隧道下穿既有公路及管線施工風險分析

摘要：隨著我國地下工程和交通事業的發展，新建線路穿越既有建構筑物的工程越來越多，由此造成的新建隧道與既有建構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構造成一定的不利影響，嚴重時還有可能引發安全事故，因此，研究隧道下穿既有建構筑物的變形控制技術是具有重要的現實意義的。本論述通過功效系數法對某隧道下穿既有公路和管線工程進行風險分析，結論為其可能發生后果嚴重的高度風險，必須要采取相關措施進行風險預控。

關鍵詞：公路隧道;下穿施工;風險控制;變形分析

中圖分類號：U45

文獻標志碼：A

1工程概況

某隧道隧址位于福建省境內，隧道起訖里程DK5+095-DK13+294，設計為單洞雙線，設計斷面寬13.82m、高12.40m，采用無砟軌道設計。隧道進口段在DK5+170-310里程下穿機場高速及三環公路，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。隧道進出口及橫洞進口均有水泥路十分方便，通過衛星地圖截取隧道下穿段地形圖如圖1所示。

根據相關資料提供，隧道上方DK05+200、DK05+280處均有一處給水及雨水管道。進口穿越地層為全風化花崗閃長巖，巖性較差為V級圍巖。綜合所述，下穿段工程所處環境條件復雜，地質條件較差，為隧道乃至鐵路全線重點控制工程。

隧道所穿越公路交通繁忙，施工期間道路處于運營狀態，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，其巾機場高速路32.5m，三環路左右線總共27m，附屬結構包括綠化帶、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（Q）

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

粉質黏土（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），主要分布在隧道進口段，分布范圍DK5+035-DK7+525其中包括下穿公路段，中（細）粒結構，塊狀構造。

（2）地質構造

下穿段位于隧道進口段，范圍小，無斷層、褶皺等節理裂隙發育，地質構造良好。

（3）水文地質特征

下穿段地下水系不發育，地下水主要分布為孔隙潛水。

2隧道下穿施工風險分析

2.1下穿段施工風險分析

基于該隧道下穿施工工程概況，因為隧道所處環境復雜，所以有必要對其進行風險分析。根據《隧道設計說明》巾對隧道下穿段的風險分析，該隧道下穿段DK05+170-310段主要風險等級見表1所列。

根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》，概率等級4為可能發生，3為偶然發生;后果等級4為很嚴重的，3為嚴重的。根據風險接受準則，風險等級高度是不期望的，這類風險較大，必須要進行一定的處理措施來降低風險[1-3]。因此從表1中該隧道下穿段初始風險等級來看，下穿段主要存在的風險為垮塌、塌方和影響既有建構筑物，都是可能發生的，后果很嚴重的高度風險，必須要采取相應的措施來降低這些風險。經過處理措施以后，下穿段風險不會完全消除，仍然會存在殘余風險，殘余風險為偶然發生的、后果嚴重的巾度風險，這類風險也應當加強監測和重視[4-6]。

根據表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，可能發生后果嚴重的高度風險，所以著重對隧道下穿這兩處建構筑物進行風險分析，進而對隧道下穿公路和管線展開更加深入的研究。

2.2風險分析方法

隧道工程大多是隱蔽工程，其潛在風險很難被及時發現。風險評估分析是工程順利推進的前提，是風險管控的基礎，更是工程安全的重要保障。風險的分析流程如圖3所示。

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

功效系數法通過多項目規劃對各評價指標進行滿意值、不允許值的確定，計算各指標滿意值程度，由此確定各指標分數，最后加權平均綜合分析研究對象結果。這種方法的分析過程如下：

