公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性

尹 鑰

(太原市城市建設(shè)管理中心，山西 太原 030000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路交通事業(yè)的快速發(fā)展，以及高速公路覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，公路與鐵路立體交叉、相互穿越的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這不僅會(huì)讓施工企業(yè)面對(duì)愈加復(fù)雜的施工作業(yè)條件，同時(shí)還對(duì)施工質(zhì)量、施工周期以及施工安全性等提出了更高要求[1]。怎樣在保證工程建設(shè)質(zhì)量與性能的前提下，使二者交叉的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，就成為目前相關(guān)施工企業(yè)需要重點(diǎn)探討的問題。

1 公路工程下穿既有鐵路隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 工程概況

某高速公路主線采取四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)路基寬度為24.5 m，速度為80 km/h，隧道凈寬為10.25 m。而既有鐵路隧道從該公路隧道下方穿過。相關(guān)施工企業(yè)就鐵路線路段進(jìn)行線位擬合，并綜合地形、地質(zhì)條件等因素，經(jīng)過對(duì)眾多方案的精選優(yōu)選，初步確定公路隧道工程與鐵路隧道高程的凈間距為27 m，且鐵路隧道軸線與公路隧道軸線之間的夾角應(yīng)控制在12°。

1.2 公路隧道工程下穿鐵路隧道工程施工時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素

1.2.1在路線工程實(shí)施階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因素

公路工程的線形設(shè)計(jì)通常要確保路線線形舒適、連貫、順暢，并且沒有急轉(zhuǎn)彎以及長(zhǎng)大縱坡。這可以在很大程度上避免發(fā)生因線形不適而導(dǎo)致的交通事故。但是在公路工程建設(shè)中，如果下穿既有鐵路隧道，公路工程線形走向則會(huì)受到以下幾點(diǎn)因素干擾：

1)路線加固。公路與鐵路立體交叉隧道施工，必須要保證既有鐵路線路的穩(wěn)固性，這是確保公路工程安全運(yùn)營(yíng)的必要前提。如果路線加固不到位，就很可能會(huì)在設(shè)置鐵路框架橋后，影響到既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)及列車的運(yùn)營(yíng)速度；

2)高程控制?？蚣軜虻脑O(shè)置是公路與鐵路立體交叉隧道施工中較為關(guān)鍵的一環(huán)，框架橋的高程控制對(duì)下穿鐵路框架橋的科學(xué)性有著重要影響。如果高程偏差過大，既會(huì)影響到道路的豎向線形，同時(shí)又會(huì)大大增加工程的后續(xù)投資。除此之外，高程偏差過大也會(huì)給既有鐵路工程的安全性造成影響[2]。

1.2.2在施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素

在施工過程中，如果沒有采取科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆雷o(hù)措施或者防護(hù)工作不到位，都會(huì)增加發(fā)生車輛傷害事故或者坍塌事故的概率。其中，公路與鐵路立體交叉隧道施工過程中主要存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

1)頂進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行頂進(jìn)施工作業(yè)時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，并對(duì)既有工程的受力狀態(tài)進(jìn)行改變，一旦地層位移或者變形超出限定范圍后，就會(huì)直接威脅到運(yùn)營(yíng)線上列車運(yùn)行的安全[3]；

2)管理風(fēng)險(xiǎn)。由于公路與鐵路立體交叉隧道施工更為復(fù)雜，對(duì)于項(xiàng)目管理也有著更為嚴(yán)苛的要求。一旦管理不到位，不僅會(huì)影響到工程施工進(jìn)度，同時(shí)還會(huì)因?yàn)槭┕すに嚺c機(jī)械設(shè)備等不達(dá)標(biāo)而影響到施工質(zhì)量，進(jìn)而危害到車輛的安全通行。

2 分析公路與鐵路立體交叉隧道施工的安全性

2.1 爆破施工振動(dòng)影響分析

爆破是公路與鐵路立體交叉隧道施工中較為關(guān)鍵的工序。相關(guān)施工企業(yè)在爆破前，需要根據(jù)《爆破安全規(guī)程》的相關(guān)流程，明確該工程爆破振動(dòng)安全允許距離，必要時(shí)還需采取一定的減震技術(shù)措施，來(lái)減小對(duì)既有鐵路隧道的影響[4]。具體來(lái)說(shuō)，要按照以下公式進(jìn)行計(jì)算，來(lái)得到爆破振動(dòng)安全允許距離：

其中，R為爆破振動(dòng)安全允許距離,m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，而延時(shí)爆破為最大一段藥量,kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度,cm/s；K，α分別為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)以及衰減指數(shù)，既可以按表選取，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定。

