浅谈隧道及地下工程施工安全
2012-08-24 19:24
浅谈隧道及地下工程施工安全
摘 要 2008 年 11 月 15 日杭州地铁施工工地突然发生路面大面积塌陷事故，导致萧山湘湖风情大道75m 长路面坍塌，并下陷 15m。正在路面行驶的 11 辆车陷入深坑，多数地铁工地施工人员被困地下，事故共造成21 人死亡、19 人受伤。结合这次事故，本文分析了造成隧道及地下工程施工安全事故的主要因素，并阐述了确保施工安全的措施。
关键词 隧道 地下工程 施工 事故 因素 安全 措施
1 引言
随着我国经济的发展、人民生活水平的提高、国力的增强和技术水平的不断提高，对交通的要求也越来越高，安全、快捷、舒适和便利是人们对交通的总体要求。我国的交通除航空和水运占一定的份额外，绝大部分是陆上交通。因此，近二十年来，我国的高速公路、高等级公路、铁路客运专线、城际铁路、高速铁路、城市地铁、城市轨道交通等得到迅速发展，“截弯取直”、“逢山凿洞”和“下穿城市”的设计理念得到广泛采纳，隧道及地下工程越来越多，规模和难度越来越大，风险也越来越高。隧道及地下工程无论是受力变形、施工条件，还是技术难度，都与地面结构有很大的不同，从总体上来说，其风险性和危险性要高于地面结构。2008 年 11 月 15 日杭州地铁一号线湘湖站施工工地突然发生路面大面积塌陷事故（见图 1、2、3），再次警示人们要高度关注和重视隧道及地下工程的施工安全，确保生命和财产的安全。
2 造成隧道及地下工程施工安全事故的主要因素
隧道及地下工程的施工环境和条件要比地面工程恶劣和复杂得多，危险性也比较高。出现施工安全事故的主要形态有两种：一种是采用“暗挖法”施工时地下洞室发生坍方，这种坍方又分仅是洞内坍方（会造成洞内施工人员伤亡、设备毁坏、洞室周围地下管线断裂等事故）和冒顶坍方（会造成洞内施工人员伤亡、设备毁坏、洞室周围地下管线断裂、地面构筑物损坏和地面人员伤亡等事故），这种暗挖坍方事故一般发生在公路隧道、铁路隧道和地铁区间隧道，以及引水隧洞、电缆隧道和供热隧道等工程；另一种是采用“明挖法”施工时工作坑（习惯叫基坑）发生坍塌（杭州地铁事故就属于这种情形），它会造成坑内工作人员伤亡、施工设备毁坏、坑周路面塌陷、行人和车辆淹埋、邻近建筑物和地下管网受损等事故，这种坍方事故一般发生在明挖地铁车站工程、高层建筑深基坑工程和城市顶桥基坑工程。造成隧道及地下工程施工安全事故的因素很多，大致可以分为两大类，即自然因素和人为因素。
2.1 自然因素
造成隧道及地下工程施工安全事故的自然因素主要有如下几个方面：
（1）不良地质。不良地质主要指松散地层、软弱地层、断层、溶洞、膨胀性岩层、岩爆区、高地应力区和黄土等，当隧道及地下工程通过这些不良地质地段时，在开挖、支护和衬砌过程中都可能发生大量坍塌。大量工程事实证明，隧道及地下工程施工安全事故（坍方、塌陷）中起决定性的是地质因素。发生惨剧的杭州市地铁一号线湘湖站所处的地层是淤泥质粘土，含水的流失性强，是典型的不良地质地段，围岩级别应是Ⅴ级或Ⅵ级，属软弱围岩，在这种地层中修筑地下工程，难度和风险都是比较大的。但尽管难度大、风险高，只要施工方案合理、技术措施得当、管理科学规范，按照我国目前已具备的地下工程施工技术水平、施工设备和工程实践与经验，在这样的地层中是完全可以安全修建的。
（2）地下水。地下水是使隧道围岩丧失稳定的重要原因，其影响主要有三个方面：一是软化围岩，软质岩石（土）体受水饱和后，其强度有不同程度的降低。如水浸入泥质岩层，能使岩质软化；水浸入岩盐则起水溶作用；水浸入无水石膏或以蒙脱石为主要成份的粘土，地层膨胀而对隧道产生极大的膨胀压力。二是软化结构面，泥质充填或具有软弱夹层的软弱结构面遇水后，即发生液化变软或填充物被冲走而降低结构面的抗剪强度，使岩体易于滑动。三是承压水作用，围岩受到水压作用后，更易失去稳定。
（3）气候。气候条件有时侯是一个重要的诱发事故的因素。如工程施工所处地区持续、高强度下雨，就可能诱发隧道坍方事故。象京九铁路歧岭隧道进口的大坍方，就是因为地处的江西赣州当时是4 月份（1993 年），连续下大雨，致使洞口上覆地层受地表水渗透浸泡而软化，导致隧道冒顶坍方。杭州地铁湘湖站的塌陷与 2008 年 10 月份杭州出现的一次罕见的持续性降雨过程有很大关系，持续性降雨使得地底沙土地流动性进一步加大，基坑周围土体稳定性下降，诱发基坑失稳坍塌。
