輸水隧洞下穿并行高速公路施工安全風(fēng)險評價

2024-02-26 02:04:46廖斯韜李南南鄭衛(wèi)強

水力發(fā)電 2024年2期

廖斯韜，李南南，鄭衛(wèi)強

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510440；2.廣州廣空設(shè)計咨詢有限公司，廣東廣州 510420；3.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013)

0 引言

輸水隧洞既滿足城市快速發(fā)展的用水需求，又帶動地方經(jīng)濟發(fā)展，為此，我國修建了數(shù)個輸水隧洞工程[1-2]。輸水隧洞具有距離長、規(guī)模大等特點，不良地質(zhì)條件及周邊沿線環(huán)境對輸水隧洞的影響不容小覷。為進一步研究輸水隧洞的施工安全，學(xué)者們分別從原位試驗、數(shù)值模擬和安全評價3個方面進行研究。黃井武等[3]以珠江三角洲水資源配置工程為研究背景，進行了現(xiàn)場原位試驗，探討襯砌的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。高學(xué)平等[4]采用數(shù)值模擬分析平面轉(zhuǎn)彎輸水隧洞進出口水流力學(xué)特性在轉(zhuǎn)彎角度、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎后直隧洞長度作用下的變化規(guī)律。秦敢等[5]通過數(shù)值模擬研究隧洞襯砌管片接頭受彎至極限的承載性能表明，管片接頭處的混凝土應(yīng)多加保護。楊開林[6]比較有壓和無壓隧洞的時空變化規(guī)律。鄭漢種等[7]采用數(shù)值模擬研究不良地質(zhì)隧洞的穩(wěn)定性，著重分析隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律。陳曉年等[8]依托福建龍巖引水工程，提出一套基于地質(zhì)條件與隧洞設(shè)計緊密結(jié)合的系統(tǒng)不襯砌有壓輸水隧洞的設(shè)計方法和思路。李強等[9]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險事件預(yù)測模型，提取了盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵風(fēng)險因素。何進等[10]基于模糊綜合評價法計算隧洞塌方風(fēng)險等級，得出與實際相符的結(jié)論。

為研究輸水隧洞下穿、并行對高速公路的影響，本文依托珠江三角洲水資源配置工程某標段，采用模糊-熵權(quán)理論建立風(fēng)險評價指標體系，分析輸水隧洞下穿、并行高速公路施工安全風(fēng)險等級，再利用數(shù)值模擬驗證風(fēng)險評價結(jié)果，為后續(xù)類似工程提供參考。

1 輸水隧洞下穿、并行高速公路評價模型

1.1 建立風(fēng)險評價指標體系

假設(shè)目標層為輸水隧洞下穿、并行高速公路施工安全風(fēng)險，即U=(U1，U2，…，Ui)，其中，Ui是目標層U的指標集i；準則層為因素集Ui=(Ui1，Ui2，…，Uin)，其中，Uij為準則層中第i個因素集中第j個指標。

1.2 熵權(quán)法計算指標權(quán)重

信息熵權(quán)法旨在利用熵值判斷某個指標的離散程度，其中熵值與離散程度成反比，與指標權(quán)重也成反比[11-13]。利用信息熵權(quán)法可以計算出各個指標的權(quán)重，權(quán)重的大小反應(yīng)指標的嚴重程度。步驟為：

(1)建立評估矩陣。根據(jù)目標層的關(guān)鍵指標建立參評數(shù)據(jù)矩陣M，M=(a01，a02，…，a0n)，其中，a0j為參評數(shù)據(jù)矩陣取值為同一行業(yè)內(nèi)若干個專家對指標評估結(jié)果的均值，即

(1)

創(chuàng)建的(m-1)×n階評估矩陣N為

(2)

式中，m為評價等級；n為評價指標數(shù)。參評矩陣M與評估矩陣N共同構(gòu)建決策矩陣A，即

(3)

(2)決策矩陣標準化。由于決策矩陣A=(aij)m×n中各指標量綱不統(tǒng)一，故采用線性比例變換法得到標準化矩陣B=(bij)m×n。將指標分為正向指標a′ij和負向指標a″ij，分別經(jīng)下式作標準化處理

