地铁隧道工程范文

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中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

冻结技术主要是指在隧道工程的施工过程中，采用了人工制冷的技术，将地层中所含的水从液态转化成固态，即将水冻结成为冰，以便增强其稳定性，从而实现工程与地下水之间的联系，从而以便于地下工程掘砌施工。此项技术的实质就是通过人工制冷达到改变岩土性质的目的。冻结壁仅仅是临时的支护结构，停止冻结以后，结构壁融化。该项技术主要是利用了物质由液态转化成气态过程中的气化过程的吸热来实现的，其制冷的主要材料是氨。

一、冻结法施工工艺步骤

地铁隧道工程的制冷技术主要包含有以下几个步骤。首先是安装冻结站，冻结站主要的设备组成包含有冷凝机、节流阀、压缩机、蒸发器、盐水循环系统和中间冷却器等。然后是冷结管的施工，这主要是钻冻结孔，将冷结站与不同冷洁孔中的冷结器相连接并形成一个系统。接着是冻结，冻结壁会从冻结管向外扩张，最终实现冻结管周边的冻结柱最终连成一片的时候，地层的地表温度就会随着冻结时间的加长而越来越低，冻结壁的强度也会相应地加强，最终让地层的温度达到设计时所需要的温度的时候，该阶段就可以结束。再者就是要对冻结壁进行维护，主要操作就是要不断地补充地层的冷量，最终实现地层温度的相对稳定。最后一个步骤就是解冻，当永久结构和地层挖掘结束以后，将冷冻管拔出以后就可以实现解冻。

二、地铁隧道工程中冻结技术在工程中的应用

某地铁隧道采用了土压平衡盾构，8.10米的盾构直径。其盾构进洞的空门口的地质主要成分为砂性土，其主要的特点是含水量大，透水性和水压大。在暴露扰动的情况下容易产生液化的现象，这就给工作立井进入隧道前的混凝土地下连续墙的构建带来了很大的困难。因为构盾进洞口要承受附近土层所产生的水压和地压，所以容易造成涌砂或者是流砂现象，严重的情况下下可能会造成土体坍塌。

采取的解决方式是对混凝土地下连续墙的的外侧进行加固，但是以往的深层搅拌加固法或者注浆法难以满足流砂地层的要求。该工程在采取注浆法进行加固的措施一个月以后，水平探孔有少量的水渗流。在洞口开凿的过程中，出现了流砂涌入洞门中心和两侧的现象，所以洞口的开凿工作被迫停止。最后通过对工程方案的对比，采用了冻结技术对注浆区进行再加固。

冻结站的运转时间和效果表

冻结的主要方式是对工作近附近的土层采用人工地层冻结技术进行封闭加固。在隧道圆形设计断面和盾构进洞口的3—4米的范围内，用冻结器进行钻铺，对地层的温度降低，使地层中所含的水分变成冰的状态，土颗粒和冰就形成了冻结的连接体，这样就可以有效地防止沙涌和涌水的现象。其方案主要是在盾构推进断面的上下各4米的范围内，采用单排垂直全深冻结方式。在盾构推进断面左右两侧各3.5米的范围内设置冻结孔，其间距为400毫米，在冻结结束以后直接拔出冻结管。

最终工程的效果明显，洞门钢筋混领土强的冻结土未出现渗水现象，封水的效果很好。这一举措保证了施工人员的顺利进洞和盾构的安全问题。

三、地铁隧道工程中冻结技术的优点和使用建议

地铁隧道工程中采用冷冻技术以后，其主要的优点十分明显，主要表现在首先，冻结技术的使用可以加强冻土层的隔水能力，其抗渗性同时增强，在上文举出的案例中，由于该工程的主要地质为砂性土层，其主要的特点就是含水量比较大，透水性很强，这就为地层的加固施工带来了很大的困难。而采用冻结技术以后，使地层工程性质发生了很大程度上的改变，将砂性土层中的水变成了冰，冰与土壤一起形成了冻结连续体，这样就使冻结加固区没有任何的缝隙，从而具备了良好的隔水效果。其次就是连续的墙帷幕和砂层冻土墙形成了整体的防水体系，在交界面实行的强行冻结，保证了混凝土连续交接处和冻结封闭加固区不产生渗水现象，从而也就避免了洞门两侧沙涌现象的发生。最后在使用了冻结技术以后，融沉和冻胀的现象得以控制，在实施冻结技术以后，工程周围的地表沉降和隆起的现场得以控制，其波动的范围在正负10mm以内。这其中采用的特殊方法主要是间接冻结、局部冻结、跟踪注浆。

这些是在上文举例中主要冻结技术中的表现出来的优点。冻结技术的优点还有，使冻结加固区的范围得以控制和把握，通过对冷媒剂温度的调整和冻结孔位置的调整，可以有效地调整和把握好扩展范围和形状。还有就是使盾构的冻结加固土体受力更加均匀。

