太原地鐵建設安全風險及預警事件統計分析

■趙俊杰

（太原中鐵軌道交通建設運營有限公司，山西 太原 030000）

隨著國家經濟的高質量發展，近年來，我國城市軌道交通工程迎來全面建設時期。根據中國城市軌道交通協會發布《城市軌道交通2022 年度統計和分析報告》[1]顯示，截至2022 年底，中國大陸地區共有55 個城市開通城市軌道交通，運營線路308 條，運營線路總長度突破10000 km，達到10287.45 km。

伴隨著城市軌道交通建設的蓬勃發展，軌道交通工程建設中安全質量事故亦頻發。如何減少或避免群死群傷等重特大安全質量事故發生，加強對安全風險管理的顯得尤為重要。通過統計建設過程中的安全風險事件，并對預警進行分析，總結出安全風險管控過程中的經驗與教訓，進而有效指導后續施工，減少事故的發生。

太原市地下水埋深淺，地層具有區域差異性和敏感性，土體自穩能力介于北京、上海兩者之間。太原地鐵2號線為山西省首條地鐵線路，如何快捷有效地積累安全風險管理經驗對后續線路建設意義重大。

一、工程概況

（一）線路設計概況

太原地鐵2 號線，全長23.647 km，南起小店南車輛段，北至西澗河站，共設車站23 座，區間23 個。線路南北向穿越太原市城區，途經小店、迎澤、杏花嶺和尖草坪四個行政區。

全線車站主體基坑開挖深度范圍為15.2～27.7 m，主要采用明挖順作法施工，個別車站受交通導行影響局部采用鋪蓋法施工。人民南路站—龍城大街西站區段（除嘉節站）及王村南街站，車站主體基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐，圍護樁外側設置三軸攪拌樁止水帷幕，坑內設疏干降水井；嘉節站主體基坑，圍護結構采用鉆孔灌注樁，坑外降水，為全線降水試點工點；中心街西站～西澗河區段（除王村南街站），車站主體基坑圍護結構采用地下連續墻+內支撐，坑內設疏干降水井。

區間除出入段線區間、嘉節站—龍城大街西站區間明挖段、鐘樓街站—府西街站區間明挖段采用明挖順作法施工外，其余區間隧道均采用盾構法施工。隧道埋深范圍為15.2～30.5 m，盾構機均采用土壓平衡式盾構機。

（二）周邊環境風險源

太原地鐵2 號線南北向穿越太原市城區，沿線施工影響范圍內主要分布有道路橋梁、河流、溝渠、建（構）筑物、各類市政管線等環境風險源[2]。

雙塔西街站—北大街站區段周邊環境尤為復雜。其中雙塔西街站—大南門站區間盾構下穿太原市公交宿舍家屬樓、迎澤苑小區7 號樓、南沙河快速路箱涵、玫瑰亭（迎澤公園）、石砌單孔拱橋（迎澤公園）、迎澤湖等13個Ⅱ級環境風險源。大南門站—北大街站區段屬于太原老城片區，周邊居民住房大多為80 年代修建的磚混結構，這些建筑物結構及基礎形式較差，對施工擾動較為敏感。

（三）水文地質特點

1.區域差異性

（1）液化地層：小店南車輛段—畜研所站區段地層液化性最為顯著，液化地層包含2-3-1 黏質粉土層、2-3-2 砂質粉土層、2-4 粉細砂層，液化層連續片狀分布，液化等級中等-嚴重，厚度3～10 m，埋深5～19 m。

（2）雜填土厚：雙塔西街站—緝虎營站區段處于太原市老城區，雜填土層厚2.9～13.0 m，平均厚度約6 m。雜填土層結構松散，疏密程度不一，主要由磚塊、灰渣、爐渣、煤渣、白灰、混凝土塊、碎石塊等建筑垃圾組成，充填粘性土，土均勻性差，強度較低。

