地铁隧道施工安全保护的对策和措施

罗园辉（广州市市政工程监理有限公司， 广东 广州 510045）

1 地铁隧道安全管理活动及风险综述

开展地铁保护区工程管理工作，首先要对地铁隧道现状或近况进行调研，对调研收集的内容进行整合分析；其次通过理论分析、数值模拟计算和经验类比，对在建或运营中的地铁隧道的安全风险因素及其影响程度进行综合评估分析，并且对其变形情况进行预测；最后应对采取的保护措施加以总结并提出对策建议。此项工作主要从行政审批与执法、技术审查与支持、结构及设施设备监控、保护巡查与结构监测维护 4 个方面展开。目前大部分城市地铁建设有个通用特点，即“重建设、轻保护，招标低价、工期延长”，未能真正将“安全第一、以人为本”的原则落实到一线作业环境中。

建设工程安全风险主要包括工程自身及施工作业风险、周边环境风险、自然环境风险和组织管理风险这 4 类风险。就地铁隧道建设工程而言，在规划设计阶段、施工安装阶段和运营阶段有以下风险因素可供分析研究。

（1）设计勘察缺陷、施工阶段不同类型施工机械设备的垂直水平运输、多工种立体交叉作业、同步注浆等材料管控不到位、开仓作业管控不到位、盾构被卡姿态失控、管片渗漏或破碎、设备配件渗漏、操作工安全意识不强、操作不当或违规操作、联络通道暗挖支护、结构渗漏水、施工后固结沉降、运营期列车振动等，属于工程自身及施工作业风险。

（2）不同类型地下工程的近接施工或穿越重要建构筑物（如高速、铁路、高架桥、高压线塔、民房群）、邻近或下穿各类地下管线、邻近动水动土作业（尤其钻孔打桩或高压注浆、基坑开挖及排水、大面积堆土卸载或爆破拆除）、违规勘探钻探抽排地下水等，属于周边环境风险。

（3）不良水文地质、复杂不均匀地质、特殊复合地质、自然水土流失、承压地下水、围岩漏气冒浆等，属于自然环境风险。

（4）各参建单位安全管理机制不完善、管理和操作水平差、安全氛围营造不够、安全教育技能培训（交底）系统不完善、盾构机选型及配置风险、地铁保护措施不全、现场巡查机制不完善、安全监管不到位、长期巡查监控内外信息无法关联协作、部门监督不力执法不严、政治和法律风险等，属于组织管理风险。

上述各种安全风险因素造成既有结构的异常沉降、收敛变形或水平位移等，将会进一步引起结构病害、危及行车行人安全，甚至影响地铁运营安全。几乎所有地铁隧道在施工实施阶段和运营阶段都或多或少地发生过因结构受到外力损伤而影响施工和运营的安全事件。

2 地铁隧道安全事故案例及重大结构病害分析

2.1 由不良地质透水引起的坍塌事故

2.1.1 事故概述

2018 年广东省佛山市某地铁隧道区间盾构施工的盾尾管片拼装处从小量渗水滴漏演变为突发涌水涌沙的“透水坍塌重大事故”，导致正拼装的盾构管片结构瞬间被破坏，隧道前端正上方发生地面坍塌冒顶，造成 11 人死亡、1 人失踪、8 人受伤，直接经济损失约 5 300 万元。

2.1.2 调查分析

施工单位安全风险管控不力、应急预警不到位、应急处置不当，未及时撤出作业人员，未采取有效的技术与管理措施及时消除盾尾密封性能下降等事故隐患。同时，各种管理不当也埋下严重的事故隐患：没有牢固树立安全理念，没有真正把安全放在首位；对于复杂地质条件下的盾构施工，安全风险意识淡薄且措施不力；风险处置不科学，现场指挥不当；没有完善盾构分部的安全管理体制，统一管理流于形式；城市轨道交通盾构施工技术标准、规程和管理规定滞后；职能部门的安全监管缺乏行业针对性。

2.1.3 措施与对策

（1）优化勘探规范规程，加强复杂地质条件下盾构施工安全风险防范。

（2）加强关键指标的监测监控，为提前预判、做出应急救援的正确决策提供有力支持。

（3）加强提高风险管控能力和应急救援能力。

（4）优化盾构设备的设计和制造，制定盾尾密刷、油脂质量标准和操作规程等。

（5）全面落实主体责任，自觉接受属地安全监管，重视安全隐患排查闭合，以安全保质量。

2.2 由非法打桩引起的击穿隧道事故

2.2.1 事故概述

2010 年上海某地铁隧道正上方因某施工单位非法施工打桩，导致隧道管片被击穿破损、顶部泥浆喷出，幸好应急处置得当，抢修逾 10 h 后排除安全隐患，并未造成人员伤亡，但险些影响地铁开通运营，给社会带来恶劣影响；而该段受损隧道管片，后期再次耗时耗力作钢内衬加固。同类型事故也在 2017 年底的深圳地铁 9 号线和 11 号线的施工中发生过。

