基于肯特指數法的隧道鄰近結構物風險評估

羅光財,郭 庶,彭 丹

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004)

0 引 言

近年來,我國城市地下工程迅速發展,隧道工程建設規模日益擴大,因此不可避免帶來了隧道穿越和鄰近各種既有結構施工的情況。隧道穿越施工中周圍環境難度大、安全性問題突出,是穿越工程的核心問題。因此,系統研究隧道鄰近結構物的安全風險大小從而制定相應的控制措施具有重要的現實意義。

我國在公路、管道方面的施工風險評估已經有一定研究經驗[1-5],但有關隧道施工特別是地鐵隧道風險的研究并不多,少數有關隧道的風險研究主要是定性評價[6-7]。張雁、黃宏偉[8]從風險評價方法模型和評價流程方面為我國風險管理研究提供了思路;張雷等[9]針對城市地下工程中周圍建筑安全事故的特點,確定了常見的風險評價的指標。這些研究多以定性分析為主,因此,以客觀數值來定量分析安全風險大小,已成為隧道施工風險評估研究的方向。從工程實際來看,隧道鄰近結構物在施工過程中的安全風險對隧道施工的進程具有關鍵意義。

肯特指數法是指1992年肯特提出的管道風險評分指標體系法(以下簡稱肯特法)。肯特法在獨立分析各段管道的影響因素后,分析管道內物質的危險指數和影響系數,求取泄漏影響指數,最后求取指數和與泄漏影響指數的比值,得到相對風險值[11]。這種理念同樣適用于地下工程施工中。肯特法在考慮了概率的因素對風險進行打分,但又不拘泥于確切的概率,越過了定量評估中的實際概率打分,具有較好的說服力。與之類似,隧道工程安全風險評估是分析隧道建設各階段的風險事件、風險發生概率及可能引發的事故損失來確定風險值。

本文主要研究如何應用肯特指數法對隧道鄰近結構物進行風險評估,結合長沙地鐵4號線一期星城車輛段明挖隧道工程實例,定量對隧道鄰近結構物安全風險作出評估,以期為隧道施工風險評估提供參考依據。

1 肯特指數法風險評價流程

利用肯特指數法對風險事件進行評價的核心是確定評價對象的風險源,并根據大量實例統計確定相應的指數取值范圍。利用肯特指數法評價隧道鄰近結構物施工風險的具體流程如圖1所示[11]。

圖1 隧道鄰近結構物肯特法評價流程

影響隧道指數的主要因素以及相應隧道指數見表1;地層指數的影響因素主要包括圍巖級別和地下水位等,地層指數判定見表2;鄰近結構物指數分為管線指數和路面指數兩類,各鄰近結構物指數見表3～表4;鄰近結構物與隧道的位置關系的影響系數S1判定見表5;鄰近結構物的重要性的影響系數S2見表6。

表1 隧道指數F 1

表2 地層指數F 2

表3 管線指數F 3－1

表4 路面指數F 3－3

表5 影響系數S 1

表6 影響系數S 2

根據以上分析計算,得到隧道工程的風險分級如表7所示,環境風險評估要求表中安全等級定為4級,可滿足隧道工程開挖引起的環境風險評估要求。

風險綜合指數是在基礎指數的基礎上通過影響系數進行修正獲得的。計算公式如下：

表7 隧道施工安全風險等級

2 工程實例

2.1 工程概況

本項目研究長沙地鐵4號線星城出入段線明挖隧道,研究施工過程中隧道鄰近結構物對施工的安全風險大小。

星城車輛段位于石長鐵路長沙西站北側、北三環以南的地塊內;車輛段出入段線由4號線一期最北的車站星城車輛段出入段線站北端頭接出,其線路設計里程為RDK0＋0～RDK1＋828.715,共計1828.715 m。結合具體的地層條件及線路埋深,在出入段線靠星城車輛段出入段線RDK1＋230～RDK1＋722.111里程段共約492.111 m采用明挖法施工,在明挖段靠盾構隧道的端頭設置盾構吊出井。

明挖段結構形式包含矩形單層雙跨隧道(里程RDK1＋230～RDK1＋355.000)和 U型槽結構(里程RDK1＋355.000～RDK1＋722.111),在矩形隧道和U型槽結構分界處靠矩形隧道側設一個單層雨水泵房間。根據工程地質和水文地質勘查結果,本工程段周邊地下水豐富,場地圍巖分級定位Ⅳ級,地層指數F2取值75。

2.2 風險等級判別

(1)基礎指數MF。根據表1～表4的基礎指數標準,根據工程實際得到本工程的隧道指數、管線指數、路面指數分別如表8～表10所示,根據地質情況取地層指數為75。

表8 本工程隧道指數F 1

表9 本工程管線指數F 3－1

表10 本工程地層指數F 2

(2)影響系數MS。星城車輛出入段線明挖段位于市三環高速路基南側,現狀場地主要為鄉村便道和農田,地勢總體東低西高,與線路標高變化相類似。其中施工范圍內需拆遷的居民房屋、東段北側的三環路高速和南側楠藕線110 k V高壓線走廊及相應的高壓鐵塔現場對明挖段工程影響較大,地下管線埋布較為復雜且與施工隧道極為靠近,因此根據表6和表7,影響系數S1、S2分別取0.9和1。

(3)綜合指數TS。將上述基礎指數和影響系數帶入公式(1)和公式(2),評估結果如表12所示,綜合指數TS為271.2。

(4)風險分級。本工程中隧道鄰近結構物風險綜合指數TS為271.2,大于250但小于400,由表8可知本工程中隧道鄰近結構物安全風險為中度風險。

表12 隧道鄰近結構物風險肯特法評估結果

2.3 分析結果評估

該工程實例評估結果為中危險度風險,一般不需要采取風險處理措施,但需要予以監測。基于評估結果,施工單位在施工過程中委托相關單位對該場地路面以及隧道都進行監控,測點布置如圖2所示。

由于施工單位對該項目的重視及事前處理,在隧道施工過程中,該項目未出現安全事故,監測指標均保持在合理范圍內,說明了該風險評估方法可靠,控制效果好。

圖2 平面控制點剖面示意

3 結 論

(1)針對隧道施工及鄰近結構物特點,基于肯特指數法選取合適的風險源,確定其風險基礎指數以及影響因素,從而建立隧道鄰近結構物風險評價模型。

(2)結合隧道、地層、鄰近結構物等多方面因素,同時考慮了鄰近結構物與隧道的鄰近程度以及結構物重要程度最為影響系數,提高了風險評價的可靠度,解決了專家打分法主觀性強的問題。

(3)通過對工程數據及已有文獻的總結分析,提出了各指標等級賦值標準和評價準則,并依托工程實例進行驗證,驗證結果表明模型符合工程實際,能為施工單位安全施工提供有效參考。