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分析坍塌原因，得到岩土体强度参数对坍塌有着直接影响。
2）通过有限元强度折减法与点估计方法相结合研究地铁隧道结构的可靠性，在考虑土体参数的变异性的基础上，避免了计算的复杂性，可为类似工程分析提供参考。
3）某市地铁3号线在某隧道未受雨水影响时安全系数均值为1.27，可靠度指标达1.91，处于稳定状态，在雨水渗入地层以后，围岩强度降低，自稳能力变差，在施工扰动后隧道安全系数均值为1，可靠度指标为0，隧道坍塌，与实际情况一致。
参考文献：
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[3]李凤伟，杜修力，张明聚.铁道工程建设施工事故统计分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（2）：474−479.
论文作者:韩燕
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：隧道论文; 事故论文; 地铁论文; 砂土论文; 安全系数论文; 强度论文; 城市论文; 《基层建设》2018年第30期论文;