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1、 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009 年 11 月 台北 C24 - 1 廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究 竺維彬1 廖鴻雁2 黃威然3 1. 廣州市地下鐵道總公司 2. 廣州市地下鐵道總公司建設總部 3. 廣州市地鐵設計研究院有限公司 摘要摘要摘要摘要 廣州地質複雜，工程地質災害隱患較多，地下工程面臨的風險和考驗很大。作者通過全面系統分析研究工程地質勘察資料及施工環境，結合長期主管廣州地鐵建設的經驗和教訓，提出了“地下工程管理即以風險管理為核心”理念，強化全員、
2、全方位、全過程的風險管理的意識制度和行為，創新並實踐風險預控方法（設計方案、施工工法、工藝設備等），建立了“認知地質是基礎、創新方法為手段，精細管理為根本”的“以人為本”風險控制模式。本文綜論廣州地鐵工程重大地質風險控制模式，以籍同行參閱、借鑒和指正。 關鍵字：廣州地鐵、地質風險、控制模式。 一一一一、關於地下工程風險管理的理論關於地下工程風險管理的理論關於地下工程風險管理的理論關於地下工程風險管理的理論 1.1 “指南指南指南指南”在地下工程風險管理中的局限性在地下工程風險管理中的局限性在地下工程風險管理中的局限性在地下工程風險管理中的局限性 2004年“國際隧道協會”出版了隧道風險管理指南
3、1，2007年11月建設部“關於印發地鐵及地下工程建設風險管理指南（試行）的通知”，近10年來，國際隧道協會ITA每一屆年會均以風險控制為主題，隨著現代科技進步和中國大規模工程建設，建設工程的風險管理意識不斷加強，風險控制技術也得到有所發展。 但是指南在實踐中存在較大的局限性，例如根據指南進行的風險評估結果與實際效果有一定的差距。據國外的統計數位顯示，只有60的風險評估是可信的，國內的比例則更低。事故往往發生在評估單位或評估人認為不可能或風險較小的“時空中”。原因之一是由於人類對自然世界尤其是地下工程所存在風險認知的局限性；原因之二是“指南”依據的案例不僅數量有限，而且案例成因分析多不是第一手
4、資料，其準確性大打折扣，再加上已發生事件、事故等教訓的私密性。以致“指南”指導下的風險評估缺乏專業的廣泛性、標準性和準確性。 綜上所述， “指南”失效不是理論不正確，而是“指南”只能就事論事，竺維彬等人 廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究 C24- 2 其實踐性受到了制約。“指南”難以評述“人的認知和責任性”等人為因素，根據權威統計，88的事故是人為造成的，72的事故源於細節的疏忽。例如2009.6.27上海蓮花河畔樓房垮塌事故，2008.9.8山西臨汾垮壩事故，2007.8.13湖南鳳凰橋垮塌事故等，其人為性根源都是決策者缺乏風險意識或者無知造成的因此“風險指南”必須以人為本，必須結合當下
5、的人（某時某地）對自然世界風險認知水準和控制方法及管理能力等方面來研究，這樣才能求得真理。 1.2 地下工程風險管理的理念地下工程風險管理的理念地下工程風險管理的理念地下工程風險管理的理念 現階段，在建築市場尚不規範的前提下，各級政府、建設單位、施工單位等大多仍以追求進度、投資控制、利潤最大化為實際的終極目標或理念，將風險控制放在次要地位或僥倖地位。因此，人為的品質、安全事故的增加是必然的趨勢。二者不能兼顧嗎？問題是是否將風險管理放在核心位置。 廣州地鐵已經開通了4條線116 km，投資卻未超過450億，單條線路總工期最長5年，最短2.5年，目前在建150多公里，大部分土建工程已經完成。250
