方興湖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究

王文通，唐 鵬，丁華興，王樹(shù)英

(1．深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518029;2．中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

方興湖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究

王文通1，唐 鵬2，丁華興1，王樹(shù)英2

(1．深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518029;2．中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

方興湖隧道是國(guó)內(nèi)跨度最大的明挖湖底隧道，施工難度大，防水困難。本文結(jié)合其施工情況，分析可能存在的5種風(fēng)險(xiǎn)源(基坑失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)上浮、結(jié)構(gòu)滲漏水、結(jié)構(gòu)施工和環(huán)境影響)，并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源提出了加強(qiáng)邊坡支護(hù)和基坑防排水防止基坑失穩(wěn)、加設(shè)抗拔樁增強(qiáng)隧道抗浮能力、提高隧道自防水并加強(qiáng)接縫防水減少滲漏水對(duì)隧道的危害、采取各種環(huán)護(hù)措施降低空氣污染及粉塵危害等控制措施。通過(guò)對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力的跟蹤監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該風(fēng)險(xiǎn)控制措施切實(shí)有效。

隧道 下穿湖底 大跨度 施工風(fēng)險(xiǎn) 控制措施 監(jiān)測(cè)

我國(guó)已建成的明挖湖底隧道較少(表1)，可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)有限。大跨湖底隧道工程的建設(shè)存在復(fù)雜多變的環(huán)境因素，其本身又具有規(guī)模大的特點(diǎn)，這些決定了隧道工程建設(shè)階段必然存在諸多不確定因素，因此，施工安全風(fēng)險(xiǎn)伴隨著隧道建設(shè)的整個(gè)過(guò)程。合肥市方興湖隧道為八車道明挖湖底隧道，是我國(guó)同類隧道中跨度最大的湖底隧道，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，在施工期間易發(fā)生工程事故。為避免或減少損失，必須重視施工階段的風(fēng)險(xiǎn)管理。本文以方興湖隧道為依托，分析施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，提出相應(yīng)的控制措施，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性，以供類似大跨湖底隧道施工參考。

表1 國(guó)內(nèi)已建成的明挖法施工湖底隧道［1-4］

1 工程概況

方興湖隧道位于合肥市濱湖新區(qū)，在規(guī)劃建設(shè)的“包河大道—方興大道立交”與規(guī)劃建設(shè)的“福建路”之間。行車速度為60 km/h，荷載等級(jí)為A級(jí)，隧道結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，防水等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)耐火等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度。該隧道設(shè)計(jì)為三跨單層對(duì)稱框架式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用明挖法施工。方興湖下穿隧道結(jié)構(gòu)頂板以上最大水深約為5.0 m，結(jié)構(gòu)頂板上覆蓋層厚度約為1 m(包括保護(hù)層和防沖刷層)。隧道左、右凈寬16.45 m，中間管廊凈寬2.20 m，凈高5.15 m(含頂部預(yù)留設(shè)備安裝、裝修空間)，風(fēng)機(jī)安裝凈高為6.10 m(含頂部預(yù)留設(shè)備安裝、裝修空間)。

隧道所處地貌總體上屬江淮平原，微地貌單元為經(jīng)人工改造的人工湖和填筑高地。主要地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，巖性自上而下依次為填筑土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土。場(chǎng)地內(nèi)存在局部的淤泥黏土層，需進(jìn)行處理。

2 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制

2.1 風(fēng)險(xiǎn)源分析

目前明挖湖底框架式隧道風(fēng)險(xiǎn)分析的案例十分有限，本文將借鑒已有相關(guān)工程實(shí)例的建設(shè)資料，對(duì)方興湖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

1)基坑失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

圖1 方興湖隧道斷面

隧道穿越地段地表水豐富，施工前期需施作引道或溝渠分流河水，其次在隧道施工區(qū)域內(nèi)施作圍堰隔離河水，并對(duì)人工湖湖水進(jìn)行抽排。這一環(huán)節(jié)工程量大，所需時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)施工質(zhì)量要求高。同時(shí)，水文地質(zhì)及氣候條件也是施工建設(shè)時(shí)需要考慮的重要因素。任何一個(gè)方面處理得不好，都可能導(dǎo)致施工區(qū)域遭受地表水的影響，使得基坑淹沒(méi)、邊坡塌陷，嚴(yán)重耽誤工期，危害工程及機(jī)械設(shè)備安全，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2)結(jié)構(gòu)上浮風(fēng)險(xiǎn)

