《隧道下穿既有公路及管线施工风险分析》-哲学论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

隧道下穿既有公路及管线施工风险分析

范文

摘要：随着我国地下工程和交通事业的发展，新建线路穿越既有建构筑物的工程越来越多，由此造成的新建隧道与既有建构筑物的相互影响问题也越来越突出。隧道下穿必然会对上覆结构造成一定的不利影响，严重时还有可能引发安全事故，因此，研究隧道下穿既有建构筑物的变形控制技术是具有重要的现实意义的。本论述通过功效系数法对某隧道下穿既有公路和管线工程进行风险分析，结论为其可能发生后果严重的高度风险，必须要采取相关措施进行风险预控。

关键词：公路隧道;下穿施工;风险控制;变形分析

中图分类号：U45

文献标志码：A

1工程概况

某隧道隧址位于福建省境内，隧道起讫里程DK5+095-DK13+294，设计为单洞双线，设计断面宽13.82m、高12.40m，采用无砟轨道设计。隧道进口段在DK5+170-310里程下穿机场高速及三环公路，隧道与既有道路角度为49°，交叉段长约130m，穿越段埋深浅，上覆土厚仅4.1m-4.9m。隧道进出口及横洞进口均有水泥路十分方便，通过卫星地图截取隧道下穿段地形图如图1所示。

根据相关资料提供，隧道上方DK05+200、DK05+280处均有一处给水及雨水管道。进口穿越地层为全风化花岗闪长岩，岩性较差为V级围岩。综合所述，下穿段工程所处环境条件复杂，地质条件较差，为隧道乃至铁路全线重点控制工程。

隧道所穿越公路交通繁忙，施工期间道路处于运营状态，因此对施工造成了很大干扰。既有公路为浅路堑，公路路基为0-3m厚人工填土。下穿道路总宽约77.5m，其巾机场高速路32.5m，三环路左右线总共27m，附属结构包括绿化带、人行道宽约18m。道路断面布置如图2所示。

（1）地层岩性特征

①第四纪（Q）

人工填土（Q4ml）：主要分布于隧道进口机场高速路基;厚度为0-3m，松散，稍湿。

粉质黏土（Qel+dl）：多分布于山坡表层，厚度0.5-4m，呈灰黄色或褐红色，硬塑。

②侵入岩（γ53）

燕山晚期第一次侵入花岗闪长岩（γδ2（1）a），主要分布在隧道进口段，分布范围DK5+035-DK7+525其中包括下穿公路段，中（细）粒结构，块状构造。

（2）地质构造

下穿段位于隧道进口段，范围小，无断层、褶皱等节理裂隙发育，地质构造良好。

（3）水文地质特征

下穿段地下水系不发育，地下水主要分布为孔隙潜水。

2隧道下穿施工风险分析

2.1下穿段施工风险分析

基于该隧道下穿施工工程概况，因为隧道所处环境复杂，所以有必要对其进行风险分析。根据《隧道设计说明》巾对隧道下穿段的风险分析，该隧道下穿段DK05+170-310段主要风险等级见表1所列。

根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》，概率等级4为可能发生，3为偶然发生;后果等级4为很严重的，3为严重的。根据风险接受准则，风险等级高度是不期望的，这类风险较大，必须要进行一定的处理措施来降低风险[1-3]。因此从表1中该隧道下穿段初始风险等级来看，下穿段主要存在的风险为垮塌、塌方和影响既有建构筑物，都是可能发生的，后果很严重的高度风险，必须要采取相应的措施来降低这些风险。经过处理措施以后，下穿段风险不会完全消除，仍然会存在残余风险，残余风险为偶然发生的、后果严重的巾度风险，这类风险也应当加强监测和重视[4-6]。

根据表1分析该隧道下穿施工会对上覆既有公路和市政管线造成很大影响，可能发生后果严重的高度风险，所以着重对隧道下穿这两处建构筑物进行风险分析，进而对隧道下穿公路和管线展开更加深入的研究。

