淺埋暗挖隧道穿越既有橋梁風險評估方法研究

盧春林

(中鐵隧道集團杭州公司，浙江 杭州 310000)

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淺埋暗挖隧道穿越既有橋梁風險評估方法研究

盧春林

(中鐵隧道集團杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:隧道工程建設規模大，施工期間的不確定因素多，工程中災害事故會造成嚴重的財產損失和社會影響，風險管理理念越來越多的應用于隧道工程建設中。由于事故統計數據的有限性以及工程自身的差異性，事故真實概率難以獲取，導致當前定量風險評估方法可操作性較差，通過對Kent法思想進行優化改進，構建改進Kent法隧道穿越橋梁施工風險評估模型，并提出“施工風險綜合指數CRCI”的概念，用其表征隧道穿越既有橋梁施工風險水平，對實現隧道穿越橋梁施工風險評估的多元考慮具有重要意義。以杭州紫之隧道沿山河段穿越橋梁施工為實例，運用改進Kent法模型對其施工風險水平進行評估，評估結果顯示其風險水平為2級。數值模擬及現場監測結果均顯示樁基變形穩定，無異常變形，隧道穿越橋梁施工過程中橋梁安全狀況良好，施工風險水平較低，與風險評估結果相吻合，驗證了運用改進Kent法模型對隧道穿越橋梁施工風險進行評估的可行性與可靠性。

關鍵詞：隧道工程；淺埋暗挖；下穿橋梁施工；風險評估；施工風險綜合指數

隧道工程所具有的投資額度大、施工工期長、施工技術復雜、周邊環境不確定性因素多等特點，使其成為一項高風險工程。在城市交通建設過程中，淺埋暗挖隧道施工的情況越來越普遍。隨著城市建設不斷加快，地上結構物越來越多，隧道施工難以避免地要穿越既有橋梁。隧道下穿既有橋梁施工，地層原有的平衡狀態被打破，產生地層位移，若地層位移過大，將影響橋梁的安全使用，甚至造成橋梁垮塌，威脅人民生命及財產安全[1-3]。如果在施工前能夠準確預測或者在施工中能夠準確評估橋梁的安全風險狀況，并找出影響橋梁變形的關鍵因素，就能采取針對性措施來保證其安全。因此，對隧道施工穿越既有橋梁安全風險評估進行研究具有很大的理論意義和工程價值。近年來，風險管理在隧道工程實踐中得到了越來越多的應用，并取得了一定的經濟效益和研究成果。然而在實際應用中發現：由于隧道工程項目的風險因素、影響范圍、風險發生機理錯綜復雜，用概率方法研究隧道工程風險問題時，很難判斷一個人為的概率分布假設是否合適，而且經常會遇到小樣本問題，要想獲得事故發生概率的精確關系是一項困難的工作[4-6]。Kent[7]在管道運行風險評估中應用了指數法(本文將該方法稱為Kent法)，他認為管道事故是無法精確預測的，風險評估不需要按照概率理論進行精確計算，主要原因是精確計算所需樣本量不夠，并且計算過程中使用了大量的假設條件，導致評估結果的不準確性和不可靠信。Kent法在風險打分方法上越過了定量評估中的實際概率打分，且Kent法中的指數包含了概率的因素，又不拘泥于確切的概率，具有比較好的說服力。本文借鑒Kent法的思想，對Kent法中的指數及其評估模型進行改進，使之適用于隧道工程災害事故的風險評估，并以杭州某隧道穿越既有橋梁為實例進行評估，為日后類似工程風險的定量評估提供參考。