隧道主體結(jié)構(gòu)大部分處于地下水位以下，主體結(jié)構(gòu)為大型空腔，所受浮力大，無(wú)法通過(guò)結(jié)構(gòu)自重來(lái)避免結(jié)構(gòu)上浮。為了提高抗浮能力，在結(jié)構(gòu)下面設(shè)置抗拔樁，然而由于人為因素、施工工藝等導(dǎo)致抗拔樁澆筑質(zhì)量不過(guò)關(guān)，致使隧道不滿足抗浮要求，危害結(jié)構(gòu)安全。

3)結(jié)構(gòu)滲漏水風(fēng)險(xiǎn)

由于大體積混凝土澆筑水化熱大，和易性較差，加之人工振搗不均勻等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生貫通的毛細(xì)通道和施工冷縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，發(fā)生滲漏水風(fēng)險(xiǎn)高;其次施工縫、變形縫施作時(shí)未鑿毛、清渣，可能導(dǎo)致接縫不密實(shí)而產(chǎn)生滲漏水災(zāi)害，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全及使用壽命［5］。

4)大體積混凝土施工風(fēng)險(xiǎn)

方興湖隧道大跨度主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)模板支撐體系要求高，模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，任何一項(xiàng)不滿足要求，將危害施工人員安全，損害機(jī)械設(shè)備。

5)環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)

方興湖隧道設(shè)計(jì)為雙向八車道，基坑開(kāi)挖規(guī)模大，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境破壞較大。施工過(guò)程中的廢棄物、車輛尾氣都將給周邊環(huán)境帶來(lái)污染，大型機(jī)械的振動(dòng)、鉆機(jī)打孔及重錘擊打夯實(shí)等聲音也會(huì)給周邊居民帶來(lái)噪音污染，施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵嚴(yán)重影響施工人員及周圍居民的身心健康［6］。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

基坑失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)上浮、結(jié)構(gòu)滲漏水、大體積混凝土施工風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境影響等5個(gè)方面是隧道安全施工的主要風(fēng)險(xiǎn)源。本文針對(duì)隧道的安全施工風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)資料，提出了相應(yīng)的控制措施。

1)基坑失穩(wěn)是明挖法隧道遇到的常見(jiàn)問(wèn)題。針對(duì)方興湖隧道基坑深且跨度長(zhǎng)的特點(diǎn)，要降低施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，需要從兩方面進(jìn)行處理：①做好基坑防排水工程?；涌刹捎妹鳒吓潘疄橹?、管井降水為輔的防排水工程，并制定相應(yīng)的防排水應(yīng)急措施，避免雨季施工，保證施工過(guò)程中基坑及邊坡坡腳無(wú)積水。②做好基坑邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。根據(jù)實(shí)際施工情況，采用錨噴結(jié)合的措施加強(qiáng)邊坡支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)基坑變形的監(jiān)控，及時(shí)反饋信息指導(dǎo)施工。

2)抗浮是水下隧道結(jié)構(gòu)施工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)方興湖隧道下穿湖底施工的特點(diǎn)，部分區(qū)間段的隧道主體結(jié)構(gòu)不滿足抗浮要求，采取在主體結(jié)構(gòu)底板增設(shè)抗拔樁，通過(guò)樁體自重和樁身與側(cè)壁土的摩擦力提高隧道抗浮能力，保證隧道施工及運(yùn)營(yíng)階段的抗浮安全。施工過(guò)程中，要嚴(yán)格監(jiān)控抗拔樁的樁長(zhǎng)、樁徑、混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)。

3)隧道滲漏水是施工控制的重難點(diǎn)。對(duì)于湖底隧道，首先應(yīng)加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)自防水，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用適宜的混凝土類型，提高混凝土施作質(zhì)量，防止混凝土內(nèi)部出現(xiàn)貫通裂縫;嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)結(jié)構(gòu)防水外層，保證防水材料的搭接長(zhǎng)度，并注意嚴(yán)加保護(hù);同時(shí)增強(qiáng)隧道接縫防水，對(duì)接縫預(yù)留孔道進(jìn)行鑿毛清理，選用合適的防水涂料對(duì)接縫填充密實(shí)，加厚接縫處的防水涂層厚度，保證防水涂層的施作質(zhì)量。