四、结束语

本文主要是通过冻结法施工工艺步骤、地铁隧道工程中冻结技术在工程中的应用、地铁隧道工程中冻结技术的优点和使用建议这三个方面介绍了地铁隧道工程中冻结技术。

参考文献：

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在整个地铁隧道工程中，有多个联络通道将一段段承载路程的主隧道相连接，地铁隧道联络通道具有安全通行、及时逃生等重要作用。而在整体地铁隧道的建筑中，联络通道的建筑重要性一般不受主要重视。但在上海地铁四号线隧道崩塌事故发生后，地铁隧道联络通道的建设与勘察等工作备受重视。而通过上海地铁隧道事故的调查发现，造成事故的原因有三大块。一个是由于联络通道土层的结构问题；一个是由于土层水文地质的问题；另一个是由于周围地质环境问题，包括周围地貌、地质类型和潜在隐患等。为了减少地铁隧道联络通道事故的发生，相关部门应提高对隧道联络通道设计与施工的重视，而基于设计与施工之上的条件是勘察，因此要加强对地铁隧道联络通道的工程勘察工作，下面文章就上述三点主要勘察要点及合理的安排勘察工作等四个方面，进行软土地区地铁隧道工程勘察工作的分析，具体内容如下。

1 加强软土地区地铁隧道联络通道土层的分层勘察工作

加强土层分层的分析是对土质性质的判断，尤其在沿海地区，土层中都伴有夹层、间层或互层等多种土层，因此对土层的分析是保证联络通道建筑是否坚固的首要条件。而按照岩土分层的方法，将IP大于10的土分成黏土和粉质黏土，将IP小于等于10的土叫做黏质粉土，而这些土层内都含有砂质性和粉层性，将它们按照颗粒成分的不同进行分层命名是为了准确的判断土质的软、硬性，从而确保施工的固定和安全性。因此勘探人员对土质的测定、试验、分类非常重要，它关系到施工的牢固与安全问题。而土层的勘探均需要现场的实际观察并结合试验进行命名和确定。而在联络通道的土质分类上，一定将含有砂质、粉层、黏性土的土层单一划分，此类均为软性土。必须将其粉层厚度、剖面，砂质厚度、硬度，黏性土的夹层、密度等进行测定，尤其对黏性土中的粉层、砂质等观察与测定必须严密，并做好通道模拟试验，为设计、施工前的勘探工作做好万全准备。一旦在测试、勘察中有疏忽或遗漏，为日后施工完成通行中会留有极为严重的潜在危险，一旦发生事故，会造成人们严重的伤亡事故、交通链阻断、工程停用、费用加剧和周边环境影响等各种不良后果。

2 做好软土地区地铁隧道联络通道相应的水文地质工作

由于软土地区的土层中，所含的砂质、粉层等均含有自然的承压水，而地铁隧道施工时必然会进行地下挖掘隧道并对含承压水的土层进行挠动，为了减少地基及挖掘后周围环境稳定性的破坏，勘察时必须要做好含水层的检测工作。并通过承压水的突涌计算测评施工中土层的稳定性，也是为采用冻结法施工做好前提保证。计算需要了解地下土层的温度、含水量、含盐量、饱和度、地下水流速度及地表热物理指标等预算数据。而关于计算与土层的稳定性都与水文地质工作密切相关，在正常自然状态下，地下含水质的土层、砂质等均处于一个相对径流缓慢、稳定和处于停滞的态势，而一旦对其进行挠动、破坏，其原有的平衡状态则会被破坏，从而造成地下地上地表水体的直接接触，同时在施工中还要采用人为冻结法进行施工，因而形成一种水质需控制的局面。因此在采取冻结法时，需根据每段施工的实际进度进行就地取材计算，而采取的数据一定是该段含水质的土层。

3 做好软土地区地铁隧道联络通道的地质调查和地质灾害评估工作

地铁隧道施工是在黑暗的地下进行，工程施工时会动用大量挖掘机、运输车辆等对地下土层进行挖洞与土体运输，从而破坏了土层原有的生态平衡及周边环境。自然生态下，地下土层、砂质、粉层等含有的水质均处于稳定、舒缓、平衡的相对供给、流走的运动态势。而当大兴土木建筑时，影响了原有的平衡状态，造成含有水质的土层、砂质或粉层由于外界干扰导致水汽蒸发而快速形成干质状，从而对周边事物造成影响。所以，在隧道施工时采用冻结法将隧道周围环境进行人工制冷冻结避免发生事故，同时还要加强对周边因地质变动引起的灾害问题进行评估。包括对周围地下的建筑结构、管道铺设、缆线走向及其相关设置位置等，进行了解并估测施工后因地质破坏而造成的相关影响；同时对隧道施工中含有水质的土层、砂质、粉层及地下水等情况进行测评，估测并预计出一旦采取冻结法施工失败后引起的灾害程度及涉及范围等。

