隧道工程风险管理与控制培训课件.pptx

隧道工程风险管理与控制北京交通大学隧道中心苏洁 地层沉降整体沉降和拱式沉降两种主要模式，分别适用于粘性土地层和砂性土地层。上覆地层的整体运动模式松散地层冒落拱形态地下工程施工地层变形和破坏规律研究 根据大量的城市地铁、浅埋暗挖隧道工程的监测结果进行分析，城市地下工程施工引起地层的典型破坏模式有三种：地表裂缝地层之间的离层地表错台塌陷地下工程施工地层变形和破坏规律研究 城市地铁隧道施工造成的地表裂缝：地下工程施工地层变形和破坏规律研究 2006年1月3日，北京地铁10号线施工导致东三环京广桥附近地面塌陷，致使污水管断裂、上水管悬空、东三环京广桥附近交通中断。地面塌陷-1：地下工程施工地层变形和破坏规律研究 2007年3月28日，北京地铁10号线苏州街东南出入口发生地面塌陷事故，事故造成6名施工人员被埋并全部遇难地面塌陷-2：地下工程施工地层变形和破坏规律研究 2007年11月29日，北京西大望路地下通道施工导致西大望路发生塌陷，致使主路4车道全部破坏，交通中断。地面塌陷-3：地下工程施工地层变形和破坏规律研究 城市隧道合理埋置深度的分析出于功能和环境条件的需要，各种城市地下工程对埋置深度具有不同的要求，但其施工对地层环境造成的影响却具有很明显的一致性。若工程埋深过小，对地层环境带来的突出问题则是：①施工过程对地层变形影响大，对某些重要的建（构）筑物保护的技术难度增大；②由于隧道覆盖层厚度较小，其失稳破坏的不确定性加大，易于出现恶性事故；③工程服役期间对环境影响大，如地下铁道的运营振动给某些周边环境带来不能接受的影响。8城市隧道合理埋置深度分析 隧道深埋以后，这些问题可以得到一定程度的缓解，但若埋深过大同样会带来新的问题：①在某些降水困难的条件下，带水施工围岩稳定性变差，风险增大；②深埋隧道的衬砌结构需考虑水荷载的作用，相应要增加隧道的建造成本；③因与地面之间运输距离的增加，工程服役期的运营及使用成本会相应增加，同时也不利于紧急情况下的人员疏散和灾变救护。因此，应综合考虑以上各因素的影响程度和相互作用，确定出相应地层、环境和工程条件下合理的隧道埋置深度，以取得最佳的安全、经济和环境效果。9城市隧道合理埋置深度分析 在具体的地层和环境条件下，合理的隧道埋置深度应满足：（1）隧道施工对地面环境的影响减小到可接受的程度，可避免重大地面环境安全事故的发生，同时施工过程中围岩的稳定性可控；（2）地下工程的运营和使用对地面造成的环境影响能够满足相关的控制标准要求，不会对正常的生产生活造成影响，同时不会显著增加建造成本。10城市隧道合理埋置深度分析 城市隧道合理埋置深度的确定方法城市隧道合理埋深的确定主要应从上覆地层结构稳定性、地层变形的传播规律和隧道围岩及地层的破坏区分布等方面考虑，以确保隧道施工对地面环境的影响最小、并处于可控状态。统计分析，数值模拟，模型试验等方法进行分析11城市隧道合理埋置深度分析 12城市隧道合理埋置深度分析统计分析：对北京地铁5号线浅埋暗挖法施工的9个区间隧道的地表沉降进行了统计和分析，研究地表沉降与埋深的关系。 地层变形的统计规律大多数暗挖区间隧道的地表沉降值的变动范围在20～60mm；地表沉降值小于30mm发生的频率不超过42%；58%以上的地表沉降值均超过了30mm的控制标准。样本均值为34.3mm，样本方差为15.18mm。由于车站的开挖面积远大于区间，车站的地表沉降值约为区间的2～3倍，大多数暗挖车站的地表沉降值的变动范围为40～120mm；地表沉降值小于40mm和大于120mm的发生的频率均不超过10%；96.7%以上的地表沉降值均超过了30mm的控制标准。样本均值为79.76mm；样本方差为33.34mm。 1410~12m埋深内区间隧道最大地表沉降在39~45mm间，沉降值较大；大于12m埋深的区间隧道最大地表沉降都24~27mm间，沉降值较小；可见，埋深对地表沉降的影响较为显著。城市隧道合理埋置深度分析 15（埋深9m）试验初始加载0.04MPa，五级加载，各级荷载增量为0.02MPa，最终加载值为0.12MPa。