2.2.2 调查分析

该桩基施工单位在未经地铁运营单位审批的情况下擅自进行打桩施工作业。

2.2.3 措施与对策

加强归口监管和各部门的联合执法，完善和健全管理长效机制，包括督促各区强化小散工程监管，加强地铁安全保护区监管等，以进一步强化安全意识和安全行为，切实维护地铁运营安全。

2.3 由邻近区域大面积堆土引起的超载事故

2.3.1 事故概述

2013 年上海地铁某区间隧道正上方地面因市政道路施工需要进行路基填方而发生大量堆载，路基沿线长度逾300 m、宽度逾 20 m、土高最高约 7 m，经即时监测发现隧道健康监测值的沉降量对比 2 个月前的数据突增了 3.5 mm～22.8 mm，且下行线隧道侧排水沟与中心道床剥离 2 mm。同类事故也发生在其他地区营运中隧道上方的小区绿化施工。2015 年深圳前海双界河路市政工程也发生类似事故，影响了地铁 1 号线、5 号线的运营和 11 号线的建设。

2.3.2 调查分析

经分析，隧道正上方加载土方的重量传递至地铁外壁附加荷载已远大于 20 kPa，直接导致管片横向收敛变形量急剧增大，出现管片开口、渗漏水、缺角、横向变形等较严重病害。

2.3.3 措施与对策

（1）经应急处置、清理隧道结构上方及周边约 3 m高的弃土并外运后，隧道沉降小幅回弹了 0.46 mm～5.50 mm。跟踪监测至变化稳定。

（2）对已被扰动范围地层进行分层灌注多组分液浆加固。

2.4 由邻近深基坑施工卸载引起的异常情况

2.4.1 事故隐患

目前国内已建成的地铁运营路段大多存在一些临近建构筑物的深基坑接近地铁隧道的情况，导致距离 L 与深度 H 的比基本都小于 1.0，车辆换乘点部分可以说是零距离接触。

2.4.2 调查分析

经过调查收集某地区地铁 1 号线在 1999—2011 年期间邻近深基坑施工时的监控监测数据，得出以下不良影响和结构隐患：反馈收敛变形变化曲线数字累计最大超 140 mm，部分管片横径差异过大，出现多道纵向贯穿裂缝，对应下行线沉降累计变化（基坑开挖对应范围）已达－48 mm、上行线达到－29.2 mm 等。运营单位立即采取相应措施加以控制，沉降与变形已有一定回调并逐渐趋于稳定。类似特殊案例可参见 2018 年底陕西省西安市夏殿村安置小区项目基坑、2019 年中陕西省西安市碧桂园云顶项目一期、2017 年陕西省西安市万科城市之光南区项目等。

2.4.3 措施与对策

（1）往后地铁相邻物业进行开发与规划设计应按照“远大近小、远深近浅、先远后近、跳浜施工”的原则指导施工。

（2）施工过程应按照“时空效应”理论的“分层、分块、对称、平衡、限时”原则实施现场基坑开挖顺序和开挖支撑施工参数，从而有效控制隧道异常沉降和水平位移的不利影响。

（3）分析沉降变形规律，软弱地基范围的收敛变形约75% 为大地沉降，会有适当反弹回调。开通运营前 5 年较大，10～15 年后趋于稳定。位于流塑性地层的隧道可以采取“双液”微扰动轻注浆治理措施，分段分阶段地应对不均匀沉降；同时科学指导运营单位根据实际需要调整沉降维修标准。

（4）钢支撑采用“自动补偿轴力系统”，可有效控制围护结构的水平位移，降低施工对地铁隧道造成的不利影响。

（5）健全应急救援预案，现场应提前准备好应急救援物资，包括设备和材料。

2.5 邻近或穿越重要建（构）筑物（如高速、高架桥、隧道或民房群）的施工

2.5.1 施工重难点

近十年来我国各大城市如火如荼地开展地铁工程建设。由于已运营路线较多，难免存在在建隧道需要穿越正在运营的大直径隧道。例如，广州地铁 14 号线一期土建施工 8-9 标区间隧道上下行线及出场线施工，按照设计要求先后 5 次下穿北二环高速（含匝道）、1 次下穿在建隧道、沙坑涌和 49 栋民房群和蓝天航油管，且多次穿越 G10 广从路以及复杂地下砂层施工，路线邻近跨越数条 110 kV 高压线塔，可谓困难重重、风险较高。实施穿越工程必须做到施工方案完善，充分落实方案技术交底、安全交底及培训教育；要求现场施工主管（机长）具备丰富经验，及时足量注浆，充分稳定隧道管片的周边地层。

