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摘要:結合地鐵工程的特點,通過廣州地鐵五號線建設風險管理的實踐,以基坑開挖為重點,分析了地鐵深基坑施工中的地質風險,以提高深基坑開挖的安全管理水平,減少由地質風險導致的事故。

關鍵詞:地鐵,深基坑,施工,地質風險

地鐵工程具有幾大顯著特點,即周邊環境復雜,各種建構筑物、地下管線多,且對施工變形控制要求高;工程地質與水文地質復雜,不確定因素多;結構形式較多,施工方法交叉變換多,施工難度大;施工工期壓力較大等,這些特點都集中表現為工程的高風險性。因此,通過主動的、系統化的風險分解、分類,識別工程的致險因子、風險事件和后果對地鐵及地下工程建設風險源進行辨識是具有重大意義的。根據地鐵土建工程的特點,安全風險的分解按照工程所處的地質條件、周邊環境、工程實施等的各個階段進行分解。從自然環境、工程條件、技術等方面分析擬建工程的特點及相應的潛在風險。

本文以廣州地鐵五號線建設風險管理的實踐,并以基坑開挖為重點,分析地鐵基坑開挖地質風險分類。

1)在軟土地層、淤泥質土體進行基坑開挖施工引起地面沉陷的風險。

明挖基坑施工沿線存在很大厚度具有低強度和高壓縮性的軟土、淤泥質土體時,很難控制好地面沉降及鄰近地下管線、構筑物的位移,容易引起一定的地面沉陷,給地面建筑、構筑物、地下管線帶來危害。因此更會導致諸多連環性質的工程災害,如:管線爆裂滲水進而導致暗挖段土體力學參數急劇下降,承載能力大幅下降和變形急劇擴大,如此惡性循環后必將出現災難性后果。

2)明挖時,容易因失水造成地面塌陷。

一般在基坑開挖時,需要進行坑內降水,這需要防止土體失水引起的地面塌陷風險。砂土地區應該防止因降水引起水土流失導致的地面塌陷。

如果地層失水嚴重,上伏軟土則會引起大幅沉降,特別是沿線地表均存在相當厚度的軟土或淤泥土,明挖施工時淺層地下水可能透過巖石層的裂隙進行滲漏,如果滲水過多則會引起地表沉降過大。

3)粉細砂層容易發生液化、流砂、涌砂現象,給明挖造成危險。工作面前方遭遇流砂或發生管涌,這種現象的發生對于基坑施工都是災難性的后果。

4)花崗巖各風化帶遇水軟化、崩解,給施工帶來很大風險。結構設計過程中,一般不會將花崗巖各風化帶遇水軟化、崩解作為荷載驗算工況。因此,如果施工過程中發生巖石崩解,將威脅明挖施工的安全。

5)巖層風化帶的巖面起伏問題對車站差異沉降的影響。沿線地質中,花崗巖各風化帶的巖面起伏問題相當嚴重并且普遍。一般而言,根據現行GB50157-2003地鐵設計規范設計方都會在車站主體結構方向設置1道~3道變形縫,間距約50m。而巖面的起伏造成車站底板分別坐落于不同地層,甚至造成有的底板坐落于砂層、軟土層,有的底板坐落于巖層。這種巨大的差異會造成:同一埋深范圍內土體強度和剛度不一,使得主體結構縱向沉降差異顯著增大,當變形縫兩側主體結構的差異沉降超過軌道允許的最大沉降差時,會嚴重影響地鐵車輛的運行。

6)地下結構在巖面起伏的地質中地震響應的風險。

上軟下硬、巖面起伏的地質使得盾構隧道的地震響應比較復雜,尤其是盾構屬于地下超長結構,其地震響應更加復雜,不僅受到縱向地震波的影響,還受到折射波的影響,并且隨地震波的入射角度不同而存在不同的地震響應給工程帶來較大設計和運營風險。

7)斷層破碎帶中進行地下工程施工的風險。

在各斷裂的斷層破碎帶之中,基坑開挖施工容易受到地質斷裂帶中沿巖石裂隙面滑動的滑動力不利影響,這種滑動也會帶來很大的風險。明挖基坑在計算基坑側壁滑裂面時,應考慮本斷裂面的不利工況。施工過程中對圍巖的破壞程度、工序銜接的快慢、施工技術措施是否得當等,均有很大的關系。

