下穿建筑物隧道施工風(fēng)險評估方法＊

陳潔金，陽軍生，張永杰，張學(xué)民

(1．長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院巖隧系，湖南長沙410004;2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

城市隧道的開挖將引起周圍巖土體的擾動，特別當(dāng)隧道埋深較淺時，這一擾動將波及地表，引起地表的沉陷和不均勻沉降，從而引起附近建筑物和地下設(shè)施的損壞，造成巨大損失的同時，會造成惡劣的社會影響。由于破壞機理復(fù)雜，從目前的研究水平看，還不可能進行精確評價，所以，在下穿鄰近建(構(gòu))筑物過程中，存在諸多的不確定性，施工風(fēng)險不容忽視。一條城市隧道肯定會穿過眾多建筑物和地下管線，施工過程中，對每個建筑物和管線的影響會不同，產(chǎn)生的風(fēng)險也不一樣，那怎樣快捷的篩選出風(fēng)險等級高的建筑物和管線，加以重點監(jiān)控和保護，就顯得非常重要［1］。從目前的評估方法看，專家調(diào)查法、頭腦風(fēng)暴法、風(fēng)險矩陣法等得到的都是定性的結(jié)果，而蒙特卡洛法、概率評估方法等，缺乏評估需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且工作量大。針對可行性研究和初步勘察階段，需要一個簡潔、參數(shù)的物理意義明確、評定結(jié)果可靠的實用定量模型［2］。風(fēng)險綜合指數(shù)模型以風(fēng)險分級系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對危險源以及其他風(fēng)險參數(shù)進行分析，并按照一定的原則對其賦予適當(dāng)?shù)闹笖?shù)(或點數(shù))，然后通過數(shù)學(xué)方法綜合起來，得到一個子系統(tǒng)或系統(tǒng)的指數(shù)(或點數(shù))，從而快速簡單地估算相對風(fēng)險等級［3］，風(fēng)險綜合指數(shù)評價模型適用于確定可能發(fā)生事故的相對危險性，并根據(jù)結(jié)果比較不同方案。

1 風(fēng)險綜合指數(shù)模型的建立

在城市隧道施工過程中，對鄰近建筑物和管線影響的安全風(fēng)險評價中，造成事故的原因主要分為三大類:隧道原因、地層原因和既有設(shè)施自身的原因。從災(zāi)害風(fēng)險學(xué)的角度考慮，將隧道因素與地層因素共同組成危險性指數(shù)F1，設(shè)施等自身因素決定了承災(zāi)體的易損性指數(shù)F2。危險性指數(shù)是指一定的時間段內(nèi)，在給定的區(qū)域內(nèi)，致災(zāi)因子以一定的強度發(fā)生的可能性。易損性指數(shù)是指給定的致災(zāi)因子強度而導(dǎo)致承災(zāi)體破壞程度。首先通過對致災(zāi)機理的分析與研究，可以得到城市隧道施工對鄰近建筑物影響的各個致災(zāi)因子，然后，對致災(zāi)因子進行分級，以確定它們的相對重要性。根據(jù)Watts的基本原理與步驟，綜合風(fēng)險指數(shù)評估模型按照以下6 步進行構(gòu)建［4－5］:

(1)分析城市隧道施工造成地表沉降的各個影響因素，這些因素也被稱為參數(shù)、元素、變量等，它們構(gòu)成了隧道施工對鄰近建筑物安全影響的屬性因素(致災(zāi)因子)且需要進行描述和評價的各個因素。

(2)根據(jù)上述分析將引起地表沉降的各個因素分為危險性指數(shù)和易損性指數(shù)。結(jié)合相關(guān)規(guī)范和實例，依據(jù)定量分析和經(jīng)驗分別給定量指數(shù)和經(jīng)驗指數(shù)的屬性因素賦予權(quán)重和分值。

(3)分析隧道施工的過程中的施工工藝和施工水平，定為工藝影響系數(shù)，確實建筑物與管線本身重要性的影響系數(shù)和破壞系數(shù)，參考已有的研究成果，確定各個系數(shù)等級。