4 合理安排软土地区地铁隧道联络通道的勘察工作

有时候工作人员在地铁隧道联络通道图纸的初期设计中，已经将联络通道的设计加进去，当综合测评并确定联络通道的设定以后，工作人员在勘察主体隧道后会对联络通道进行单独勘探。对于软土地区的勘探，初次勘察时可设置一个勘探口，若出现流沙或粉尘土层灌注时，在下次详勘时应设置两个以上的勘探口，通过密切的观察土层及质地，设置具有抵住岩土、砂层土质的措施。而在设置勘探口时，设置的方式可采取两侧联络点各一个钻探孔，中间设置一个静探口的方法，钻探孔的勘察需要地上地下同时取土进行研究，目的是为了在采用冻结法加固施工时设定加固程度。

5 结束语

软土地区地铁隧道施工中联络通道的建设安全，是近年来随着事故发生后，相关部门提高重视的一项工程。而在联络通道设计、施工前较为重要的任务就是勘察工作，勘察是工程设计、施工与正常使用的前提条件。它可以确保施工的安全性，并具有危险因素的提前预知性。在软土地区施工中，冻结法是施工中比较常用的一种建筑方法。它通过人工制冷，将周围被挖掘后的含水质的土层进行冻结，确保施工者与机械在隧道内安全施工的一种方法，而且冻结法对含有砂质、粉层的土层及黏土具有固定性，为施工安全加上了一层保险。通过文章的探讨分析我们可以了解到，引起软土地区发生联络通道出现事故的主要原因包括土层分层问题、土质问题、水文地质问题等。因此在工程勘探工作中，这几个方面是勘探的重点，所以勘探人员需加强对土层分层的细致测评与试验；做好水文地质的预测与分析；做好施工周围环境地质的勘察与灾害评估；同时加强勘探工作的合理分配。通过勘察工作的细致性和全面性，来提高软土地区地铁隧道联络通道施工的牢固性与安全性。

参考文献

[1]熊卫兵，李平，邱学林.软土地区地铁隧道联络通道工程勘察要点[J].中国市政工程，2009（2）.

[2]季军，张惠忠.软土地区地铁、隧道工程勘察[J].上海地质，2006（4）.

[3]金磊.软土地区地铁隧道联络通道实施风险与监理对策[J].城市轨道交通研究，2010（4）.

[4]黄大维，周顺华，宫全美，等.软土地区地铁不同结构间差异沉降特点分析[J].同济大学学报（自然科学版），2013（1）.

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成都作为成渝经济区核心增长极和国家的西部综合交通枢纽，从2006年起，正进行8条线路总计371公里的城市地铁建设，建成后中心城区（绕城内）线网密度将达到0.74公里/平方公里。当前，我国在城市核心区修建城市地铁通常采用盾构法和浅埋暗挖法。由于成都富水砂卵石地层的特殊性，采用浅埋暗挖法将给城区地下水环境、邻近建（构）筑物、沿线交通和商业环境等造成重大影响，因此，成都地铁区间隧道主城范围采用盾构法施工几乎是惟一的选择，盾构法隧道工程决定着成都地铁工程建设的成败。成都地铁特殊复杂的地层和环境条件主要表现在：特殊地层条件：成都地铁盾构法隧道工程大规模穿越市域富水砂卵石地层，该地层具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石强度高等“三高”特点。水位埋深2.0～5.0m，为国内城市地铁砂卵石地层最高水位。卵漂石含量高达60～71%，粒径以30～110mm为主，卵石单轴抗压强度50～150MPa。工程全线出现粒径大于200mm漂石的频率较大，局部地段还下卧膨胀性风化岩体。复杂环境条件：成都地铁城区范围高楼林立、商业发达、交通繁忙、人流密集。要多次下穿河流、股道、站房，频繁下穿大型房屋、立交桥、市政隧道、上下水道、燃气管道等种类不同、结构型式迥异、建成年代不一的建（构）筑物。与既有房屋、桥梁、隧道、轨道和管线近接施工的最小距离分别为0.75m、0.7m、2.0m、8m、0.436m，建（构）筑物保护难度极大。