（4）地震。特大地震使隧道和地下工程坍塌是不言而喻的，震级低一些的地震也会使隧道与地下工程出现坍塌。地震使岩石（土）的夹层、节理、裂隙等松动、错位，导致围岩失去稳定，引起隧道坍塌。
2.2 人为因素
（1）选线不合理。无论是公路、铁路，还是城市地铁，有时考虑到对沿线经济的带动和地方、地区、房地产开发商等的利益，交通线路的选择和确定不能百分之百从技术、地质、实际功能需求、经济和可行性来考虑，出现选线不合理的情况。象杭州第地铁一号线就出现了“业已为国家发改委终审决定的地铁突然变向”的情况，2007 年 3 月地铁规划图突然改动，将地铁湖滨站点线路改从延安路与将军路交叉口通过开元路至西湖大道，凭空增加了数亿元造价费用不说，还导致了数百户住户将遭搬迁，一时间业主怨声载道，并于当年 9 月 14 日上访，最后上城区某领导只得含蓄承认，是区委“稍微修改”。如果线路不合理，穿越不良地质地段就容易出现隧道坍方。
（2）地质勘探不细不准。搞清楚工程所处位置的工程地质和水文地质是确保隧道及地下工程安全施工的前提，但近二十年来我国的基本建设可谓超常规发展，无论是规模、数量、建设速度，还是投资额度，都是前所未有的，从而出现了地质勘探工作忙不过来的情况，只好缩短勘探时间或简化勘探内容，结果是地质勘探粗而不准，给隧道及地下工程施工安全带来隐患。
（3）缺规划、欠设计、抠投资、紧工期。尽管一直在讲“科学发展、合理规划和建设”，但始终没能避免“主要领导换了，规划就变了”的尴尬局面，这样的例子几乎每个城市都有。权威专家称“拍脑袋”、“图便宜”、“赶工期”、“领导意见替代科学决策”等因素是导致杭州地铁工地事故的问题所在。杭州地铁湘湖站“首先是设计方面的先天不足。”权威专家对南方周末记者说，“我当时一来看，就说方法没选对，违背了一般的设计规律。”江南的地质比较差，如杭州地铁这种开放式明挖的办法，最容易造成群死群伤。在地质很坏的情况下，像多米诺骨牌一样，一塌就一大片。更可怕的是，在湘湖站附近还有湖、河流和主干道，“完全不具备开放施工的条件”。按照地铁施工惯例，设计的时候一般要求是封闭的，从此次塌陷地的设计图分析，应该也是没有考虑通行问题，“我看它就仅有 0.8 m 的防水墙，在本该放横撑的地方加了块钢板，显然没考虑到（开放施工）这个问题。”“如果一开始设计通行的话，就必须要设计挡土墙，那样的设计方案就必然大不同。”挡土墙起码得 1.5~2 m厚，同时还须每隔 3~4 m 打一个桩，“先做桩，桩上再做挡土墙，而且连续墙后面要有水平的腰梁，每隔3 m还要有很多横撑。连续墙6 m一个接头，每隔 3 m 要有横撑。”“未封闭施工的先天不足，长期下雨，再加上下水管渗漏，造成了一个滑动面。这个滑动面，在四车道的压力下，往坍塌处挤压。由于设计的是防水墙而非挡土墙，最后才发生了管涌现象。”“如果没水，下雨小点，还能碰大运。但现在有动荷载，就不行。迟早会出问题。”专家分析有理有据。杭州地铁设计单位在内部会议上也承认设计方案存在严重缺陷，主要问题是地下连续墙设计埋入土体深度严重不足，不能有效抵御大量的车流活载以及土体遇水饱和度等，造成整体坍塌。紧工期也是个问题，象杭州地铁一号线湘湖站合同是 3 年建成，后来定的时候是 2 年。但结果 2 年的时间，由于拆迁遇到麻烦，进场时间又拖了半年，实际就是一年半时间。如此紧工期，肯定会给施工安全带来隐患。
（4）施工不合理。施工方案和方法不合理造成隧道及地下工程施工出安全问题的例子很多。如这次发生塌陷事故的杭州地铁一号线湘湖站，在施工方案上有问题，权威专家评论：“说实在的，他的施工流程有问题。开挖一段，大概 15 米左右，就需要马上做底板。但可惜的是，为了赶工期，底板没及时做。”另一专家分析说“现场土质含水量较高，这样的地质，不仅要基坑内降水保证土质干燥，基坑外也要降水，使得内外压力差尽量减小。然而就目前所见，施工部门并没有做坑外降水。”
