盧春林

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州 310000)

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淺埋暗挖隧道穿越既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

盧春林

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:隧道工程建設(shè)規(guī)模大，施工期間的不確定因素多，工程中災(zāi)害事故會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)影響，風(fēng)險(xiǎn)管理理念越來(lái)越多的應(yīng)用于隧道工程建設(shè)中。由于事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有限性以及工程自身的差異性，事故真實(shí)概率難以獲取，導(dǎo)致當(dāng)前定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可操作性較差，通過(guò)對(duì)Kent法思想進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，構(gòu)建改進(jìn)Kent法隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并提出“施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI”的概念，用其表征隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的多元考慮具有重要意義。以杭州紫之隧道沿山河段穿越橋梁施工為實(shí)例，運(yùn)用改進(jìn)Kent法模型對(duì)其施工風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示其風(fēng)險(xiǎn)水平為2級(jí)。數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均顯示樁基變形穩(wěn)定，無(wú)異常變形，隧道穿越橋梁施工過(guò)程中橋梁安全狀況良好，施工風(fēng)險(xiǎn)水平較低，與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了運(yùn)用改進(jìn)Kent法模型對(duì)隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：隧道工程；淺埋暗挖；下穿橋梁施工；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)

隧道工程所具有的投資額度大、施工工期長(zhǎng)、施工技術(shù)復(fù)雜、周邊環(huán)境不確定性因素多等特點(diǎn)，使其成為一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)工程。在城市交通建設(shè)過(guò)程中，淺埋暗挖隧道施工的情況越來(lái)越普遍。隨著城市建設(shè)不斷加快，地上結(jié)構(gòu)物越來(lái)越多，隧道施工難以避免地要穿越既有橋梁。隧道下穿既有橋梁施工，地層原有的平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生地層位移，若地層位移過(guò)大，將影響橋梁的安全使用，甚至造成橋梁垮塌，威脅人民生命及財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。如果在施工前能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或者在施工中能夠準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)狀況，并找出影響橋梁變形的關(guān)鍵因素，就能采取針對(duì)性措施來(lái)保證其安全。因此，對(duì)隧道施工穿越既有橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行研究具有很大的理論意義和工程價(jià)值。近年來(lái)，風(fēng)險(xiǎn)管理在隧道工程實(shí)踐中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和研究成果。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：由于隧道工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素、影響范圍、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，用概率方法研究隧道工程風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)，很難判斷一個(gè)人為的概率分布假設(shè)是否合適，而且經(jīng)常會(huì)遇到小樣本問(wèn)題，要想獲得事故發(fā)生概率的精確關(guān)系是一項(xiàng)困難的工作[4-6]。Kent[7]在管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)用了指數(shù)法(本文將該方法稱為Kent法)，他認(rèn)為管道事故是無(wú)法精確預(yù)測(cè)的，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不需要按照概率理論進(jìn)行精確計(jì)算，主要原因是精確計(jì)算所需樣本量不夠，并且計(jì)算過(guò)程中使用了大量的假設(shè)條件，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的不準(zhǔn)確性和不可靠信。Kent法在風(fēng)險(xiǎn)打分方法上越過(guò)了定量評(píng)估中的實(shí)際概率打分，且Kent法中的指數(shù)包含了概率的因素，又不拘泥于確切的概率，具有比較好的說(shuō)服力。本文借鑒Kent法的思想，對(duì)Kent法中的指數(shù)及其評(píng)估模型進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于隧道工程災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以杭州某隧道穿越既有橋梁為實(shí)例進(jìn)行評(píng)估，為日后類似工程風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估提供參考。

1基于改進(jìn)Kent法的隧道穿越既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.1Kent法的改進(jìn)

Kent法沒(méi)有回避主觀因素在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要作用，并且通過(guò)采取一系列可行措施降低主觀因素帶來(lái)的不利影響，這種思想值得借鑒到隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[8]。

然而Kent法也有其局限性，肯特指數(shù)法在風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程中假定因素之間是獨(dú)立不相關(guān)或者相關(guān)性很小不予考慮的，當(dāng)分析對(duì)象不同時(shí)這種獨(dú)立性假設(shè)可能會(huì)有不成立的情況存在[9]。并且管道風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，比如就管道風(fēng)險(xiǎn)事故來(lái)說(shuō)，根本上就是管道的破裂，而對(duì)于其他領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)，比如隧道工程施工中常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事故就有坍塌、地表沉降過(guò)大等，而且這些事故之間具有很大的相關(guān)性，完全套用Kent法進(jìn)行評(píng)估難以達(dá)到控制施工安全的作用，Kent法者要應(yīng)用于隧道工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，必須進(jìn)行改進(jìn)。