2.敏感性

（1）填土層的敏感性：主要由雜填土組成，一般層厚約3.0～16.2 m，以腐殖土、粉土、粉質黏土為主，夾少量塊石，塊石粒徑一般為10～30 cm。人工填土結構松散，均勻性差，欠固結，有較強的透水性，厚度較大的填土層分布段在施工基坑時容易產生地面變形及不均勻沉降，影響鄰近管線、建筑物及道路安全。

（2）砂層的敏感性：全線區間掘進地層包含2-2 粉質黏土層、2-3 黏質粉土層、2-4 細砂層、2-5 中砂層，以2-4 粉細砂為主。盾構在飽和粉細砂地層中掘進時，在往復剪切作用下，會發生瞬間滑移破壞，孔隙體積減小，趨于振密，而不可壓縮的孔隙水不能及時排出，導致孔隙水壓力上升，上升到等于上覆壓力時，抗剪強度喪失，粉細砂轉變為流體狀態，產生振動液化流動現象。盾構掘進施工中對渣土改良、刀盤轉速、開挖面土壓力及盾尾回填注漿壓力等參數控制要求較高，極易出現開挖掌子面坍塌、盾尾和螺旋輸送機后艙門涌水涌砂等風險事件，導致地層損失，地面沉陷甚至坍塌。

3.高水位

太原市區普遍存在高水位的特點，2 號線一期工程沿線涉及地下水主要為潛水（局部區段具弱承壓性），水位埋深1～9 m，平均埋深3～4 m；沿線地層水位較高，水是地下工程施工安全的主要影響因素，地下水的疏干工作一直都是工程難題，工程的無水作業是安全施工的重要保障之一。

二、國內風險管理經驗簡述

（一）北京

北京地區針對同一區間不同區段的地層特點和施工環境風險情況，提出將盾構隧道劃分為不同的組段，然后確定各個組段內的主要盾構施工參數的控制范圍，從而控制盾構施工過程中的安全風險的方法。根據北京地區地層和盾構施工環境的特點將北京地鐵盾構隧道劃分為18 種安全風險組段，北京地鐵任何一個盾構隧道都是由這18 種組段中的一種或幾種組段組合而成，并在實踐過程中取得良好效果[3]。

（二）杭州

杭州地層具有高水位和承壓性，城區北側為高靈敏性淤泥質土，錢塘江和貼沙河附近主要為流砂層。通過杭州地鐵1 號線的施工實踐，總結出應對上述問題的風險控制措施和管理經驗。例如，一是采用冷凍法加固方式來減小盾構進出洞風險；二是根據區間水位地質和環境風險情況制定針對盾構機結構本身的防水和防噴涌措施，以及盾構隧道管片接縫的防水措施；三是，針對深基坑工程提出了地下連續墻懸掛止水帷幕與注漿帷幕豎向搭接形成全封閉止水帷幕的復合減壓降水技術[4-5]。

（三）天津

天津地區水資源豐富，地下水位較高，地層較為敏感；通過對天津地鐵1 號線建設過程的經驗總結得出，從天津的地質條件、施工環境和當前的技術水平、經濟條件看，地鐵車站采用地下連續墻圍護結構的深基坑明挖法，區間采用泥水平衡的盾構法施工，是天津地區地鐵建設最佳的施工方法[6-7]。

三、風險事件統計分析

（一）風險事件統計

太原市軌道交通2 號線一期工程土建施工階段安全風險管理整體可控，未發生安全質量事故；由于2 號線一期工程是太原市建設的首條地鐵線路，加之太原地層特點的復雜性，在施工過程中不可避免地發生一些風險事件，多數風險事件均在發生之初得到有效控制，未造成嚴重損失。全線土建施工過程中共計發生安全風險事件79 起，安全風險事件類型見圖1，各工點分布數量見圖2。