6、多公里線路的艱苦實踐，經歷了罕見的各種風險磨難。就地質風險而言，地形地貌複雜，40余次穿越珠江水系，有含水量超過70的軟土地層，有易液化的粉細砂層，其水位潮起潮落的透水粗砂層，有分選極差的礫石層，有強度超過150 MPa的花崗岩及其球狀風化體或孤石，有灰岩構成或演變的地下石林、溶洞、土洞，有煤層和沼氣，有活動斷裂帶和富水破碎帶，更有上述兩種或兩種以上的組合而成的複合地層。工程常見的地質斷面是前後左右不均質，上軟下硬或上硬下軟，前進一米就突變，“一腳踩空就掉窟窿”，真是時時處處是風險，隨時隨地求應變。 基於這種“地獄般”的磨練，廣州地鐵更堅定了“地下工程管理應以風險管理為核心”的理念。 1.3
7、廣州地鐵風險控制模式廣州地鐵風險控制模式廣州地鐵風險控制模式廣州地鐵風險控制模式 廣州地鐵風險管理控制的思路或模式是：在施工環境調查的基礎上，認真細緻的地質勘探，即在詳勘基礎上增加工法勘探或補充勘探，系統地研究地質條件，評估原生風險（原生風險：客觀存在可能會對地下工程實施產生損害性的所有風險）；吸收先進的風險控制設計理論；制訂科學合理的方案；引進先進的施工設備、工法、工藝等，強化全員、全方位、全過程的風險管理、科學實施，控制次生風險（次生風險：在對可預見風險實施預控後，在施工過程中，演變產生的風險）與不可預見風險或事故，建立了“認知地質為基礎、創新方法為手段，精細管理為根本的以人為本”的風險控
8、制模式（圖1）。 這一模式將風險控制全過程依次分成風險評估、風險預控、風險控制三個階段。風險評估階段力求人的認知水準，最大程度地預見原生風險；風險預控階段力求人的智慧、專業能力充分應用風險控制的理論與方法規避、轉移或降低大部第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009 年 11 月 台北 C24 - 3 分或全部可預見的風險；危機（或事故）處理階段，在做到應急預案的基礎上，力求人的膽識、應變能力，掌握工程及其風險的時空變化規律，降低次生和不可預見的風險的概率和級別，避免傷亡事故和重大工程事故。 因此，這一模式真正體現了“以人為本”的風險控制模式，現筆者結合工程實例，將廣州地鐵工程重大
9、地質風險控制模式依次作闡述。 圖1 風險控制模式 二二二二、重大地質原生風險源分析重大地質原生風險源分析重大地質原生風險源分析重大地質原生風險源分析 2.1 富水軟弱淤泥地層富水軟弱淤泥地層富水軟弱淤泥地層富水軟弱淤泥地層 （1）岩土特徵：天然含水量高、孔隙比及壓縮性較大，承載力低、內摩擦角小，不能自穩，易發生次生固結和流動，動變過程中，內摩擦角進一步降低。 （2）地質成因：該地層多由淤塞沉積和鬆散回填而成，堆積時間短，尚未壓縮密實。 （3） 工程危害：淤泥的觸變性和軟弱性易造成基坑圍護結構突泥、基底底湧、盾構和礦山法隧道施工震動易造成上覆的摩擦樁沉陷。 2.2 富富富富水砂層水砂層水砂層水砂
10、層 （1）岩土特徵：天然含泥量低，含水量高、孔隙比較大，鬆散；一般情況下具有一定承載力；容易連通地面徑流和地下暗流，地下水位潮起潮落。 （2）地質成因：河流漫灘和海岸邊灘沉積，未固結，水動砂動。 （3）工程危害：地基加固困難，基坑湧水湧砂，盾構帶壓作業氣密性差。 2.3 富水斷裂破碎帶富水斷裂破碎帶富水斷裂破碎帶富水斷裂破碎帶 竺維彬等人 廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究 C24- 4 （1）岩土特徵：岩屑粒徑大小不一，物質成分雜，分選性差，磨圓度差，存在大小不一的空隙或空洞，連通性好，容易形成動水流徑。 （2）地質成因：地質構造活動、次生成岩作用形成。 （3）工程危害：易造成水壓無常的突