下面針對(duì)肯特指數(shù)法在隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)用提出幾點(diǎn)基本想法：一是在確定權(quán)重和因子取值的時(shí)候，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的研究成果及方法；二是建立適合于隧道工程安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，在Kent法中指數(shù)和相當(dāng)于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率程度，其求取方法就是各指數(shù)之和，在隧道工程施工中，由于地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工錯(cuò)綜復(fù)雜的交叉影響關(guān)系，利用簡(jiǎn)單的指數(shù)之和的計(jì)算難以體現(xiàn)評(píng)估的效果。

1.2改進(jìn)Kent法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的構(gòu)建

通過(guò)對(duì)隧道穿越既有橋梁施工致災(zāi)機(jī)理的分析與研究，可知造成事故的風(fēng)險(xiǎn)因子主要有3個(gè)：隧道、地層和鄰近結(jié)構(gòu)物自身(橋梁)。為使隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最終有一個(gè)量化的綜合評(píng)估結(jié)果，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)給出定量具體的描述，能使人們真切實(shí)在地把握其風(fēng)險(xiǎn)水平，本文借鑒Kent法思想，并對(duì)其優(yōu)化改進(jìn)，規(guī)避其缺陷，提出了“施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用CRCI來(lái)表征隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)水平。

CRCI=0.01λsCBRI=

(1)

改進(jìn)Kent法按照以下4個(gè)步驟對(duì)淺埋暗挖隧道施工穿越既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估(圖1)：

1)依據(jù)相關(guān)規(guī)范，運(yùn)用定量分析(數(shù)值計(jì)算)和定性分析(經(jīng)驗(yàn)調(diào)查)等方法給隧道指數(shù)δ1，地層指數(shù)δ2和鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)δ3賦值。

2)分析隧道施工過(guò)程中的施工技術(shù)水平、監(jiān)控水平和工期要求，確定工藝影響系數(shù)λt；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定鄰近結(jié)構(gòu)物重要性系數(shù)λc及位置系數(shù)λp。

3)計(jì)算得出施工風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)指數(shù)CRBI。

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用的變形控制措施，給出安全補(bǔ)償系數(shù)λs，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)指數(shù)進(jìn)行修正得到施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI，確定最終的風(fēng)險(xiǎn)水平。

圖1　改進(jìn)Kent法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程Fig.1 Risk assessment process of improve Kent method

1.3模型因子的確定

1.3.1隧道指數(shù)δ1

影響隧道指數(shù)的因素主要有跨度和埋深，此處選用覆跨比(H/B)來(lái)綜合考慮跨度和埋深因素，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將不同形狀的隧道跨度均按照等效原則將其折算為直徑B。本文采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS模擬不同覆跨比下隧道開(kāi)挖，考慮到模型邊界效應(yīng)，模型尺寸取為：100m×80m，土層參數(shù)如表1所示，計(jì)算中隧道直徑取為7.0m，覆跨比分別取H/B=1.5，2.0 ，2.5，3.0，3.5和4.0。模型邊界條件為：模型上表面自由邊界；左右兩側(cè)為活動(dòng)鉸支座，限制水平向位移；模型底面為固定支座，限制水平位移和豎向位移。分析時(shí)，為計(jì)算簡(jiǎn)便采用二維模型，圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，全斷面開(kāi)挖，模型如圖2所示。

表1　圍巖參數(shù)取值

圖2　數(shù)值計(jì)算模型圖Fig.2 Numerical calculation model

圖3是單孔隧道在不同覆跨比(H/B)隧道開(kāi)挖引起的最大地表沉降(umax)曲線及其斜率曲線。從圖中分析可知：隨著H/B值的增大，最大地表沉降(umax)減小，表明最大地表沉降與覆跨比之間存在反比關(guān)系。并且，當(dāng)覆跨比H/B?2.25時(shí)，最大地表沉降曲線斜率較大，且最大地表沉降較大，表明在此覆跨比條件下隧道開(kāi)挖對(duì)地表影響較大；當(dāng)覆跨比H/B3.5時(shí)，最大地表沉降曲線斜率趨于0，且最大地表沉降較小，表明在此覆跨比條件下圍巖具有良好的成拱能力，隧道開(kāi)挖對(duì)地表影響較小。根據(jù)以上分析，隧道指數(shù)δ1按以下方式進(jìn)行取值，如表2所示。