(4)確定風(fēng)險事件的風(fēng)險指數(shù)。

(5)給出安全補償系數(shù)，對基礎(chǔ)指數(shù)進行修正。

(6)確定綜合風(fēng)險指數(shù)，并對其進行風(fēng)險分級。

風(fēng)險綜合指數(shù)法評估模型如圖1所示。

2 隧道施工危險性指數(shù)F1

2．1 隧道施工危險性指數(shù)F1各因素的選取

通過對大量的實測結(jié)果和施工經(jīng)驗已表明，隧道施工危險性指數(shù)F1的主要因素有地層條件、隧道直徑、隧道埋深、施工方法、斷面形狀、施工技術(shù)水平、工期影響等。其中，地層條件、隧道斷面直徑、埋深和施工方法對引起地層移動的影響最大，施工技術(shù)水平和工期影響難以定量化、作為主觀評價指標(biāo)，本文將其列入工藝影響系數(shù)。

圖1 風(fēng)險指數(shù)法評估基本模型Fig．1 Basic model of a risk index assessment

2．2 正交試驗法確定危險性指數(shù)的評價指標(biāo)權(quán)重

利用正交層次分析法結(jié)合數(shù)值模擬對隧道直徑、埋深、圍巖級別和施工方法4個危險度因子進行敏感性分析，數(shù)值模擬結(jié)果以天然地面沉降槽的最大沉降值為評價指標(biāo)，根據(jù)因子對評價指標(biāo)的重要程度來確定各個因素的權(quán)重。依照綜合風(fēng)險指數(shù)評估方法中對各指數(shù)及其屬性的描述，最終確定試驗為4因素3水平，故選用L9(34)正交表。因素水平表如表1所示，試驗方案如表2所示。

表1 因素水平Table 1 Factor level

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test program

根據(jù)正交試驗方案，共需進行9次數(shù)值計算，現(xiàn)以5號試驗為例描述數(shù)值計算的過程。

根據(jù)試驗結(jié)果，計算各個參數(shù)，具體如表3所示。

表3 正交試驗層次分析結(jié)果Table 3 Orthogonal test level results

通過計算因素對實驗的影響權(quán)重矩陣C為:

因此，可以得出隧道直徑、埋深、圍巖級別和施工方法對地表沉降影響的權(quán)重分別為0．19，0．14，0．45 和 0．22。

2．3 隧道危險性指數(shù)F1各因素權(quán)重和分值

一般根據(jù)計算權(quán)數(shù)時原始數(shù)據(jù)的來源不同，大致分為3類［6－7］，在這里采用數(shù)值計算和專家調(diào)查法相結(jié)合的綜合賦值法，具體賦值過程如下:

式中:A表示綜合權(quán)重;Ak表示由數(shù)值計算法得到的客觀權(quán)重;Az表示由專家調(diào)查法得到的主觀權(quán)重;k1和k2分別是客觀權(quán)重和主觀權(quán)重的權(quán)重，由專家現(xiàn)場根據(jù)實際情況確定。

從影響因素敏感性分析結(jié)果中可以看出，它們在地層移動和變形過程中表現(xiàn)出明顯的非線性特征，例如當(dāng)隧道埋深小于1．5倍隧道直徑D時，曲線的斜率非常大，說明對地表沉降很敏感;而大于4倍隧道直徑D時，曲線的斜率區(qū)域平緩，說明這是隧道埋深對地表沉降的影響已不明顯?？紤]因素的非線性特征，具體劃分見表4。

2．4 工藝影響系數(shù)S1

工藝影響系數(shù)S1是表示施工技術(shù)水平和工期等影響因素對隧道危險性指數(shù)的影響程度。在危險性指數(shù)中沒有考慮施工技術(shù)水平和工期等關(guān)鍵因素，在這里用工藝影響系數(shù)對危險性指數(shù)進行調(diào)整，使評價更合理。具體取值見表5。