（5）安全教育不到位。现在普遍存在的问题是缺少对施工人员安全知识的培训，施工人员不知道怎样才能做到安全施工。《南方周末》记者走访了在湘湖站施工的二十多位钢筋班和木工班的民工，问他们有没有经过岗前培训，他们反复思考的结果是，“他们要我们戴安全帽”。
（6）工程转包。在我国铁路工程、高速公路工程、城市地铁和水利工程等施工中，大型工程的修建大多是这样进行的：建设方（业主）向社会公开招标，资质较高的大型施工企业，象带“中铁”、“中交”、“中建”、“水电”以及“武警”字头的工程局或集团公司（承包商）去投标。中标后成立工程指挥部或项目部负责施工，具体施工队伍有自己集团公司的，也有长期跟随这些大集团公司的包工队（就是工程转包）。这些长期跟随的包工队由于干的年头多，工程量也不少，装备了一定的施工设备，也有一定数量的熟练工人，一般小的工程或难度不大的工程也基本上都能干下来，但对于重大、高难、复杂的工程，他们毕竟是包工队，无论是技术人员和施工设备，还是施工管理和具体施工人员都无法与大型承包商相比，差距很大，让包工队去干，施工安全就难以保证。
（7）监管不到位。浙江省委副书记夏宝龙 2008年 11 月 19 日在回答网友提问时说，“杭州萧山地铁湘湖站施工地点发生大面积坍塌事故是一个安全生产事故。安全生产，政府要承担监管主体的责任，企业要承担责任主体的责任。我们要抓好政府行政首长和企业法定代表人两个负责制的落实，真正使安全生产有人抓、有人管、有人负责到底。”说明监管还有不到位的地方。国务院通报杭州地铁事故中指出，此次事故暴露出五个方面的问题：企业安全生产责任不落实，管理不到位；对发现的事故隐患治理不坚决、不及时、不彻底；对施工人员的安全技术培训流于形式，甚至不培训就上岗；劳务用工管理不规范，现场管理混乱；地方政府有关部门监管不力。
3 隧道及地下工程施工安全措施
（1）科学规划、合理选线。无论是公路铁路还是城市地铁，都要科学规划、合理选线。一般要考虑如下几个因素：①根据路线在路网中的位置、功能，综合考虑路线走廊带范围的远期社会、经济发展，城市、工矿企业的现状与规划，公路、铁路、水路、航空、管道的布局，自然资源状况等，确定合理的项目起讫点、主要控制点以及与之相互平行、交叉等项目的衔接关系。②科学确定技术标准，合理运用技术指标，注意地区特性与差异，精心做好路线设计，必要时宜进行安全性评价，以保障行车安全。因条件受限制而采用上限（或下限）技术指标值或对线形组合设计有难度的路段，应采用运行速度进行检验，并采取相应技术对策。③应在查明路线走廊带的自然环境、地形、地质等条件的基础上，认真研究路线方案或工程建设同生态环境、资源利用的关系，采取工程防护与生态防护相结合等技术措施，减少对生态的影响程度，加强恢复力度，最大限度地保护环境。④做好同综合运输体系、农田与水利建设、城市规划、城市建设等的协调与配合，充分利用线位资源，合理确定建设规模，切实保护耕地，尽量减少大拆大迁，使走廊带的自然资源得以充分利用，交通建设得以可持续发展。⑤总体协调交通工程各专业间、相邻行业间和社会公众间的关系，其设计界面、接口等应符合相关法规、标准、规范的要求或规定，并注意听取社会公众意见。⑥路线方案比选应对设计、施工、养护、营运、管理的各阶段，从安全、环保、可持续发展理念，运用全寿命周期成本分析方法进行论证，采用综合效益最佳、服务质量最好、群众满意度最高的线路方案。
（2）严格勘探、摸清地质。地质勘探工作是为设计服务的，即为设计提供资料和依据。一般地质勘探依设计程序分为草测（做项目可行性研究或方案研究报告阶段所进行的地质勘探工作）、初测（初步设计阶段所进行的地质勘探工作）和定测（技术设计和施工组织设计即施工图阶段所做的地质勘探工作）等阶段。每个阶段都有相应的具体工作内容和要求，要按规范要求，一步一步进行，不能简化和缩水。杭州地铁塌陷事故发生后，国家住房和城乡建设部 2008 年 11 月 20 日发布紧急通知，要求“加强地铁工程建设安全监管工作，明确提出建设单位不得压缩合理的勘察和设计时间。勘察单位要进一步提高勘察精确度，充分探明工程水文地质条件，调查周边环境情况，确保勘察数据真实可靠；在勘察报告中要对复杂地质条件和周边环境及其可能给工程造成的危险，作出重点说明。设计单位要严格执行工程建设强制性标准，确保设计质量；在地形、地质条件复杂，可能发生滑坡、坍塌的工程中，要在设计方案中作出专门的安全防护考虑。”摸清地质情况是确保隧道及地下工程施工安全最关键、最重要的环节，很多隧道坍方和基坑坍塌都是地质因素起决定性作用的。
