多風險因素耦合下地鐵安全施工技術研究

摘要：為提高地鐵施工安全性，降低地鐵安全施工體系脆弱性，開展多風險因素耦合下地鐵安全施工技術研究。分析地鐵施工多風險因素耦合作用，明確風險因素特征要素演化過程。確定地鐵支護力學參數，在FLAC3D中完成對地鐵安全施工模型的構建。根據模型模擬施工結果，確定中導洞開挖與正洞安全施工方案。通過實例證明，新的施工技術應用可以確保各個安全指標的實測數值均小于控制值，促進地鐵施工安全性的提升。

關鍵詞：多風險因素；地鐵；技術；施工；安全；耦合

0" "引言

當前地鐵的形式具有多樣性特點，施工時需針對現場場地的不同情況，制定相應的施工方案。不同的施工方案，所采用的施工技術、手段以及所需的設備差別很大，進一步提升了施工的難度[1]。在地鐵施工過程中，常常存在著一種或多種風險因子，如果不對其加以有效控制，可能會給施工企業帶來極大安全風險[2]。

通過對軌道交通建設中的安全風險進行分析，構架模型，根據結果可以實現對地鐵施工安全風險主要影響因素控制，對于提升地鐵施工安全性具有極大幫助[3]。鑒于此，本文嘗試在多風險因素耦合條件下，開展對地鐵安全施工技術的研究。

1" "地鐵施工多風險因素耦合與特征要素演化分析

將地鐵施工安全體系中的脆弱性作為依據，若脆弱性高，則相應的安全風險因素種類越多或風險程度越高。若脆弱性低，則相應的安全風險因素種類越少或風險程度越大[4]。根據這一理論，分別從能夠體現地鐵安全施工脆弱性的暴露度、敏感度和適應度三個方面，找出較為典型的風險影響因素。

各種風險因素的干擾影響下，地鐵建筑安全體系的動態變化，各危險因子之間存在著相互依賴關系[5]。當一個相容風險因素受到干擾時，會引起其他因素的干擾，促使某些因素的產生和擴散，產生耦合效應，從而影響到地鐵建設的安全[6]。因此，對地鐵工程建設中的危險因子進行分析，不僅要從單個因素的角度來分析，還要從多個方面進行綜合考慮。

人員、機械、環境以及環境方面產生的多個風險因素，對暴露度、敏感度以及適應性都會造成一定影響。地鐵安全施工多風險因素耦合過程如圖1所示。從圖1可以看出，為確保對耦合過程的高精度描述，在對敏感度和適應度分析之間設置了耦合濾波器和耦合振蕩器，以此有效抵御外界擾動對結果造成的誤差影響。

在此基礎上，將脆弱性理論與因子的耦合程度相結合，以度量系統的脆弱性。根據危險因子的脆弱性劃分，可以將其劃分為三大類：單一因素體系的脆弱性風險耦合；兩因子體系的脆弱性風險結合；多因子體系的脆弱性風險結合。在多風險因素耦合過程中，其信息之間存在交互，可用下述公式表示：

通過計算得出的值越大，則說明多風險因素的耦合程度越高，地鐵安全施工體系脆弱性越高，安全性越差；反之，值越小，則說明多風險因素的耦合程度越低，地鐵安全施工體系脆弱性越低，安全性越優。

2" "建立安全施工模型并確定支護力學參數

2.1" " 初建安全模型

為保證地鐵施工的安全性，降低其脆弱性，在明確地鐵施工多因素耦合作用以及特征要素演化的基礎上，對地鐵安全施工進行數值模擬。在整個模擬過程中，建立地鐵安全施工模型作為其最重要的一步，關系到后續安全施工技術應用方案的合理性[7]。

地鐵安全施工模型包含多個方面，例如本構關系、邊界條件、支護參數等。結合FLAC3D中的各個模型實現對地鐵施工中各個工序的模擬。其中Null模型可實現對施工開挖與回填的模擬；Elastic模型可實現對人工材料，例如混凝土、鋼筋等模擬。上述兩種模型可以同時使用并實現協同。同時，兩種模型的交互可以體現地鐵隧道、基坑等在完成開挖后，施作支護。針對具體的地鐵建設項目，上述模型可以實現對不同條件下的使用，具備極高的應用適用性。

2.2" " 確定支護力學參數

支護結構的穩定性在極大程度上影響著地鐵施工的安全，因此進行對地鐵安全施工模型的構建時，應當將重點放在確定地鐵支護結構的力學參數上。通過地鐵安全施工模型的模擬，支護結構力學參數中的等效彈性模量可用下述公式形式表示：

