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膨脹土礦山法地鐵隧道下穿既有車站的施工風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估*

2022-04-12 03:15施有志林聯(lián)泉車愛(ài)蘭秦佳佳
關(guān)鍵詞:注漿車站變形

施有志,林聯(lián)泉,車愛(ài)蘭,秦佳佳

1. 廈門(mén)理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建 廈門(mén) 361024

2. 廈門(mén)市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,福建 廈門(mén) 361003

3. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240

4. 中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011

地鐵工程因其地理位置特殊、地下作業(yè)多、涉及工程專業(yè)多等特殊性,導(dǎo)致建設(shè)過(guò)程中的不確定因素較多,安全風(fēng)險(xiǎn)大[1]。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的大力發(fā)展,新建地鐵線路穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)或軌道線路已不可避免[2]。當(dāng)新線近距離穿越既有線或車站時(shí),必然對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng),影響隧道施工及上覆既有車站運(yùn)營(yíng)的安全[3-4]。此類地鐵建設(shè)存在極大的風(fēng)險(xiǎn),一旦引發(fā)安全事故,后果不堪設(shè)想[5-6]。國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者對(duì)近距離下穿隧道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估展開(kāi)了研究。吳濤等[7]以青島地鐵3 號(hào)線為例,結(jié)合地鐵下穿的20 棟建筑物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)鑒定結(jié)果,采用模糊綜合評(píng)判法,評(píng)價(jià)不同程度的建筑物風(fēng)險(xiǎn),并劃分出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);何夢(mèng)超等[8]以福州地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)隧道為案例背景,通過(guò)模糊故障樹(shù)分析提出了基于模糊故障樹(shù)的盾構(gòu)隧道下穿既有軌道事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法;賈劍青等[9]依托蘭州軌道交通1 號(hào)線工程,考慮機(jī)械、人工操作、環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn),建立了下穿黃河隧道盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系,采用層次分析法及多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。但未見(jiàn)涉及下穿既有地鐵車站隧道的工程案例。城市地鐵下穿隧道施工條件本身就已比較復(fù)雜,如遇到膨脹土這樣具有顯著脹縮性,且干濕過(guò)程具有可逆性的多裂隙地質(zhì)體,很可能引起隧道底部隆起、圍巖開(kāi)裂、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞、圍巖膨脹坍塌等危害[10-11]。目前關(guān)于膨脹土地層路基[12]、邊坡[13]、基坑[14]施工的研究很多,也有部分學(xué)者對(duì)膨脹土隧道展開(kāi)研究[15-16],但未見(jiàn)關(guān)于穿越膨脹土地層,且近距離下穿既有地鐵車站隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的報(bào)道。

本文以合肥市軌道交通5號(hào)線某區(qū)間隧道下穿既有地鐵車站暗挖段工程為對(duì)象,構(gòu)建故障樹(shù);然后,采用三角模糊函數(shù)來(lái)表征底事件的發(fā)生概率,計(jì)算出頂事件發(fā)生的概率、基本事件的重要度;最后,建立因素集和評(píng)價(jià)集,通過(guò)模糊層次分析法確定因素權(quán)重,專家打分法確定隸屬度,并對(duì)上覆地鐵車站破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定。

1 工程概況

合肥市軌道交通5 號(hào)線云谷路站-華山站下穿既有車站暗挖段的隧道采用礦山法施工,右線里程為K5+172.307-K5+215.207 m,長(zhǎng)42.9 m;左線里程為K5+172.307-K5+226.207 m,長(zhǎng)53.9 m。區(qū)間左右線間距16 m,標(biāo)準(zhǔn)段外皮凈間距7.8 m。因隧道主體結(jié)構(gòu)拱頂最小覆土僅1.988 m,下穿既有結(jié)構(gòu)施工必然對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng),甚至引起上覆既有地鐵車站變形破壞。暗挖段與既有1號(hào)線車站關(guān)系圖,如圖1所示。

圖1 暗挖段與既有1號(hào)線車站關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the dug section and the existing line 1 station

此外,該區(qū)間穿越的黏土層具有弱膨脹潛勢(shì),表現(xiàn)出顯著的吸水膨脹和失水收縮變形性能。地下水類型主要為上層滯水,水位埋深為0.60~3.90 m。在暗挖區(qū)間隧道施工過(guò)程中,地表水容易順著原基坑圍護(hù)樁或車站外墻滲入地層中,引起隧道變形過(guò)大甚至坍塌,進(jìn)而影響上覆車站的安全。

2 故障樹(shù)的建立

以“上覆地鐵車站變形破壞”為頂上事件,將造成上覆地鐵車站變形破壞的因素分為下穿隧道因素、地質(zhì)因素和上覆車站自身因素,見(jiàn)圖2。

圖2 上覆車站變形破壞的安全風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)Fig.2 Safety risk fault tree for deformation and failure of overlying station

