北京机场线东直门站建设风险管理研究
2012-08-03 18:38
北京机场线东直门站建设风险管理研究
摘 要：以北京地铁机场线东直门站的工程为例，从风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制等 5 个方面对地铁工程风险管理进行了详细研究。 现场监测结果表明，施工中的风险评价准确，制定的风险控制措施针对性较强，在整个下穿施工期间上部既有结构始终处于安全状态。
关键词：地下工程；地铁车站；风险管理；风险分析
目前，我国已有 20 多个城市开始大规模进行地铁修建。大规模的工程建设必然伴随着较高的风险，这也是工程建设过程中无法规避的问题。地铁工程风险具有隐蔽性、复杂性和不确定性，如何提高工程项目建设过程中的风险控制水平，加强风险管理的研究已成为亟待解决的重要课题[1]。笔者以北京机场线东直门车站下穿城铁13 号线的工程为例， 对地铁工程安全风险管理技术在地铁施工中的应用进行研究，供其他类似工程参考。
1 工程概况
首都国际机场线控制性工程01 标东直门车站紧邻城铁13 号线建设，车站施工为明、暗挖相结合结构。车站包括地下主体结构（含安全线）和附属结构。 该站结构形式复杂，车站主体结构由 5 段独立结构组成，总长191.68 m。 附属结构包括 5 个出入口通道、2 个风道及1 个电梯井道，设 5 个地面疏散口和 1 座地面风亭。为避免由于管线拆改以及交通导改的原因影响施工进度，车站设置1 处施工竖井及施工通道 ，作为车站安全线以及暗挖结构的施工工作面[2]15。车站与既有线相对位置关系如图1、2 所示。
下穿折返线结构的顶板位于粉土层，底板位于卵石层中，侧墙自上而下依次穿越粉土、粉质黏土、粉细砂以及卵石层。
2 工程难点
车站位于东二环路的东侧，东直门外大街路北侧，呈东西走向。 车站西侧有东直门立交北桥和地铁 2 号线的东直门站，北侧为东直门交通枢纽的地下工程，现为城铁13 号线东直门站。 车站东北侧为交通枢纽及东华广场的建设用地。机场线东直门站上跨并下穿13 号线站后折返线。 13 号线站后折返线隧道从 13 号线东直门主体向南引出，在东直门外大街道路下为暗挖单层双联拱断面，13 号线东直门站主体和暗挖隧道之间为明挖单层单跨箱形结构。明挖隧道结构与车站主体和暗挖隧道连接处各设置1 道变形缝。
机场线东直门站上跨并下穿折返线，折返线明挖部分三面存在支护桩，不管采取什么施工方法，都存在部分凿桩问题，对土体扰动较大，且在车站宽度范围内遇到了折返线的2 道变形缝，对沉降和变形非常敏感，沉降控制要求非常高。 目前城铁 13 号线站后折返线正在运营，每隔 5 min 车辆折返 1 次，最高峰进出站在早晨8：00～9：30，人流为 8 000 人/h。 如何有效控制折返线的沉降和变形，确保其正常运营是该次研究的关键及难点。
3 工程风险管理内容研究
工程风险管理内容根据不同建设阶段分步实施，具体风险管理流程包括：风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制[2]6。 笔者将对风险管理的各流程分别进行研究。
3. 1 风险界定
在对下穿折返线段方案进行深入研究和广泛调研的基础上，组织了多次内部讨论和专家咨询，最终决定采用平顶直墙下穿站后折返线及单洞下穿的方案。根据“分区分段”原则将东直门站下穿 13 号线站后折返线工程定为特级风险工程。
3. 2 风险辨识
下穿段施工分为折返线范围内施工和折返线范围外施工两种情况，施工方案有所区别，折返线范围内施工为该次研究的主要风险源。
下穿折返线段结构采用洞桩托换方案进行施工，主要施工步骤共分8 步，如表 1 所示。 为了对风险源进行定量分析，针对各施工步骤，笔者采用数值计算的方法对地铁施工过程中的变形进行分析。
3. 3 风险估计
采用FLAC3D 三维显式有限差分软件进行模拟计算，模型中围岩和衬砌采用8 点 6 面体单元模拟，支撑采用梁单元模拟，围护桩采用桩单元模拟。折返线结构和下穿结构斜向相交，交角为 62 °。 建立计算模型时为简化计算，将斜交改为垂直相交，同时两道变形缝均设置在下穿结构范围内，计算结果偏于保守。 计算模型如图3 所示。