圖3　最大地表沉降與覆跨比關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between maximum ground surface settlement and H/B

覆跨比H/Bδ1H/B?2.2550?δ1?702.25

注：H/B在區(qū)間內(nèi)時(shí)，δ1取值按線性插值得到。

1.3.2地層指數(shù)δ2

地層作為隧道開(kāi)挖影響的傳播介質(zhì)，地層條件的好壞很大程度上決定鄰近建筑物受影響的范圍和程度，良好的地層條件更有利于降低鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)。參考《規(guī)范》，地層指數(shù)按表3進(jìn)行取值。

1.3.3鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)δ3

鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)δ3即為橋梁指數(shù)，影響橋梁的主要因素為上部結(jié)構(gòu)形式ξ1,基礎(chǔ)類型ξ2,基礎(chǔ)埋深ξ3，完損現(xiàn)狀ξ4，鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)δ3按式(2)進(jìn)行計(jì)算，其中ωi為各因素權(quán)重，式中各因子取值方法如表4所示。

(2)

1.3.4工藝影響系數(shù)λt

工藝影響系數(shù)λt是表示施工技術(shù)水平，監(jiān)控水平和工期等影響因素對(duì)隧道穿越橋梁施工危險(xiǎn)水平的影響程度。由于受人為因素的影響，對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行定量的計(jì)算比較困，在此，將3項(xiàng)綜合為工藝影響系數(shù)，用它對(duì)隧道指數(shù)與地層指數(shù)之和進(jìn)行調(diào)整，使評(píng)價(jià)體系更為合理。見(jiàn)表5所示。

表3　地層指數(shù)δ2

表4　鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)δ3

表5　工藝影響系數(shù)λt

1.3.5位置系數(shù)λp

目前，對(duì)隧道施工影響區(qū)域的劃分還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但基本原則是：建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)底部向下臥層地基土擴(kuò)散附加應(yīng)力的有效范圍應(yīng)離開(kāi)隧道周圍和上方土體受擾動(dòng)后的塑性區(qū)，以防止塑性區(qū)土體的施工沉降和后期固結(jié)沉降引起建(構(gòu))筑物不能承受的差異沉降。

文獻(xiàn)[10]提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法：假定基底壓力按45°向下擴(kuò)散，影響范圍邊線定在隧道擾動(dòng)區(qū)外，并認(rèn)為隧道擾動(dòng)區(qū)為2R(R為隧道半徑)。隧道施工的影響范圍劃分如圖4所示。其中，C區(qū)為不受影響區(qū)域，而A和B區(qū)為受影響區(qū)域。且一般A區(qū)需采取托換、加固等措施來(lái)保證安全；B區(qū)的建(構(gòu))筑物會(huì)受到影響，但一般不會(huì)對(duì)安全和正常使用造成影響。通過(guò)以上分析，位置系數(shù)λp按以下方式進(jìn)行取值，如表6所示。

圖4　隧道施工的影響范圍劃分Fig.4 Partition of tunnel construction influence

橋梁與隧道位置關(guān)系λpA區(qū)0.8B區(qū)0.9C區(qū)1.0

1.3.6結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)λc

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)λc表示橋梁在歷史意義、社會(huì)功能和藝術(shù)價(jià)值等方面的重要性程度，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定對(duì)橋梁重要性系數(shù)的設(shè)定，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果嚴(yán)重程度劃分為3個(gè)等級(jí)，如表7所示。

表7　結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)λc

1.3.7安全補(bǔ)償系數(shù)λs

安全補(bǔ)償系數(shù)λs指通過(guò)有效的變形控制措施使承災(zāi)體(橋梁)減少受破壞的程度。對(duì)于距離隧道很近、受到施工強(qiáng)烈影響的樁基，僅通過(guò)優(yōu)化開(kāi)挖方法、調(diào)整施工工藝、提高支護(hù)強(qiáng)度己不能滿足安全控制要求的情況，就必須采取有效的工程措施先加固鄰近橋梁，后進(jìn)行開(kāi)挖施工作業(yè)。安全補(bǔ)償主要通過(guò)土體加固、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、基礎(chǔ)托換、施工影響隔離等方法來(lái)降低施工風(fēng)險(xiǎn)水平，安全補(bǔ)償系數(shù)λs取值見(jiàn)表8。