表4 影響因素的權(quán)重及賦值Table 4 Factors weight and assignment

表5 工藝影響系數(shù)Table 5 Processes influence coefficient

2．5 危險度分級

危險度是指一定的時間段內(nèi)，在給定的區(qū)域內(nèi)，致災(zāi)因子以一定的強度發(fā)生的可能性。根據(jù)隧道危險性指數(shù)和工藝影響系數(shù)可以得到一個具體的數(shù)值F1S1，這個數(shù)值越大，說明危險度越大，參考《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》［8］的評價標(biāo)準(zhǔn)，可以將危險度劃分成5個等級，具體劃分見表6。

表6 危險度等級Table 6 Hazard level

3 既有設(shè)施易損性指數(shù)F2的確定

城市中的既有設(shè)施主要包括建筑物、橋梁、隧道、道路、地面及地下鐵路、道路路面、水道、防洪工程、地面及地下設(shè)施、以及所有由于工程施工而受到影響的建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施。易損性指數(shù)是指給定的致災(zāi)因子強度而導(dǎo)致承災(zāi)體破壞的程度大小。不同設(shè)施的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型、所在持力層條件、完損程度的因素不同，其抵抗破壞的能力不同。本文選取橋梁、建筑物和地下管線3種常見設(shè)施進行易損性分析。

3．1 橋梁易損性指數(shù)

橋梁易損性指數(shù)主要反映待評橋梁對因隧道開挖而造成的附加影響的反應(yīng)敏感程度及承受能力。本文著重考慮隧道開挖對橋梁既有狀態(tài)產(chǎn)生影響。最終選取橋梁上部結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)所在持力層地層抗變形能力、完損現(xiàn)狀等因素進行易損性評分，然后，綜合得到易損性指數(shù)，如表7所示。

3．2 建筑物易損性指數(shù)

各種不同類型的建筑物，因其基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)不同而抵抗地面變形的能力各異。從建筑物抵抗地面變形的能力來看，建筑物的剛度起著關(guān)鍵性的作用。本文對建筑物易損性指數(shù)中各因素的確定、權(quán)重及其分值主要依靠專家調(diào)查法確定。最終選取上部結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型、幾何特性、完損現(xiàn)狀和基礎(chǔ)所在持力層抗變形能力等因素進行易損性評分，然后綜合得到易損性指數(shù)，如表8所示。

3．3 地下管線易損性指數(shù)

地下管線可分為剛性管線和柔性管線。通常，管道在土體移動不大時可正常使用，土體移動幅度超過一定限度時則將發(fā)生斷裂破壞。最終選取管材、接口類型、管徑、相對位置、埋深、投入使用的年限等因素進行易損性評分，然后，綜合得到易損性指數(shù)，如表9所示。

表7 橋梁易損性指數(shù)F2各因素的權(quán)重及賦值［9－10］Table 7 Bridges vulnerability index F2weights and assignment

表8 建筑物易損性指數(shù)F2各因素的權(quán)重及賦值［11］Table 8 Building vulnerability index F2weights and assignment

注:L1和L2為建筑物的長和寬;D為隧道的直徑。

3．4 位置系數(shù)和重要度影響系數(shù)

既有設(shè)施與隧道的位置關(guān)系影響系數(shù)S2表示設(shè)施與隧道結(jié)構(gòu)之間的水平距離對設(shè)施易損性的重要性系數(shù)。重要度影響系數(shù)S3表示既有設(shè)施在歷史意義、社會功能和藝術(shù)價值等方面的重要性程度。它們的影響系數(shù)賦值分別見表10和表11。

3．5 既有設(shè)施易損性分級

根據(jù)既有設(shè)施的易損性指數(shù)、位置系數(shù)和重要度系數(shù)可以得到一個具體的數(shù)值F2S2S3，這個數(shù)值越大，說明設(shè)施的破壞程度越大，將易損性劃分成5個等級，具體劃分見表12。

4 安全補償系數(shù)Sk

安全補償系數(shù)Sk，影響系數(shù)賦值見表13。

5 綜合指數(shù)的確定及風(fēng)險分級

參考危險指數(shù)安全評價法中的DOW化學(xué)公司的計算方法，風(fēng)險指數(shù)就按照式(2)進行計算。而橋梁易損性指數(shù)和建筑物易損性指數(shù)要通過位置系數(shù)S2和重要度系數(shù)S3進行修正，橋梁和建筑物風(fēng)險指數(shù)按照式(3)進行計算。

