浅谈北京地铁8号线二期工程土建风险工程分析与安全对策论文
1 工程概况
北京市轨道交通8号线二期工程(回龙观东大街至森林公园南门、北土城至中国美术馆)为北京市南北向中轴骨干交通线，穿越北京市城市主要干道、河流、桥梁、铁路、既有城轨交通线和旧城区。周边环境复杂，建筑物密集，工程地质复杂。对土建工程及地面交通运营、建(构)筑物的风险规避与安全保障提出了很高的要求。
2 工程地质特点与防风险措施
8号线二期工程沿线地质条件复杂，软土、砂层、卵石等各种不良地质条件互存，对工程的实施带来了一定的风险。
(1)软土及其处理措施。工程范围局部地段分布的新近沉积层粘性土具有含水量高、压缩性高、强度低等工程性质，由于其发育范围较小，埋深较浅，厚度较薄，对区间隧道基本无影响，但对基坑和地面工程容易产生坑壁变形失稳和基底沉陷等问题，应加强基坑坑壁防护措施，软弱地基应采取加固措施进行处理。
( 2 ) 地面沉降的防护。根据《北京地铁8号线二期工程建设场地地质灾害危险性评估报告》研究结论，地铁8号线二期工程位置地面沉降量为310～355 m m，遭受地面沉降地质灾害的危险性为中等;同时，施工开挖过程中如排土过多、未及时注浆和涌水、涌砂、坍塌等事故都会引起过大的地面沉降。应采取有效的防护措施和降水方案，采用合理的施工工艺，并做好监测工作。
(3)潜蚀与流砂的降水处理措施。在隧道、基坑开挖深度范围内分布有粘性土、砂土、圆砾土、卵石土等松散土层，且多为含水层，水量较丰富，由于施工降水造成内外水头差，可能产生因动水压力引起的渗流破坏，造成流土、流砂、坍塌现象，应采用切实可行的降水方案和降水设备、过滤材料，以减小对土体的扰动。
( 4 ) 底鼓与涌砂及其防护措施。由于沿线部分段落基底位于粘土、粉质粘土、粉土、砂土地层，隧道、基坑在施工开挖时，致使土体的自重应力释放，容易产生底鼓和涌砂现象。因此，施工时应确保水位降到基坑面以下，及时封底。
3 全线风险工程分析
根据北京市轨道交通建设管理有限公司2007年编制的《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系(试行) 》( 以下简称《体系》)及8号线全线的工程地质水文特点和工程特征的分析，对土建风险工程的风险分析如下。
风险工程分为自身风险工程和环境风险工程。应根据风险工程与周边环境的接近程度、工程影响区、周边环境的重要程度和自身特点、新建轨道交通工程工法特点和工程难度、工程地质、水文地质对不同工法的影响程度进行分类。
3.1 自身风险工程分级
自身风险工程分级，以新建轨道交通工程自身的特点为基础，参考《体系》进行基本分级。自身风险工程的基本分级重点考虑因素为基坑深度、暗挖结构层数、跨度、断面形式、覆土厚度、开挖方法等。
(1)一级自身风险工程。基坑深度≥25 m的深基坑工程，双层矿山法车站、净跨超过15.5 m的单层矿山法车站，超大断面区间矿山法工程等，其中超大断面矿山法工程指：净跨≥14 m的区间矿山法工程。
(2)二级自身风险工程。基坑深度在15～25 m(含15 m)的深基坑工程，近距离并行或交叠的盾构法区间，不良地质地段的盾构区间联络通道，不良地质地段的盾构始发与到达区段，大断面矿山法工程等，其中大断面矿山法工程指断面跨度大于9 m的矿山法工程。
(3)三级自身风险工程。基坑深度>15m的深基坑工程，一般断面矿山法工程， 较长范围处于较接近状态的并行或交叠盾构隧道，一般盾构法区间等， 其中一般断面矿山法工程指断面跨度小于9 m的矿山法工程。
3.2 环境风险工程分级
环境风险工程分级，以新建轨道交通工程与周边环境的相对位置关系、周边环境的重要性及自身特点为基础，依据《体系》进行基本分级。
(1)特级环境风险工程。下穿既有轨道线路(含铁路)的工程。
(2)一级环境风险工程。下穿重要既有建(构)筑物、重要市政管线及河流的工程和上穿既有轨道线路(含铁路)的工程。
