隧道下穿既有公路及管線施工風(fēng)險(xiǎn)分析

摘要：隨著我國地下工程和交通事業(yè)的發(fā)展，新建線路穿越既有建構(gòu)筑物的工程越來越多，由此造成的新建隧道與既有建構(gòu)筑物的相互影響問題也越來越突出。隧道下穿必然會對上覆結(jié)構(gòu)造成一定的不利影響，嚴(yán)重時還有可能引發(fā)安全事故，因此，研究隧道下穿既有建構(gòu)筑物的變形控制技術(shù)是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義的。本論述通過功效系數(shù)法對某隧道下穿既有公路和管線工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)論為其可能發(fā)生后果嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，必須要采取相關(guān)措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。

關(guān)鍵詞：公路隧道;下穿施工;風(fēng)險(xiǎn)控制;變形分析

中圖分類號：U45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1工程概況

某隧道隧址位于福建省境內(nèi)，隧道起訖里程DK5+095-DK13+294，設(shè)計(jì)為單洞雙線，設(shè)計(jì)斷面寬13.82m、高12.40m，采用無砟軌道設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)口段在DK5+170-310里程下穿機(jī)場高速及三環(huán)公路，隧道與既有道路角度為49°，交叉段長約130m，穿越段埋深淺，上覆土厚僅4.1m-4.9m。隧道進(jìn)出口及橫洞進(jìn)口均有水泥路十分方便，通過衛(wèi)星地圖截取隧道下穿段地形圖如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)資料提供，隧道上方DK05+200、DK05+280處均有一處給水及雨水管道。進(jìn)口穿越地層為全風(fēng)化花崗閃長巖，巖性較差為V級圍巖。綜合所述，下穿段工程所處環(huán)境條件復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，為隧道乃至鐵路全線重點(diǎn)控制工程。

隧道所穿越公路交通繁忙，施工期間道路處于運(yùn)營狀態(tài)，因此對施工造成了很大干擾。既有公路為淺路塹，公路路基為0-3m厚人工填土。下穿道路總寬約77.5m，其巾機(jī)場高速路32.5m，三環(huán)路左右線總共27m，附屬結(jié)構(gòu)包括綠化帶、人行道寬約18m。道路斷面布置如圖2所示。

（1）地層巖性特征

①第四紀(jì)（Q）

人工填土（Q4ml）：主要分布于隧道進(jìn)口機(jī)場高速路基;厚度為0-3m，松散，稍濕。

粉質(zhì)黏土（Qel+dl）：多分布于山坡表層，厚度0.5-4m，呈灰黃色或褐紅色，硬塑。

②侵入巖（γ53）

燕山晚期第一次侵入花崗閃長巖（γδ2（1）a），主要分布在隧道進(jìn)口段，分布范圍DK5+035-DK7+525其中包括下穿公路段，中（細(xì)）粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

下穿段位于隧道進(jìn)口段，范圍小，無斷層、褶皺等節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造良好。

（3）水文地質(zhì)特征

下穿段地下水系不發(fā)育，地下水主要分布為孔隙潛水。

2隧道下穿施工風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1下穿段施工風(fēng)險(xiǎn)分析

基于該隧道下穿施工工程概況，因?yàn)樗淼浪幁h(huán)境復(fù)雜，所以有必要對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)《隧道設(shè)計(jì)說明》巾對隧道下穿段的風(fēng)險(xiǎn)分析，該隧道下穿段DK05+170-310段主要風(fēng)險(xiǎn)等級見表1所列。

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定》，概率等級4為可能發(fā)生，3為偶然發(fā)生;后果等級4為很嚴(yán)重的，3為嚴(yán)重的。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，風(fēng)險(xiǎn)等級高度是不期望的，這類風(fēng)險(xiǎn)較大，必須要進(jìn)行一定的處理措施來降低風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。因此從表1中該隧道下穿段初始風(fēng)險(xiǎn)等級來看，下穿段主要存在的風(fēng)險(xiǎn)為垮塌、塌方和影響既有建構(gòu)筑物，都是可能發(fā)生的，后果很嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，必須要采取相應(yīng)的措施來降低這些風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過處理措施以后，下穿段風(fēng)險(xiǎn)不會完全消除，仍然會存在殘余風(fēng)險(xiǎn)，殘余風(fēng)險(xiǎn)為偶然發(fā)生的、后果嚴(yán)重的巾度風(fēng)險(xiǎn)，這類風(fēng)險(xiǎn)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測和重視[4-6]。

根據(jù)表1分析該隧道下穿施工會對上覆既有公路和市政管線造成很大影響，可能發(fā)生后果嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，所以著重對隧道下穿這兩處建構(gòu)筑物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)而對隧道下穿公路和管線展開更加深入的研究。

2.2風(fēng)險(xiǎn)分析方法

隧道工程大多是隱蔽工程，其潛在風(fēng)險(xiǎn)很難被及時發(fā)現(xiàn)。風(fēng)險(xiǎn)評估分析是工程順利推進(jìn)的前提，是風(fēng)險(xiǎn)管控的基礎(chǔ)，更是工程安全的重要保障。風(fēng)險(xiǎn)的分析流程如圖3所示。