表8　安全補(bǔ)償系數(shù)λs

注：具體取值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果而定。

1.4風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI表征的是隧道穿越既有橋梁施工的綜合風(fēng)險(xiǎn)水平，通過(guò)對(duì)CRCI與各風(fēng)險(xiǎn)因子間相關(guān)性、敏感性進(jìn)行分析，本文建議CRCI的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如表9所示。

表9　建議CRCI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

2實(shí)例應(yīng)用研究

2.1工程概況

在建杭州紫之隧道為大跨淺埋暗挖雙線隧道，采用CRD法施工，單洞限寬10.0m=0.75m(右側(cè)檢修道)+0.5m(路緣帶)+3.75m(機(jī)動(dòng)車道)+3.5m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5m(路緣帶)+1.0m(左側(cè)檢修道)。隧道東西兩線在沿山河段同時(shí)下穿沿山河橋，隧道東西兩線與橋梁平面位置關(guān)系如圖5所示，橋梁采用Φ1 000mm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，隧道距離最近樁基僅2.3m。橋梁樁基與隧道剖面關(guān)系如圖6所示，暗挖隧道拱頂距離河底僅為9.30m。

圖5　暗挖隧道東西線與橋梁平面位置關(guān)系Fig.5 Plane position relationship between tunnel and bridge

圖6　橋梁樁基與隧道剖面關(guān)系Fig.6 Pile foundation and tunnel’s location relations

下穿橋梁施工段隧道上覆地層主要為粉質(zhì)黏土混碎石，如圖7所示。暗挖隧道東西兩線緊鄰橋梁樁基施工，不可避免的擾動(dòng)周圍土體產(chǎn)生地層變形，地層變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降，影響橋梁的安全使用，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。下穿橋梁施工段為隧道施工關(guān)鍵工程節(jié)點(diǎn)，為確保隧道開(kāi)挖過(guò)程中近鄰橋梁的安全，在橋樁與隧道之間布置2排直徑Φ800高壓旋噴樁(如圖8所示)，以隔離阻斷隧道施工引起的地層變形向橋樁傳播，保證橋樁的摩擦力不受損失，圖9為高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)施工照片。

圖7　下穿橋梁樁基隧道段地質(zhì)剖面圖Fig.7 Geological profile of the tunnel across pile foundation

圖8　隧道穿越橋梁施工變形控制措施(高壓旋噴樁)Fig.8 Deformation control measures

2.2隧道穿越既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

依照改進(jìn)Kent法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)杭州紫之隧道穿越沿山河橋施工的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如下：

杭州紫之隧道沿山河段隧道覆跨比H/B=2.52，故根據(jù)表2，隧道指數(shù)δ1=74.32。

沿山河段圍巖級(jí)別為V級(jí)，圍巖自穩(wěn)能力一般，參考表3，地層指數(shù)δ2= 70。

圖9　高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)施工照片F(xiàn)ig.9 Site construction photos of high pressure jet grouting pile

沿山河橋?yàn)檫B續(xù)梁橋，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深位于隧道底板以下。通過(guò)對(duì)沿山河橋進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，沿山河橋結(jié)構(gòu)整體狀況良好，除發(fā)現(xiàn)幾處墩、臺(tái)拱腳處泛白外，未有其他病害發(fā)現(xiàn)，經(jīng)綜合評(píng)定該橋完損現(xiàn)狀屬于完好狀態(tài)。參考表4，鄰近結(jié)構(gòu)物指數(shù)取值為：

95+0.4×90=93

工藝影響系數(shù)λt是表示施工技術(shù)水平、監(jiān)控水平和工期等影響因素對(duì)隧道穿越橋梁施工危險(xiǎn)水平的影響程度。下穿橋梁施工段為隧道施工關(guān)鍵工程節(jié)點(diǎn)，施工單位對(duì)其高度重視，投入了大量的人力和物力，故本工程工藝影響系數(shù)總分為0.6×95+0.3×95+0.1×90=94.5，參考表5，工藝影響系數(shù)λt=1.0。

沿山河段隧道緊鄰橋梁樁基施工，距離最近樁基僅2.3m，橋梁樁基位于A區(qū)，受隧道施工影響較大，由表6可知位置系數(shù)λp=0.8。

沿山河橋位于交通要道紫金港路，若其破壞對(duì)地面交通影響較大，且其毗鄰國(guó)家濕地公園西溪濕地，綜合考慮各因素確定沿山河橋結(jié)構(gòu)重要程度為2類，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)λc=0.9。