2.1 下穿隧道因素

下穿隧道因素的風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)如圖3所示。其破壞因素分為2個(gè)大類:超前支護(hù)加固和隧道變形。

圖3 下穿隧道因素子系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)Fig.3 Safety risk fault tree of factor subsystem of underpass tunnel

2.1.1 超前支護(hù)加固超前支護(hù)的注漿壓力較難控制,當(dāng)注漿壓力過(guò)大時(shí)會(huì)引起土體隆起,導(dǎo)致上覆車站局部應(yīng)力過(guò)大而變形。當(dāng)大管棚或超前小導(dǎo)管打設(shè)角度過(guò)大,直接打入了上覆車站,將會(huì)使得上覆車站出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損失。而超前支護(hù)注漿加固強(qiáng)度不足時(shí),還可能引起上覆車站沉降變形。因此,超前支護(hù)加固的基本事件為注漿壓力過(guò)大、打設(shè)角度過(guò)大侵犯上覆車站、注漿加固強(qiáng)度不足。

2.1.2 隧道變形開(kāi)挖方法、導(dǎo)坑開(kāi)挖順序或各導(dǎo)坑的步序間距不合理,都會(huì)引起隧道變形過(guò)大。而隧道施工過(guò)程中初期支護(hù)和二次襯砌的強(qiáng)度不足時(shí),也會(huì)導(dǎo)致隧道塌方、上覆車站變形。因此,隧道變形的基本事件為開(kāi)挖工法不合理、支護(hù)強(qiáng)度不足。

2.2 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素包括不良土質(zhì)影響和地下水位影響。不良土質(zhì)影響主要包括膨脹土、濕陷性土、軟土及其他不良地質(zhì)。膨脹土吸水膨脹、失水干縮,具有顯著脹縮性。在微量滲水條件下,膨脹土?xí)l(fā)生輕微松動(dòng),進(jìn)而影響上覆車站的耐久性;在大量滲水條件下,膨脹土?xí)耆蓜?dòng),失去強(qiáng)度,導(dǎo)致隧道塌方。大量滲水一般只發(fā)生在施工階段,而微量滲水不僅發(fā)生于施工階段,運(yùn)營(yíng)階段也有可能發(fā)生。

地下水位下降會(huì)引起土體固結(jié)沉降,進(jìn)而導(dǎo)致上覆車站沉降。地下水位上升會(huì)引起土層強(qiáng)度下降,可能導(dǎo)致隧道塌方從而影響上覆車站穩(wěn)定。地質(zhì)因素的風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)如圖4所示。

圖4 地質(zhì)因素子系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)Fig.4 Safety risk fault tree of geological factor subsystem

2.3 上覆車站自身因素

完損現(xiàn)狀差和地表水滲水通道是上覆車站自身的破壞因素。我國(guó)《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》[17]將車站結(jié)構(gòu)狀態(tài)總體技術(shù)評(píng)定結(jié)果分為1~5級(jí)。地鐵車站在運(yùn)營(yíng)中很有可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫和沉降變形。而地表水會(huì)通過(guò)車站的結(jié)構(gòu)(樁或墻體外側(cè))滲入車站下方,形成滲水通道,導(dǎo)致下面土層增濕。因此,上覆車站自身因素的風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)如圖5所示。

圖5 上覆車站自身因素子系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)Fig.5 Safety risk fault tree of subsystem with its own factors of overlying station

2.4 最小割集

通過(guò)“下行法”對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行遍歷得出224個(gè)割集,均為四階割集。最小割集的邏輯運(yùn)算為

3 頂事件的概率及底事件的重要度

3.1 底事件發(fā)生概率

采用三角模糊數(shù)表征基本事件發(fā)生的概率(α,m,β),如表1 所示。首先確定各底事件中值m,α和β為m的左右擴(kuò)展值。在下穿隧道施工過(guò)程中,注漿壓力過(guò)大、打設(shè)角度過(guò)大侵犯車站、各導(dǎo)坑的歩序間距不合理等事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)大,因此取高值;二次襯砌強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)最低,取值最小。在地質(zhì)因素的基本事件中,由于本次研究只涉及膨脹土,因此X9~X11的發(fā)生概率為0。

表1 底事件發(fā)生概率Table1 Probability of occurrence of bottom event

3.2 頂事件發(fā)生概率

根據(jù)模糊數(shù)區(qū)間運(yùn)算法則求得頂事件發(fā)生概率[18-19], 可近似表示為(0.134%, 0.988%,3.690%)。頂事件故障樹(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 “上覆地鐵車站變形破壞”故障樹(shù)模型Fig.6 Fault tree model of"Deformation and failure of overlying subway station"