作为成都市建国以来最大的市政工程，成都地铁地层的特殊性和环境的复杂性给工程的建设带来了前所未有的巨大挑战，主要表现在：①砂卵石地层围岩荷载作用非常复杂，亟需建立适应富水砂卵石地层的荷载取值方法、结构分析关键参数、结构防水以及适应于复杂城市环境线路条件的结构设计体系；②盾构在砂卵石地层中施工时设备磨耗突出，严重影响盾构掘进效率，亟需解决盾构机选型、高磨耗、富水条件下换刀、长距离快速掘进以及关键施工参数和施工工艺等问题；③盾构在透水性强、地下水位高的砂卵石地层中施工时,开挖面易出现涌水、涌砂现象，导致土仓压力失衡和开挖面失稳，诱发地面沉降甚至坍陷，影响地面和地中建（构）筑物的安全。为此，课题组历时10年，展开了成都地铁盾构法适应性、盾构法施工对环境影响的预测及控制方法、盾构法施工关键控制参数与工艺、盾构隧道通过特殊及复杂困难地段对策、盾构隧道结构体受力特征及关键设计参数、盾构隧道结构体防渗漏水对策、富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工管理规程等12项专题的科技攻关，成功解决了富水砂卵石地层盾构法施工的若干建设关键问题，为成都地铁工程建设提供了坚实的技术支撑。

2.科学技术内容

课题组通过理论分析、数值模拟、室内试验、现场测试、工程设计应用以及现场掘进试验等综合手段开展了系统深入的研究，主要的创新性成果如下：

2.1建立了富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道设计方法，形成了具有良好安全性、防水性和抗震性的结构体系

成果概述：该结构设计体系包括砂卵石地层荷载取值方法、错缝拼装力学模型、接头端面力学模型、抗震分析解析方法、结构构造体系和防水综合技术等，能适应富水砂卵石地层盾构隧道的结构特性分析与设计计算，可充分体现盾构隧道接头非线性效应、错缝拼装结构效应、结构地震动力效应以及结构防水特性，解决了富水砂卵石地层隧道结构的受力、防水和抗震问题，成功经受住了“5.12”汶川大地震的严峻考验。

（1）富水砂卵石地层地铁盾构隧道结构设计静力分析方法：利用颗粒离散元数值方法修正了太沙基松动土压力计算公式，提出了砂卵石地层的荷载取值方法；构建了考虑多环错缝拼装效应、结构与地层相互作用效应的错缝拼装结构力学模型；提出了考虑连接螺栓拉力、接缝最大张开量、轴力、弯矩等因素的接头抗弯刚度计算方法，建立了接头端面力学模型。

（2）富水砂卵石地层地铁盾构隧道结构抗震设计分析方法：利用成层地层反射理论获得的地层剪切力表达式，改进了盾构隧道基于复变函数的地震动力分析解析方法；在狭义反应位移法法的基础上提出了基于地层-结构模式的反应位移法。形成了集解析法、反应位移法与时程分析法为一体的盾构隧道抗震分析方法组合，以开展盾构区间隧道及其交叉结构的地震响应分析。

（3）富水砂卵石地层地铁盾构隧道管片衬砌结构体系：形成了适应于富水砂卵石特殊地层和城市复杂环境的结构体系，包括适应于线路线形的1.2m、1.5m两种幅宽的管片衬砌结构及其组合方式。该结构型态最大限度地考虑了环纵向接头位置与刚度、错缝环间相互咬合效应以及隧道与周围土体间的相互作用，具有承受不均匀水头差和适应局部膨胀性地层和软硬不均交互地层的能力。

（4）富水砂卵石地层地铁盾构隧道综合防水技术：提出了能够长期适应高渗透性富水砂卵石地层的主隧道管片接缝密封垫材质类型，对梯形、梳形、中孔形等多种断面形式实施了优化，根据接触应力与密封垫内部等效应力、压缩量与压力之间的关系曲线确定了优选断面；建立了能模拟盾构施工地层失水条件下结构水荷载的试验模拟方法，提出了能适用于富水砂卵石地层盾构隧道接缝、盾构进出洞竖井与区间、车站与区间、联络横通道与区间等结合部位的综合防水方式，解决了结合部位在地震诱发大变形情况下的结构防水问题。

2.2创建了富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道施工综合技术，攻克了富水砂卵石地层盾构快速掘进和长距离掘进技术难题

成果概述：该综合施工技术包括富水砂卵石地层盾构设备选型及配置技术，盾构快速掘进施工技术，刀盘、刀具与螺旋出土器耐磨技术，长距离掘进刀具维护与更换综合技术等。能适应富水砂卵石地层、含透镜体砂卵石地层、下部局部硬质泥岩砂卵石地层等各种地层组成形态的盾构正常掘进，大幅减少刀具磨耗和刀具的更换次数，实现盾构的长距离掘进。该技术的应用将成都地铁的盾构月平均掘进进度从最初的约50m/月大幅提高到300m/月以上。

（1）富水砂卵石地层盾构设备选型及配置技术：复合式土压平衡盾构和泥水平衡盾构均可用于大粒径富水砂卵石地层盾构隧道的施工，但从刀盘、刀具损耗，施工进度，出碴难易等综合考虑，大粒径富水砂卵石地层盾构隧道施工应优选复合式土压平衡式盾构；提出了富水砂卵石地层“排出为主，破碎为辅”的盾构机选型与掘进技术方案，采取了减少滚刀数量、优化刮刀和齿刀配置、适度加大盾构面板开口率等技术措施。