2.5.2 措施与对策

施工时结合工程经验，采取了多项冗余保障措施：依照“保头护尾、均匀慢速推进、适时调整纠偏、平顺盾构姿态、及时足量同步注浆、适时二次注浆加固”原则指导重点区域穿越；勤监测、多跟踪，关注盾构 GPS 测量偏差、电子水平尺即时监测复核、当天形成测量报告分析和CAD 图形模拟，确保动态监控、及时反馈；施工方案与应急处置预案同步指导施工作业，应急设备材料准备充分、能够即时到位，辅助施工顺利开展。

2.5.3 监测结果

各风险点平安渡过后相隔 1 个月，进行最终施工复测以及第三方监测复测，结果发现：穿越房屋群、北二环高速的沉降量累计最大值为 －16.80 mm，累计监测 55 次未发生报警值；穿越广从路的沉降量累计最大值为 －29.61 mm，未发生过日报警值或累计报警值情形。最终该项目监测数据质量能满足设计要求，监测精度均达到 JGJ 8—2016《建筑物变形监测规范》二等精度的要求。

2.6 地铁隧道重大结构病害的处理及维护保养

2.6.1 重大结构病害

重大结构病害案例包括 2015 年南京地铁 10 号线元通—中胜—奥体中心区间隧道和 2014 年深圳地铁 1 号线鲤前区间隧道等。

2.6.2 调查分析

隧道结构病害，从内在来看，其主要诱因：施工风险考虑不足，盾构操作机长经验不足，洞内注浆加固未能及时足量实施，一线操作工人责任心不强。例如：管片拼装螺栓漏拧紧导致施工后错台变化增大，盾构设备故障频发、日久失修导致盾构姿态失控，管片中心线偏离且未及时调整回正常范围，施工中管片错台渗漏现象过多且未及时修正，等。从外在来看，其主要诱因：地质不均匀或地层上软下硬，导致盾构施工沉降和运营期间沉降过大；自然水土流失，导致隧道累计叠加位移变化且难以趋于稳定；邻接工程施工扰动较大，导致其对隧道外壁形成不利影响；隧道运营初期，对振陷的钢轨、管片未能及时进行相应的注浆加固；等等。

2.6.3 措施与对策

（1）针对人员经验不足，应有经验丰富的公司技术负责人、项目总工组织多次技术研讨、技术交底及专家评审论证活动。

（2）针对结构渗漏水病害，施工时应对隧道壁内进行骑缝注浆或对隧道壁后进行注双液浆或聚氨酯，并多次治理加以巩固。

（3）针对结构掉块、掉边病害，如隧道 3 点、9 点以上的破损，主要以清理为主并辅之以速凝水泥修复；如 3点、9 点以下的破损，主要以清理为主，确保不露筋。

（4）对于道床脱开、过渡段差异沉降过大的区段，采取外部压桩回填注浆的方法以稳定结构沉降，同时结合内部道床加高措施保证轨道平顺。

（5）针对不均匀、不良的地层，应积极开展对隧道外防水材料及防水工艺的试验与应用，以保证不会因隧道渗漏而发生水土流失现象。

（6）实行收敛治理，其基本原则是“上卸载、侧纠偏、内加固”，针对变形位置加强内部堵漏、监测和标识，以防隧道结构发生突变。在特殊情况下，多种措施齐上阵，内加固管片裂缝处采用芳纶布加固、损伤严重区段采用贴钢板加固，可增强 25%～30% 的极限承载力。若管片直径变形量≥100 mm、拱顶存在 1.5 m 以上纵向裂缝，则要及时贴钢板环加固，加固期间地面限制超规大型运输车辆通行。

3 对安全控制指标及安全管理措施的补充说明

地铁结构安全控制指标主要包括地铁结构及设施的绝对沉降量（最终位移值）、变形、差异沉降、结构裂缝、相对收敛、变形曲率半径、管片接缝张开量、渗漏、地铁外壁附加荷载量、隧道振动峰值速度、轨间距、道床脱空量等（见表 1）。

表1 城市轨道交通结构安全控制指标值

安全管理分 4 个等级（依次为限制级、1 级、2 级和 3级），3 级为影响轻微，对应其等级采取相应的管理措施（见表 2）。从设计、施工角度来分析，安全保护控制措施具体实施可以从围护体系、土体加固、支撑体系、开挖＋支撑、降水降压、施工监测监控、信息化施工、应急预案等方面展开，具体表现在：优化施工工艺、加固加强隧道两侧、钢支撑轴力伺服系统、调整降水扰流路径、持续监测内结构与外环境、实时监控即时信息预警、完善应急响应体系等，从而为地铁隧道提供充分且必要的保障。具体施工工艺及参数选择，在此不做赘述。