在《爆破安全規(guī)程》中明確規(guī)定，受保護(hù)對(duì)象為“交通隧道”的振速要求為15 cm/s，而本次工程施工實(shí)際所需安全振動(dòng)速度基本確定為12 cm/s。在經(jīng)過上述公式計(jì)算得出，本路段與鐵路隧道交叉的公路隧道之間的凈距離要超過爆破振動(dòng)安全距離。換句話說(shuō)，此次施工爆破對(duì)既有鐵路隧道的影響很小。

2.2 三維數(shù)值模擬仿真

為確保公路與鐵路立體交叉隧道施工的安全性以及科學(xué)性，明確施工對(duì)既有鐵路隧道受力以及變形影響，同時(shí)對(duì)鐵路隧道結(jié)構(gòu)及其圍巖應(yīng)力場(chǎng)受影響程度及范圍大小等進(jìn)行確定，相關(guān)企業(yè)可以利用先進(jìn)技術(shù)，使用有限元數(shù)值分析軟件來(lái)對(duì)該工程施工進(jìn)行三維數(shù)字模擬分析。

隧道橫向方向，以公路隧道兩側(cè)設(shè)線之間的中點(diǎn)作為起點(diǎn)，分別向兩側(cè)橫向選取60 m，總寬度為120 m；然后根據(jù)實(shí)際下穿狀況選取隧道縱向150 m范圍作為計(jì)算區(qū)域；之后選取鐵路隧道襯砌底部標(biāo)高以下26 m為底。由于該工程隧道穿越山體坡面較緩，并且沒有明顯的橫向變化，所以可以以線性漸變斜面等效模擬山體地表，隧道拱頂土體厚度由淺端的17.8 m過渡到深端的67.8 m。確定計(jì)算模型后，就要按照以下順序進(jìn)行計(jì)算，第一步，計(jì)算自重作用下圍巖應(yīng)力場(chǎng)以及初始位移；第二步，計(jì)算鐵路隧道開挖支護(hù)工況；第三步，計(jì)算公路隧道開挖支護(hù)工況。在計(jì)算結(jié)束后可以得到相應(yīng)的沉降云圖以及圍巖應(yīng)力云圖[5]。通過沉降云圖可以得知，下方鐵路隧道側(cè)墻以及底部襯砌采取的直墻形斷面形式，在開挖時(shí)對(duì)周邊土體的擾動(dòng)要遠(yuǎn)比曲墻形對(duì)周邊土體擾動(dòng)大得多。同時(shí)這種斷面形式很容易在角部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而威脅到隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)固性。而從圍巖應(yīng)力云圖可以得知，僅隧道開挖輪廓外約一倍的洞徑區(qū)域的圍巖應(yīng)力極易受擾動(dòng)影響，而除這一區(qū)域外的位置，土體位移變化量?jī)H有隧道開挖面處的1/10倍～1/5倍，影響十分微小，恰好處在可控范圍內(nèi)。

3 當(dāng)前影響公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性的因素

公路與鐵路立體交叉隧道施工復(fù)雜多變，危險(xiǎn)源以及不確定性因素較多，相關(guān)企業(yè)及施工技術(shù)人員很難準(zhǔn)確辨識(shí)和排除施工中所有的安全影響因素。目前，主要影響公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性的因素有以下幾點(diǎn)[6]：1)環(huán)境因素。公路與鐵路立體交叉隧道施工對(duì)于工程所處環(huán)境要求較高。不良的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境雖然并不會(huì)直接導(dǎo)致安全事故的頻繁發(fā)生，但是它卻是安全事故發(fā)生的一個(gè)不容忽視的潛在因素。其中，影響公路與鐵路立體交叉隧道施工安全的不良環(huán)境因素主要包括不良的水文地質(zhì)條件、作業(yè)天氣、夜間施工環(huán)境以及既有鐵路本身抗變形能力較差等。對(duì)此，施工技術(shù)人員可以結(jié)合實(shí)際情況，采取相應(yīng)的加固措施來(lái)予以應(yīng)對(duì)；2)人為因素?，F(xiàn)如今，高素質(zhì)應(yīng)用型人才短缺是整個(gè)行業(yè)都要面對(duì)的問題。而人又是工程施工建設(shè)的主要參與者與實(shí)施者，因此，施工作業(yè)人員某些不安全行為就成為引起安全事故的主要原因。再加上某些人員安全意識(shí)淡薄、對(duì)待安全教育態(tài)度敷衍了事、安全護(hù)具佩戴不正確等，都會(huì)對(duì)整個(gè)工程的安全性造成極大影響；3)組織管理因素。在公路與鐵路立體交叉隧道施工過程中，能否順利達(dá)成安全目標(biāo)，關(guān)鍵取決于工程的組織與管理。很多因人為因素、環(huán)境因素等引起的安全事故，正是由于安全管理的缺失或不到位導(dǎo)致的。而目前很多企業(yè)尚未確立完善的安全管理制度，現(xiàn)場(chǎng)安全管理不夠全面、徹底，有的企業(yè)甚至沒有組建相應(yīng)的安全生產(chǎn)管理部門，整個(gè)安全組織管理工作流于形式，難以確保工程各方面的安全有序。

