地铁隧道矿山法施工事故风险分析与评价

地铁隧道矿山法施工事故风险分析与评价

摘要：新时期地铁施工技术水平的提升，为现代城市发展注入了活力。城市地

铁属于万众瞩目的工程，在网络日益普及的今天，一旦出现安全事故，极可能造

成不可估量的社会影响和极大的舆论压力。因此，准确分析城市地铁施工期间风

险事故原因，研究其结构的可靠度是一个非常重要的课题。

关键词：地铁隧道矿山法；施工事故风险；评价

引言

随着城市地铁建设的大规模开展，城市地铁隧道施工风险管理日益受到各方

面重视。隧道工程作为一项高风险建设工程，具有建设规模大、风险高、风险因

素众多以及客观条件复杂等特点。

1安全事故统计

自我国1965年第一条地铁一北京地铁1号线开工建设以来，截至2016年末，共有30个城市开通城市轨道交通运营，其中地铁里程3168.7km，获得批复的城

市共有58个，规划线路总长为7345.3km，总投资超过37000亿元。相比于英国、法国、美国、日本等发达国家近百年的轨道交通发展历史，我国轨道交通建设经

验还很不足，虽然我国60年代就开始了地铁建设，但是大规模建设也就是2000

年以后至今十几年的时间。加之城市地铁建设多位于城区密集区，施工环境复杂，施工难度大，与之相应的施工及管理人员素质偏低，因此，在我国地铁高速发展

的近一段时期内施工事故频频发生。

我国在煤矿事故、交通事故、危险化学品事故等统计方面的研究比较多，但

是在隧道施工尤其是地铁施工事故方面统计较少，有关隧道事故统计大部分仅限

于运营阶段和火灾事故等。针对地铁隧道施工事故的事故类型、风险源指向、发

展趋势等数据分析不系统，事故发生的原因、类型、条件等对相似地质条件下的

新建隧道施工有极大的参考意义，通过对历史事故资料的分析，可以揭示事故发

生特征和规律，同时可以为避免事故和提高隧道与地下工程施工管理水平提供指导。

通过分析我国近10年来100起地铁隧道矿山法建设施工期所发生的安全事故样本发现，该样本包含坍塌事故55起，由各种机械伤害引起的事故11起，火灾

与水灾诱发事故各7起，坠物击打引起事故6起，模板坍塌造成事故5起，爆炸

引发事故4起，由其他方面原因导致事故5起，如图1所示。对于各类事故造成

的人员伤亡方面，坍塌占总伤亡人数的55.9%，通过对上述各类事故数据统计分

析可知，坍塌是地铁隧道工程建设期的多发多害事故，是重点防备的事故类型。

图1安全事故统计

2工程实例分析

2.1事故概况

2012−04−25凌晨突降大雨，某市地铁3号线某区间由于雨水渗入掌子面前方

的土体，引起掌子面涌水、涌砂、突泥，进而发生隧道坍塌冒顶事故。此事故诱

发地面坍塌范围约15m×15m，坍塌深度约为8m，并且造成4条高压电缆受损，

部分砂土、各种杂物涌入隧道，造成大面积浸水。

由于工作人员发现较早，抢险及时，未引起人员伤亡情况，但坍塌段位于某

市交通干道，人流量较大，引起较多市民围观，产生极坏的社会负面影响。

事故原因如下：坍塌区隧道围岩为富水砂层，在其开挖前已经布设降水井进

行降水，并且降水后地下水位已降至隧道底部以下，确保隧道开挖在无水环境下

进行，但由于突降大雨，排放雨水的暗渠无法大量排水，导致暗渠转折处（即塌

方位置）产生破裂，暗渠中的大量雨水涌入隧道上方土层，在雨水浸泡下，原来

无水的隧道周围砂层内黏聚力下降、内摩擦角变小，整体强度变弱，自稳能力下降，掌子面发生涌水、涌砂现象，并导致地面发生冒顶事故。

2.2坍塌事故可靠度分析

塌方处隧道埋深约8m，穿越地层岩性以砂土为主，采用上下台阶预留核心土方法开挖，数值计算模型分为回填土、砂土、上台阶、下台阶、核心土、上下台

阶衬砌、强风化花岗岩、中风化花岗岩等9种模型单元，模型范围为52m（横向）×10m（纵向）×31m（竖向），对其四周进行水平约束，底面竖直方向约束，上

边界为自由边界，模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，即τ=c+σtanφ，f=tanφ，

其模型如图2所示。

图2数值计算模型建立

根据某市地铁3号线专项设计资料中砂土的无侧限双轴实验知砂土峰值强度

指标分别为μc=40kPa，μφ=45°，变异系数分别为ξc=0.20，ξφ=0.15，则标准差分

别为σc=8kPa，σφ=6.75°。根据有限元强度折减法，将隧道围岩的强度参数值c和

f除以一个折减系数Ftrial后得到1组ci和fi值，每一组ci和fi值输入到计算模

型中进行计算，在c和f值不断减小的过程中隧道的安全系数也随之降低，可以

得到一组临界值c0和f0，即：当f≤f0和c≤c0时隧道将发生失稳破坏，f＞f0和c

＞c0时隧道处于稳定状态。计算时：通过预设折减系数Ftrial进行逐次计算，得

到隧道拱顶特征点的位移与折减系数（S−Ftrial）相对应的曲线，将曲线上突变的

拐点作为安全系数Fn，故在不同强度参数组合条件下隧道的安全系数分别为：由此求得隧道安全系数均值μF=1.27，标准差σF=0.14，可靠度指标β=1.91，

失稳破坏概，表明隧道处于稳定状态，数值计算结果显示，无水条件下隧道开挖后，最大竖向沉降35.3mm，地表最大沉降约20mm，满足《地铁工程监控量测

技术规程》中地面沉降控制值30mm的要求，可以看作隧道处于安全状态。

由于突然出现大雨，年久失修的地下排水暗渠因不堪重负而发生破裂，致使

大量雨水入渗隧道上方地层，回填土、砂土逐渐趋于饱和状态，强度急剧下降，

基本丧失自稳能力，部分雨水甚至通过掌子面进入隧道内，最终导致掌子面出现

涌水涌砂现象，同时隧道上覆土体发生坍塌，地面出现冒顶。根据刘波模型试验

中关于干性土体与饱和土体参数取值研究，土体饱和后，密度稍有上升，强度参

数下降约58%。

此时，根据现场评估资料知，砂土峰值强度指标分别为μc=24kPa，μφ=20°，

变异系数分别为ξc=0.23，ξφ=0.17，则标准差分别为σc=5.52kPa，σφ=3.4°。通过

有限元强度折减法得其安全系数为：

按照上述分析方法隧道安全系数的均值μF=1，标准差σF=0.14，可靠度指标

β=0，隧道失稳破坏概率，表明隧道处于失稳状态，由数值模拟结果显示饱水状

态下，最大竖向沉降达377.8mm，地表最大沉降约150mm，远远超过《地铁工

程监控量测技术规程》中地面沉降控制值30mm的要求，可看作已出现坍塌事故。

结语

1）城市地铁工程建设施工期坍塌事故占据了安全事故的一半，产生了较大的

人员伤亡以及经济损失，并且延误了工期，通过可靠度分析方法与数值模拟计算