寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估

'寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估内容提要：哈尔滨地铁一号线二期工程哈尔滨南站站～哈达站区间连续近距离下穿哈尔滨南站9座铁路编组桥，施工技术难度大、风险高，社会影响大。施工前对铁路安全风险进行了评估，多次组织专家对浅埋暗挖法下穿铁路桥施工方案进行了论证，施工中严格按专项方案进行施工，确保了施工及铁路桥运营安全。本文重点对隧道下穿桥梁时施工安全风险评估过程进行了介绍。关键词：浅埋软塑粘土地铁隧道连续下穿铁路桥风险评估1.工程概况哈尔滨市轨道交通一号线哈尔滨南站站～哈达站区间在SK0+383.882～SK0+693.077（长度309.195m）、XK0+387.605～XK0+697.347（长度309.742m）段下穿哈尔滨南站1～9号铁路桥，其中1～8号桥为框构桥，无桩基，隧道拱顶与框构底部距离为1.74～8.24m；4、5号桥扩建部分及9号桥为桩基桥（4、5号扩建桥为∅1500挖孔桩基础，9号桥为∅1000挖孔桩基础），下行线隧道距离4、5号桥桥桩基最近处0.815m；9号桥王方桥台距离下行线最近1.3m。上下行线线间距13.5m，净距7.3m，上行线上方地表为学府路主道，下行线地表为学府路辅道，下行线靠近哈南编组站一侧。区间埋深8～13米，隧道主要穿越粉质粘土层。图1南农区间与哈南站铁路桥关系图2区间隧道与铁路框构桥关系断面图第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估表1铁路框构桥底部与隧道顶距离桥梁编号12345678框构桥底部最深处距离隧道顶距离(m)1.741.82.283.634.083.766.38.242.隧道施工风险机理及评估由于城市建设的迅速发展，导致建筑物越来越密集，在城市地铁修建过程中不可避免要从一些既有建筑物下方穿过，同时由于隧道施工风险的复杂性、风险事件的多发性以及后果的严重性，使得它已成为当今世界诸多学者研究的热点和难点。图3隧道施工现场发生安全事故原因由图3可知：隧道施工风险的发生主要是由设计失误引起的，其中施工缺陷也占有一定的比例。这是因为隧道及地下工程本身就有其不可预知性，简单的地质钻孔并不能真实反映出整个地貌的实际情况，因此需在施工过程中，需对地质情况进行进一步的勘测，来弥补施工图中的不足。2.1风险发生原因风险是不确定活动或事件所造成的，而活动或事件的确定或不确定是由信息的完备与否决定的，即风险是由于人们无法充分认识客观事物及其未来的发展变化而引起的。引起隧道工程风险的原因既有内在的因素又有外在的因素，主要有以下几方面的原因：（1）人们对客观事物认识的局限性；（2）信息本身的滞后性；（3）隧道所处地区的地质水文条件；（4）隧道施工过程中的不确定因素。2.2风险发生机制图4隧道施工风险机理第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估2.3风险评估风险评估是对存在于施工风险因素和风险事件进行分析和等级评定。风险评价方法主要有]：专家调查打分法、范例推理、风险矩阵法、模糊数学法、层次分析法、风险树分析法（RTA或ETA）、肯特法、蒙特卡罗法、敏感性分析、可拓法等。2.3隧道下穿铁路桥试验段风险评估本章分别采用肯特指数法和模糊数学法对哈尔滨地铁工程的施工进行风险评估，并对比两种分析方法的评估结果。2.3.1肯特指数评估法1）肯特指数评估法的原理肯特指数法评价隧道近接建筑物施工风险的流程如图7.3所示。图5隧道邻近结构物肯特指数法评价流程（1）隧道指数影响隧道指数的因素主要有隧道断面几何尺寸、隧道埋深、施工技术水平、施工方法、工期影响、外界环境等，具体指数如表2所示。表2隧道指数因素权重取值评分跨度0.1<5m1~35~9m3~69~15m6~8>15m8~10埋深0.1>45m1~330~45m3~615~30m6~8<15m8~10施工方法0.35双侧壁导坑10~15CRD法15~20CD法20~25台阶法25~30第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估全断面法30~35施工技术水平0.35优秀10~15良好15~20一般20~25较差25~30劣质30~35工期影响0.05宽松1一般2紧张3抢工期5外界环境0.05很好1良好2一般3差4恶劣5（2）地层指数影响地层指数的因素见表3。