(3)二级环境风险工程。下穿一般既有建(构)筑物、重要市政道路工程和临近重要既有建(构)筑物、重要市政管线及河流的工程。
(4)三级环境风险工程。下穿一般市政管线、一般市政道路及其它市政基础设施的工程，临近一般既有建(构)筑物、重要市政道路的工程。
3.3 北京地铁8号线二期风险工程分级
根据上述风险工程划分原则，8号线全线共有风险工程160个，其中特级风险工程2个，一级风险工程44个。
4 风险工程处理原则
(1)规避原则。对特级、一级环境风险工程，优先对车站站位、线路走向的布置方案进行分析比较，使重要周边环境处在新建轨道交通工程的显著影响区外;对工程自身，在工法选择上遵从“车站明挖、区间盾构”的原则;从车站层数、基坑深度等方面尽量减小工程规模。
(2)降低原则。对于处在新建轨道交通工程的强烈影响区内的周边环境，优先考虑采取改移、拆除、补强等方式将风险降至最低;对工程自身，应针对具体特点及所处的地质条件，选择安全适宜的施工方法。
(3)控制原则。对于处在新建轨道交通工程的影响区内的无法规避的周边环境或者无法降低风险等级的特级、一级风险工程，需对新建轨道交通工程的施工方法及施工参数进行分析比较，确定对周边环境影响较小的设计方案。此外， 需对周边环境的保护措施和自身风险控制措施进行技术经济分析，并制定出安全、经济、合理的具体技术措施。
5 风险工程处理及其对策
5.1 特级风险工程
5.1.1 特级风险工程实例8号线共有特级风险工程2处，分别为下穿城铁13号线和下穿地铁2号线鼓楼大街站，均为区间盾构法下穿。
(1)下穿城铁13号线。城铁13号线在拟建工程处平面为直线，线间距5 m，轨道采用60 k g钢轨，路基与地面相平， 为有碴道床。本工程为双线区间，东北-西南走向，采用盾构法施工，线间距12～13.6 m，埋深12 m左右。 (2)下穿地铁2号线鼓楼大街站。黄寺站— 鼓楼大街站区间在Y C K17+865里程下穿既有2号线地铁鼓楼大街站。既有鼓楼大街站顶标高41.95 m，底标高31.6 m，与区间垂直立体交叉，既有站底板与区间隧道竖向净距约2.5 m。既有站变形缝与区间隧道结构外皮最近距离为1.7 m。
5.1.2 特级风险工程处理措施
(1)组织及管理方面。①对风险工程进行识别，明确风险工程等级;②委托具有相应资质的评估单位对风险工程进行评估和检测，提供设计相关的技术参数，指导设计;③设计单位根据评估报告进行风险工程的专项设计，并由建设单位组织专家对设计文件进行评审;④施工单位、第三方监测单位根据设计文件编制工程实施方案、监测方案，并由建设单位组织专家对方案进行评审。
(2)技术方面。①选用配备了注浆系统的土压平衡盾构机，在盾构通过前，对土体进行加固，必要时对轨道进行扣轨处理;②合理使用添加剂，降低其粘着性，防止开挖土附着于刀头或土室内壁;改善土仓内土体的密闭性，防止开挖面坍塌;③优化掘进参数，保持盾构开挖面的稳定;④合理控制同步注浆与二次注浆;⑤做好穿越前的准备工作，包括先取得类似地层的掘进参数、检查盾构机刀具等，避免在下穿时开窗;⑥增加螺旋输送机的压力，保证不发生喷涌，必要时配置保压泵碴系统;⑦制定完善的`监测系统和应急处理方案。
5.2 一级风险工程
8号线二期工程共有一级风险工程44处，主要涉及明挖基坑、矿山法车站、盾构重叠隧道及邻近的重要建筑物、构筑物、管线保护等。
5.2.1 明挖基坑设计
(1)基坑支护设计。为确保在基坑支护结构施工过程中安全可靠，同时要求支护结构具有较大的刚度、强度和防水能力。其中1座车站深基坑围护结构采用800 m m厚地下连续墙，另外11个深基坑采用φ800 m m的钻孔桩。采用φ609 m m×壁厚12 m m、φ 609 m m×壁厚14 m m和φ 609 m m×壁厚16 m m的3种钢管支撑，以控制基坑的变形和稳定。同时加强施工监测，信息化施工，确保基坑及周边环境的安全及正常使用。8号线土建工程施工单位除做好基坑开挖监测工作外，基坑开挖过程中业主还必须委托专业的监测单位开展各项第三方监测工作。第三方监测的内容以明挖基坑工程监测为主，需重点控制建(构)筑物的沉降与倾斜。
