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                                      地鐵盾構隧道中塌方事故發生的機理與因素

                                      卜成
                                          地鐵工程項目是一個投資大、周期長、項目多、技術復雜且對社會環境影響大的系統工程,其水文地質環境、工程周邊環境和作業等相對其他工程項目更為復雜。地鐵工程項目在建設實施過程中充滿著不確定性因素(風險),其影響貫穿于項目建設的各個階段。由于缺乏足夠的認識、沒有及時加強管理,地鐵工程建設中災難性的事故時有發生。塌方事故就是地鐵工程施工中的一種非常典型的風險事件,在這里將地鐵施工中的塌方事故定義為:“在地鐵施工過程中,由人的不安全行為和物的不安全狀態所導致的土石方塌方事故。”通過對近年來地鐵事故進行統計,地鐵事故數量自2001年起基本呈現增長趨勢,尤其是在2003年~2005年期間,事故數量急速增長,并且這些事故中塌方事故占了大多數。
                                      1、地鐵盾構隧道工程塌方事故的分類和特征
                                          地鐵施工中塌方類型的劃分方法有多種,一般可以根據塌方的原因、形式、規模、機理、發生的部位等進行劃分。根據塌方的規?梢苑譃槊绊敶笏、大塌方(塌高大于3m)、小塌方(塌高小于3m)、洞頂掉塊。根據塌方速度與機制可以分為:蠕變型塌方和崩塌型塌方。根據塌方形態可以分為:局部塌方、拱形塌方、塌穿型塌方。根據盾構隧道塌方部位可以分為:掌子面塌方、盾尾塌方、盾構后方塌方。塌方事故依附于地鐵施工,與地鐵施工的施工過程緊密相連,其特征與地鐵施工特點息息相關,總結起來主要表現為以下幾個方面:1)塌方事故發生影響因素多。在地鐵施工過程中,引起塌方事故的因素特別多,人的不安全行為主要有管理不善、操作失誤、專業不精、工作交接不合理等,物的不安全狀態有材料的不安全、環境的不安全、設備的不安全,這些不安全的行為都會導致塌方事故的發生。2)塌方事故發生頻率高。在對近十年地鐵事故進行的統計中,可以判別事故類型的有95起,其中有52起是坍塌事故,在這52起坍塌事故中有32起是塌方事故,是統計中地鐵工程施工事故類型中最多的一種。3)塌方事故控制涉及方面比較多。 塌方事故雖然是在施工過程中發生的, 可導致事故的原因 卻是多方面的, 對塌方事故采取對策的時候所涉及到的方面也是 很多的。 比如建筑材料和構件可能涉及到供給商, 施工機械可能 涉及到承包方, 勘察設計資料問詢涉及到勘察設計單位等等。
                                      2 地鐵盾構隧道工程塌方事故發生的機理與因素
                                      2.1 地鐵盾構隧道工程塌方事故發生的機理
                                          塌方是由于土石方在施工開挖過程中力的平衡遭受到破壞 而導致的失穩事故, 隨著地鐵施工中隧道的不斷開挖或掘進面的 向前不斷推進, 工作面空頂面積逐漸增大, 周邊的圍巖會由于應 力的重新分布而發生某種變形, 隨著變形的不斷增大, 再加上地 下水的作用, 就很可能在短時間內發生塌方。 Terzaghili提出的漸 進性破壞概念(把土體由初始狀態向塑性流動過渡的中間狀態稱 為漸進破壞)最早辯證地揭示了土體變形與失穩的關系, 即土體 失穩是土體變形到某一特殊階段的必然結果 。 從力學狀態角度 上說, 引起漸進破壞的原因有:應力和應變的不均勻分布;發生應 變軟化;應力釋放;出現裂縫以及在水作用下軟化;土體出現節理 或不連續的結構面;孔隙水壓力的增長;環境的影響。 在盾構法 施工中, 施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或剪切破壞 的重塑土的再固結, 是土體變形的基本原因。 另外, 盾構施工中 塌方事故符合一般事故的演變過程, 也是由量變到質變, 由漸變 到突變, 由屈服到極限, 由失穩到破壞的一個演變過程, 從圍巖平 衡被打破到土石方塌方事故發生這一段時間內, 都會有一些征 兆, 只不過有些征兆是可見的, 而有些征兆是需要儀器測量的, 隨 著周圍環境和地質條件的不同, 從開始變化到突變所需的時間也 不同, 一般地質條件差的時間會短一些, 反之, 時間會長一些。 若 周邊環境對圍巖的穩定破壞大, 就會加快圍巖的漸變時間。
                                      2.2 地鐵盾構隧道工程塌方事故發生的因素
                                           1)人員原因。 從人員原因角度來看, 主要由現場操作人員失 誤以及管理人員失誤造成,F場操作人員的失誤主要表現在:現 場操作的人員缺乏操作的技術知識, 現場施工操作方法錯誤, 包 括未按照工法的施工操作順序進行施工, 施工作業不按照規范完 成等;沒有合理的使用防護用具, 在危險發生時無法迅速對自身 產生保護作用;施工人員本身的安全質量觀念較差;施工單位為 了追求利潤, 承接超出其施工資質要求的工程。 管理人員造成的 失誤主要表現在:施工管理人員對現場缺乏檢查或者指導有錯; 違背建設程序進行地鐵施工;勞動用工的分配布置不合理, 導致 勞動力延長工期或者窩工;施工前, 現場管理人員未對作業人員 進行現場技術、安全交底。