（2）富水砂卵石地层盾构快速掘进施工技术：通过砂卵石层下盾构的施工参数及其影响因素间的关系建立了与盾构隧道埋深相关的总推力计算式；通过测试提出了刀盘转速、刀盘扭矩、土仓压力、推进速度、贯入度、总推力以及螺旋输送机转速、扭矩和工作面压力力学模型，并提出了土压平衡盾构和泥水平衡盾构掘进速度的数学计算公式。

（3）富水砂卵石地层施工盾构设备耐磨技术：提出了双刃滚刀、刮刀、齿刀的合理配置比例和配置方式、提出增加贝壳刀、选用有后角刮刀、加宽滚刀刀刃、主要刀具段差布置、在刮刀后角面和边滚刀间焊接导流刀具以整理卵石、减少冲击等刀具耐磨措施，有效解决了盾构刀盘、刀具与螺旋出土器在砂卵石地层中的高磨耗问题；形成了富水砂卵石地层的渣良方法和基于应力规则系数的渣土管理方法。

（4）富水砂卵石地层盾构长距离掘进刀具维护与更换综合技术：形成了富水砂卵石地层采用人工降水并辅以注浆、旋喷、人工挖孔桩或灌注桩等稳定土体、防止砂卵石地层遇水坍塌的常压开仓换刀技术；形成了向土仓内注入优质膨润土泥浆置换原有仓内碴土，并在掌子面形成良好泥膜以防止气体在砂卵石地层中逃逸的带压换刀技术。结合区间隧道具体的埋深和环境条件，采用地层局部处理后常压换刀和洞内带压换刀两种互补的换刀方案，解决了盾构在砂卵石地层掘进过程中的换刀问题。

2.3构建了城市特殊复杂环境下富水砂卵石地层地铁盾构邻近建（构）筑物施工的安全保障技术，有效解决了邻近建（构）筑物的施工安全问题

成果概述：该安全保障技术包括邻近建（构）筑物施工安全预测与风险评估技术，施工安全预警与控制技术，施工结构保护与地层加固技术等，广泛应用于复杂地质条件下盾构正穿、斜穿股道、桥梁、房屋、市政隧道等建（构）筑物以及地下密集管线的安全近接施工。应用该技术成功通过了包括成都地铁1、2号线102栋房屋、12座桥梁、8座既有市政隧道和人防通道在内的大量建（构）筑物，保障了建（构）筑物的安全。

（1）邻近建（构）筑物施工安全预测与风险评估技术：通过Φ30cm泥水平衡盾构模拟试验和Φ52cm土压平衡盾构模拟试验、现场试验和颗粒流非线性模拟揭示了砂卵石地层盾构施工扰动变形机理，探明了不同施工参数和施工状态下砂卵石地层的扰动范围、扰动程度及其对建（构）筑物的影响。根据近接程度、近接方式，分析了重要建（构）筑物的风险状态与盾构掘进参数、盾构与重要建（构）筑物空间几何位置和几何尺度的关系，从总体上把握了建（构）筑物的风险程度。

（2）邻近建（构）筑物施工安全预警与控制技术：提出了不同建（构）筑物的监控方式和预警标准。通过建立“土仓应力比”、“应力规则系数”参数与盾构掘进过程盈压、平衡、欠压、结块状态的关系，提出了适合成都砂卵石地层特殊环境下保障建（构）筑物安全的土仓压力平衡方法，即一般地段采用“土压平衡”掘进模式，控制性建（构）筑物地段采用“适当超压”的掘进模式。重要建（构）筑物段应将盾构掘进地层损失率控制在3%以内，同时应增加碴土质量控制指标。

（3）邻近建（构）筑物施工结构保护与地层加固技术：通过砂卵石地层下不同注浆压力、注浆率对地表变形量的影响大小，提出了砂卵石地层盾构同步注浆过程中注浆压力和注浆率分区方法，解决了砂卵石地层浆液的注入问题。根据建（构）筑物种类以及建成年代，对于房屋分砖砼结构，框架结构和砖木结构，基础分条型基础、人工挖孔桩基础以及灌注桩基础等，有区别地提出了盾构下穿重要管线、股道、桥梁、房屋以及市政隧道的加固方式、保护范围。提出了桩基托换、袖阀管注浆、跟踪注浆等综合加固技术。

3.与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较成都地铁砂卵石地层卵漂石含量60～71%，主要分布在30～110mm区间，沿线漂石出现较为频繁，地下水位较高，一般在地表下2.0～5.0m；北京地铁砂卵石地层卵漂石含量50%～70%，主要分布在20～60mm区间，偶见漂石分布，但基本无地下水；沈阳地铁砂卵石地层卵石含量5～20%，主要分布在20～45mm区间，基本无漂石，地下水位在地表下4.5～10.0m。成都地铁是国内首次在遍布城区的富水砂卵石地层中采用盾构法实施大面积施工，其盾构法隧道建设技术堪称世界性难题，研究所形成的富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工技术指南在成都地铁工程中系统应用，其关键技术参数对比。