1基于改進Kent法的隧道穿越既有橋梁風險評估

1.1Kent法的改進

Kent法沒有回避主觀因素在風險評估中的重要作用，并且通過采取一系列可行措施降低主觀因素帶來的不利影響，這種思想值得借鑒到隧道工程的風險評估中[8]。

然而Kent法也有其局限性，肯特指數法在風險分析過程中假定因素之間是獨立不相關或者相關性很小不予考慮的，當分析對象不同時這種獨立性假設可能會有不成立的情況存在[9]。并且管道風險相對來說比較簡單，比如就管道風險事故來說，根本上就是管道的破裂，而對于其他領域的風險，比如隧道工程施工中常見的風險事故就有坍塌、地表沉降過大等，而且這些事故之間具有很大的相關性，完全套用Kent法進行評估難以達到控制施工安全的作用，Kent法者要應用于隧道工程安全風險評估中，必須進行改進。

下面針對肯特指數法在隧道工程風險評估中應用提出幾點基本想法：一是在確定權重和因子取值的時候，應充分利用現有的研究成果及方法；二是建立適合于隧道工程安全的風險評估模型，在Kent法中指數和相當于風險發生概率程度，其求取方法就是各指數之和，在隧道工程施工中，由于地質、設計、施工錯綜復雜的交叉影響關系，利用簡單的指數之和的計算難以體現評估的效果。

1.2改進Kent法風險評估模型的構建

通過對隧道穿越既有橋梁施工致災機理的分析與研究，可知造成事故的風險因子主要有3個：隧道、地層和鄰近結構物自身(橋梁)。為使隧道穿越既有橋梁施工風險評估最終有一個量化的綜合評估結果，對施工風險給出定量具體的描述，能使人們真切實在地把握其風險水平，本文借鑒Kent法思想，并對其優化改進，規避其缺陷，提出了“施工風險綜合指數CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用CRCI來表征隧道穿越既有橋梁施工風險水平。

CRCI=0.01λsCBRI=

(1)

改進Kent法按照以下4個步驟對淺埋暗挖隧道施工穿越既有橋梁風險進行評估(圖1)：

1)依據相關規范，運用定量分析(數值計算)和定性分析(經驗調查)等方法給隧道指數δ1，地層指數δ2和鄰近結構物指數δ3賦值。

2)分析隧道施工過程中的施工技術水平、監控水平和工期要求，確定工藝影響系數λt；根據現場實際情況，確定鄰近結構物重要性系數λc及位置系數λp。

3)計算得出施工風險基礎指數CRBI。

4)根據現場采用的變形控制措施，給出安全補償系數λs，對施工風險基礎指數進行修正得到施工風險綜合指數CRCI，確定最終的風險水平。

圖1　改進Kent法風險評估流程Fig.1 Risk assessment process of improve Kent method

1.3模型因子的確定

1.3.1隧道指數δ1

影響隧道指數的因素主要有跨度和埋深，此處選用覆跨比(H/B)來綜合考慮跨度和埋深因素，為簡化計算，將不同形狀的隧道跨度均按照等效原則將其折算為直徑B。本文采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS模擬不同覆跨比下隧道開挖，考慮到模型邊界效應，模型尺寸取為：100m×80m，土層參數如表1所示，計算中隧道直徑取為7.0m，覆跨比分別取H/B=1.5，2.0 ，2.5，3.0，3.5和4.0。模型邊界條件為：模型上表面自由邊界；左右兩側為活動鉸支座，限制水平向位移；模型底面為固定支座，限制水平位移和豎向位移。分析時，為計算簡便采用二維模型，圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準則，初始應力僅考慮自重應力，全斷面開挖，模型如圖2所示。

表1　圍巖參數取值

圖2　數值計算模型圖Fig.2 Numerical calculation model

圖3是單孔隧道在不同覆跨比(H/B)隧道開挖引起的最大地表沉降(umax)曲線及其斜率曲線。從圖中分析可知：隨著H/B值的增大，最大地表沉降(umax)減小，表明最大地表沉降與覆跨比之間存在反比關系。并且，當覆跨比H/B?2.25時，最大地表沉降曲線斜率較大，且最大地表沉降較大，表明在此覆跨比條件下隧道開挖對地表影響較大；當覆跨比H/B3.5時，最大地表沉降曲線斜率趨于0，且最大地表沉降較小，表明在此覆跨比條件下圍巖具有良好的成拱能力，隧道開挖對地表影響較小。根據以上分析，隧道指數δ1按以下方式進行取值，如表2所示。