(4)

(5)

(6)

式中，bij為第j個指標下第i個樣本值占該指標的比重。

(3)計算指標熵值ej，即

(7)

(4)計算指標權(quán)重wj，即

(8)

式中，gj為計算指標的差異系數(shù)，滿足gj=1-ej；各權(quán)重相加和為1，權(quán)重向量W記為W=(w1，w2，…，wn)。

1.3 模糊綜合評價

一般地，多級模糊綜合評價的順序是由最低至高遞進計算，整理各個層次的評價結(jié)果。根據(jù)評價對象建立的因素集U、評價集R、權(quán)重向量W和評價矩陣V，即

U=(u1，u2，…，un)

(9)

R=(r1，r2，…，rn)

(10)

W=(w1，w2，…，wn)

(11)

(12)

將權(quán)重和評價矩陣相乘即實現(xiàn)模糊評價，由最底層逐次向上一層遞進，最后得出隧道下穿、并行高速公路的施工風(fēng)險等級。

2 實例分析

2.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程位于珠江三角洲核心地區(qū)，該工程下穿某高速公路路基段、并行某高速高架橋，總體平面見圖1。根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》可知，該工程抗震設(shè)防類別為乙類，建筑物設(shè)計烈度為7度。

圖1 總體平面

施工采用土壓平衡盾構(gòu)機進行盾構(gòu)掘進施工。輸水隧洞洞頂埋深50.38～55.82 m，隧洞為外徑6.0 m的雙隧洞，采用C55混凝土盾構(gòu)襯砌管片，管片厚300 mm，管片襯砌后內(nèi)徑為5.4 m，內(nèi)襯Q345C鋼管后內(nèi)徑為4.8 m，鋼管壁厚20 mm。混凝土襯砌和鋼管之間設(shè)有復(fù)合排水板(上部240°、高15 mm)、C30自密實混凝土填充以及Q345C加勁環(huán)(寬24 mm，高120 mm)。圖2為下穿涉路位置剖面。圖3為并行某高速高架橋剖面。

圖2 下穿涉路位置剖面(單位：尺寸mm；高程m)

圖3 并行某高速高架橋剖面(單位：尺寸mm；高程m)

2.2 風(fēng)險評價指標體系建立

根據(jù)輸水隧洞下穿、并行高速公路基本情況和專家意見，結(jié)合Q/CR 9247—2016《鐵路隧道工程風(fēng)險管理技術(shù)規(guī)范》，對輸水隧洞下穿、并行高速公路工程復(fù)雜施工環(huán)境進行了合理的風(fēng)險辨識，確定了以設(shè)計因素、周邊環(huán)境因素和施工因素為主要風(fēng)險因素，將主要因素細分得到了19個子因素。完整且合理的輸水隧洞下穿、并行高速公路施工安全風(fēng)險評價指標體系見圖4。

圖4 風(fēng)險評價指標體系

2.3 熵權(quán)-模糊綜合評判

2.3.1 熵權(quán)法計算權(quán)重

對各影響因素進行量化評價，邀請50位專家，其中設(shè)計單位、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位、學(xué)術(shù)研究者各10人，對各指標進行打分，求取平均值并建立單因素下的輸水隧洞下穿、并行高速公路施工安全風(fēng)險評估指標量化范圍，風(fēng)險等級所對應(yīng)的指標量化區(qū)間為(50，60]、(60，70]、(70，80]、(80，90]、(90，100]，指標風(fēng)險值隨著打分區(qū)間的提高而降低。專家打分值見表1。

表1 專家打分情況匯總

根據(jù)熵權(quán)法分別計算了準則層、指標層的權(quán)重值，將權(quán)重值記錄于表2中，用于后續(xù)模糊綜合評判。

表2 輸水隧洞下穿、并行高速公路施工風(fēng)險指標權(quán)重

2.3.2 多級模糊綜合評判

(1)確定評價集。根據(jù)相關(guān)規(guī)范指南[14]，將輸水隧洞下穿、并行高速公路施工安全風(fēng)險分為5級，定義為R=(1，2，3，4，5)。風(fēng)險概率等級標準見表3。