二、第三方评价

本项成果是在成都地铁工程建设科研课题的支持下、结合四川省科技支撑计划、国家自然科学基金等10余项研究课题，由高校、设计、施工、建设等多单位历时10年的联合攻关取得的。主要第三方评价如下：

1.成果技术鉴定

“成都地铁盾构隧道工程建设关键技术”通过四川省科技厅组织的专家鉴定。由著名地质专家中国科学院刘宝珺院士、著名地铁与隧道工程专家中国工程院施仲衡院士等相关领域专家组成的鉴定委员会认为：由富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道设计方法及结构体系、富水砂卵石地层城市地铁盾构隧道施工综合技术、城市特殊复杂环境下富水砂卵石地层地铁盾构邻近建（构）筑物施工的安全保障技术等所构成的研究成果总体上处于国际领先水平。

2.用户评价

根据成都地铁建设与运营单位-成都地铁有限责任公司提供的用户报告，本项成果在成都地铁1、2号线整体应用后，解决了富水砂卵石地层盾构隧道衬砌结构的结构设计问题，并成功经受住了“5.12”汶川大地震的严峻考验，实现了富水砂卵石地层的盾构长距离快速掘进（平均月进度300m/月以上，局部标段最高月进度达600m/月），大幅减少了刀具磨耗和刀具的更换次数（换刀距离提高到了250m），保障了盾构穿越地面建（构）筑物以及地下密集管线施工时建（构）筑物的安全，仅在成都地铁1、2号线区间盾构隧道就成功通过了102栋房屋、12座桥梁和8座既有市政隧道和人防通道。项目研究成果还在成都地铁3、4、7号线以及1号线南延线、2号线西延线等成都地铁后续线路工程建设中得到全面应用，为成都地铁工程提供了重要支撑。

国内其他城市地铁设计、施工以及建设与运营单位（西安市地下铁道有限责任公司、南京地下铁道有限责任公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中国中铁二院工程集团有限责任公司、中铁二十三局集团有限公司、中铁十五局集团有限公司、中铁十三局集团有限公司、中铁八局集团有限公司、中铁二局集团有限公司、中铁隧道股份有限公司、上海隧道工程股份有限公司等）提供的用户应用证明表明:在砂卵石地层或复杂建（构）筑物城市环境条件下应用本项研究成果后，盾构隧道结构设计更加合理、盾构施工掘进更加高效、投入营运结构更加安全，其经济和社会效益明显。

三、应用推广情况

篇4

【中图分类号】U231.+9

【文献标识码】A

【文章编号】1672—5158（2012）10-0199-01

1　城市地铁隧道工程火灾特点

1.1　烟、热危害严重

因地铁出入口少，空气流通不畅，通风不足，氧气供应量不足，发生不完全燃烧，致使一氧化碳、二氧化碳等有毒气体的浓度迅速升高，高温烟气的扩散流动，不仅使所到之处的可燃物蔓延燃烧，更严重的是导致疏散通道能见距离降低，即使在强力照明条件下能见度也只在1.0m以内，影响人员疏散和消防队员扑救火灾。由于地铁的内部空间比较封闭，发生火灾后，烟、热不能及时排出去，使热量集聚，内部空间温度上升很快，发生“轰燃”的时间也比较短，但发生“轰燃”后，由于通风量的限制，轰燃之后的燃烧速度比地面建筑慢，而且燃烧产物中的毒性成分、一氧化碳等浓度较高，散热慢，由烟、热造成的危害更大。

1.2　人员疏散困难

地铁疏散由于受到条件限制，出入口少，疏散的距离较长；火灾时，人员疏散只能步行通过出入口或联络通道，地面建筑火灾时使用的云梯车之类的消防救助工具对地下的人员疏散就无能为力。最重要的是火灾时，平时的出入口在没有排烟设施或排烟设施效果较差时，将成为喷烟口，高温的浓烟的流动方向与人员逃生的方向一致，都是从下至上，而烟气的扩散流动速度比人群的疏散逃生速度快的多，人们就在高温浓烟的笼罩下逃生，能见度大大降低，使人群心理更加恐慌，同时烟气中的有些气体，如氨气、氟化氢和二氧化硫等的刺激使人的眼睛睁不开，使人心理极度恐惧，可能会瘫倒在地或盲目逃跑，造成不必要的伤亡。