                                          2)環境原因。 從環境原因角度來看, 影響因素主要有兩方 面:a.現場施工環境狀況;b.自然條件和建設類型。 現場環境管 理不良主要表現在:現場無安全設施, 安全防護用品不達標;照明 不良;無臨時排水規劃;工作現場安排布置與道路情況。 自然條 件和建設類型主要影響因素有:a.工程自然條件。 作為典型地下 工程, 地鐵隧道施工過程中受各種不可預見的地質現象及地質構 造的影響巨大。 加之受勘查水平及其他很多相關因素的制約, 地 鐵隧道設計中的地質勘查在很多情況下不徹底、不完善, 這些無疑加大了施工難度和塌方事故產生的可能性。 一般來說, 地質條 件越差, 發生坍塌的可能性就越大, 坍塌后果也越嚴重。 b.隧道 埋深。 隧道埋深不同 , 隧道塌方表現形式不同。 埋深較大時, 隧 道發生拱形塌方, 隨埋深減小, 隧道發生塌穿型塌方。 當埋深小 于某一值時, 因隧道開挖后圍巖應力未超過圍巖強度, 隧道反而 能保持穩定狀態;隧道埋深越大, 發生塌穿型塌方時破裂角越小; 地表陷坑寬度 /隧道跨度越大, 隧道塌方程度越嚴重;坍塌后隧道 周邊應力變化幅度越大, 塌方向地表發展得越快。 c.地下水條 件。 實踐證明, 只要隧道土體是干燥的, 即便是通過軟弱的或破 碎的土層時, 圍巖的穩定性總是較好的或危害比較微弱, 并且易 于克服。 當隧道處于含水層中或隧道的透水性較強, 地下水對隧 道圍巖穩定性的影響比較明顯。 d.隧道斷面形式。 由對隧道側 壁的監測試驗表明:隧道高跨比越小, 應力變化幅度越大, 應力調 整越快, 開挖后隧道圍巖維持穩定的時間越短。 對隧道拱頂的測 點, 隧道高跨比越小, 應力變化曲線第一次發生突變的點越早, 塌 方向地表發展得越快。 e.雨水凍融等不良的氣候條件;地下給 水、污水、雨水管線布置復雜;地鐵項目上方的公路上大流量的交 通對路面產生振動;其他不良地質災害。
                                          3)材料原因。 從材料原因角度來看, 導致坍塌的原因主要有 材料質量不過關、材料使用設計失誤、材料庫存及堆放原因等。 在盾構法施工過程中, 牽涉到的材料主要有:管片及其附件(連接 螺栓、防水密封條)、壁后注漿。
                                          4)設備原因。 從設備原因角度來看, 導致坍塌的主要原因是 沒有合理使用施工設備、設備質量存在問題以及防護及保險信號 裝置缺乏。 盾構法施工中主要設備就是盾構機, 主要影響因素 有:盾構機的質量問題;盾構機的選擇不合理;盾構機運行期間的 維護檢修難度大;盾構機運行期間管控難度大。
                                      3、探測成果分析
                                          綜合多項超前地質預報成果并結合前期施工經驗和對斷層帶地表(地表為沖溝,溝內出露的地下水量減小)情況進行分析,隧道開挖面前方地質條件基本與設計資料吻合,地下水為裂隙水,豐富,地表水與地下水連通,隧道開挖后改變了原有平衡水系,造成地表地下水出露減小,大量由隧道內涌出。
                                      4、體會
                                          1)超前地質預報技術在現代隧道施工中為減少不良地質條件造成不良后果,降低施工風險提供了有力的技術支持,今后在隧道施工中將占據越來越重要的地位,但是預報只是對設計的修正和補充,不能完全取代設計,只能作為制定施工方案的參考依據。
                                          2)施工干擾對物探法預報影響非常大,預報過程中要加強協調配合,排除干擾因素,保證物探預報的精度,要結合“物探先行,鉆探驗證”的方法,采用多種手段、綜合分析提高預報的準確度。
                                          3)大量的超前地質鉆探,預報效果非常好,但其費用高、占用施工時間長。物探費用相對較低,占用施工時間也較少。在一般地段物探方法探測是非常經濟的,但在存在巖溶、涌水可能性的地段或物探后可疑的地段必須要輔以超前鉆探進行驗證,超前鉆探對巖溶和地下水具有更高的準確性。
                                      、結語
                                          1)根據地鐵工程事故統計分析, 地鐵塌方事故占有很大的比 例, 因此, 研究地鐵塌方事故可以有效提高地鐵工程的安全管理, 減少地鐵工程事故的發生。
                                          2)盾構掘進中地面變形產生的根本 原因是盾構對周圍土體的擾動。 但是盾構施工中塌方事故也是 由量變到質變, 由漸變到突變, 由屈服到極限, 由失穩到破壞的一 個演變過程, 從圍巖平衡被打破到土石方塌方事故發生這一段時 間內, 都會有一些征兆。
                                          3)塌方事故雖然是在施工過程中發生 的, 可導致事故的原因卻是多方面的, 對塌方事故采取對策時所 涉及到的方面也是多方面的。
                                          參考文獻:中國知網

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