（3）统筹考虑、精心设计。设计包括方案研究报告、初步设计和施工设计等阶段，每个阶段同样有相应的具体工作内容和要求，按设计规范要求，精心设计。需要值得注意的是隧道及地下工程还要强调动态设计，即施工设计完后不是一成不变的，要根据施工监测获得的信息，及时进行数据处理和反馈，随即要修改设计，调整有关技术参数。
（4）科学组织、规范施工。施工是修建隧道及地下工程的具体环节，要科学组织、周密考虑、规范施工。首先要做好充分的施工准备（包括深入工地做好调查研究，核对设计文件，编制实施性施工组织设计及组织线路测量复核等工作，人员培训，设备到位，以及处理突发性事件的应急预案等），接着按照设计文件和设计要求规范施工，根据设计和施工监测，合理确定施工方案和施工方法，像隧道，根据围岩级别和不同的支护手段，可选用全断面法、正台阶法、侧壁导坑先墙后拱法、品字型导坑法、CD 法和 CRD 法等。对于基坑应按照：①基坑的开挖必须分层、分段，且开挖时间不宜过长，每次分层开挖控制在 3 m，分段开挖保证在 15～20m；②基坑必须先支撑后开挖，并把握好支撑的细节，基坑的变形要求在受控的状态；③注意在雨天环境下基坑的及时排水，在完工后，要立即加固混凝土，确保基坑不变形。无论是隧道还是基坑都要严格按相应施工规范进行施工。对于地下工程，尤其要注重施工监测，实施“动态施工”。这里的“动态”是指隧道及地下工程施工过程中的地质条件是不断变化的，其力学状态也是不断变化的，因此，施工过程就不可能是一成不变的，所以在施工过程中采用的各种施工方法和技术都是为了适应这种“动态”变化的，隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、量测技术和质量控制技术的基础上进行管理。由此可见，真正实现“动态施工”，需要严格、科学的施工管理和高素质的、技术密集型、应变能力强的队伍。
（5）建章立制、责任到人。建立健全并严格落实安全生产的各项规章制度，可以说所有的安全生产的事故都是因为没有认真落实好这些规章制度。现在很多的规章制度都是挂在墙上，说在嘴上，停留在会议桌上的，关键在落实，关键在抓实，抓而不实等于不抓，所以每一个项目、每一个环节、每一道工序，必须严格按规范操作，做到不留死角、不留盲区。
（6）强化培训、严格用工。隧道及地下工程施工技术日新月异，各种新设备、新材料不断应用到工程施工中，工程的规模和难度也越来越大，所以要强化施工人员的上岗培训、技术更新培训和安全施工培训。规范用工制度，严格用工程序和要求。
（7）加强监管、果断处置。政府有关部门和业主要加强对建设工程项目的安全监管；要完善建筑施工安全的规章制度，规范建设市场管理，强化全过程监管；要督促工程建设、勘察设计、施工、监理单位等各方主体严格执行建筑施工法律、法规和安全规程，杜绝违法违规行为发生。一旦发现险情或事故预兆，要立即采取措施，迅速处置，该停工的要立即停工，该整顿的要马上整顿，确保生命和财产安全。
4 结语
本文结合杭州地铁一号线湘湖站发生坍塌事故，分析了导致隧道及地下工程发生施工安全事故的主要因素，同时阐述了避免发生施工安全事故的措施。近日，国家公布了以 4 万亿元投资刺激经济、拉动内需的方案，庞大的款项，大部分将用于固定资产投资和基础设施建设方面，铁道、公路、城市交通等基础设施项目成为投资重点之一，其中肯定有大量的隧道及地下工程。在新一轮的基础建设热潮来临之前，杭州地铁坍塌事故给大家敲响了警钟，勘测、设计、施工一定要按规范和要求进行，按科学办事，绝对不能冒进。
参考文献
［1］关宝树. 隧道工程施工要点集［M］. 北京：人民交通出版社，2003
［2］铁路工程施工技术手册：隧道（上、下）［M］. 北京：中国铁道出版社，1999
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［5］施仲衡. 地下铁道设计与施工［M］. 西安：陕西科学技术出版社，1997