表3 風(fēng)險發(fā)生概率等級標準

(2)建立評價因素隸屬度矩陣。根據(jù)上文建立的施工安全風(fēng)險評價指標體系，進一步建立指標評價矩陣V，通過德爾菲法確定某因素的隸屬向量vij，由數(shù)個vij組成隸屬度矩陣Vij，即

(3)一級模糊評判。一級模糊評判定義為同一準則層下的各個指標層之間的綜合評判，記為Mij=WijVij，其中，Wij為指標層各因素所占權(quán)重，計算得到的Mij為一級模糊評判結(jié)果，即M1=(0 0.171

0.545 0.284 0)，M2=(0 0.078 0.745 0.177

0)，M3=(0 0.334 0.338 0.328 0)。

(4)二級模糊評判。根據(jù)定義可知，二級模糊綜合評價是基于一級模糊綜合評價基礎(chǔ)上展開的，計算得到二級綜合模糊評判，即M=(0 0.231 0.476 0.293 0)。

2.3.3 評判結(jié)果

本文選用I型函數(shù)進行評判，得到最終結(jié)果P=0.029 8，該值處于風(fēng)險概率為3級的區(qū)間內(nèi)，風(fēng)險偶爾發(fā)生，與實際工程相符。為進一步驗證風(fēng)險評價結(jié)果，建立三維輸水隧洞下穿、并行高速公路數(shù)值模型。

3 風(fēng)險評價結(jié)果驗證

3.1 物理力學(xué)參數(shù)

采用三維有限元程序MIDAS GTS NX軟件模擬輸水隧洞盾構(gòu)施工過程中對高速公路路基安全性的影響，數(shù)值模型尺寸為160 m×80 m×80 m[15]。土層參數(shù)和結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)參考地勘報告和當(dāng)?shù)匾?guī)范，得到參數(shù)力學(xué)指標見表4。

表4 土層參數(shù)和結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 下穿路基

圖5為隧道開挖后地表沉降。圖6為路基沉降。根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知，在施工處于正常控制的條件下，輸水隧洞開挖后對應(yīng)的輸水隧洞正上方的路基沉降最大，為-1.115 mm。水平方向地表沉降形成沉降槽，表現(xiàn)為中間大、兩頭小的趨勢，地表整體沉降值較小。開挖后，輸水隧洞管片在土體應(yīng)力的作用下產(chǎn)生徑向收縮，管頂平均沉降為-0.78 mm，管片左右向內(nèi)收縮約0.9 mm。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，盾構(gòu)施工引起的高速公路沉降為1.115 mm，小于監(jiān)測預(yù)警值，在安全范圍內(nèi)。

圖5 開挖后地表沉降(單位：mm)

圖6 路基沉降(單位：mm)

根據(jù)數(shù)值分析可知：①該項目輸水隧洞于高速路基段下穿，輸水隧洞洞頂埋深50.38～55.82 m，穿越地層為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，適合于盾構(gòu)施工，穿越位置選擇合理。②輸水隧洞外徑為6.0 m，埋深大于相關(guān)規(guī)范1.5倍管道外徑且不小于3 m的要求，滿足規(guī)范要求。③輸水隧洞日常運營過程中其檢修空間均在地下，不影響地上高速公路正常營運，高速公路的日常養(yǎng)護維修也不影響地下輸水隧洞的正常使用。④輸水隧洞下穿高速公路路基未侵入公路建筑限界，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 并行橋梁

圖7為隧洞并行橋梁開挖后地表沉降。輸水隧道并行高速公路橋梁長度較大，本文僅分析局部較近路段。圖8為橋梁橋墩與蓋梁的豎向位移(最大沉降為0.182 1 mm)。圖9為橋梁橋墩與蓋梁的橫向位移(最大橫向變形為0.193 5 mm)。圖10為橋梁樁基豎向位移(最大沉降為0.095 6 mm)。圖11為橋梁樁基橫向位移，最大的橫向變形為0.120 mm。對橋梁結(jié)構(gòu)造成一定的影響，但是影響較小。