1.3　扑救困难

地下建筑的火灾比地面建筑的火灾扑救要困难得多。我国地下建筑发生的数起大火中，最长的一次延烧时间为41天。这次火灾共邀请了28个单位540名专家研究灭火方案，救火人员死亡4人，80多人受伤；抢救和灭火工作十分艰苦。地铁发生火灾时究竟发生在哪个部位，无法直观火场，需要详细询问和研究工程图，分析可能发生火灾的部位和可出现的情况和危险，才能作出灭火方案。而且由于灭火线路少，出入口又经常是火灾时的冒烟口，消防队员在高温浓烟的情况下很难接近着火点

1.4　火灾蔓廷快

隧道内一旦起火，由于烟囱效应，温度和烟气会迅速传播，大部分能量被用去加热通风的空气。此时，顺风侧空气的温度可达到1000℃以上，炽热的空气在流经途中可把它的热量传递到任何可燃的材料上，这样火可以从一个燃料火源跳跃一个长度引燃下一个着火点。这个跳跃的长度约为隧道直径的50倍。由于地铁相对封闭，和外界的联系只有出入口和换风口，故烟、热不能及时排出，使热量聚集，内部空间温度上升很快，地铁工程火灾具有减光性。当烟气弥漫时，可见光因受到烟粒子的遮蔽而减弱能见度大大降低，同时烟气中的有些气体如氨气、氟化氢、二氧化硫等的刺激使人的眼睛睁不开从而妨碍人员的疏散。火灾时的浓烟滚滚使人们的心理产生恐怖感，有的失去活动能力瘫倒在地，有的失去理智盲目逃跑造成不必要的伤亡。正因为地铁隧道的这些特点使得在地铁隧道内消防措施应该采用最技术先进、行之有效的方法。

2　地铁工程的防火手段与发展

我国地铁工程现有的消防设施系统主要有消火栓灭火系统，化学灭火设施，自动报警系统，自动喷水灭火系统，防火防烟分区，防排烟系统，安全疏散和结构耐火的设计。而现在“消”方面在隧道区间主要采用的仍是比较传统的自动报警+消火栓灭火系统，只有在设有商业网点的车站站厅才设自动喷水灭火系统，在车站管理用房和设备用房内，因其设备的特殊性通常采用化学灭火设施。

2.1　消火栓灭火系

消火栓灭火系统目前仍是地铁消防设计中采用的主要灭火工具，因其价格便宜，安装方便而被普遍采用。消火栓用水量按全线同一时间发生一次火灾考虑，消火栓的布置要保证任何位置失火，都能同时有两股水柱到达。

2.2　自动喷水灭火系统

自动喷水灭火系统具有很高的灭火、控火率，且不污染环境，应该有很广阔的应用前景。但目前在地铁工程消防的设计中应用的很少，只有在设有商业网点开发的车站才设自动喷水灭火系统，原因是多方面的。不采用的原因经济上是因为费用太高，在灭火效果上的原因是认为使用自动喷水会使烟气层高度降低，扰乱烟气层的流动规律，不利于排烟和疏散。但是，自动喷水也有很多优点：（1）可扑灭初期火灾，消火栓灭火系统灭火要经历发现火灾、报警、然后消防员去救火。等到消防员赶到出事地点时可能火灾已经发展到无法控制的地步，错失了灭火的良机。而且地铁内着火外部很难发现具体的着火点，又给扑救带来了困难。（2）采用细水雾，可降低烟气浓度，且用水量少。（3）可靠性更高。（4）因地铁建设费用本来就很高，90年代建成的广州的两条地铁线。

2.3　防火分区和防排烟系统

车站每一个防火分区最大允许使用面积不大于1500平方米，采用水幕保护的防火卷帘。防烟分区面积最大为750平方米。发生火灾时，人员的伤亡绝大多数是被烟气熏倒、中毒、窒息所致。因此，地铁工程中的防排烟系统就特别重要。以免影响疏散。安全疏散系统：车站内设最高优先权的防灾广播。且确保车站乘客在6秒内疏散完毕，即列车远期高峰小时满载的乘客和站台上候车的乘客以及工作人员在内全部安全撤离，设计时确保下车乘客至就近通道和楼梯问的最大距离不超过50m。

2.4　结构耐火设计与性能化防火

地铁的地下工程及出入口、风亭、地面车站均应按一级耐火等级设计，装修材料按一级防火要求。采用钢筋混凝土结构，且要对钢结构进行防火保护处理。地铁工程火灾的防护应严格执行地下工程防火规范，贯彻“预防为主，防消结合”的方针，进一步完善人防工程防火设计及施工规范，尽快组织专家编写地下工程的消防设计规范和施工技术规范。随着社会经济的飞速发展和建筑科技的长足进步，新型建筑的大量出现使性能化防火设计成为一种新型的防火设计方法。

3　结论

因为传统的处方式设计已经不能满足新型建筑的防火需要。但在地铁防火设计中，性能化防火设计采用的还很少。在我国，性能化防火设计方法已受到越来越多的人们的重视，发展与采用性能化防火设计已成为人们的共识，制定性能化防火设计规范也成为许多学者和设计人员谈论的重要话题。