表2 建设项目安全管理措施

4 地铁隧道安全保护对策

当地铁保护区范围内的近接工程经审批通过、正式施工前，应对地铁隧道现状进行调查，根据结果对隧道安全管理等级进行评估或修正并制定相应对策。施工中应加强地铁隧道的日常巡查和监测，适时对安全评估进行调整，若监测结果超过预警值，须立即采取对策使结构变形稳定。待施工后结构变形稳定，即对隧道开展详细调查（包括健康度评定），再次评估隧道状态对应采取维保加固措施，从而确保地铁隧道的结构及运营安全（见表 3 和表 4）。

表3 地铁隧道现状调查与监测要求

表4 保护区建设项目及常用对策汇总表

4.1 通过标准化、规范化和制度化管理合理约束地铁保护区内的施工主体及活动

原建设部于 2005 年颁布的《城市轨道交通运营管理办法》和住建部于 2013 年颁布的《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，指导并规范了地铁隧道工程在土建施工和运营阶段如何在保护区内开展安全保护工作。为了保障和维护地铁隧道结构本身和运营的安全，按照“地铁建设优先、地面服从地下”的原则，必须对保护区内的施工进行标准化、规范化、制度化管理，通过执行报验、研讨、论证、审批等管理流程并应用精确的技术数据，确保达到地铁规划、建设以及运营线路的安全保护要求。具体如下。

（1）相关行政主管部门应建立和健全城市轨道交通设施的安全保护管理体系，使得规范和要求管辖区内地铁隧道建设施工和运营使用的管理措施更趋完善，也更有针对性。

（2）在技术方面，各参建单位应根据城市轨道交通设施的保护要求，制定相关安全保护专项方案，并且在一线建设过程中严格实施。无论是控制保护区车隧结构外侧 50 m还是特殊保护区 5 m，都应主动控制好有关安全指标具体量的变化范围。

（3）在管理方面，城市轨道交通运营单位应依法依规开展有关交通设施安全保护工作。凡是在地铁保护区范围内即将开展邻近工程活动的，有关规划都应提前征求地铁公司的书面意见，有关设计、施工和监测方案都应提前书面报验经轨道交通运营单位审批同意、达到地铁保护要求后方可入场作业，并且施工过程应服从地铁运营单位的监管和管理。

4.2 建立施工、移交及运营期间的全过程实时信息化管理模式

建议该工作可由专业单位提供技术先进、长期稳定的专业服务，运用从不同终端（如地上地下佩戴“GPS 记录仪终端”的巡查人员、可实行飞检的全自动设备、自动化远程视频监控系统和结构监测芯片等）实时反馈的末梢数据和经过实时监控系统平台综合处理和分析的一系列全区域、全天候、全实时、多指标的大数据，形成数据库、案例库、影视库以便实施安全分级管理。同时，引入多种地铁监测新技术，如隧道断面收敛变形自动监测系统、基于光电位移传感的可视化预警监测集成、分布式光纤自动监测变形等。其意义在于：非常有利于优化日常养护和维护工作，压缩流程高效反应；有助于完善应急处理措施，提供全面的应急决策建议和科学依据；能进一步缩减部门编制，提高管理质素，缩减管理成本。

如果将地铁线网运营比作一个区块链，那么实行全过程实时信息化管理，就是将城际轨道、地面有轨电车、市区公共巴士、出租运营的士、机场航空航班等不同类型的区块链闭合成环，最终从整体上完善公共交通运营安全体系，助力优化市民出行方案，从而大大提升城市公共安全形象和强化参建单位的文化特色。这将具有非常重要的现实意义。

4.3 全面开展研究地铁保护区内周边工程活动对隧道的影响规律及实施对策

作为常见的近接工程，如基坑施工、地面堆卸载、上下穿隧道、地基加固处理桩基施工、注浆作业等，都有可能出现在地铁的建设过程和运营阶段，并且按照时间、空间和工法三要素对地铁隧道结构产生不利影响，继而造成结构承载力下降、结构变形过大并侵入界限、乃至结构破坏的后果。因此，近些年来地铁管理部门严格遵循地铁保护原则，对地铁保护区范围内的工程建设限制加载、卸载作业，以确保地铁隧道安全可靠耐久。从预防为主、科学发展的长远观点来看，必要的科研投入能够得到丰厚的科研成果，并在建设现场应用和按需量化实施过程中得到反馈，在推动地铁施工的安全管理，保障科技化、集成化、自动化的安全生产方面具有重大意义。