2.2风险分析方法

隧道工程大多是隐蔽工程，其潜在风险很难被及时发现。风险评估分析是工程顺利推进的前提，是风险管控的基础，更是工程安全的重要保障。風险的分析流程如图3所示。

从图3可以看出，风险分析最重要的是识别潜在风险因素和风险等级的确定，最后判断风险是否在可接受范围并采取措施来控制风险。目前风险等级确定即风险评估主要采用的方法有专家调查打分法、指数法、矩阵法、RTA风险树法以及模糊综合评判法等。上述都是目前常用的风险分析法，但均存在一些不足，这些方法分析结果受到个人主观因素影响较大，而且计算过程复杂、效率较低。在实际工程应用中，亟待一种快速的、简单易行的风险分析方法。曹成勇等[7]在浅埋隧道下穿公路施工风险分析中采用了一种快速有效的方法即功效系数法。本论述根据功效系数法原理分析该隧道下穿施工风险。

功效系数法通过多项目规划对各评价指标进行满意值、不允许值的确定，计算各指标满意值程度，由此确定各指标分数，最后加权平均综合分析研究对象结果。这种方法的分析过程如下：

（1）选取代表性指标，各指标尽量能全面、综合的反映分析目标的情况。

（2）满意值和不允许值的确定。即各指标的的最高和最低水平。

（3）计算功效系数值：

di=Xi-Xsi/Xhi-Xsi×40+60

（1）

式中：di为第i个指标功效系数值;Xi为第i个指标实际值;xhi为满意值;Xsi为不允许值。

（4）计算各指标权重，采用专家评分后的归一化权重：

wi=pi/∑

（2）

式中：P1与wi分别为第i个指标权数和权重系数。

（5）分析对象的总功效系数：

D=∑?（3）

根据总功效系数，可对分析对象进行风险分级评估，风险分级见表2所列。

2.3隧道下穿段施工风险分析

根据新鼓山隧道现场监测和地质勘查情况，决定将地表沉降、周边收敛、地下水、掌子面及支护结构观察等内容作为隧道下穿施工的风险评估的主要指标。参考文献通过收集和分析大量实际工程和规范资料，得到各指标的满意值与不允许值见表3所列。

其中地下水观察打分等级为：无水（100）、浸渗（75）、滴漏（50）、涌流（25）、喷射（0）;掌子面观察打分等级为：很好（100）、好（75）、一般（50）、差（25）、非常差（0）;支护结构观察打分等级为：无裂缝（100）、少量裂缝（75）、开裂（50）、剥落（25）、垮塌（0）。

根据现场监测和观察结果分析，地表沉降速率最大为3.75mm/d，周边最大收敛速率为2.56mm/d，由于变形速率更能体现风险的发展趋势，所有此次采用地表沉降速率和周边收敛速率作为评价指标。通过现场观察，地下水观察为浸渗75分，掌子面观察为一般50分，支护结构观察为开裂50分。通过现场实测和观察结果，按（2）计算各指标权重，结果见表4所列。

将现场监测与观察结果带入式（1）计算各指标功效系数，最后将功效系数和权重带入式（3）得到总功效系数见表5所列。

根据上表得到总功效系数值为78.973，根据表2风险评估分级标准，该隧道下穿既有公路和管线的施工风险等级为高度，这与设计资料巾给的风险等级相吻合，证明了功效系数法风险分析的准确性。

根据最终风险分析结果，该隧道下穿既有公路和管线施工存在高度风险，所以有必要对隧道下穿既有公路和管线的变形机理、变形规律以及变形控制方法进行展开研究。

2.4交通荷载作用下隧道开挖变形机理

2.4.1变形影响因素

隧道开挖是对原有地层的一种破坏过程，是打破原有土体平衡的一种形式。这样原有地层势必就会作出响应来维持这种平衡。在交通荷载作用下，隧道开挖影响地层变形更加复杂，其主要因素体现在以下几个方面：