11、水事故（圖2），泥水盾構易堵管。 圖2 某聯絡通道湧水導致盾構隧道受淹 2.4 花崗岩殘積層花崗岩殘積層花崗岩殘積層花崗岩殘積層 （1）岩土特徵：原狀土地基承載力較高，滲透係數不大，可作為較好的工民建基礎；開挖暴露後，遇水軟化，崩解塌落，各種力學性能急劇下降，類似于流動的富水砂層。 （2） 地質成因：花崗岩完全風化而成，含有一定量 （小於50%） 的石英晶粒，長石晶粒風化成粘土，吸水後顆粒變小，空隙率急劇增大。 （3）工程危害：基底遇水軟化後，高水壓下基底管湧，圍護結構變形；盾構土倉易結泥餅。 2.5 花崗岩球狀風化體花崗岩球狀風化體花崗岩球狀風化體花崗岩球狀風化體 （1）地質成因：是花崗岩的
12、一種特殊的風化現象，即在深度風化的花崗岩地層中殘留了微風化的較新鮮堅硬的球狀花崗岩體。常見於古山丘地貌頂部和鄰近位置。 （2） 工程危害：圍護結構無法正常施工：一般機械無法有效破除 （圖3圖4） 。 圖3 明挖基坑施工遇到孤石借助爆破作業 圖4 盾構刀盤難以破除孤石 2.6 溶土洞發育的岩溶地層溶土洞發育的岩溶地層溶土洞發育的岩溶地層溶土洞發育的岩溶地層（圖圖圖圖5） （1）地質成因：地質歷史上岩溶地層如灰岩、膏鹽層經構造破碎和水溶蝕共第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009 年 11 月 台北 C24 - 5 同作用形成。 （2）工程危害：岩溶區地層的溶洞和土洞常見發育不規則，
13、難以準確探測，易發生塌方和沉陷事故。 2.7 煤成氣和沼氣地層煤成氣和沼氣地層煤成氣和沼氣地層煤成氣和沼氣地層 （1）地質成因：地史時期發育煤層和近代植物、微生物堆積腐爛缺氧沉積。主要成分為CH4，CO，H2S等氣體。 （2）工程危害：可在開挖工作面突發逸出；也能吸附于水，隨水流動，當水溫度和壓力降低時，逐步逸出，聚集到一定濃度時，會毒害施工人員或遇火星發生爆炸。 2.8 複合地層複合地層複合地層複合地層（圖圖圖圖6） 開挖斷面範圍內和開挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這 些地層岩土力學、工程地質和水文地質等特徵相差懸殊，對各種工法的選擇及其 施工參數影響較大，可能會引發工程危害
14、疊加2。 Qml4C1ds53-11jJC1dsK2d1Qal+pl4圖5 溶土洞發育很不規律 圖6 某區間隧道橫斷面上多種地層組合 原生風險中可預見性風險是長期工程實踐經驗教訓總結研究得來的，諸如系統的“規範”、“規定”和“辦法”，都是人類改造自然的結果，必須採取科學合理有針對性設計方案、工法或措施進行預控。 三三三三、預控可預見性風險的設計和施工方案預控可預見性風險的設計和施工方案預控可預見性風險的設計和施工方案預控可預見性風險的設計和施工方案 3.1 明挖工法明挖工法明挖工法明挖工法 明挖工法地質風險應對設計或施工方案如表1所示。 表1 明挖工法地質風險應對設計或施工方案 對策措施 地層
15、 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 加大圍護結構插入比 優先選用剛度較大止水效果好的連續牆 加大基坑內土體抗側力係數 （坑內降水或基底加固） 降低基坑外水土壓力（坑外降水） 竺維彬等人 廣州地鐵工程重大地質風險控制模式研究 C24- 6 對溶土洞進行注漿充填 劃分岩溶高低風險區，例如基底以下5米記憶體在岩 溶，對高風險區採取水泥土墩柱方式加固 在圍護結構外施作止水牆，控制坑外滲水 對圍護結構的岩塊進行爆破 進行預先地面放氣和置換注漿 設計須仔細選擇站位元和圍護結構選型 備註：地層序號對應第2節風險源分析 3.2 盾構盾構盾構盾構（頂管頂管頂管頂管）工法工法工法工法 盾構（頂管）工法地質風險應對設計或施工方案如表2所示。 表2 盾構法地質風險應對設計或施工方案 地層 對策措施 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 採用混合式泥水盾構 ， 上軟下硬及軟弱地層優先採用 採用混合式土壓盾構 對溶土洞進行注漿充填 軟弱地層隧底加固 採用矩形頂管，地面交通管線複雜條件下優先採用 加密勘探，結合物探手段勘探孤石和溶洞 採用地面鑽孔預