圖3　最大地表沉降與覆跨比關系曲線Fig.3 Relationship curve between maximum ground surface settlement and H/B

覆跨比H/Bδ1H/B?2.2550?δ1?702.25

注：H/B在區間內時，δ1取值按線性插值得到。

1.3.2地層指數δ2

地層作為隧道開挖影響的傳播介質，地層條件的好壞很大程度上決定鄰近建筑物受影響的范圍和程度，良好的地層條件更有利于降低鄰近建筑物的安全風險。參考《規范》，地層指數按表3進行取值。

1.3.3鄰近結構物指數δ3

鄰近結構物指數δ3即為橋梁指數，影響橋梁的主要因素為上部結構形式ξ1,基礎類型ξ2,基礎埋深ξ3，完損現狀ξ4，鄰近結構物指數δ3按式(2)進行計算，其中ωi為各因素權重，式中各因子取值方法如表4所示。

(2)

1.3.4工藝影響系數λt

工藝影響系數λt是表示施工技術水平，監控水平和工期等影響因素對隧道穿越橋梁施工危險水平的影響程度。由于受人為因素的影響，對這3個因素進行定量的計算比較困，在此，將3項綜合為工藝影響系數，用它對隧道指數與地層指數之和進行調整，使評價體系更為合理。見表5所示。

表3　地層指數δ2

表4　鄰近結構物指數δ3

表5　工藝影響系數λt

1.3.5位置系數λp

目前，對隧道施工影響區域的劃分還沒有統一的標準，但基本原則是：建(構)筑物基礎底部向下臥層地基土擴散附加應力的有效范圍應離開隧道周圍和上方土體受擾動后的塑性區，以防止塑性區土體的施工沉降和后期固結沉降引起建(構)筑物不能承受的差異沉降。

文獻[10]提出了一種簡單實用的方法：假定基底壓力按45°向下擴散，影響范圍邊線定在隧道擾動區外，并認為隧道擾動區為2R(R為隧道半徑)。隧道施工的影響范圍劃分如圖4所示。其中，C區為不受影響區域，而A和B區為受影響區域。且一般A區需采取托換、加固等措施來保證安全；B區的建(構)筑物會受到影響，但一般不會對安全和正常使用造成影響。通過以上分析，位置系數λp按以下方式進行取值，如表6所示。

圖4　隧道施工的影響范圍劃分Fig.4 Partition of tunnel construction influence

橋梁與隧道位置關系λpA區0.8B區0.9C區1.0

1.3.6結構重要性系數λc

結構重要性系數λc表示橋梁在歷史意義、社會功能和藝術價值等方面的重要性程度，參考《公路橋涵設計通用規范》的相關規定對橋梁重要性系數的設定，根據結構破壞可能產生的后果嚴重程度劃分為3個等級，如表7所示。

表7　結構重要性系數λc

1.3.7安全補償系數λs

安全補償系數λs指通過有效的變形控制措施使承災體(橋梁)減少受破壞的程度。對于距離隧道很近、受到施工強烈影響的樁基，僅通過優化開挖方法、調整施工工藝、提高支護強度己不能滿足安全控制要求的情況，就必須采取有效的工程措施先加固鄰近橋梁，后進行開挖施工作業。安全補償主要通過土體加固、結構補強、基礎托換、施工影響隔離等方法來降低施工風險水平，安全補償系數λs取值見表8。

表8　安全補償系數λs

注：具體取值根據現場施工效果而定。

1.4風險評估標準

施工風險綜合指數CRCI表征的是隧道穿越既有橋梁施工的綜合風險水平，通過對CRCI與各風險因子間相關性、敏感性進行分析，本文建議CRCI的風險評估標準如表9所示。