表3地层指数围岩分级分级说明取值Ⅰ围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆25Ⅱ暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定25~40Ⅲ拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌40~55Ⅳ拱部无支护时可产生较大坍塌，侧壁有时失去稳定55~75Ⅴ围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉或塌至地表70~85Ⅵ围岩极易坍塌变形，有水时土砂与水一齐涌出；浅埋时易塌至地表85~100（3）邻近结构物指数影响桥梁的主要因素见表4。表4桥梁指数因素权重取值评分基础类型0.2桩基础0~10扩大基础5~20结构形式0.3简支梁结构0~20连续梁结构10~30完损现状0.3完好9~15基本完好15~21一般损坏21~24第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估严重损坏24~30桥梁基础与隧道埋深0.2隧道底板以下2m2~6隧道顶板以下5D6~10隧道顶板以上3D~5D10~14隧道顶板以上1D~3D14~16隧道顶板以上1D~隧道底板以下2m16~20注：D为隧道等效直径。（4）影响系数MS影响系数MS由邻近结构物与隧道的位置关系影响系数S1和邻近结构物的重要度影响系数S2共同决定，影响系数S1、S2分别见表5和表6。表5影响系数S1平面邻近程度级别说明影响系数S1非邻近大于2倍H的区域0.1较邻近以隧道轴线为中心，两侧各1.5H~2H范围内0.3邻近以隧道轴线为中心线，两侧各1H~1.5H范围内0.8极邻近以隧道轴线为中心线，两侧各1H范围内1注：H为隧道埋深。表6影响系数S2建筑物重要程度级别说明影响系数S2不重要结构破坏后果忽略0.1一般结构破坏会引起一般的后果0.3重要结构破坏会引起重要的后果0.8非常重要结构破坏会引起灾难性的后果1（5）综合指数TS综合考虑隧道指数、地层指数以及邻近结构物指数，得到基础指数，即（2-1）在此基础上对其进行影响系数的修正，即可得隧道风险综合指数TS，即（2-2）（6）风险分级根据以上的分析结果，对隧道施工所引起的环境风险进行评估，将隧道施工的风险等级化分为4个级别，如表7所示。表7隧道施工风险等级TS风险等级<250低度250~400中度400~550高度>550极高2）隧道风险评估采用肯特指数法对隧道施工风险进行评估的步骤为：第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估第一步，根据表2中所列因素，结合哈尔滨地铁工程的实际情况，依次对隧道跨度、埋深、施工方法、施工技术水平、工期的影响、外界环境等进行评分，进而求得隧道指数为66。第二步，根据表3所描述的围岩分级情况，确定哈尔滨地铁所处围岩等级为Ⅱ级，地层指数为40。第三步，根据表4所列因素，依次对隧道上部桥梁的基础类型、结构形式、完损现状及桥梁基础与隧道埋深进行评分，求得桥梁指数为66。第四步，根据表5所描述，铁路桥处在隧道两侧1H范围内，属于极邻近建筑物，因此影响系数S1为1；根据表6所描述，铁路桥的结构一旦破坏将会引起灾难性的后果，因此影响系数S2为1。由此可得隧道施工影响系数MS为1。第五步，据公式（2-1）、公式（2-2）求出风险综合指数TS为174。将以上结果汇总，列于表8中。表8隧道下穿铁路桥施工风险肯特法评估结果综合指数/分各指数/分因素实际情况分值/分TS=174隧道指数F1=66隧道跨度5.1m6隧道埋深10m10施工方法CRD法20施工技术一般25工期紧张3外界环境良好2地层指数F2=40围岩级别Ⅱ40桥梁指数F3=66基础类型桩基础10结构形式简支梁结构20完损现状基本完好20桥梁基础埋深与隧道埋深2D16影响指数MS=1邻近结构物与隧道的位置关系影响系数S1极邻近1邻近结构物的重要度影响系数S2非常重要1由表8可知，隧道施工风险综合指数TS=174，结合表7可以判断哈尔滨地铁隧道下穿铁路桥的风险等级为低度风险。2.3.2模糊数学评估法1模糊数学法基本原理利用模糊数学的方法对隧道施工风险进行评估，是在上述肯特法评估模型的基础上，结合模糊数学理论，在考虑风险发生概率和风险损失的情况下对隧道邻近建筑物施工的风险进行评估。1965年美国学者Zadeh第一次提出了模糊评价法，即利用模糊集理论对工程项目的风险进行评价。隶属度函数可定义为：设为模糊论域，到[0,1]区间的任一映射都可以确定的一个模糊子集A。（1）模糊隶属函数的选取第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估1979年Baldwin首先提出采用“接近于”隶属度函数来描述专家对估计值的确信程度，2002年Hyo-NamCho对其做了改进，见式（7-3）（2-3）式中：n—取4、2、1、0.5和0.25，分别描述为“极接近（VVC）”、“非常接近（VC）”、“接近（C）”、“有点接近（FC）”、“略接近（FFC）”；u—隶属度函数曲线的横坐标，令；a—根据专家的经验以及相关工程实例，估计某一风险事件发生的概率和损失，如0.3，令，则得。描述接近0.3的隶属度函数曲线如图6所示。