4)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)高，要合理組織施工，按照設(shè)計(jì)要求構(gòu)筑支模體系，保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的人員、機(jī)械安全，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督管理，制定相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，降低結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)［6-7］。

5)方興湖隧道所在區(qū)域周圍場(chǎng)地開(kāi)闊，施工范圍內(nèi)無(wú)市政及民用設(shè)施，地塊屬于單獨(dú)地塊，不影響交通，施工對(duì)環(huán)境的影響主要是空氣污染和粉塵污染?？諝馕廴締?wèn)題可通過(guò)配備各類較為先進(jìn)的低污染環(huán)保型機(jī)械設(shè)備，對(duì)汽油等易揮發(fā)品的存放進(jìn)行密閉處理，嚴(yán)禁在場(chǎng)地內(nèi)燃燒各種垃圾和廢棄物等措施進(jìn)行控制。同時(shí)通過(guò)對(duì)運(yùn)輸可能產(chǎn)生粉塵的車輛配備擋板及棚布、配備專用灑水車對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)和運(yùn)輸?shù)缆方?jīng)常進(jìn)行灑水濕潤(rùn)、對(duì)作業(yè)場(chǎng)地及運(yùn)輸車輛及時(shí)清掃沖洗等措施來(lái)減少粉塵帶來(lái)的危害。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為掌握隧道主體結(jié)構(gòu)受力的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)方興湖隧道主體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以檢驗(yàn)隧道施工方法的合理性，驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性。

結(jié)合方興湖隧道實(shí)際施工情況，選取水位最深處(K1+645)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)，利用混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)受力變化，利用鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)抗拔樁受力情況，以驗(yàn)證隧道抗浮能力及安全性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 K1+645斷面監(jiān)測(cè)元器件布置示意

自隧道典型斷面元器件布置完成后立即進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至結(jié)構(gòu)受力趨于穩(wěn)定后才停止監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并計(jì)算得到主體結(jié)構(gòu)各截面的安全系數(shù)，如圖3所示。由圖3可知，主體結(jié)構(gòu)截面最小安全系數(shù)為2.54，大于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)中規(guī)定的限值(2.0)，說(shuō)明主體結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)?？拱螛秲?nèi)鋼筋的最大拉應(yīng)力為32.3 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度(335 MPa)，因此樁體抗拔力滿足要求。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，恢復(fù)湖水后洞內(nèi)無(wú)明顯滲漏水現(xiàn)象。可見(jiàn)，采用所提出的風(fēng)險(xiǎn)控制措施后，方興湖隧道的結(jié)構(gòu)安全、抗浮和防水等方面均滿足要求。

圖3 主體結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)包絡(luò)圖

4 結(jié)論

1)結(jié)合設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)方興湖隧道風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了分析，主要風(fēng)險(xiǎn)源包括基坑失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)上浮、結(jié)構(gòu)滲漏水、大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工和環(huán)境影響。

2)根據(jù)方興湖隧道的主要施工風(fēng)險(xiǎn)源，提出了加強(qiáng)邊坡支護(hù)和基坑防排水防止基坑失穩(wěn)、加設(shè)抗拔樁增強(qiáng)隧道抗浮能力、提高隧道自防水并加強(qiáng)接縫防水減少滲漏水對(duì)隧道的危害、采取各種環(huán)護(hù)措施降低空氣污染及粉塵危害等控制措施。

3)通過(guò)對(duì)方興湖隧道施工中全過(guò)程的受力監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了隧道主體結(jié)構(gòu)的安全性、抗浮性和防水性均滿足要求，表明此文提出的風(fēng)險(xiǎn)控制措施切實(shí)有效?？蔀榻窈箢愃拼罂缍群姿淼赖氖┕ぬ峁┙梃b。

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U455．4;U458．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．19

1003-1995(2014)02-0056-03

2013-09-10;

2013-11-25

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208516)

王文通(1969— )，男，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 葛全紅)