(2)对周边建(构)筑物的保护或加固措施。施工前查明基坑周边2～4倍开挖深度范围内建(构)筑物的地上及地下结构类型、层数、基础类型及埋深、使用现状和质量情况。应查明基坑周边2～3倍基坑深度范围内的给排水、供电、供气和通信等管线系统的分布、走向及其与基坑边线的距离、管线系统的材质、接头类型、管内流体压力大小、埋设时间等。
在建筑物密集区进行基坑开挖时，支护结构体系除应满足自身稳定性外，还应考虑支护结构的变形对周围环境的影响。基坑开挖对周围环境的影响是基坑工程设计的重要内容之一，设计时应对环境影响进行预估并提出相应的控制措施。
5.2.2 矿山法车站设计
8号线是北京地铁线网中环境复杂、施工难度和风险最大的一条交通疏解性轨道交通线。受周边环境条件限制，有3座车站(安华桥站、黄寺站、中国美术馆站)采用明、暗挖结合的施工方法，同时隧道距离建(构)筑物近，地面交通繁忙， 环境保护十分重要;暗挖隧道纵横交错， 群洞效应使近接部分产生应力集中， 容易发生坍塌，影响施工安全。设计重点、难点主要如下。
(1)复杂条件下的暗挖车站工法。车站结合站址周边环境条件和特点，因地制宜地确定车站总平面布置形式、结构类型和施工方法;合理利用城市有限的地下建筑空间，实现功能、规模、经济与施工风险的合理解决。暗挖车站隧道的支护设计和防水处理是工程成败的关健。车站的矿山法暗挖隧道主要有超浅埋大断面隧道、双层暗挖隧道、双层3跨暗挖隧道等型式。对于大断面隧道，采用C R D工法或双侧壁导坑法，使大断面隧道按小断面隧道施工，同时亦需加设超前小导管注浆、锁脚锚杆、临时仰拱等辅助技术措施，将大断面分成小洞室步步成环，维护围岩稳定、控制周边土层变形。为保护隧道结构的安全，在拆除中隔壁及临地铁2号线车站与8号线关系 时仰拱时必须以监测信息作指导，不致引起结构和围岩的明显变形。
对于双层暗挖隧道、双层3跨暗挖隧道，根据北京地铁施工经验，采用P B A工法，即将明挖法与传统上的矿山法结合起来的一种新型施工方法，它既结合了明挖法的优点(对周边土层变形控制有利)和矿山法的优点(对地面影响较小)，为在城市中心区进行地铁车站施工提供了技术保障。
(2)浅埋暗挖地铁车站复杂群洞。重点解决群洞效应的影响、暗挖隧道接口的处理。包括：复杂群洞洞周围岩稳定性与设计优化;复杂群洞在不同开挖方式及不同开挖顺序下的群洞效应计算分析;支护形式的选择与围岩稳定性的匹配;复杂群洞施工过程中的风险预测及控制。
针对群洞效应的加固技术措施主要为从先开挖洞内向近接顶部或侧墙预先增设锚杆及注浆加固，确保近接土壁或土拱的绝对安全。
(3)暗挖隧道周边建(构)筑物保护。由于车站周边建( 构)筑物众多，建筑物保护的难度和风险极大，尽量考虑减少桩基托换工程以及采取安全可行的保护措施，可有效节省工程投资，降低施工风险。对与建筑物基础距离小于2倍洞径的隧道段，采取洞内加密注浆小导管和格栅钢架等加强措施。当基础变形较大时可采用基础附近跟踪注浆等加固技术措施，控制围岩及建筑物的下沉。安华桥车站东侧紧邻安华桥，为保证施工期间安华桥的安全，施工前在地铁车站与桥梁之间设置隔离桩，同时对隧道断面进行全断面注浆加固。
(4)对周边环境及隧道土体变形的施工监测。监测项目包括洞内外观察及地质素描，洞内拱顶下沉量测，周边位移、水平收敛量测，地表下沉量测，建(构)筑物倾斜、下沉、裂纹的量测，二衬主筋及初支格栅钢架的应力量测，围岩压力量测，爆破振动观测，水位观测等。距离建(构)筑物近的地段，要求施工前必须查明情况、布设沉降、倾斜测点，加强全面系统的施工监测，进行信息化施工。变形控制标准如下：地表下沉不超过30 m m、隆起不超过10 m m;多层建筑地基局部倾斜小于0 . 0 0 2L～ 0 . 0 0 3L( L 为相邻柱基的中心距离，m m);多层建筑地基整体倾斜小于0.002 H( H为自室外地面起算的建筑物高度m)。