隧道穿越沿山河橋施工過(guò)程中，為確保橋梁安全，在橋樁與隧道之間布置2排直徑Φ800高壓旋噴樁，以隔離阻斷隧道施工引起的地層變形向橋樁傳播，保證橋樁的摩擦力不受損失，依據(jù)表8，本工程安全補(bǔ)償系數(shù)λs=1.0。

由式(1)計(jì)算可得，施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI=96.64。依據(jù)表9施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，最終確定杭州紫之隧道穿越沿山河橋施工的安全風(fēng)險(xiǎn)水平為2級(jí)，表明本工程在現(xiàn)有施工技術(shù)條件下風(fēng)險(xiǎn)水平較低，能有效保證橋梁的安全。

2.3評(píng)估結(jié)果有效性驗(yàn)證

2.3.1數(shù)值模擬

為驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的有效性，在施工穿越沿山河橋梁前，運(yùn)用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行三維仿真模擬，分析判斷沿山河橋梁的安全狀況。

1)計(jì)算模型的建立

土體和注漿加固區(qū)域的物理行為按Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則計(jì)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)和橋基的物理行為視為彈性材料。初期支護(hù)中的鋼筋及鋼拱架通過(guò)換算截面法修正密度及彈性模量來(lái)進(jìn)行考慮；圍巖材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探資料并參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)確定。樁土之間相互作用的接觸行為按有限滑動(dòng)接觸算法進(jìn)行考慮。由于隧道施工區(qū)域內(nèi)圍巖含水率較高，不能忽略水的作用，采用基于比奧固結(jié)理論的直接耦合方法進(jìn)行滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合計(jì)算[11]。具體模型見(jiàn)圖10所示。

圖10　局部模型圖Fig.10 Local model diagram

2)數(shù)值模擬結(jié)果分析

橋梁南北橋墩各兩排樁基，由北向南依次編號(hào)1～4；每排12根，自東向西依次編號(hào)1～12。選取隧道開(kāi)挖穿越橋樁后樁頂沉降進(jìn)行研究，如圖11所示。由圖11分析可知，受東西線隧道施工擾動(dòng)的影響，靠近隧道兩側(cè)樁基(1和12號(hào)樁基)沉降明顯大于內(nèi)側(cè)樁基，單排樁基樁頂沉降呈由兩側(cè)向中間遞減的分布規(guī)律，與實(shí)際情況相吻合。樁基最大沉降僅為9.9mm，發(fā)生在北側(cè)橋墩的西側(cè)樁基，表明橋梁不會(huì)因過(guò)大沉降變形而影響其正常使用。各墩樁間差異沉降分布規(guī)律與樁基沉降類似，也呈由兩側(cè)向中間遞減的趨勢(shì)，如圖12所示，各墩樁間差異沉降均較小，小于3mm，在隧道施工期間不可能因過(guò)大樁基差異沉降而使橋梁產(chǎn)生過(guò)大的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。

圖11　樁基沉降Fig.11 Pile foundation settlementFig

圖12　樁間差異沉降Fig.12 Differential settlement between pile

由于隧道施工對(duì)緊鄰樁基影響更大，此處選取南北橋墩東西最外側(cè)樁基(共8根)水平位移進(jìn)行研究，南北橋墩東側(cè)最外側(cè)樁基由北向南依次編號(hào)1～4，西側(cè)最外側(cè)樁基由北向南依次編號(hào)5～8，樁基水平位移如圖13所示。由圖13分析可知，由于隧道施工擾動(dòng)，在隧道施工影響區(qū)域內(nèi)，樁基下部(7m至樁底位置)向隧道側(cè)水平位移較大，上部基本無(wú)水平向變形，分布規(guī)律與實(shí)際情況相吻合。雖樁基水平位移分布不均勻，樁基下部水平位移大于上部，但樁基最大水平位移僅為4.6mm(1號(hào)樁19.5m處)，表明隧道穿越橋樁施工過(guò)程中，樁基不會(huì)因過(guò)大水平變形引起過(guò)大的附加樁身彎矩。

圖13　橋墩外側(cè)樁基水平位移Fig.13 Horizontal displacementof the pile outside pier

綜上所述，在整個(gè)模擬隧道段施工過(guò)程中，樁基變形穩(wěn)定，均無(wú)異常變形，在隧道施工期間橋梁不可能因變形而產(chǎn)生過(guò)大的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，表明隧道穿越橋梁施工過(guò)程中橋梁安全狀況良好，與2.2節(jié)中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的有效性。

