施4?1?工程环境变形控制标准的确立地铁施工中对周围环境,尤其是对安全风险源引起的变形变位影响,无论是用于监测结果分析还
17、是对应控制措施的制定,都需要首先确立一个变形变位的控制标准。目前的工程环境变形变位控制标准还不够系统化和规范化,存在各有说法、莫衷一是的现象。在地面沉降标准上,目前大多数情况下采用沉降不大于 30mm,隆起不大于 10mm 来控制。有关科研单位对北京地铁的施工监控量测分析显示,大多数情况下沉降值都超过了此极限值,让我们对具体的工程技术措施的实际效应和实施质量以及现有适用标准是否过高等问题产生思考。与此同时,不同材质、不同用途、不同位置关系的各类管线的的沉降标准,地面各类建(构)筑物基础沉降、结构倾斜的控制标准,上跨或下穿既有地铁线路对既有结构引起的变形、裂缝和既有线路轨道差异沉降、各项相对位移
18、的控制标准,下穿或临近桥梁对既有桥93城市地铁及地下工程施工环境安全风险评估与控制:周刘刚?王海祥梁基础不均匀沉降的控制标准,下穿既有铁路引起的路基沉降和轨道变形的控制标准等,都没有出台相应的统一标准。这些各类风险点涉及多家部门、众多单位,而且很多标准因工程本身的不可预知性也是一时很难确定,目前更多的只能是借助于工程类比、行业经验,即使有数值模拟分析,也有着不被很多业内人士认同的问题。因此,一项基于城市轨道交通建设这条主线和契机,而牵出的研究和确立相关工程环境变形控制标准的需要迫在眉睫。此类环境变形控制标准应是一套细致考虑了各行、各类、各级环境因素,而且对变形控制极限值,变形控制速率和恰当的预
19、警、报警值做了说明,科学可行、因地制宜、不断完善的标准体系。4?2?工程环境变形监控量测方案的实施持续的变形监控量测是保证环境风险控制的数据依据。在有了相应的环境变形控制标准的前提下,监控量测专项方案编制与实施时,还需注意以下几点。(1)监测点的布置针对不同环境风险控制项目的变形特点布设有效的监测点。比如地面(路面)沉降点、既有地铁(铁路)基础及轨道沉降监测点、既有建(构)筑物基础沉降监测点、建(构)筑物测斜点、裂缝监测点、桥梁基础沉降监测点、地下水位监测点等。(2)监测新技术新仪器的应用文献 2中阐述了几种用于对下穿或临近已有结构时采取的新的监测方法。主要有:?适合于在行车封闭的地铁隧道或其
20、他封闭线路连续沉降监测的电水平尺,同时也适合于监测作为风险源的结构物的稳定性和因隧道开挖引起的变化,以及监测隧道断面的收敛和其他变形量。?隧道断面收敛自动量测系统?巴赛特收敛系统,主要用于记录隧道开挖时轮廓变化过程,监测由于周围工程施工给既有隧道带来的变形情况。?固定式测斜仪。可以代替滑动式测斜仪进行24 h不间断自动量测,利用计算机和通讯技术可以实现远距离的数据实时监测,特别适合于隧道穿越桥梁、地铁区间及车站的监控。以上仪器主要特点是可以 24 h不间断监测并记录和传输监测数据。另外,目前结构工程中已开始使用的裂缝测探仪、公路隧道工程中已使用的激光隧道围岩位移实时监测系统等都可用到地铁项目的
21、监测中来。(3)监测频率的管理隧道洞内变形量测频率是由变形速率、断面距开挖工作面距离来共同决定的。对于隧道周围环境安全风险源的变形监测,应根据安全风险管理等级、风险源自身特点以及风险源与在建地铁隧道各部位作业面的距离关系而制定其监测频率。同时应根据具体工点不同的环境特点进行适当调整,以期获得关键、持续的监测数据,掌握及时、连续的变形动态。(4)监测数据的分析与信息反馈监控量测要有益于工程施工和供后续工程借鉴,其根本点在于要将监测数据转化为工程结构自身和周围环境风险点的变形变位动态信息,来反馈给参建各方,以形成指导下一步工序和后续工程的依据。监测数据转化为呈现变形发展的位移、速度时间曲线等各类信
22、息,就要求工程技术人员对每天都在不断产生的众多数据进行整理、分析。分析监测数据的目的,一是要及时掌握当前各监测点的变化值及变化速率是否达到预警值,或者其变形速率是否减小,有无继续增大的趋势,以便各方及时掌握各环境风险点及隧道作业面的变形动态,及时确定应急措施。二是从其中找出变形与工程施工部位及工序的关系,分析得出引起结构自身与周围不同环境风险点产生显著和集中变形的关键部位及步序,形成经验,供后续施工或后来工程借鉴,可提前展开有针对性地措施,预防风险点较大变形的产生。目前,地铁工程监测工作大多数情况只做到了第一点。而对于第二点,由于工期紧、工程技术力量缺乏等原因没有开展。更有甚者,一些工程上是监
23、测与施工两分离的状态,处于你测你的,我干我的的盲目状态;或者监测数据只是摆设,根本无人认真分析的情况,这些都应成为我们安全风险技术管理的重点。5?结束语地铁及地下工程建设环境安全风险技术管理是一个全新、系统、复杂而又急切的课题,体系的建立和完善、技术措施的优化和进步、施工应急预案体系的完备和成熟值得我们期待。参考文献 1?北京市轨道交通建设管理有限公司.城市轨道交通工程建设环境安全技术管理体系 G.北京:北京市轨道交通建设管理有限公司,2005 2?刘?军.北京地铁施工中若干环境岩土工程问题 J.市政技术,2004,22(增)3?GB50299?1999?地下铁道施工及验收规范 S 4?张顶立.城市地铁建设中的安全风险分析与管理 J.市政技术,2004,22(增)5?许燕峰.地铁土建工程风险分析与控制 J.市政技术,2004,22(增)6?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)94铁?道?勘?察2007年第 6期