從圖3可以看出，風(fēng)險(xiǎn)分析最重要的是識別潛在風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)等級的確定，最后判斷風(fēng)險(xiǎn)是否在可接受范圍并采取措施來控制風(fēng)險(xiǎn)。目前風(fēng)險(xiǎn)等級確定即風(fēng)險(xiǎn)評估主要采用的方法有專家調(diào)查打分法、指數(shù)法、矩陣法、RTA風(fēng)險(xiǎn)樹法以及模糊綜合評判法等。上述都是目前常用的風(fēng)險(xiǎn)分析法，但均存在一些不足，這些方法分析結(jié)果受到個人主觀因素影響較大，而且計(jì)算過程復(fù)雜、效率較低。在實(shí)際工程應(yīng)用中，亟待一種快速的、簡單易行的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。曹成勇等[7]在淺埋隧道下穿公路施工風(fēng)險(xiǎn)分析中采用了一種快速有效的方法即功效系數(shù)法。本論述根據(jù)功效系數(shù)法原理分析該隧道下穿施工風(fēng)險(xiǎn)。

功效系數(shù)法通過多項(xiàng)目規(guī)劃對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行滿意值、不允許值的確定，計(jì)算各指標(biāo)滿意值程度，由此確定各指標(biāo)分?jǐn)?shù)，最后加權(quán)平均綜合分析研究對象結(jié)果。這種方法的分析過程如下：

（1）選取代表性指標(biāo)，各指標(biāo)盡量能全面、綜合的反映分析目標(biāo)的情況。

（2）滿意值和不允許值的確定。即各指標(biāo)的的最高和最低水平。

（3）計(jì)算功效系數(shù)值：

di=Xi-Xsi/Xhi-Xsi×40+60

（1）

式中：di為第i個指標(biāo)功效系數(shù)值;Xi為第i個指標(biāo)實(shí)際值;xhi為滿意值;Xsi為不允許值。

（4）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，采用專家評分后的歸一化權(quán)重：

wi=pi/∑

（2）

式中：P1與wi分別為第i個指標(biāo)權(quán)數(shù)和權(quán)重系數(shù)。

（5）分析對象的總功效系數(shù)：

D=∑?（3）

根據(jù)總功效系數(shù)，可對分析對象進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級評估，風(fēng)險(xiǎn)分級見表2所列。

2.3隧道下穿段施工風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)新鼓山隧道現(xiàn)場監(jiān)測和地質(zhì)勘查情況，決定將地表沉降、周邊收斂、地下水、掌子面及支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察等內(nèi)容作為隧道下穿施工的風(fēng)險(xiǎn)評估的主要指標(biāo)。參考文獻(xiàn)通過收集和分析大量實(shí)際工程和規(guī)范資料，得到各指標(biāo)的滿意值與不允許值見表3所列。

其中地下水觀察打分等級為：無水（100）、浸滲（75）、滴漏（50）、涌流（25）、噴射（0）;掌子面觀察打分等級為：很好（100）、好（75）、一般（50）、差（25）、非常差（0）;支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察打分等級為：無裂縫（100）、少量裂縫（75）、開裂（50）、剝落（25）、垮塌（0）。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和觀察結(jié)果分析，地表沉降速率最大為3.75mm/d，周邊最大收斂速率為2.56mm/d，由于變形速率更能體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展趨勢，所有此次采用地表沉降速率和周邊收斂速率作為評價(jià)指標(biāo)。通過現(xiàn)場觀察，地下水觀察為浸滲75分，掌子面觀察為一般50分，支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察為開裂50分。通過現(xiàn)場實(shí)測和觀察結(jié)果，按（2）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表4所列。

將現(xiàn)場監(jiān)測與觀察結(jié)果帶入式（1）計(jì)算各指標(biāo)功效系數(shù)，最后將功效系數(shù)和權(quán)重帶入式（3）得到總功效系數(shù)見表5所列。

根據(jù)上表得到總功效系數(shù)值為78.973，根據(jù)表2風(fēng)險(xiǎn)評估分級標(biāo)準(zhǔn)，該隧道下穿既有公路和管線的施工風(fēng)險(xiǎn)等級為高度，這與設(shè)計(jì)資料巾給的風(fēng)險(xiǎn)等級相吻合，證明了功效系數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)分析的準(zhǔn)確性。

根據(jù)最終風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，該隧道下穿既有公路和管線施工存在高度風(fēng)險(xiǎn)，所以有必要對隧道下穿既有公路和管線的變形機(jī)理、變形規(guī)律以及變形控制方法進(jìn)行展開研究。

2.4交通荷載作用下隧道開挖變形機(jī)理

2.4.1變形影響因素

隧道開挖是對原有地層的一種破壞過程，是打破原有土體平衡的一種形式。這樣原有地層勢必就會作出響應(yīng)來維持這種平衡。在交通荷載作用下，隧道開挖影響地層變形更加復(fù)雜，其主要因素體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）地層損失。隧道周圍的土?xí)λ淼篱_挖造成的土體缺失進(jìn)行彌補(bǔ)，在彌補(bǔ)過程巾便發(fā)生了位移變形。