加载过程中，隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析 16（埋深15m）试验初始加载0.02MPa，九级加载，各级荷载增量0.02MPa，最终加载值0.18MPa，围岩破坏发展稳定。隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析 17（埋深20m）初始加载0.04MPa，十级加载，一~八级各级荷载增量0.02MPa，九~十级荷载增量0.04MPa，最终加载值0.24MPa，隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析 18试验结果——地层变形规律埋深9m工况下各级荷载下的沉降槽埋深15m工况下各级荷载下的沉降槽埋深20m工况下各级荷载下的沉降槽埋深较小时，洞室上方20cm监测位置处沉降值大，埋深较大的隧道工况下，其地层沉降值较小。对比埋深15m和埋深20m工况的试验结果，说明埋深的增大，有效地减小了围岩变形的发展。城市隧道合理埋置深度分析 19北京地铁区间隧道的标准断面图分析模型局部网格图数值分析：六、城市隧道合理埋置深度分析 地层变形发展规律与埋深的关系最大地表沉降值与埋深的关系数值分析结果——地层变形与埋深的关系城市隧道合理埋置深度分析 城市隧道合理埋深确定——针对北京地层标准区间隧道断面：从最大地表沉降值计算结果看，采取合理支护措施，隧道覆土厚度达到12m~15m时，才能将地表沉降控制20~25mm内；隧道覆土厚度需达到20m时，才能将地表沉降控制在15mm内。地中沉降曲线拐点位置（距洞顶距离）随隧道埋深增大而增大，当埋深达到20m后，拐点位置变化不大，基本位于洞顶上方10m处。城市隧道合理埋置深度分析 洞室开挖后形成的围岩塑性区分为两个区域，一部分是地表附近的塑性区，一部分是洞室周围的塑性区。埋深9m的塑性区分布图埋深12m的塑性区分布图埋深15m的塑性区分布图埋深20m的塑性区分布图埋深25m的塑性区分布图埋深30m的塑性区分布图数值分析——地层破坏区与埋深的关系城市隧道合理埋置深度分析 当埋深达到9m时，埋深工况下洞周塑性区与地表附近塑性区完全贯通，无法形成稳定的承载拱结构，施工过程中处理不当易造成地面塌陷事故；当埋深达到12m时，洞顶上方塑性区没有完全与地表附近的塑性区连通，因此塑性区外圈与弹性区中应力升高部分合在一起共同形成了有效的承载拱结构，但拱肩部位的塑性区与地表塑性区连通；当埋深达到15m时，洞室周边塑性区与地表塑性区不产生连通，隧道上方地层形成了稳定的承载拱结构。数值分析结果——地层破坏区与埋深的关系城市隧道合理埋置深度分析 随隧道开挖，上覆地层的变形逐渐向上发展，形成多个压力拱式结构，但当地层厚度满足一定条件时可形成一个较为稳定的压力拱结构。该结构的位置及稳定条件因地层不同而出现变化，但与隧道的跨度显著相关，一般为隧道跨度的1.2~1.3倍。该值应为隧道埋深的最小厚度，当覆土小于此厚度值时则存在地面坍塌等较大的安全风险。通过对其结构稳定性的分析来确定结构拱顶上方的地层承力厚度，同时考虑地面附加动荷载影响系数，这样即可确定出合理的隧道埋深。24城市隧道合理埋置深度分析（1）隧道上覆拱结构的稳定性 （2）隧道上覆地层变形的传播和衰减隧道开挖首先引起周围地层的变形，进而向周边传递，直到地表。在其传递过程中变形量通常逐渐衰减，由不同埋深条件下隧道拱顶至地表的沉降衰减变化规律可见，随隧道埋深的增大地表沉降量逐渐变小，当覆土厚度H达到25m以后则地表沉降量趋于稳定，当然，隧道跨度变化后这一结论会有所改变。25城市隧道合理埋置深度分析 （3）隧道围岩与地层的破坏区分布受隧道施工过程中应力释放的影响，周边围岩中首先出现塑性破坏区并扩展到一定范围达到相对稳定，其塑性区大小取决于地层条件及隧道尺度、开挖方法等；同时地表沉降槽也会形成一定的分布形式，通常在隧道上方一定范围内形成断裂破坏区。上述两破坏区的沟通则常常造成安全事故，因此，两破坏区之间隔离层的厚度及稳定性成为合理埋深确定的重要条件，对于具体的地层和地下工程条件可据此确定允许的合理埋深。