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地铁盾构隧道中塌方事故发生的机理与因素

卜成
    地铁工程项目是一个投资大、周期长、项目多、技术复杂且对社会环境影响大的系统工程,其水文地质环境、工程周边环境和作业等相对其他工程项目更为复杂。地铁工程项目在建设实施过程中充满着不确定性因素(风险),其影响贯穿于项目建设的各个阶段。由于缺乏足够的认识、没有及时加强管理,地铁工程建设中灾难性的事故时有发生。塌方事故就是地铁工程施工中的一种非常典型的风险事件,在这里将地铁施工中的塌方事故定义为:“在地铁施工过程中,由人的不安全行为和物的不安全状态所导致的土石方塌方事故。”通过对近年来地铁事故进行统计,地铁事故数量自2001年起基本呈现增长趋势,尤其是在2003年~2005年期间,事故数量急速增长,并且这些事故中塌方事故占了大多数。
1、地铁盾构隧道工程塌方事故的分类和特征
    地铁施工中塌方类型的划分方法有多种,一般可以根据塌方的原因、形式、规模、机理、发生的部位等进行划分。根据塌方的规模可以分为冒顶大塌方、大塌方(塌高大于3m)、小塌方(塌高小于3m)、洞顶掉块。根据塌方速度与机制可以分为:蠕变型塌方和崩塌型塌方。根据塌方形态可以分为:局部塌方、拱形塌方、塌穿型塌方。根据盾构隧道塌方部位可以分为:掌子面塌方、盾尾塌方、盾构后方塌方。塌方事故依附于地铁施工,与地铁施工的施工过程紧密相连,其特征与地铁施工特点息息相关,总结起来主要表现为以下几个方面:1)塌方事故发生影响因素多。在地铁施工过程中,引起塌方事故的因素特别多,人的不安全行为主要有管理不善、操作失误、专业不精、工作交接不合理等,物的不安全状态有材料的不安全、环境的不安全、设备的不安全,这些不安全的行为都会导致塌方事故的发生。2)塌方事故发生频率高。在对近十年地铁事故进行的统计中,可以判别事故类型的有95起,其中有52起是坍塌事故,在这52起坍塌事故中有32起是塌方事故,是统计中地铁工程施工事故类型中最多的一种。3)塌方事故控制涉及方面比较多。 塌方事故虽然是在施工过程中发生的, 可导致事故的原因 却是多方面的, 对塌方事故采取对策的时候所涉及到的方面也是 很多的。 比如建筑材料和构件可能涉及到供给商, 施工机械可能 涉及到承包方, 勘察设计资料问询涉及到勘察设计单位等等。
2 地铁盾构隧道工程塌方事故发生的机理与因素
2.1 地铁盾构隧道工程塌方事故发生的机理
    塌方是由于土石方在施工开挖过程中力的平衡遭受到破坏 而导致的失稳事故, 随着地铁施工中隧道的不断开挖或掘进面的 向前不断推进, 工作面空顶面积逐渐增大, 周边的围岩会由于应 力的重新分布而发生某种变形, 随着变形的不断增大, 再加上地 下水的作用, 就很可能在短时间内发生塌方。 Terzaghili提出的渐 进性破坏概念(把土体由初始状态向塑性流动过渡的中间状态称 为渐进破坏)最早辩证地揭示了土体变形与失稳的关系, 即土体 失稳是土体变形到某一特殊阶段的必然结果 。 从力学状态角度 上说, 引起渐进破坏的原因有:应力和应变的不均匀分布;发生应 变软化;应力释放;出现裂缝以及在水作用下软化;土体出现节理 或不连续的结构面;孔隙水压力的增长;环境的影响。 在盾构法 施工中, 施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或剪切破坏 的重塑土的再固结, 是土体变形的基本原因。 另外, 盾构施工中 塌方事故符合一般事故的演变过程, 也是由量变到质变, 由渐变 到突变, 由屈服到极限, 由失稳到破坏的一个演变过程, 从围岩平 衡被打破到土石方塌方事故发生这一段时间内, 都会有一些征 兆, 只不过有些征兆是可见的, 而有些征兆是需要仪器测量的, 随 着周围环境和地质条件的不同, 从开始变化到突变所需的时间也 不同, 一般地质条件差的时间会短一些, 反之, 时间会长一些。 若 周边环境对围岩的稳定破坏大, 就会加快围岩的渐变时间。
2.2 地铁盾构隧道工程塌方事故发生的因素
     1)人员原因。 从人员原因角度来看, 主要由现场操作人员失 误以及管理人员失误造成。现场操作人员的失误主要表现在:现 场操作的人员缺乏操作的技术知识, 现场施工操作方法错误, 包 括未按照工法的施工操作顺序进行施工, 施工作业不按照规范完 成等;没有合理的使用防护用具, 在危险发生时无法迅速对自身 产生保护作用;施工人员本身的安全质量观念较差;施工单位为 了追求利润, 承接超出其施工资质要求的工程。 管理人员造成的 失误主要表现在:施工管理人员对现场缺乏检查或者指导有错; 违背建设程序进行地铁施工;劳动用工的分配布置不合理, 导致 劳动力延长工期或者窝工;施工前, 现场管理人员未对作业人员 进行现场技术、安全交底。