（2）應(yīng)力釋放。隧道開挖破壞了原有初始應(yīng)力平衡，在隧道周邊地層形成塑性區(qū)。圍巖的應(yīng)力重分布過程會導(dǎo)致地層的變形破壞。

（3）土體再固結(jié)。土體隨著隧道開挖應(yīng)力的釋放，孔隙水壓力消減，有效應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致土體發(fā)生固結(jié)也就是壓縮變形。

（4）交通荷載的作用。公路不同于普通地表，在運(yùn)營公路中會存在不斷的交通荷載作用，交通荷載存在一定的隨機(jī)性和動力特性，會對公路造成不同程度的影響，進(jìn)而造成下部地層變形，同時也會影響隧道施工安全。隧道開挖與交通荷載對路基及地層進(jìn)行作用，都會造成不同程度的影響，兩者最終的結(jié)果都會導(dǎo)致路基和地層的沉降變形，如圖4所示。

2.4.2變形機(jī)理

當(dāng)然地層變形還受諸多因素的影響，比如地質(zhì)條件、隧道埋深、支護(hù)手段等。地層變形會隨著這些因素的不同而發(fā)生變化，從變形的規(guī)律和機(jī)理來看，這種變形影響會產(chǎn)生明顯的空間效應(yīng)，如圖5所示。

從圖5可以看出，地層變形的空間分布和移動是隨著隧道開挖方向發(fā)展的，隧道開挖的影響范圍是從隧道斷面往上部地層擴(kuò)展，越往上影響范圍越大直至地表達(dá)到最大沉降范圍，這種影響具有強(qiáng)烈的擴(kuò)散性。沉降值在開挖斷面拱頂處最大，隨著遠(yuǎn)離開挖斷面，沉降值在空間的縱向和橫向上有減小趨勢，呈現(xiàn)衰減性。從圖5a中地表沉降等值線和b圖中地表沉降發(fā)展云圖可以看出，地表沉降等值線呈“U”形分布，在隧道軸線上沉降值最大，并且等值線隨著隧道開挖方向向前發(fā)展;在橫向上分布上，沉降值由隧道軸線向兩邊減小。

綜合上述分析，在淺埋隧道與上覆公路立體相交的工程中，隧道下穿既有公路的變形影響因素有必要考慮交通荷載的影響。公路不能中斷運(yùn)營，車輛來往行駛的交通荷載必然會對公路沉降變形產(chǎn)生影響，嚴(yán)重則可能導(dǎo)致下方隧道坍塌，威脅隧道施工安全。因此有必要進(jìn)行交通荷載對隧道下穿公路的影響進(jìn)行分析，進(jìn)而對其進(jìn)行變形控制的研究、優(yōu)化施工方案。

3結(jié)論

本論述主要通過現(xiàn)場調(diào)查、查閱勘察設(shè)計(jì)資料和理論分析的方法，對該隧道下穿施工工程概況、風(fēng)險(xiǎn)評估、變形機(jī)理進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）該隧道在進(jìn)口段里程DK5+170-310同時下穿高速公路和兩處市政管線，周圍環(huán)境條件復(fù)雜，實(shí)際施工需慎重對待。

（2）通過功效系數(shù)法對該隧道下穿既有公路和管線工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，得到總功效系數(shù)值為78.973，為可能發(fā)生后果嚴(yán)重的高度風(fēng)險(xiǎn)，與設(shè)計(jì)說明資料相吻合，有必須要對隧道下穿既有公路和管線變形控制進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（3）通過對隧道下穿施工變形機(jī)理理論分析，得到在隧道下穿既有公路研究中，運(yùn)營中交通荷載影響系數(shù)較高。隧道開挖和交通荷載對地層是一個共同作用的過程，都會引起地層及公路路基的沉降變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]高丙麗，任建喜.地鐵施工鄰近管線安全風(fēng)險(xiǎn)評估研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（3）：118-123.

[2]王雨，陳文化，崔江余，等.地鐵施工擾動下柔性管線安全評價(jià)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（1）：83-89.

[3]郭銀波.淺埋隧道下穿錢塘江輸水渠加同和保護(hù)技術(shù)[J].鐵道建筑，2017（6）：85-88.

[4]郭艷芳，王學(xué)民，楊鵬志，等.地鐵暗挖隧道下穿既有電力隧道施工過程位移響應(yīng)[J].公路工程，2017，42（4）：91-94，101.

[5]管曉明，余志偉，宋景東，等.隧道超小凈距下穿深埋供水管線爆破監(jiān)測及減振技術(shù)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017（s2）：160-166.

[6]中華人民共和圍鐵道部.鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定：鐵建設(shè)[2007]200號[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[7]曹成勇，施成華，彭立敏，等.淺埋大跨下穿高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估及控制措施研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016. 13（7）： 1439-1446.

收稿日期：2020-06-16

作者簡介：王正明（1972-），男，漢族，安徽寧國人，大學(xué)本科，工程師，主要從事工程施工和項(xiàng)目建設(shè)管理方面的工作。