圖1 風險事件類型分布圖

圖2 工點風險事件分布圖

（二）風險事件原因分析

由圖2 可知，全線風險事件發生頻次較高的幾類風險為基坑側壁涌水涌砂、基底涌水涌砂、盾構施工引起周邊環境變形、基坑周邊環境變形、盾構始發/接收端涌水涌砂。

通過對風險事件類型進行統計分析，結合現場安全風險管理經驗，得出導致安全風險發生的主要原因如下。

1.明挖基坑工程

（1）基坑側壁涌水涌砂：①地下水位埋深淺，平均埋深3～4 m，基坑內外具有一定水頭差；②基坑深度10 m左右至基底范圍內普遍存在富水砂層，圍護結構施工過程中由于護壁泥漿比重、垂直度控制不佳，導致地連墻接縫部位夾泥夾渣或出現連墻劈叉現象。

（2）基底涌水涌砂：①全線范圍內發生基底涌水涌砂風險事件的基坑，止水帷幕插入比在1∶0.55 左右，均未完全進入不透水層或弱透水層，屬于懸掛式止水帷幕；②地下水位埋深埋深淺，基坑內外存在水頭差，且個別工點地下水均有微承壓性；③部分車站坑內降水井布設間距偏大（雙排梅花形布置，同排井間距≥12 m），降水井成井質量不佳及基坑開挖過程中降水井保護不到位，導致疏干降水效果不佳。

（3）基坑周邊環境變形過大：①基坑側壁、基底涌水涌砂導致周邊地層土體損失；②基坑圍護結構插入比不足，基坑開挖過程中，基坑圍護結構自身向基坑內變形導致周邊環境變形；③基坑開挖施工不規范，如鋼支撐架設不及時、土方開挖方式不合理等。

2.盾構區間工程

（1）盾構施工引起周邊環境變形：①區間上方的雜填土層及富水粉細砂層（局部區段具有液化性）等高敏感性地層；②掘進施工過程中未根據掘進地層變化情況及時調整盾構機掘進參數，如進入富水砂層段掘進時，未及時調整渣土改良等參數，出現螺旋機噴涌導致隧道上方地層瞬時地面出現沉陷。

（2）盾構始發/接收端涌水涌砂：①盾構始發/接收端頭降水效果不佳，未完全將地下水位降至隧道底板以下；②部分工點采用旋噴樁端頭加固方式，旋噴樁在深度超過15m的富水粉細砂層中施工時，成樁效果難以保證。

由圖3 可知，全線風險事件發生的區域主要集中在出入段線—嘉節站區段和雙塔西街站—北大街站區段。其中，出入段線—嘉節站區段，地層液化性突出，在小店沉降區范圍內；雙塔西街站—北大街站區段，雜填土層厚，區間掘進地層主要為粉細砂層，施工影響范圍內老舊建筑較多。

圖3 全線紅色監測預警分布圖

四、預警統計分析

（一）監測預警

根據太原市軌道交通工程安全風險監控與管理信息系統統計第三監測和施工監測在全線工點施工期間累計發布紅監測預警975 項、橙色監測預警4715 項（其中累計變形超控制指標橙色監測預警3628 項）、黃色監測預警2446 項，全線各工點紅色監測預警分布情況，見圖3，紅色監測預警按照監測項目類型組成所占比例見圖4。

圖4 紅色監測預警項目類型餅狀圖

由圖3 可知，全線紅色監測預警主要集中在出入斷線—畜研所站區段和雙大區間—礦機站區段，分別對應地層特點為液化地層段和雜填土層段對應，且基本與圖3 吻合。太原地鐵施工受地質條件影響較大，施工期風險辨識和風險管理過程中，應重點考慮地質條件帶來的施工風險。

全線總計監測預警8136 項，累計變形超控制值4603 項，占比56.58%。由圖4 可知紅色監測預警項目主要為地表沉降、管線沉降、樁/墻體測斜。建議在加強基坑支護體系自身穩定性設計的同時，可考慮在大數據統計分析的基礎上，對個別監測項目的控制值予以調整。