    2)环境原因。 从环境原因角度来看, 影响因素主要有两方 面:a.现场施工环境状况;b.自然条件和建设类型。 现场环境管 理不良主要表现在:现场无安全设施, 安全防护用品不达标;照明 不良;无临时排水规划;工作现场安排布置与道路情况。 自然条 件和建设类型主要影响因素有:a.工程自然条件。 作为典型地下 工程, 地铁隧道施工过程中受各种不可预见的地质现象及地质构 造的影响巨大。 加之受勘查水平及其他很多相关因素的制约, 地 铁隧道设计中的地质勘查在很多情况下不彻底、不完善, 这些无疑加大了施工难度和塌方事故产生的可能性。 一般来说, 地质条 件越差, 发生坍塌的可能性就越大, 坍塌后果也越严重。 b.隧道 埋深。 隧道埋深不同 , 隧道塌方表现形式不同。 埋深较大时, 隧 道发生拱形塌方, 随埋深减小, 隧道发生塌穿型塌方。 当埋深小 于某一值时, 因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度, 隧道反而 能保持稳定状态;隧道埋深越大, 发生塌穿型塌方时破裂角越小; 地表陷坑宽度 /隧道跨度越大, 隧道塌方程度越严重;坍塌后隧道 周边应力变化幅度越大, 塌方向地表发展得越快。 c.地下水条 件。 实践证明, 只要隧道土体是干燥的, 即便是通过软弱的或破 碎的土层时, 围岩的稳定性总是较好的或危害比较微弱, 并且易 于克服。 当隧道处于含水层中或隧道的透水性较强, 地下水对隧 道围岩稳定性的影响比较明显。 d.隧道断面形式。 由对隧道侧 壁的监测试验表明:隧道高跨比越小, 应力变化幅度越大, 应力调 整越快, 开挖后隧道围岩维持稳定的时间越短。 对隧道拱顶的测 点, 隧道高跨比越小, 应力变化曲线第一次发生突变的点越早, 塌 方向地表发展得越快。 e.雨水冻融等不良的气候条件;地下给 水、污水、雨水管线布置复杂;地铁项目上方的公路上大流量的交 通对路面产生振动;其他不良地质灾害。
    3)材料原因。 从材料原因角度来看, 导致坍塌的原因主要有 材料质量不过关、材料使用设计失误、材料库存及堆放原因等。 在盾构法施工过程中, 牵涉到的材料主要有:管片及其附件(连接 螺栓、防水密封条)、壁后注浆。
    4)设备原因。 从设备原因角度来看, 导致坍塌的主要原因是 没有合理使用施工设备、设备质量存在问题以及防护及保险信号 装置缺乏。 盾构法施工中主要设备就是盾构机, 主要影响因素 有:盾构机的质量问题;盾构机的选择不合理;盾构机运行期间的 维护检修难度大;盾构机运行期间管控难度大。
3、探测成果分析
    综合多项超前地质预报成果并结合前期施工经验和对断层带地表(地表为冲沟,沟内出露的地下水量减小)情况进行分析,隧道开挖面前方地质条件基本与设计资料吻合,地下水为裂隙水,丰富,地表水与地下水连通,隧道开挖后改变了原有平衡水系,造成地表地下水出露减小,大量由隧道内涌出。
4、体会
    1)超前地质预报技术在现代隧道施工中为减少不良地质条件造成不良后果,降低施工风险提供了有力的技术支持,今后在隧道施工中将占据越来越重要的地位,但是预报只是对设计的修正和补充,不能完全取代设计,只能作为制定施工方案的参考依据。
    2)施工干扰对物探法预报影响非常大,预报过程中要加强协调配合,排除干扰因素,保证物探预报的精度,要结合“物探先行,钻探验证”的方法,采用多种手段、综合分析提高预报的准确度。
    3)大量的超前地质钻探,预报效果非常好,但其费用高、占用施工时间长。物探费用相对较低,占用施工时间也较少。在一般地段物探方法探测是非常经济的,但在存在岩溶、涌水可能性的地段或物探后可疑的地段必须要辅以超前钻探进行验证,超前钻探对岩溶和地下水具有更高的准确性。
结语
    1)根据地铁工程事故统计分析, 地铁塌方事故占有很大的比 例, 因此, 研究地铁塌方事故可以有效提高地铁工程的安全管理, 减少地铁工程事故的发生。
    2)盾构掘进中地面变形产生的根本 原因是盾构对周围土体的扰动。 但是盾构施工中塌方事故也是 由量变到质变, 由渐变到突变, 由屈服到极限, 由失稳到破坏的一 个演变过程, 从围岩平衡被打破到土石方塌方事故发生这一段时 间内, 都会有一些征兆。
    3)塌方事故虽然是在施工过程中发生 的, 可导致事故的原因却是多方面的, 对塌方事故采取对策时所 涉及到的方面也是多方面的。
    参考文献:中国知网

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