表9　建議CRCI風險評估標準

2實例應用研究

2.1工程概況

在建杭州紫之隧道為大跨淺埋暗挖雙線隧道，采用CRD法施工，單洞限寬10.0m=0.75m(右側檢修道)+0.5m(路緣帶)+3.75m(機動車道)+3.5m(機動車道)+0.5m(路緣帶)+1.0m(左側檢修道)。隧道東西兩線在沿山河段同時下穿沿山河橋，隧道東西兩線與橋梁平面位置關系如圖5所示，橋梁采用Φ1 000mm鉆孔灌注樁基礎，隧道距離最近樁基僅2.3m。橋梁樁基與隧道剖面關系如圖6所示，暗挖隧道拱頂距離河底僅為9.30m。

圖5　暗挖隧道東西線與橋梁平面位置關系Fig.5 Plane position relationship between tunnel and bridge

圖6　橋梁樁基與隧道剖面關系Fig.6 Pile foundation and tunnel’s location relations

下穿橋梁施工段隧道上覆地層主要為粉質黏土混碎石，如圖7所示。暗挖隧道東西兩線緊鄰橋梁樁基施工，不可避免的擾動周圍土體產生地層變形，地層變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導致橋梁上部結構發生不均勻沉降，影響橋梁的安全使用，嚴重時可能導致結構出現失穩破壞。下穿橋梁施工段為隧道施工關鍵工程節點，為確保隧道開挖過程中近鄰橋梁的安全，在橋樁與隧道之間布置2排直徑Φ800高壓旋噴樁(如圖8所示)，以隔離阻斷隧道施工引起的地層變形向橋樁傳播，保證橋樁的摩擦力不受損失，圖9為高壓旋噴樁現場施工照片。

圖7　下穿橋梁樁基隧道段地質剖面圖Fig.7 Geological profile of the tunnel across pile foundation

圖8　隧道穿越橋梁施工變形控制措施(高壓旋噴樁)Fig.8 Deformation control measures

2.2隧道穿越既有橋梁風險評估

依照改進Kent法風險評估模型，對杭州紫之隧道穿越沿山河橋施工的安全風險評估如下：

杭州紫之隧道沿山河段隧道覆跨比H/B=2.52，故根據表2，隧道指數δ1=74.32。

沿山河段圍巖級別為V級，圍巖自穩能力一般，參考表3，地層指數δ2= 70。

圖9　高壓旋噴樁現場施工照片Fig.9 Site construction photos of high pressure jet grouting pile

沿山河橋為連續梁橋，采用鉆孔灌注樁基礎，基礎埋深位于隧道底板以下。通過對沿山河橋進行外觀檢查發現，沿山河橋結構整體狀況良好，除發現幾處墩、臺拱腳處泛白外，未有其他病害發現，經綜合評定該橋完損現狀屬于完好狀態。參考表4，鄰近結構物指數取值為：

95+0.4×90=93

工藝影響系數λt是表示施工技術水平、監控水平和工期等影響因素對隧道穿越橋梁施工危險水平的影響程度。下穿橋梁施工段為隧道施工關鍵工程節點，施工單位對其高度重視，投入了大量的人力和物力，故本工程工藝影響系數總分為0.6×95+0.3×95+0.1×90=94.5，參考表5，工藝影響系數λt=1.0。

沿山河段隧道緊鄰橋梁樁基施工，距離最近樁基僅2.3m，橋梁樁基位于A區，受隧道施工影響較大，由表6可知位置系數λp=0.8。

沿山河橋位于交通要道紫金港路，若其破壞對地面交通影響較大，且其毗鄰國家濕地公園西溪濕地，綜合考慮各因素確定沿山河橋結構重要程度為2類，結構重要性系數λc=0.9。

隧道穿越沿山河橋施工過程中，為確保橋梁安全，在橋樁與隧道之間布置2排直徑Φ800高壓旋噴樁，以隔離阻斷隧道施工引起的地層變形向橋樁傳播，保證橋樁的摩擦力不受損失，依據表8，本工程安全補償系數λs=1.0。