3.3 底事件的重要度分析

頂事件故障樹(shù)的重要度排序?yàn)?/p>

澳大利亞《F-10體育與健康國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)》非常重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)用創(chuàng)造性的思維來(lái)思考問(wèn)題、解決問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)游戲,包括通過(guò)自主設(shè)計(jì)和修改規(guī)則促進(jìn)公平競(jìng)爭(zhēng),培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)造的勇氣和能夠創(chuàng)造的能力。我國(guó)目前的體育與健康課程在創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)方面還有所欠缺,建議加強(qiáng)對(duì)于學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)。

底事件的重要度見(jiàn)表2。在所有底事件中,上覆地鐵車站的結(jié)構(gòu)裂縫對(duì)頂上事件的影響最為顯著。在下穿隧道因素中,注漿壓力過(guò)大、打設(shè)角度過(guò)大侵犯車站和各導(dǎo)坑的歩序間距不合理影響最明顯;在地質(zhì)因素中,微量滲水下膨脹土輕微松動(dòng)、水位下降土體固結(jié)沉降和水位上升土層強(qiáng)度下降對(duì)頂事件的影響最明顯。

表2 基本事件重要度Table 2 Importance of basic events

4 上覆車站安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 模糊層次綜合評(píng)估

4.1.1 建立因素集參考規(guī)范[20],“上覆地鐵車站變形破壞”事件的后果評(píng)價(jià)因素為

4.1.4 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)設(shè)uij=(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)表示第i個(gè)因素第j個(gè)等級(jí),相應(yīng)的權(quán)重為aij,則對(duì)于ui的等級(jí)權(quán)重集為

表3 專家打分評(píng)價(jià)矩陣Table 3 Expert scoring evaluation matrix

4.1.5 建立因素權(quán)重集先構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣[21],如表4 所示,再由判斷矩陣計(jì)算被比較因素的相對(duì)權(quán)重。具體步驟如下:

表4 判斷矩陣Table 4 Judgement matrix

①引入三角函數(shù)[22],轉(zhuǎn)換成三角模糊函數(shù)表,見(jiàn)表5。

②通過(guò)表5計(jì)算列向量的幾何平均數(shù)ri。其中

表5 三角模糊函數(shù)表Table 5 Trigonometric fuzzy function table

則所求的特征向量為W=[0.644,0.074,0.282]T。

⑥計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax。

最后,進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。本算例CR <0.10,滿足要求[23]。

4.1.6 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)將4.1.3 節(jié)和4.1.5節(jié)求得的結(jié)果代入,得

4.1.7 評(píng)價(jià)結(jié)果采用等級(jí)評(píng)分辦法確定“上覆地鐵車站變形破壞”風(fēng)險(xiǎn)事件后果的等級(jí)。分值乘以權(quán)重,總分為2.712,事件后果等級(jí)的模糊值在(需考慮的,嚴(yán)重)之間,見(jiàn)表6。

表6 等級(jí)評(píng)分Table 6 Grade score

4.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)定

因第3.2節(jié)頂事件“上覆車站變形破壞”事件的發(fā)生概率為(0.134%,0.988%,3.690%),事件后果等級(jí)在(需考慮的,嚴(yán)重)之間。參考規(guī)范[20],評(píng)定出頂上事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間,可以得出“上覆車站變形破壞”的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)分布在二級(jí)、三級(jí)之間。

5 工程實(shí)施情況

為降低下穿隧道施工對(duì)上覆地鐵車站的影響,以開(kāi)挖導(dǎo)坑順序?yàn)棰佟邸凇?,開(kāi)挖步距為0.5 m 的優(yōu)化方案進(jìn)行施工,在開(kāi)挖前對(duì)下穿車站段上半斷面土體采取袖閥管注漿加固處理(見(jiàn)圖7);并在工程現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)了地表和車站結(jié)構(gòu)沉降測(cè)點(diǎn),如圖8所示。隧道施工過(guò)程中,既有車站結(jié)構(gòu)沉降變化曲線如圖9所示。

圖7 注漿加固斷面圖(單位:mm)Fig.7 Grouting reinforcement section map(unit:mm)

圖8 監(jiān)測(cè)平面圖Fig.8 Monitoring plan

圖9 既有車站結(jié)構(gòu)沉降隨距離變化曲線Fig.9 The change curve of the existing station structure settlement with the distance

從圖9中可以看出,地表沉降與既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降最大值均處于允許范圍之內(nèi)。隧道自身及既有車站結(jié)構(gòu)基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài),文章提出的上覆車站安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型正確可行。

6 結(jié) 論

本文對(duì)合肥地鐵5號(hào)線隧道下穿既有車站的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。建立了“上覆車站變形破壞”的故障樹(shù)模型,得到了頂事件的發(fā)生概率和底事件的3種重要度值,并對(duì)模型進(jìn)行了FTA 定量分析,以確定降低風(fēng)險(xiǎn)的措施;運(yùn)用模糊層次分析法,分別得到“上覆車站變形破壞”風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率和事故后果的嚴(yán)重程度,確定了風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。最后,通過(guò)工程實(shí)例,驗(yàn)證了本文的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的正確性和可行性。

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