4 有效控制公路與鐵路立體交叉隧道施工安全的措施

針對(duì)公路與鐵路立體交叉隧道施工中存在的安全影響因素，相關(guān)企業(yè)可以采取以下措施進(jìn)行防范：1)從環(huán)境因素層面來(lái)看。在施工準(zhǔn)備階段，施工企業(yè)就需要通過收集整理現(xiàn)場(chǎng)歷年天氣資料，提前做好防范惡劣天氣的準(zhǔn)備，并制定可行的應(yīng)急方案以及安全控制措施，確保施工技術(shù)人員在施工中遭遇變異性較大的水文地質(zhì)環(huán)境或者泥石流、洪水等自然災(zāi)害時(shí)，可以及時(shí)采取有效應(yīng)對(duì)措施。做好施工現(xiàn)場(chǎng)的照明工作。公路與鐵路立體交叉隧道施工的危險(xiǎn)性相對(duì)較高，要求施工企業(yè)不管是在夜間還是昏暗條件下，都需要做好現(xiàn)場(chǎng)的照明工作，在保障人員安全的同時(shí)，提高施工效率與質(zhì)量。在一些危險(xiǎn)的活動(dòng)區(qū)域或者設(shè)備上做好鮮明標(biāo)記，比如涂紅色顏料等，確保施工現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備安全；2)從人為因素層面來(lái)看，加強(qiáng)對(duì)施工人員的安全意識(shí)培訓(xùn)，包括專家講座、安全意識(shí)教育等，使其明確安全生產(chǎn)對(duì)整個(gè)工程的重要性。幫助施工人員樹立起正確的安全意識(shí)以及責(zé)任意識(shí)，定期或不定期的組織員工參加專業(yè)技能培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)水平以及專業(yè)素養(yǎng)，在實(shí)際施工過程中可以自覺遵守相關(guān)管理制度以及要求，主動(dòng)配合安全管理措施的執(zhí)行[7]；3)從組織管理層面來(lái)看，在施工中，應(yīng)嚴(yán)格貫徹落實(shí)國(guó)家與政府制定的施工標(biāo)準(zhǔn)與要求，遵循相關(guān)法律法規(guī)，協(xié)調(diào)好各部門之間的關(guān)系，各管理層之間也需要加強(qiáng)相互監(jiān)督，在提高管理質(zhì)量的前提下，保證工程整體的施工安全。切實(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)安全控制管理水平，企業(yè)要提高對(duì)整個(gè)工程施工安全的控制，組織邀請(qǐng)專業(yè)的監(jiān)督管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展實(shí)時(shí)監(jiān)督與管理工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除公路與鐵路立體交叉隧道施工中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)因素。糾正現(xiàn)場(chǎng)施工人員的某些不安全行為，加強(qiáng)制度建設(shè)與優(yōu)化，實(shí)行科學(xué)的責(zé)任制度，將安全控制目標(biāo)細(xì)化，并落實(shí)到個(gè)人，最大限度的維護(hù)公路與鐵路立體交叉隧道施工的安全性以及嚴(yán)謹(jǐn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)公路、鐵路建設(shè)正處在高速發(fā)展階段，且新建高速公路有時(shí)會(huì)不可避免的與既有鐵路隧道發(fā)生交叉，并極大增加了施工的難度與工程量。對(duì)此，為確保公路與鐵路立體交叉隧道施工的安全性，相關(guān)企業(yè)可以通過爆破施工振動(dòng)影響分析、三維數(shù)值模擬仿真，再配合具體的安全控制措施，來(lái)確保公路隧道施工對(duì)鐵路隧道的影響降到最低，并為今后的公路鐵路立體交叉隧道施工提供參考。

參考文獻(xiàn):

[1] 韓 旭.鐵路隧道淺埋下穿高速公路施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)開發(fā),2016,43(5):109.

[2] 安麗麗.新建公路工程下穿既有鐵路工程的危害分析及安全建議[J].黑龍江科學(xué),2014,5(5):57.

[3] 蔣賢勇.鐵路立體交叉隧道施工與地震動(dòng)力影響分區(qū)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2013.

[4] 袁良遠(yuǎn),唐春海,朱加雄,等.高速公路隧道下穿既有鐵路隧道控制爆破技術(shù)[J].工程爆破,2016,22(1):64-67.

[5] 徐慧芬,鄭少華,馬 超.公路與鐵路立體交叉隧道施工安全性分析[J].公路,2017,62(10):299-302.

[6] 陸莎莎.高速公路下穿既有鐵路工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2013.

[7] 沈興付.城市道路下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路施工關(guān)鍵技術(shù)及安全控制研究[J].低碳世界,2016(4):157-158.