地铁工程的风险源探讨-交通运输论文发表

分类：交通运输论文发表 时间：2011-06-27 10:33 关注：(1)

地铁工程的风险源探讨

李芳1 宋振熊2

摘要：本文就地铁明暗挖工程的危险源的必要性进行讨论，由于地铁工程的复杂性，文中试图采用一些直观又具有工程概念的方法加以指导。提出了专家论证、事故反推、试算法及工序跟踪分析等方法。并建议围绕具体工程的实际情况进一步上升到系统理论来探索地铁工程的危险源。

关键词：地铁工程；风险源；暗挖法；安全；风险。

引言

随着我国城市化进程加快，城市人口增多，城市交通的拥堵日益严重，修建地铁是缓解地面交通拥堵的有效设施之一。它具有耗能少、快捷、保时等诸多优点，而各城市竞相仿效修建。截至目前，我国现已建成约1200公里地铁线路，拟建的城市已达20多个。预计到2020年，地铁的总公里数将达到6000公里。

然而城市地铁是一个庞大的系统，需要投入大量的人力与物力。近些年，一些城市地铁修建过程中工程事故和质量问题时有发生，使国家蒙受了许多经济损失和人员伤亡。为了规避事故，必须各方协力配合共同防止事故的发生。本文拟从设计的角度列举几种探索风险源的方法，同时对地铁工程事故的风险源进行探讨，提出一些思路与大家共同交流。

2 地铁工程特点

为了探索地铁工程的风险源，首先从探讨地铁工程的自身特点入手。地铁一般埋设于地下，即地下工程，其明显的特点归纳起来有如下几点：

1）地铁结构处于地下环境，必然受当地的工程地质和水文条件所影响。地下结构与地层紧密贴近，变形受地层（即围岩）的约束也就产生与围岩共同工作。在结构受力分析时，要考虑围岩对结构的约束抗力，抗力的大小则视结构和地层贴近紧密程度和围岩的岩性而定。

2）地铁结构埋设于地下呈长条状，绵延几十公里或更长。沿线所穿越的地层各不相同，紧邻各地段的地形、地物也会有差异。例如周边的环境、建（构）筑物、地面交通及地上、地下管线等等周边边界条件也千变万化，且相互影响，这就使得工程难度和复杂度加大。

3）地铁结构处于地下，在修建中和建成后若出现有结构裂隙或其它病害重新修复较地面结构要难得多，改扩建也同样困难。因此，必须严密规划，精心设计，精心施工，还要考虑将来拓展的需要。

4）地铁工程受周围地质和环境影响的同时，也反过来对周围环境产生影响。如地下水环境的变化、地铁经过时的振动及噪音[1]等。

5）地铁在地下占有较大的空间，且施工时空间状态出现变化，因而，随着时间的推移，这种时间和空间的变化是动态的变化过程，即人们常说的时空效应。时空效应使结构物和围岩均出现物性变化。为此，及时量测和跟踪了解这些变化情况很有必要，这也就是量测和监控的必要性和重要性所在。

综上所述，地铁工程的特点在探索工程风险源时必须充分考虑。

3 地铁工程的风险源及其判别方法

地铁既然是庞大而复杂的地下工程，那么其风险源的种类和产生来源也会是多样性的。从理论上来说可以应用下式[2]来进行定理评价，即



式中：R为出现风险事件的风险值。

Pi 为风险事件可能出现各类风险事故的概率；

Ci为风险事件可能出现各类风险事故的后果。

但是，从上式的内容可看出，由于地铁工程的复杂性，而且资料积累的缺失，对于Pi和Ci的确切数值求得往往十分困难，只能采取逐个定性探索，并对其风险程度进行评估。

接下来本文就列举几种探索风险源的方法，并加以实例来具体说明。

目前，我国常采用专家论证的方法，由参与工程的专家对工程的方案和工程的重点和难点等加以分析，找出可行方案后，对实施方案提出防止各种可能危险的措施。其实质是集思广益，综合得出该工程可能的风险点，并评判风险的性质和内容。这种方法也可以说是“智暴法”或“德尔菲法”。从我国工程实践的结果证明，这种方法是实用、可行的。

归纳我国近50年修建地铁工程所出现的危险事故，较常见的有主体结构裂损、地表沉降过大、城市地下管线受损及结构渗漏水、涌水，邻近建筑物因地铁施工不当而倾斜或裂损濒临坍塌，工地的废水废渣污染环境，围护结构的坍滑位移直至坍垮等等，这些事故或病害都会使地铁工程结构产生危险或对周围环境产生不良影响，因而，可以从产生这些事故的根源上找出危险源头。用这种倒推方法对寻找风险源可能更为直接，称之为“事故反推法”。

例如我国开始运用暗挖法修建地铁车站时，尽管对三跨二层拱式结构的受力和施工工艺过程做了深入的研究，但是某工程建成通车后，发现有局部地表下沉过大和漏水现象。经过多方查找原因，最后发现可能是隐藏在地层中的水囊所引起，经过处理，至今地铁仍可安全运营。由此给人启示，地铁工程中掌握当地水文条件以及尽可能了解地下水存在情况是十分重要的。

我国解放后修建大量山岭铁路隧道，隧道建成后经调查发现，隧道拱部出现开裂现象。经分析其原因之一是当时隧道衬砌拱圈的断面设计，其拱部型式过尖，即为尖拱顶，如下图1。而设计中所取的侧压力往往偏小，从而出现了拱部内缘压裂，经修正为平拱结构后情况即得到改善。这个例子的危险源是隧道拱部线形过尖，计算图式与结构受力不相匹配造成的。