8)斷層活動的風險(包括抗震和地震響應等方面)。

斷層活動對廣州地區第四系覆蓋區的全新統可液化砂層和可能發生震陷的淤泥層有著重要影響,因而也往往容易沿這些斷層造成地基失效。因此,在工程建設中應注意抗震問題。

廣州地區斷層的活動性較弱,現代跨斷層的形變觀測表明其活動速率較小,不可能孕發強震,對地面建筑破壞較輕,但不排除在局部地段或地區,尤其是砂層或淤泥層較厚的珠江沿岸及其西部一帶,發生砂土液化和淤泥震陷等震害的可能性。

9)地下水腐蝕地下結構的風險。

沿線地下水對混凝土結構工程無腐蝕性,但對結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。此種腐蝕性會隨著時間的增長,加速結構的老化過程。特別是地鐵結構一般均處于高應力狀態,鋼筋受到腐蝕會影響結構的安全性。

10)隱伏溶溝、溶槽、地質漏斗、風化深槽等的風險。

在斷裂發生地帶多隱伏溶溝、溶槽、漏斗等,這種地質“空洞”,改變了地質應力分布狀態,使得土體經開挖后處于松散狀態而發生坍塌。

11)爆破震動引起砂層和淤泥質土層震陷的風險。

由于各站站址均下臥巖石層,施工時使用微型爆破或鉆孔設備時,施工機具的頻繁振動或爆破震動傳至砂層或上層淤泥質土層時,易產生液化、涌砂現象。

12)缺乏地質超前預報帶來的風險。

廣州地質條件相對復雜,突發性地質事件很多,缺乏地質超前預報易帶來很多風險。巖溶、斷裂、隱伏風化深槽等地質勘探、預報局限性也會帶來風險。

廣州地區存在巖溶、斷裂、隱伏風化深槽等大量的不良地質,這些均需要做大量的地質勘探工作。根據五號線的勘探實踐經驗,巖溶地質勘探很難反映溶洞的分布,這給施工帶來很大的困難和風險。

13)明挖基坑穿越上軟下硬復合地層(土、石交界面)的風險。

明挖基坑大多穿越上軟下硬復合地層(土、石交界面),因而此類問題具有很大的普遍性。此時,軟土地層應力逐漸增大,而硬巖、風化巖地層則突然減小。此類基坑的支撐設計階段也應考慮到這種變化。

14)流砂的風險。

廣州部分地區砂層較厚,基坑遭遇流砂危害的可能性也較大。雖然圍護結構都設置了樁間止水措施,但難免存在空隙滲漏流砂。

15)硬巖層內成樁困難的風險。

廣州地鐵五號線沿線都存在很厚的硬巖層,因而成樁困難。值得一提的是以上所述工程中的各項風險因素往往相互作用,比如地面塌陷引起地下管線爆裂、地下基礎的嚴重傾斜;地下管線爆裂、地下基礎的嚴重傾斜更加劇了地面塌陷,如此往復應該注意避免此類風險的相互作用現象,并從源頭上控制風險。綜上所述,作為建設單位、監理單位、施工單位應對地鐵深基坑工程中地質風險加以了解,對照審核施工方案、施工組織及安全措施;分析和評估各車站、區間施工中可能發生的安全風險;確定現場監測的對象、項目內容、范圍以及監測頻率,并實施監測;審查施工降水、地層注漿、臨時工程設計和重要管線及建筑物的保護方案;參與施工中關鍵技術措施可行性和有效性的審定,并對相應的安全風險作出評價;綜合分析監測數據和地質狀況,對施工影響區內的環境安全狀態作出及時、可靠的評估,及時進行預警和報警,從而提高深基坑開挖的安全管理水平,減少由地質風險導致的事故。

參考文獻:

[1]李兵,徐明新,陸景慧.地鐵車站土建工程施工風險分析與對策[J].山西建筑,2007,33(5):263-264.