通过模拟分析，得出各施工步骤中折返线底板的纵向沉降曲线，如图4 所示。 从图 4 可知整个施工过程中累计最大沉降量为-10.30 mm。 引起沉降较大的是导洞开挖阶段和基坑开挖阶段，其中最大沉降量分别是2.400 mm、1.810 mm、1.718 mm 和 2.544 mm。
数值模拟是一种理想施工状态，它不能模拟施工过程中由于施工偏差产生的影响，同时因计算模型建立、材料参数选取以及模型本身边界条件的限制，最终的评估结论应当同时参考已有的实际工程经验，这样的结论才有较强的说服性。该次研究中，结合工程实际经验并参考北京地铁5 号线雍和宫站的施工实例 ，按照施工步骤对折返线结构沉降预测值进行了修正与调整，同时分析了在各施工步骤中产生较大沉降的因素。 修正后的各施工步骤沉降预测表如表 1 所示。
3. 4 风险评价
通过表1 可以得出，施工步骤 1～4 本身引起的结构沉降和变形较小。在发生沉降的同时，可通过结构上方土体的卸载抵消沉降，因此，前 4 个工序施工风险较小，基本上可确保折返线的正常使用。工序5～8本身的沉降风险较大，且沉降控制较难，施工进入高风险阶段，直至基坑土方开挖到底，开始回筑永久结构，因此，在施工进入到工序 5 以后，应加强施工控制、辅助施工措施以及施工监测工作，并制定应急预案。
3. 5 风险控制
风险控制的关键是如何有效的控制施工中的总沉降值、上浮值、差异沉降值以及沉降速率。 因此，该次研究将施工中引起的总沉降及变形控制值在每一施工步骤中进行分解，确保每一施工步骤的沉降值都在控制指标内。依据规范[3]，取预警值为最终控制值的70 ％，报警值为最终控制值的 80 ％。 为确保施工中整体以及各施工步骤的控制指标都能得以实现， 需在每个工序中做好施工控制和辅助施工措施；同时，应针对各施工步骤中达到预警值、报警值以及控制值的情况，制定相应的应对措施和应急预案[2]26。应对措施及应急预案的总原则为：出现预警值时，采取调整上部基坑开挖进度的方法抵消下部结构施工引起的沉降，同时对下部结构的顶部及底部采取注浆抬升的措施；出现报警值时，要立即停止施工，进行相应的注浆抬升，并加强监控量测直至警报解除。
4 施工监测结果
施工监测是一项系统工程，是信息化施工、技术管理重要组成部分。为了能够达到指导施工的目的，需遵守可靠性、多层次监测、重点监测关键区、方便实用和经济合理的原则。 通过第三方监测机构对机场线东直门站的施工全过程进行了详细的监测工作。 依据相关文献[4]可知，该次工程项目施工完成后的累积最大沉降值为13.2 mm，未超过 13.5 mm 的控制值。 最大沉降位于变形缝两侧，由于该处变形缝位于暗挖结构的跨中，因此其受施工影响明显，沉降值较大。 在整个下穿施工期间，上部既有结构始终处于安全状态 ，保证了上部13 号线的正常运行。
5 结论
笔者以北京地铁机场线东直门站工程为例，对安全风险管理技术在地铁工程施工中的应用进行了研究。 如何有效控制机场线东直门站上部折返线的沉降和变形，确保 13 号线的正常运营是该次研究的关键及难点。笔者从风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制5 个方面进行了详细研究。 现场监测结果表明，项目的风险界定正确，施工中的风险辨识准确，风险的估计及评价方法可靠，制定的风险控制措施针对性较强。 在整个下穿施工期间，上部既有结构始终处于安全状态。 制定的风险安全管理内容确保了既有线的结构及运营安全。
参考文献：
[1] 罗富荣. 北京地铁建设安全管理创新研究[J]． 都市快轨交通，2009，22（2）：9-12．
[2] 李飞． 安全风险技术管理在北京地铁机场线建设中的应用研究[D]． 北京：华北电力大学（北京），2008．
[3] 北京市轨道交通建设管理有限公司． DB 11/490-2007 地铁工程监控量测技术规程[S]． 北京：北京市建设委员会，2007．
[4] 任栓院 ，冯锐 ，姚建荣． 首都机场线东直门站下穿既有折返线工法研究[J]． 黑龙江科技信息，2010（16）：309．