图6模糊隶属度曲线（2）风险评估根据相关的工程实例、专家的主观判断，利用隶属度函数对工程风险的发生概率、发生后果的损失进行预估。专家的主观判断受风险事件的复杂程度、专家自身受教育的程度和经验等的影响，而概率参数估计效果则主要与数据的可靠性、完整性和概率分析方法的适用性有关。根据表9所列各项能够判断出专家确信度的描述类型，然后由图6中选择适合的隶属度函数曲线，若置信水平为，则模糊估计的最大值和最小值即为隶属度曲线与直线f(u)=的两个交点的横坐。表9专家估值确信程度的判断准则来自主观判断的不确定性来自概率参数估计的不确定性对专家估值的确信程度的描述工程的复杂性对结果的影响专家受教育程度及经验对结果的影响数据的可靠性及充分性对结果的影响数据分析方法的适用性对结果的影响很小很小很小很小VC很小小很小小小很小小很小很小一般很小一般VC一般很小一般很小小小小小小一般小一般C第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估一般小一般小很小大很小大大很小大很小一般一般一般一般FC小大小大大小大小一般大一般大FFC大一般大一般大大大大风险度r是风险事件发生的概率和风险发生的损失的组合，即（2-4）（2-5）（2-6）式中：为发生第i个风险事件的概率；为发生第i个风险事件的权重；为发生第j个风险事件的损失；为发生第j个风险事件损失的权重。风险度r的模糊区间为，其中（2-7）（2-8）对于同一个风险事件进行评价时，需多个专家同时对这一风险事件作出评估，再综合考虑分析各个专家的估计结果，确定专家自身的权重，根据式（2-9）计算风险事件。（2-9）式中：为专家对第个风险事件的评价；为第个专家评价第个风险事件时的权重，其中；—第个专家对第个风险事件的评价结果。（3）风险评价等级风险事件概率等级、损失等级和风险评价等级见表10-12。表10风险评价等级概率损失风险评价描述估值描述估值风险度等级频繁发生0.9灾难性0.9[0.95,1)极高可能发生0.7非常严重的0.7[0.8,0.95)高度偶尔发生0.5严重的0.5[0.5,0.8)中度很少发生0.3较大的0.3[0,0.5)低度不可能0.1轻微的0.12）隧道风险分析第9页共9页 寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估采用模糊数学的方法对隧道施工风险进行评估的具体步骤为：第一步，风险的辨识，对施工过程中的自然因素、事故因素、环境因素、施工本身的因素等进行综合分析，并列于表11和表12中。第二步，采用专家调查法对隧道下穿铁路桥施工的风险发生的概率及损失进行预估。当多个专家对该工程的风险进行评估时，应对多个专家的预估结果进行综合分析确定专家的权重。并根据式（2-9）计算出事故发生的概率和损失及其相应的权重，由此得到事故发生的概率和损失及相应的权重如表11和表12所示。表11事故发生概率、范围及权重风险事故权重确信程度概率估值概率范围渗漏或局部失稳0.2C0.34[0.272,0.414]洞内变形过大0.2FC0.2[0.128,0.29]拱底隆起0.2VVC0.25[0.236,0.264]掌子面附近土体滑坡0.2VC0.26[0.233,0.289]地表建筑物破坏0.2C0.3[0.24,0.365]表12事故发生损失估值、范围及权重风险损失权重确信程度损失估计值模糊损失范围经济损失0.25VC0.35[0.313,0.388]工期损失0.25C0.25[0.200,0.306]人员伤亡0.25FC0.27[0.173,0.387]环境损失0.25C0.7[0.560,0.817]第三步，根据表2.8中所列各项确定专家预估值的确信度。第四步，取置信水平，则模糊区间的最大值与最小值分别为直线与隶属度函数的两个交点的横坐标。如风险事故“渗漏或局部失稳”，求出“接近（C）0.3”曲线与两个交点的横坐标，即为该风险事故生的概率范围[0.272，0.414]，用同样的方法可以求出其他几项风险事故发生的概率范围以及其损失范围，如表11和表12所示。第五步，由式（2-5）和表11可得隧道施工期间事故发生概况的估计值Pf=0.27和事故发生概率的模糊区间[0.222,0.324]；由式（2-6）和表12可得事故损失的估计值Cf=0.3925和损失的模糊区间[0.312,0.475]。第六步，将所求的Pf和Cf及其相应的区间带入式（2-7）、（2-8）、（2-9）得风险度r=0.557，风险度的模糊区间为[0.465，0.645]。哈尔滨地铁下穿铁路桥施工的总体风险度为0.557，当置信水平为0.8时，其风险范围是[0.465，0.645]。根据表10可知，该工程施工风险评估结果为中度风险。4.结束语哈尔滨地铁下穿铁路桥施工风险等级由模糊数学评估的结果为中度风险，这比肯特法评估结果高一个风险等级，但评价结果范围的一部分仍落在低度风险中，所以两种方法评估结果整体上还是一致的。第9页共9页'