表9 管線指數(shù)賦值［12］Table 9 Pipeline index assignment

表10 影響系數(shù)S2賦值Table 10 Influence coefficient S2assignment

表11 影響系數(shù)S3賦值Table 11 Affect the coefficient S3assignment

表12 易損性等級劃分Table 12 Vulnerability classification

表13 影響系數(shù)Sk賦值Table 13 The coefficient Skassignment

根據(jù)危險指數(shù)和易損性指數(shù)可以按照文獻［9］判別風(fēng)險等級級別。對建筑物采取保護措施之后或?qū)λ淼绹鷰r進行加固之后，對風(fēng)險指數(shù)進行第2次修正，在此基礎(chǔ)上乘以安全補償系數(shù)Sk，得到處理后的風(fēng)險綜合指數(shù)TS。

根據(jù)以上分析計算，得到地下開挖工程的風(fēng)險分級如表14所示，表中安全等級定為4級，可滿足隧道工程開挖引起的環(huán)境風(fēng)險評估。

表14 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)Table 14 Risk Level standard

表15 隧道施工風(fēng)險分級Table 15 Tunnel construction risk classification

6 金沙洲隧道下穿廣佛立交風(fēng)險評估

金沙洲隧道為武廣客運專線重點控制工程，為穿越城區(qū)復(fù)雜條件下的客運專線隧道［13］。該隧道內(nèi)輪廓采用單洞雙線斷面，隧道有效內(nèi)凈空面積為100 m2，暗洞開挖面積超過150 m2。隧道穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜、包括軟土和巖溶等不良地質(zhì)條件;隧道大部分地段埋深較淺，下穿廣佛立交、廣州西環(huán)高速公路和建設(shè)大道。隧道下穿建設(shè)大道的DK2196+220～255段，該區(qū)間段土層管線與隧道走向近乎垂直，埋深為1～3 m，管線多而密集，且材質(zhì)、管徑、保護要求等又不盡相同。具體見表16。

表16 管線調(diào)查表Table 16 Pipeline questionnaire

經(jīng)計算得老橋的綜合指數(shù)TS=61．6，根據(jù)表14，金沙洲隧道穿越廣佛立交老橋風(fēng)險等級為極高;B匝道的綜合指數(shù)TS=52．3，根據(jù)表14，金沙洲隧道穿越廣佛立交B匝道風(fēng)險等級為高度。下穿建設(shè)大道地下管線風(fēng)險評估數(shù)值與等級劃分見表17。

根據(jù)GB50007—2002(《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》)規(guī)定要求，即:簡支梁橋墩臺基礎(chǔ)中心最終沉降計算值不應(yīng)大于200 mm，相鄰墩臺最終沉降差不應(yīng)大于50 mm。下面是距離隧道最近的3個墩的沉降曲線，其中6號墩最大沉降平均值達450 mm，5號墩和7號墩的沉降量平均值達200 mm相鄰墩臺之間的沉降差達250 mm，都遠遠超過規(guī)范允許值?？梢娝淼朗┕し桨傅恼{(diào)整和橋梁地基的加固后，建設(shè)大道地面最終沉降量最大100 mm。安全風(fēng)險仍然很高，安全補償系數(shù)有待進一步細化。

表17 建設(shè)大道管線風(fēng)險等級Table 17 Jianshe Avenue pipeline risk level

7 結(jié)論

(1)利用正交層次分析法結(jié)合數(shù)值模擬對隧道直徑、隧道埋深、圍巖級別和施工方法4個危險度因子進行敏感性分析，根據(jù)因子對評價指標(biāo)的重要程度來確定各個因素的權(quán)重，對隧道施工危險度的評價基本符合隧道施工對地層影響的一般規(guī)律。

(2)對既有設(shè)施的破壞形式進行了分析，歸納和總結(jié)了相應(yīng)的易損性影響因子，并建立了相應(yīng)的易損性評估模型?？梢钥焖?、方便地對既有設(shè)施進行風(fēng)險等級的劃分。

(3)影響系數(shù)和安全修正系數(shù)有待進一步細化，模型中的指數(shù)評估有待進一步完善。

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