2.3" " 安全模型簡化

在確定支護結構的力學參數后，考慮到FLAC3D中自帶多個結構單元，因此為了能夠使地鐵安全施工模型構建更加簡單，節省運算時間，進行下述簡化：

在構建地鐵安全施工模型時，忽略防水層對模型的影響，并假設初期支護與二次襯砌為緊密相連。為確保模型的精度，對于地鐵施工中的圍巖、初期支護、中隔墻等結構均采用實體單元進行模型的構建；考慮到實際施工中地鐵隧道截面的尺寸，若存在多個尺寸結構，則應當以主要尺寸為主，并將另外截面尺寸改為主要尺寸。為降低三維數值仿真時，邊界效應對計算精度的影響，采用彈性力學與工程類比法，得出了在水平方向上不少于三個洞口，下面三個以上的洞口高度為實際的埋深。

根據上述簡化內容，實現對地鐵安全施工模型的構建，在進行模型計算過程中，僅考慮自重作用的影響，不考慮地下水、構造應力等影響。

將上述分析得出的地鐵施工多風險因素耦合與特征要素，演化導入到通過FLAC3D構建的模型當中，通過對施工的數值模擬確定施工方案。

3" "中導洞開挖與正洞安全施工

對地鐵施工工程來說，中導洞的作用主要包括：建造中間隔板、側墻，形成一個穩固的支撐結構，為下一步的主洞施工提供支撐點；承擔施工期間，因圍巖擾動而產生環境荷載；通過將隧道兩側的主隧道劃分為兩個相對獨立的單體，以降低跨徑對結構的安全性。

由于地下隧洞上部有兩個重要的構筑物，如開挖方式不當，將會對其結構的安全產生不利的影響，所以對該隧道的開挖進行研究具有必要。基于上述的分析，采用臺階法施工。圖2為基本施工工序示意圖。

按照圖2中從A至D的順序施工，其工序依次為：上臺階開挖施工、上臺階初期支護施工、下臺階開挖施工、下臺階初期支護施工。為保證前期支護的時間和空間，形成穩定的支撐體系，上下兩級臺階之間的間距為15m，不設置臨時橫撐。

根據地鐵施工項目中隧道截面結構尺寸、地質條件等，對正洞也采用臺階法施工。在施工過程中，為了確保施工安全，對圍巖的位移、中隔墻、支護應力等參數進行實時測定，并將測定結果與標準參數對比。一旦出現異常數據則立即停止施工，并制定新的施工方案。按照上述工序還完成對上臺階、下臺階、左洞和右洞的開挖與支護。

4" "實例研究

4.1" " 工程概況

本文以某城市軌道交通建設項目為研究背景，結合上述提出的安全施工技術，得出以控制多風險因素耦合作用下施工安全性為前提的理想施工方案。

已知該工程項目中站北側暗挖段長度為85m，站址位于城市大道綠化帶中，綠地內存在遷移改造后的分洪渠和排澇泵站。該地鐵施工區域是一條直線段長85m的單側雙拱巷道，按圍巖的不同劃分，分為 A段和 B段，A段寬27.8m，高12.43m，長4m。B段截面寬度24.86m，高11.24m，長62m，A、B兩種形式均采用混合襯砌，中期采用C25早強混凝，厚度0.35m，二襯采用C35模塑混凝土，厚度0.8m，拱頂覆蓋土21.2m，均采用中孔工藝。

根據該工程地質勘察報告可知，該項目施工區地層包括沖-洪積相砂層、粉質黏土層、殘積層。在開挖過程中，首先從一個臨時豎井向明挖站點開挖一個中導洞，在所有中導洞完工后，從明挖部分向臨時垂直方向開挖左、右導洞。在施工中存在的風險因素，包括結構埋深較大、洞身周圍巖體天然狀態物理力學性質較差、土水理性質差等。針對上述存在的風險因素，開展對其安全施工。

4.2" " 施工技術應用安全性分析

結合上述提出的施工技術，將其應用到該工程項目當中，為實現對技術應用安全性的檢驗，按照表1中的內容，對各個安全指標進行測量。

各項指標測定的數據，若實測結果超出控制值，則說明存在風險問題。若實測結果未超過或等于控制值，則說明不存在風險問題，該地鐵施工滿足安全性要求。根據這一理論，將表1中各個測量儀器的測量結果記錄如表2所示。

通過上述實例證明，在充分考慮多風險因素耦合作用的條件下，本文提出的地鐵安全施工技術可以提升施工安全性，確保各項指標均在合理控制范圍內，具備極高的應用適應性。

5" "結語

本文以地鐵施工為基礎，在明確地鐵施工中存在的多風險因素基礎上，對其各個因素之間的耦合作用以及其演化情況進行了分析。通過進一步研究，提出了一種新的施工技術。

在具體施工中，在降低事故發生可能性的前提下，要盡可能地避免多個危險因子的耦合，減少多因子的耦合。在確定一個危險因子時，其他的危險因子也有潛在的危險，因此在排除單一的單一因素耦合的同時，還應該對其它的危險因素進行分析，以防止其同時出現，從而避免增加施工的脆弱性，實現安全施工。

參考文獻

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