2.3.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

隧道下穿橋梁施工過(guò)程中，為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)橋梁樁基沉降變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在橋梁兩樁基承臺(tái)布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)樁基承臺(tái)沿垂直于隧道方向自西向東等距布設(shè)5個(gè)，測(cè)點(diǎn)采用鉆孔埋設(shè)鋼筋頭。選取樁基北側(cè)承臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，圖14為北側(cè)樁基礎(chǔ)承臺(tái)沉降累積變形時(shí)程曲線，沉降測(cè)點(diǎn)Q-1～Q-5自西向東沿承臺(tái)依次展開(kāi)，由圖14分析可知，在暗挖隧道下穿橋梁施工過(guò)程中橋梁樁基沉降變形正常，無(wú)變形速率過(guò)大異常情況發(fā)生，表明隧道穿越橋梁施工過(guò)程中橋梁安全狀況良好，施工風(fēng)險(xiǎn)水平較低，與2.2節(jié)中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了

圖14　樁基北側(cè)承臺(tái)沉降曲線Fig.14 Northern cap settlement curves

運(yùn)用改進(jìn)Kent法模型對(duì)隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的可行性。

3結(jié)論

1)借鑒Kent法思想，對(duì)其優(yōu)化改進(jìn)，構(gòu)建了改進(jìn)Kent法隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并提出“施工風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用其來(lái)表征隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)水平。CRCI是對(duì)隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)水平的一個(gè)總的評(píng)估，具有綜合、簡(jiǎn)潔、直觀等優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用到隧道穿越既有橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可以避免復(fù)雜的計(jì)算、片面的判斷以及結(jié)果的不確定等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估常見(jiàn)問(wèn)題，并且有利于研究成果的程序化和推廣。

2)以杭州紫之隧道沿山河段穿越橋梁施工為實(shí)例，運(yùn)用改進(jìn)Kent法模型對(duì)其施工風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示其風(fēng)險(xiǎn)水平為2級(jí)。在施工穿越沿山河橋梁前，運(yùn)用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行三維仿真模擬，分析判斷沿山河橋梁的安全狀況；分析結(jié)果表明：樁基變形穩(wěn)定，無(wú)異常變形，在隧道施工期間橋梁不可能因變形而產(chǎn)生過(guò)大的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，橋梁安全狀況良好，與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的有效性?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示，在暗挖隧道下穿橋梁施工過(guò)程中橋梁樁基沉降變形正常，無(wú)變形速率過(guò)大異常情況發(fā)生，橋梁安全狀況良好，施工風(fēng)險(xiǎn)水平較低，與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果一致，驗(yàn)證了運(yùn)用改進(jìn)Kent法模型對(duì)隧道穿越橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的可行性與可靠性。

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* 收稿日期：2015-09-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478474)；中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(隧研合2013-30)

通訊作者：盧春林(1977-)，男，廣東始興人，高級(jí)工程師，從事隧道與地下工程領(lǐng)域研究工作；E-mail:fenglin06230105@163.com

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1156-09

Study on risk assessment methods of shallow embedded tunnel across the existing bridge

LU Chunlin

(HangzhouCompany,ChinaRailwayTunnelGroup,Hangzhou310000,China)

Abstract：The construction scale of tunnel engineering is large, and many uncertain factors exist during the period of construction, disasters and accidents will lead to serious property damage and social influence. So risk management concept is widely used in tunnel engineering construction. Because of limited accident statistics and the difference between engineering,the real probability of accidents are difficulty to obtain, which has lead to poor operational problems in quantitative risk assessment method. By referring to the methods of Kent,optimizing and improving it, and avoiding its defects,we structured the improved Kent method for assessing the risk of tunnel construction crossing a bridge. The concept of CRCI is also presented. By using CRCI to characterize the risk level of the tunnel crossing the bridge construction , the multiple consideration for risk assessment is achieved. The improved Kent model is used to analyse the construction risk of Zizhi tunnel and the risk level is founsd to be level 2. The results of numerical simulation and field monitoring show that the deformation of pile foundation is stability,without abnormal deformation. The bridge safety is in good condition in the process of tunnel construction crossing it, and the risk level of construction is low. All these findings agree well with the risk assessment results. The feasibility and reliability of the improved Kent method in the assessment of the risk of tunnel construction crossing a bridge is verified.

Key words：tunnel engineering; shallow depth excavation; construction crossing bridge; risk assessment; construction risk comprehensive index