（1）選取代表性指標，各指標盡量能全面、綜合的反映分析目標的情況。

（2）滿意值和不允許值的確定。即各指標的的最高和最低水平。

（3）計算功效系數值：

di=Xi-Xsi/Xhi-Xsi×40+60

（1）

式中：di為第i個指標功效系數值;Xi為第i個指標實際值;xhi為滿意值;Xsi為不允許值。

（4）計算各指標權重，采用專家評分后的歸一化權重：

wi=pi/∑

（2）

式中：P1與wi分別為第i個指標權數和權重系數。

（5）分析對象的總功效系數：

D=∑?（3）

根據總功效系數，可對分析對象進行風險分級評估，風險分級見表2所列。

2.3隧道下穿段施工風險分析

根據新鼓山隧道現場監測和地質勘查情況，決定將地表沉降、周邊收斂、地下水、掌子面及支護結構觀察等內容作為隧道下穿施工的風險評估的主要指標。參考文獻通過收集和分析大量實際工程和規范資料，得到各指標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）;支護結構觀察打分等級為：無裂縫（100）、少量裂縫（75）、開裂（50）、剝落（25）、垮塌（0）。

根據現場監測和觀察結果分析，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風險的發展趨勢，所有此次采用地表沉降速率和周邊收斂速率作為評價指標。通過現場觀察，地下水觀察為浸滲75分，掌子面觀察為一般50分，支護結構觀察為開裂50分。通過現場實測和觀察結果，按（2）計算各指標權重，結果見表4所列。

將現場監測與觀察結果帶入式（1）計算各指標功效系數，最后將功效系數和權重帶入式（3）得到總功效系數見表5所列。

根據上表得到總功效系數值為78.973，根據表2風險評估分級標準，該隧道下穿既有公路和管線的施工風險等級為高度，這與設計資料巾給的風險等級相吻合，證明了功效系數法風險分析的準確性。

根據最終風險分析結果，該隧道下穿既有公路和管線施工存在高度風險，所以有必要對隧道下穿既有公路和管線的變形機理、變形規律以及變形控制方法進行展開研究。

2.4交通荷載作用下隧道開挖變形機理

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雜，其主要因素體現在以下幾個方面：

（1）地層損失。隧道周圍的土會對隧道開挖造成的土體缺失進行彌補，在彌補過程巾便發生了位移變形。

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

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

（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性和動力特性，會對公路造成不同程度的影響，進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行作用，都會造成不同程度的影響，兩者最終的結果都會導致路基和地層的沉降變形，如圖4所示。

2.4.2變形機理

當然地層變形還受諸多因素的影響，比如地質條件、隧道埋深、支護手段等。地層變形會隨著這些因素的不同而發生變化，從變形的規律和機理來看，這種變形影響會產生明顯的空間效應，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展的，隧道開挖的影響范圍是從隧道斷面往上部地層擴展，越往上影響范圍越大直至地表達到最大沉降范圍，這種影響具有強烈的擴散性。沉降值在開挖斷面拱頂處最大，隨著遠離開挖斷面，沉降值在空間的縱向和橫向上有減小趨勢，呈現衰減性。從圖5a中地表沉降等值線和b圖中地表沉降發展云圖可以看出，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。公路不能中斷運營，車輛來往行駛的交通荷載必然會對公路沉降變形產生影響，嚴重則可能導致下方隧道坍塌，威脅隧道施工安全。因此有必要進行交通荷載對隧道下穿公路的影響進行分析，進而對其進行變形控制的研究、優化施工方案。

3結論

本論述主要通過現場調查、查閱勘察設計資料和理論分析的方法，對該隧道下穿施工工程概況、風險評估、變形機理進行分析，得到以下結論：

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

（2）通過功效系數法對該隧道下穿既有公路和管線工程進行風險分析，得到總功效系數值為78.973，為可能發生后果嚴重的高度風險，與設計說明資料相吻合，有必須要對隧道下穿既有公路和管線變形控制進行進一步研究。

（3）通過對隧道下穿施工變形機理理論分析，得到在隧道下穿既有公路研究中，運營中交通荷載影響系數較高。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：

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[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險評估及控制措施研究[J].鐵道科學與工程學報，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，大學本科，工程師，主要從事工程施工和項目建設管理方面的工作。