（1）地层损失。隧道周围的土会对隧道开挖造成的土体缺失进行弥补，在弥补过程巾便发生了位移变形。

（2）应力释放。隧道开挖破坏了原有初始应力平衡，在隧道周边地层形成塑性区。围岩的应力重分布过程会导致地层的变形破坏。

（3）土体再固结。土体随着隧道开挖应力的释放，孔隙水压力消减，有效应力增大，从而导致土体发生固结也就是压缩变形。

（4）交通荷载的作用。公路不同于普通地表，在运营公路中会存在不断的交通荷载作用，交通荷载存在一定的随机性和动力特性，会对公路造成不同程度的影响，进而造成下部地层变形，同时也会影响隧道施工安全。隧道开挖与交通荷载对路基及地层进行作用，都会造成不同程度的影响，两者最终的结果都会导致路基和地层的沉降变形，如图4所示。

2.4.2变形机理

当然地层变形还受诸多因素的影响，比如地质条件、隧道埋深、支护手段等。地层变形会随着这些因素的不同而发生变化，从变形的规律和机理来看，这种变形影响会产生明显的空间效应，如图5所示。

从图5可以看出，地层变形的空间分布和移动是随着隧道开挖方向发展的，隧道开挖的影响范围是从隧道断面往上部地层扩展，越往上影响范围越大直至地表达到最大沉降范围，这种影响具有强烈的扩散性。沉降值在开挖断面拱顶处最大，随着远离开挖断面，沉降值在空间的纵向和横向上有减小趋势，呈现衰减性。从图5a中地表沉降等值线和b图中地表沉降发展云图可以看出，地表沉降等值线呈“U”形分布，在隧道轴线上沉降值最大，并且等值线随着隧道开挖方向向前发展;在横向上分布上，沉降值由隧道轴线向两边减小。

综合上述分析，在浅埋隧道与上覆公路立体相交的工程中，隧道下穿既有公路的变形影响因素有必要考虑交通荷载的影响。公路不能中断运营，车辆来往行驶的交通荷载必然会对公路沉降变形产生影响，严重则可能导致下方隧道坍塌，威胁隧道施工安全。因此有必要进行交通荷载对隧道下穿公路的影响进行分析，进而对其进行变形控制的研究、优化施工方案。

3结论

本论述主要通过现场调查、查阅勘察设计资料和理论分析的方法，对该隧道下穿施工工程概况、风险评估、变形機理进行分析，得到以下结论：

（1）该隧道在进口段里程DK5+170-310同时下穿高速公路和两处市政管线，周围环境条件复杂，实际施工需慎重对待。

（2）通过功效系数法对该隧道下穿既有公路和管线工程进行风险分析，得到总功效系数值为78.973，为可能发生后果严重的高度风险，与设计说明资料相吻合，有必须要对隧道下穿既有公路和管线变形控制进行进一步研究。

（3）通过对隧道下穿施工变形机理理论分析，得到在隧道下穿既有公路研究中，运营中交通荷载影响系数较高。隧道开挖和交通荷载对地层是一个共同作用的过程，都会引起地层及公路路基的沉降变形。

参考文献：

[1]高丙丽，任建喜.地铁施工邻近管线安全风险评估研究[J].现代隧道技术，2016，53（3）：118-123.

[2]王雨，陈文化，崔江余，等.地铁施工扰动下柔性管线安全评价[J].现代隧道技术，2016，53（1）：83-89.

[3]郭银波.浅埋隧道下穿钱塘江输水渠加同和保护技术[J].铁道建筑，2017（6）：85-88.

[4]郭艳芳，王学民，杨鹏志，等.地铁暗挖隧道下穿既有电力隧道施工过程位移响应[J].公路工程，2017，42（4）：91-94，101.

[5]管晓明，余志伟，宋景东，等.隧道超小净距下穿深埋供水管线爆破监测及减振技术研究[J].土木工程学报，2017（s2）：160-166.

[6]中华人民共和围铁道部.铁路隧道风险评估与管理暂行规定：铁建设[2007]200号[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[7]曹成勇，施成华，彭立敏，等.浅埋大跨下穿高速公路隧道施工风险评估及控制措施研究[J].铁道科学与工程学报，2016. 13（7）： 1439-1446.

收稿日期：2020-06-16

作者简介：王正明（1972-），男，汉族，安徽宁国人，大学本科，工程师，主要从事工程施工和项目建设管理方面的工作。

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。