5.2.3 盾构法区间隧道
8号线二期工程区间总长度为1 5 . 0 2 k m , 其中盾构法施工区间13.52 k m(占90%)。因此，针对8号线盾构区间进行了综合研究。其中，结合地质情况，合理选择了盾构机和施工方案;在建筑物密集区， 为减小盾构区间施工对沿线建、构筑物的影响，合理选择了桩基处理方案。这对降低造价和减少工程风险具有重要的指导作用。
(1)对盾构隧道地层的适应性分析。由于目前国内地铁建设中盾构机使用量较大，且新盾构机价格较高，8号线二期工程大多使用已用过的盾构机。针对8号线二期工程地层有透水的中粗砂层、粘土层、卵石、软土等特点，土压平衡盾构机在富水砂层掘进时，重点是防止喷水涌沙：①严格按土压平衡掘进模式;②向土仓中注入膨润土并加气压止水或加大泡沫用量;③不断进行排土量比较;④加强地面沉降监测并反馈控制，优化土压参数设置;⑤同步向管片背面注入双液速凝(10 s以下)浆，止住管片背面的来水;⑥必要时采取安装保压泵、排渣等措施防止排土时的喷水涌沙。
(2)盾构上下重叠段设计。在什刹海站—南锣鼓巷站—中国美术馆站区间，由于考虑北京地铁6号线的路径因素，8号线的左右线上下重叠，左线在上，右线在下，区间线间距由28 m为渐变为0 m，隧道轨面高差从0渐变为8.4 m;区间线路最大坡度为27 ‰。车站前后的__盾构区间上下重叠，盾构隧道净距小(2 m)。重叠隧道施工程序不同将会形成不同的扰动区域和地表沉降，因此，隧道掘进顺序对地面沉降控制尤为关键。由于2条线分别位于不同的上下地层，因此，施工顺序先下(右线)后上(左线)是较好的顺序。同时，在盾构到达前对该范围地层进行加固，并在下隧道施工完成、上隧道施工时对下隧道进行支架保护;另外，必须使先行隧道施工的管片背面的同步注浆饱满。必要时，应进行管背二次补充注浆充实。保持开挖面的稳定和及时充填隧道与地层之间的建筑空隙。根据监测信息及时调整盾构掘进参数，同时应特别注意盾构重叠区段的地表沉降控制。
5.2.4 周边建(构)筑物、管线保护及处理措施
8号线沿线线路穿越大量的平房(共计约10万m2)，还需穿越4座桥梁、5座过街隧道、3条河流、4座高压铁塔和大量的管线。为保证地铁周边建(构)筑物、管线的安全，开展了专题研究、计算与分析，确定相应的保护措施和处理方案。
(1) 进一步收集基础资料，核实建(构)筑物、管线与隧道之间的关系，用以保证施工和建筑物的安全。①对旧城区的平房其使用年限、建筑物现状、与地铁隧道的关系进行分类，明确要保护的对象;②对与隧道掘进有紧密关系的建筑物应建立系统的监测网并采取必要的保护措施。
(2) 委托具有相应资质的单位对建(构)筑物进行评估和检测，并由建(构)筑物的权属部门(或其委托单位)对评估和检测报告进行专家评审，设计单位根据评审后的评估和检测报告进行设计，由施工单位和监测单位根据设计文件编制施工方案和监测方案进行实施。
(3) 对于与地铁隧道净距离较小的建(构)筑物，需采用工程分析法和数值计算对这部分基础和隧道进行研究，确定是否要隔离保护或加固。如不需要处理，则盾构掘进时，通过调整掘进参数，加强同步注浆和二次补充注浆，设置系统的监测网，进行变形监测并及时反馈信息。
6 结语
针对8号线土建工程的特点，考虑到实施过程中的一些不确定因素和工程风险，须采取以下措施。
(1) 对全线的明挖基坑和周边建(构)筑物加强监测，除要求承包商加强施工监测外，还委托第三方监测。
(2) 加强对基础资料的调查和收集，探明沿线周边建(构)物的基础和结构形式。对周围环境的影响是工程设计时需考虑的重要内容之一，设计应对环境影响作出预估，并提出相应的控制措施。
(3) 建议针对暗挖车站群洞效应的影响、大断面小间距隧道、盾构机的适应性等难点进行专题研究。
(4) 建议邀请专门权威机构对全线的难点部分进行安全性评估。
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