其中，雙大區間累計紅色監測預警136 項，88%監測點累計沉降變形超過控制值，雙大區間下穿迎澤湖等13 個Ⅱ級環境風險源。建筑物累計沉降紅色監測預警主要集中在雙大區間-礦機站區段，該段老舊建筑物較多，建筑多為磚混結構且基礎形式簡單。

（二）巡視預警

目前太原軌道交通安全風險管理模式為“三維一體”，即“安全風險管理體系”“現場安全風險管理”“安全風險管理信息系統”。將施工過程中工程風險預警分為監測預警、巡視預警和綜合預警三類，其中巡視預警為施工過程中通過巡查，發現安全隱患或不安全狀態而進行的預警。按嚴重程度由小到大分為三級，黃色巡視預警、橙色巡視預警和紅色巡視預警[8-9]。

土建施工階段各參建單位累計發布巡視預警126項。巡視預警類別、數量、所占比例，見圖5。

圖5 巡視預警發布內容餅狀圖

由圖5 可知，巡視預警中鋼支撐架設滯后、土方開挖方式不合理、樁間網噴滯后等常規風險所占比例達46%。同時，僅鋼支撐體系架設及時性及規范性所占比例達44%。因此，后續施工安全風險管理管中應加強常規風險的管理，及鋼支撐架設分項工程的重點管理。

五、風險管理經驗總結

（一）技術方面

1.環境風險等級評定：鑒于太原城區地層特點的敏感性，宜對結構及基礎形式簡單的建筑物在環境風險評級時，風險等級上調一級。

2.盾構選型：對于盾構掘進穿越地層為粉細砂層，上覆土層敏感性強且長距離下穿重要環境風險源源時，在盾構機選型時，可考慮采用泥水平衡盾構機。

3.施工圖設計：（1）車站圍護結構設計時，應適當加大止水帷幕插入深度，宜插入不透水層或弱透水層；若采用懸掛式止水帷幕，坑內降水設計應滿足作業條件，同時保證基坑圍護結構自身變形滿足設計要求；（2）盾構始發/接收端加固方式宜采用三軸攪拌樁、冷凍法等加固效果可靠的加固方式，或采用鋼套筒接收，不宜單獨采用旋噴樁加固方式始發/接收。

4.監測控制值：太原市軌道交通工程監測應結合圍護結構設計方案、太原地層區域性特點及環境風險源自身特點，針對不同的工況確定不同的監測項目控制值。

（二）管理方面

1.常規風險的層級管理、閉環管理

（1）針對施工階段現場存在的常規風險，應根據參建各方現場巡查頻率進行預警管理，原則上巡視預警以監理單位→第三方監測單位→風險巡視單位→軌道公司現場主管部門為順序進行發布。

（2）針對施工階段現場存在的風險問題，無論大小均應實現閉環管理。

2.提高風險管理意識

將風險隱患當事故抓，實行風險事件閉環管理，把風險控制在隱患形成之前、把隱患消滅在事故前面。

3.風險管理標準化的制定

為進一步加強土建施工階段現場安全風險管控，實時現場安全風險管理的標準化，后續將結合太原2 號線一期施工管理經驗，制定《鋼支撐架設標準手冊》《施工/監理單位風險管理資料標準化手冊》《現場監控量測工作指南》《重大風險源工序施工標準》等標準化管理規定。

六、結論

太原地鐵2 號線為太原市建設的首條線路，水文地質條件復雜，具有較強的區域差異性、敏感性和高水位特性，這些是太原地鐵建設安全風險管理所面臨的挑戰。只有在太原地鐵2 號建設安全風險管理經驗的基礎上不斷地分析和總結，制定出適宜的設計、施工方案，并總結制定出一整套安全風險控制制度、措施，才能確保后續線路施工安全風險可控。