由式(1)計算可得，施工風險綜合指數CRCI=96.64。依據表9施工風險綜合指數評估標準，最終確定杭州紫之隧道穿越沿山河橋施工的安全風險水平為2級，表明本工程在現有施工技術條件下風險水平較低，能有效保證橋梁的安全。

2.3評估結果有效性驗證

2.3.1數值模擬

為驗證風險評估結果的有效性，在施工穿越沿山河橋梁前，運用大型通用有限元軟件ABAQUS對其施工過程進行三維仿真模擬，分析判斷沿山河橋梁的安全狀況。

1)計算模型的建立

土體和注漿加固區域的物理行為按Mohr-Coulomb屈服準則計算，支護結構和橋基的物理行為視為彈性材料。初期支護中的鋼筋及鋼拱架通過換算截面法修正密度及彈性模量來進行考慮；圍巖材料參數根據地質勘探資料并參考《公路隧道設計規范》來確定。樁土之間相互作用的接觸行為按有限滑動接觸算法進行考慮。由于隧道施工區域內圍巖含水率較高，不能忽略水的作用，采用基于比奧固結理論的直接耦合方法進行滲流場-應力場耦合計算[11]。具體模型見圖10所示。

圖10　局部模型圖Fig.10 Local model diagram

2)數值模擬結果分析

橋梁南北橋墩各兩排樁基，由北向南依次編號1～4；每排12根，自東向西依次編號1～12。選取隧道開挖穿越橋樁后樁頂沉降進行研究，如圖11所示。由圖11分析可知，受東西線隧道施工擾動的影響，靠近隧道兩側樁基(1和12號樁基)沉降明顯大于內側樁基，單排樁基樁頂沉降呈由兩側向中間遞減的分布規律，與實際情況相吻合。樁基最大沉降僅為9.9mm，發生在北側橋墩的西側樁基，表明橋梁不會因過大沉降變形而影響其正常使用。各墩樁間差異沉降分布規律與樁基沉降類似，也呈由兩側向中間遞減的趨勢，如圖12所示，各墩樁間差異沉降均較小，小于3mm，在隧道施工期間不可能因過大樁基差異沉降而使橋梁產生過大的結構附加應力。

圖11　樁基沉降Fig.11 Pile foundation settlementFig

圖12　樁間差異沉降Fig.12 Differential settlement between pile

由于隧道施工對緊鄰樁基影響更大，此處選取南北橋墩東西最外側樁基(共8根)水平位移進行研究，南北橋墩東側最外側樁基由北向南依次編號1～4，西側最外側樁基由北向南依次編號5～8，樁基水平位移如圖13所示。由圖13分析可知，由于隧道施工擾動，在隧道施工影響區域內，樁基下部(7m至樁底位置)向隧道側水平位移較大，上部基本無水平向變形，分布規律與實際情況相吻合。雖樁基水平位移分布不均勻，樁基下部水平位移大于上部，但樁基最大水平位移僅為4.6mm(1號樁19.5m處)，表明隧道穿越橋樁施工過程中，樁基不會因過大水平變形引起過大的附加樁身彎矩。

圖13　橋墩外側樁基水平位移Fig.13 Horizontal displacementof the pile outside pier

綜上所述，在整個模擬隧道段施工過程中，樁基變形穩定，均無異常變形，在隧道施工期間橋梁不可能因變形而產生過大的結構附加應力，表明隧道穿越橋梁施工過程中橋梁安全狀況良好，與2.2節中風險評估結果相吻合，驗證了風險評估結果的有效性。