综合以上几个方面的分析，同时考虑到地铁列车振动在地层中的传播特点和衰减规律及其对隧道服役期间的环境影响，可最终确定出满足诸多方面要求的隧道合理埋深值。26城市隧道合理埋置深度分析 27不考虑渗流作用时数值分析法得到的塑性区和位移分布图如下图所示。可以看出，隧道开挖后，围岩塑性区集中在隧道洞周以及开挖面前方约2.5m（0.4倍洞径）区域，开挖面发生了较大的挤出变形，最大变形量为10.1mm。(a)模型塑性区(b)开挖面位移等值线（单位：mm）城市隧道合理埋置深度分析 28考虑渗流后，如果不在开挖面施加正面支护力开挖面不能自稳。在开挖面施加支护压力后，隧道开挖面仍发生了较大的挤出变形，最大达到32.6mm，考虑渗流作用后，开挖面前方变形影响范围明显增大。(a)开挖面地层位移矢量(b)开挖面位移等值线（mm）考虑渗流作用数值模型位移分布（正面支护力0.12MPa)）城市隧道合理埋置深度分析 29地层变形与结构的动态作用关系 30地层与结构的动态作用关系 31地层与结构的动态作用关系 32地铁隧道施工穿越既有桩基 33隧道-土体-桩基-上部结构之间的相互作用关系地铁隧道施工穿越既有桩基 34桩基影响因素划分为外部因素和内部因素外部因素内部因素(1)土体的影响(1)桩基几何尺寸a.土体力学参数改变(2)桩基截面性质b.桩土之间相对位移及桩端沉降(3)桩身材料强度c.桩土接触面性质改变(4)桩身的完整性(2)桩顶荷载的影响(3)地下水的影响地铁隧道施工穿越既有桩基 35桩端和桩侧摩阻力的分布地铁隧道施工穿越既有桩基 36地层变形与桩基的相互作用地铁隧道施工穿越既有桩基 37地铁隧道施工穿越既有桩基 38在上述桩基与土体相互作用和已有桩基破坏模式研究基础上，通常认为在地层竖向变形影响下桩基变形主要表现为沉降或隆起。桩基竖向变形模式主要为整体沉降或隆起，但当桩端承载条件发生较大的变化时，桩基达到极限平衡状态而发生滑动破坏；如隧道从桩基底部穿过，可能造成桩底土体滑动破坏。地层竖向变形影响下桩基变形模式地铁隧道施工穿越既有桩基 39地层竖向变形影响下桩基变形模式桩端土体处于极限平衡状态桩端土体发生滑动地铁隧道施工穿越既有桩基 40滑动圆弧经过A点滑动圆弧经过C点<时，土体不会产生滑动地层竖向变形影响下桩基变形模式地铁隧道施工穿越既有桩基 41地层水平变形影响下桩基变形模式同样地根据桩土相互作用原理，在地层水平变形影响下桩基变形模式主要表现为弯曲或倾斜。根据不同地层变形模式中，桩基与土体可能出现的不同接触状况，将桩基水平变形计算简化为以下三种模型：（1）竖向弹性地基梁；（2）超静定梁；（3）压杆失稳。地铁隧道施工穿越既有桩基 42地层水平变形影响下桩基变形模式竖向弹性地基梁模型桩基初始平衡状态地层受到扰动后桩基的变形状态等效为竖向弹性地基梁地铁隧道施工穿越既有桩基 43超静定梁模型由于桩基与地层刚度的差异，当地层发生较大的曲线型变形而桩基的挠度较小时或地层在桩基附近出现局部的隔离层，将在桩基侧面与地层之间形成局部脱离区，此时，桩基成为两端或局部具有弹性约束的超静定梁。压杆失稳模式对于细长桩，由于上部结构抗弯度大，可假设桩基础为上端水平移动而不能转动,下端为固定弹性的压杆。地铁隧道施工穿越既有桩基 44地层变形影响下桩基承载力及变形分析地层变形对不同位置桩基的影响分析地层变形对不同长度的桩基影响分析地层变形对不同受力特性桩基的影响分析地铁隧道施工穿越既有桩基 45地层变形对不同位置桩基的影响分析桩端位于隧道影响线之外桩端位于隧道影响线之内隧道下穿桩基桩端位于隧道影响线之内桩端位于隧道影响线之外隧道侧穿桩基地铁隧道施工穿越既有桩基 46地层变形对不同长度的桩基影响分析地铁隧道施工穿越既有桩基 47地层变形对不同受力特性桩基的影响分析（1）以摩擦力为主的桩基该类桩基易受地层整体变形的影响，沿桩身范围内桩侧阻力发生变化，严重时会出现负摩阻力，导致桩基承载力降低。（2）以端承力为主的桩基此类桩基易受抽冒式地层变形影响，桩端阻力迅速降低，桩基出现较大竖向位移。（3）摩擦力和端承力同时发挥作用的情况该类桩易受抽冒式地层变形影响，桩侧可能出现负摩阻力，桩身轴力加大，使桩基承载力降低，桩端易出现失稳。地铁隧道施工穿越既有桩基