图1 尖拱形、平拱形示意图

通常，在结构设计时可以采用试算法来探寻结构的风险源并合理规避。已知，结构设计是先根据已往工程经验拟定一些计算要素，这些要素包括：计算荷载、计算图式、边界条件和结构尺寸及材料的力学性质等等，然后利用工程计算软件计算结构的内力，即作用效应S。最后与结构实际强度，即结构抗力R进行比较，若R>S，并留有一定富余度（即大于1的安全系数），则结构是安全可靠的。

在具体结构设计时，上述计算要素是包含着许多参数的，如荷载的大小，反映材料性质的弹性模量E和泊松比υ等等，这些要素可以从现行的规范和必要的补充试验中取得。然而，这些要素往往与实际的情况难以符合，换句话说，计算要素的变异是必然存在的。参数变异的存在使设计存在着不安全因素，也就是存在风险源。

因此，可以设想，在结构设计时可以在固定其他计算要素的情况下，逐一变化某一计算参数的数值来考查各计算参数对计算结果的影响程度，再进一步判别危险性，这一方法可称之为“试算法”。

下面以深圳地铁2号线东延线侨香站主体结构[3]为例来说明，侨香站是深圳地铁2号线东延线的一个中间站，为地下两层10米宽岛式站台曲线车站，车站标准段为地下两层单柱双跨结构，如图2，车站有效站台中心顶板覆土厚度4.3m。

经过多次试算以后，一般会发现，有些参数的变化对结构的内力影响较大，例如围岩的C、φ值，车站设备区结构的跨度等。于是可以把这些参数加以归纳，结构设计时需从这些计算参数的影响做出调整，避开最不利因素，以确保结构的安全性。



图2 侨香站主体结构标准断面图（单位：cm）

最后一种方法是“工序跟踪分析法”。

以暗挖地铁车站北京地铁复八线西单站为例进行详细说明，该车站为二层三跨式地下车站，其典型横断面如图3所示。施工步骤主要包括：



图3 车站典型横断面图（单位：cm）

（1）开挖上、下八条导洞，施作网喷混凝土临时支护结构。

（2）浇筑下部导洞内的条形基础，在导洞内从上往下进行人工挖孔、浇筑边桩、安装钢管柱，浇筑边桩和钢管柱上的边纵梁、纵向天梁；

（3）开挖柱间上部土体，施作拱部初期支护；

（4）拆除导洞临时支护结构，从上往下逆筑模筑混凝土。

之后的北京地铁复八线天安门东、西两站，及北京地铁4号线与10号线换乘站黄庄站也采用了类似结构型式，虽然采用的结构断面型式大体相同，但是其施工方法却有所不同，对此，设计院的同行[4]作了详细的论述，仔细阅读其关键点之一在于多跨连拱结构在设计和施工中都要对拱部的拱脚部位十分注意，妥善处理。从力学原理可知，拱结构的拱脚部位如若产生不均匀下沉，必然使拱部结构受力加大甚至产生拱部衬砌开裂。而且左右拱脚的水平位移也要一致，以免拱跨的改变，拱跨的改变也会引起同样严重后果。再进一步说，拱脚的支撑梁也不允许产生扭转，发生扭转也会使拱圈二次衬砌开裂。由此给人启示，为了防止结构产生过大变形及结构开裂，尤其是施工中，必须采取许多具体施工措施来加以保证。如加固墙底、柱底的基础，对顶梁在必要情况下设临时支撑防止扭转，预注浆加固围岩使水土压力得以有效控制等等。

归纳成一句话，就是每一步施工步骤开展前都要仔细分析围岩的空间状态和已成型的二衬结构受力状态，避免其出现危险。这也是设计者必须在施工前对施工人员进行交底的重要内容。

综合以上所作介绍，无论是“专家论证法”“事故反推法”“试算法”或“工序跟踪分析法”都可以找出地下工程的危险源，尽可能的防止工程事故的发生。

4 结论和建议

以上所述内容可以归纳总结如下：

1）探索地铁工程的危险源对地铁安全建成十分重要。明确该工程可能出现的危险，可以使设计人员与施工方尽可能的规避危险。

2）目前，可以从总结分析已往工程事故入手，对照本工程实际地质、水文条件及施工环境等，在工程开展前做计算分析和各工序展开过程分析，从中找出风险源，因此制定各种预防方案以防工程出现危险。

3）尽可能收集施工过程中围岩和结构的动态资料作为随后工程的参考。因此，建议工程完毕后应认真、仔细总结已建成地铁工程的竣工文件，各方给以必须的支持。

4）在地铁工程中产生的风险源十分复杂，要尽可能挖掘出可能出现的风险源，并预先加以防范。如何科学地探索风险源是今后地铁工程的重要方向之一。

参考文献

1 《地铁设计规范》（GB 50157-2003）[S].北京:中国计划出版社，2003.

2 余建星.工程项目风险管理 [M].天津大学出版社，2006.

3 中铁隧道勘测设计院有限公司。深圳地铁二号线东延线侨香站施工图文件[G]，2008.

4 黄美群.一次扣拱暗挖逆作法修建地铁车站新技术[J].都市快轨交通.2009,22(6):66-70.

5 竺维彬.鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究 [M].暨南大学出版社，2009.

6 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.