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2.地铁隧道工程施工风险管理流程

要加强对地铁隧道修筑过程中潜在风险的预防，必须要建立一套内容充实、分工明确、体系完备的风险管控流程，依据建立好的流程就能够对风险进行有效的管控了。地铁隧道工程施工流程如下:首先，明确地铁隧道工程的特点，依据本身的特点签署工程保险;其次，对工程风险分析的方法进行明确，然后对潜在的风险因素进行识别，识别时要与业主以及施工单位进行详细的探讨，之后建立明确的风险因素清单;第三，依据清单对风险进行量化，然后建立起风险评估模型;第四，建立模型之后，要对风险进行初步的评估，如果潜在的风险不利于工程的施工，或者在施工过程中可能会发生难以预料的事故，首先应该减缓风险，如果风险不足以造成施工过程中的事故发生，那么就可以对剩余的风险进行评估了;最后，经过评估之后，将能够预测的潜在风险寻找出来，然后制定相应的防范措施。

3.地铁隧道工程施工风险管理措施分析

前面分析了隧道工程施工中风险管理的内涵以及管理的流程，明确了以上相关知识后，就可以对工程施工中的风险进行管理了。下面结合某地地铁一号线的建设实际，来探讨进行隧道施工风险管理的措施。

3.1隧道施工风险管理门得建设

上海交通大学土木工程系和上海铁路局联合联合组成课题组，在对一线技术和管理人员进行详细调查后，提出了“风险管理门”的概念(RiskManagementGate)。根据对一线施工管理人员进行调查问卷的结果，可以将隧道建设中潜在的风险分成3类:技术、管理、地质情况。其中，技术方面又可以分成施工准备情况、洞口部分的施工、开挖情况以及监控测量几个部分;管理方面只有施工管理一项;地质情况则包括膨胀性围岩地段的施工、涌泥突水地段的施工以及岩爆情况和瓦斯层的施工几个部分的内容。通过对这几个方面的风险进行分析，可以将施工的过程分成7道风险管理门，这7道风险管理门主要分为三个阶段:施工准备阶段、操作阶段以及完工阶段。

3.2隧道施工风险管理研究

建立了风险管理门之后，就明确了施工的各个步骤，同时就可以依据相它对潜在的风险进行分析了。某市地铁一号线是连接老城区与新城区的主要地下交通线之一，全场25千米。根据地质勘查结果，地铁一号线的施工条件比较复杂，施工中不仅会穿过粉土、粉砂、粉质粘土等底层，同时还穿过几座重要的文物保护建筑，这样就加大了施工的难度，如果不能对潜在的风险进行评估，很容易会造成文物建筑损坏等后果。

3.2.1潜在风险辨识

进行风险辨识是进行风险管理的首要工作，应该由相关的专家和施工单位共同组成风险辨识小组，结合搜集到的资料，并仔细的分析当地的地质特点以及地下环境，对风险进行辨识。根据本市地铁一号线的具体情况，将风险分为基坑施工潜在风险、盾构施工潜在风险以及管网施工潜在风险等三个方面。其中，基坑施工潜在风险主要有基坑开挖土体是否具有稳定性、基坑开挖对周围文物建筑的是否具有破坏性以及雨季防汛风险;盾构施工风险主要有盾构进洞阶段的风险和出洞阶段的风险;管网施工潜在风险主要有施工对天然气管、污水管和雨水管等带来的风险、管线改移、悬吊的安全风险以及地下水对地铁站带来的风险等。

3.2.2潜在风险评估

辨识完潜在的风险之后，要对这些风险进行评估，进而制定应对措施。通过对某市地铁一号线进行风险评估，地铁某段的潜在风险依据对不同风险因素对周围环境的影响是不同的。通过对这些不同点进行实事求是的分析，进而制定风险应对措施。

3.2.3潜在风险应对

在对风险辨识以及评估完成之后，就可以依据得出的风险因素制定相应的应对措施。根据某市地铁一号线实际存在的风险因素，可以制定以下应对措施:(1)本车站的基坑比较宽，开挖的也比较深，因此可以使用长大内支撑体系来进行支撑，等到结构混凝土的强度应该达到80%以上后才可以将支撑拆除。(2)本地区的地质条件比较差，地下水位比较高，很容易出现地下水喷涌的现象。针对这种情况，可以将地下水降低到坑以下30m，在降水的同时，务必确保收到良好的降水效果，另外还不能损坏周围的建筑物。(3)强化施工监测力度，在施工中要及的通过监测获取工程进度数据，对这些数据进行分析，从中预测出施工的下一过程可能要出现的风险因素，以便及时的制定计划，尽可能的减少风险因素给施工带来的不良后果。