2.3.2現場監測

隧道下穿橋梁施工過程中，為保證橋梁運營安全，對橋梁樁基沉降變形進行了實時監測。在橋梁兩樁基承臺布設沉降觀測點，每個樁基承臺沿垂直于隧道方向自西向東等距布設5個，測點采用鉆孔埋設鋼筋頭。選取樁基北側承臺現場監測數據與數值計算結果進行對比分析，圖14為北側樁基礎承臺沉降累積變形時程曲線，沉降測點Q-1～Q-5自西向東沿承臺依次展開，由圖14分析可知，在暗挖隧道下穿橋梁施工過程中橋梁樁基沉降變形正常，無變形速率過大異常情況發生，表明隧道穿越橋梁施工過程中橋梁安全狀況良好，施工風險水平較低，與2.2節中風險評估結果相吻合，驗證了

圖14　樁基北側承臺沉降曲線Fig.14 Northern cap settlement curves

運用改進Kent法模型對隧道穿越橋梁施工風險進行評估的可行性。

3結論

1)借鑒Kent法思想，對其優化改進，構建了改進Kent法隧道穿越橋梁施工風險評估模型，并提出“施工風險綜合指數CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用其來表征隧道穿越既有橋梁施工風險水平。CRCI是對隧道穿越既有橋梁施工風險水平的一個總的評估，具有綜合、簡潔、直觀等優點，將其運用到隧道穿越既有橋梁施工風險評估中，可以避免復雜的計算、片面的判斷以及結果的不確定等風險評估常見問題，并且有利于研究成果的程序化和推廣。

2)以杭州紫之隧道沿山河段穿越橋梁施工為實例，運用改進Kent法模型對其施工風險水平進行評估，評估結果顯示其風險水平為2級。在施工穿越沿山河橋梁前，運用大型通用有限元軟件ABAQUS對其施工過程進行三維仿真模擬，分析判斷沿山河橋梁的安全狀況；分析結果表明：樁基變形穩定，無異常變形，在隧道施工期間橋梁不可能因變形而產生過大的結構附加應力，橋梁安全狀況良好，與風險評估結果相吻合，驗證了風險評估結果的有效性。現場監測結果也顯示，在暗挖隧道下穿橋梁施工過程中橋梁樁基沉降變形正常，無變形速率過大異常情況發生，橋梁安全狀況良好，施工風險水平較低，與風險評估結果一致，驗證了運用改進Kent法模型對隧道穿越橋梁施工風險進行評估的可行性與可靠性。

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* 收稿日期：2015-09-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51478474)；中鐵隧道集團科技創新計劃項目(隧研合2013-30)

通訊作者：盧春林(1977-)，男，廣東始興人，高級工程師，從事隧道與地下工程領域研究工作；E-mail:fenglin06230105@163.com

中圖分類號：U455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1156-09

Study on risk assessment methods of shallow embedded tunnel across the existing bridge

LU Chunlin

(HangzhouCompany,ChinaRailwayTunnelGroup,Hangzhou310000,China)

Abstract：The construction scale of tunnel engineering is large, and many uncertain factors exist during the period of construction, disasters and accidents will lead to serious property damage and social influence. So risk management concept is widely used in tunnel engineering construction. Because of limited accident statistics and the difference between engineering,the real probability of accidents are difficulty to obtain, which has lead to poor operational problems in quantitative risk assessment method. By referring to the methods of Kent,optimizing and improving it, and avoiding its defects,we structured the improved Kent method for assessing the risk of tunnel construction crossing a bridge. The concept of CRCI is also presented. By using CRCI to characterize the risk level of the tunnel crossing the bridge construction , the multiple consideration for risk assessment is achieved. The improved Kent model is used to analyse the construction risk of Zizhi tunnel and the risk level is founsd to be level 2. The results of numerical simulation and field monitoring show that the deformation of pile foundation is stability,without abnormal deformation. The bridge safety is in good condition in the process of tunnel construction crossing it, and the risk level of construction is low. All these findings agree well with the risk assessment results. The feasibility and reliability of the improved Kent method in the assessment of the risk of tunnel construction crossing a bridge is verified.

Key words：tunnel engineering; shallow depth excavation; construction crossing bridge; risk assessment; construction risk comprehensive index