薛模美,吳 榃,張鐵軍

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

1 工程概況

武廣鐵路客運專線金沙洲隧道位于廣州與佛山交界處,隧道全長4 469 m,縱坡設(shè)計為20‰的“V”字形坡,在里程DK2 196+300～DK2 196+920段為淤泥質(zhì)地層明挖深基坑段,該基坑工程毗鄰廣州西環(huán)高速,四周空曠,無大型建筑物。隧道明挖段地質(zhì)條件差,存在流塑性淤泥質(zhì)地層,且地下水非常豐富；基坑設(shè)計跨度15.5 m,采用明挖順作直壁式支護(hù)開挖方法,基坑圍護(hù)采用混凝土鉆孔灌注樁和鋼管支撐以及混凝土支撐體系,樁頂設(shè)120 cm×70 cm的冠梁,與樁頂預(yù)留鋼筋連接成整體,橫撐采用φ609 mm(δ=16 mm)@3 m的鋼管,支撐豎向間距為3～4 m,軟弱富水地段適當(dāng)增加。為增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向剛度,選用了雙拼I56a型鋼作為圍檁。施工過程中均進(jìn)行一次換撐,鉆孔樁之間外側(cè)采用φ650 mm旋噴樁止水,形成止水帷幕。

基坑所在段地質(zhì)條件對基坑工程施工的影響很大,根據(jù)水文地質(zhì)條件及施工支護(hù)措施對基坑進(jìn)行分段,各分段地質(zhì)及支護(hù)參數(shù)特征見表1、圖1。

表1 金沙洲隧道軟弱地層明挖基坑分段地質(zhì)及支護(hù)參數(shù)

圖1 DK2 196+300～DK2 196+430段支護(hù)體系示意(單位：m)

2 軟弱地層明挖基坑風(fēng)險辯識

2.1 故障樹法風(fēng)險分析方法

圖2 金沙洲隧道明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效故障

(1)故障樹原理

故障樹(fault tree analysis, FTA)是一種描述事故因果關(guān)系的有向邏輯樹,通過對既定的系統(tǒng)或作業(yè)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險事故條件及可能導(dǎo)致的災(zāi)害后果,按工藝流程、先后次序和因果關(guān)系繪成程序方框圖,用規(guī)定的邏輯符號表示導(dǎo)致風(fēng)險事故發(fā)生的各種因素之間的邏輯關(guān)系,用以分析系統(tǒng)的安全問題或功能問題,并為判明風(fēng)險事故的發(fā)生途徑及與災(zāi)害、損害之間的關(guān)系。

(2)故障樹分析步驟

FTA是把系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件(基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效)作為故障樹的頂事件,找出導(dǎo)致該風(fēng)險事件所有可能發(fā)生的直接因素和原因,再逐步深入分析,直到找出風(fēng)險事故的基本原因,即故障樹的基本事件。然后利用布爾代數(shù)進(jìn)行簡化,求出最小割(徑)集,確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度,利用己有數(shù)據(jù)統(tǒng)計或?qū)嶒灲Y(jié)果得出基本事件的發(fā)生概率,進(jìn)而得出頂上風(fēng)險事件的發(fā)生概率。

2.2 明挖基坑風(fēng)險因素分析及故障樹編制

金沙洲隧道明挖基坑施工風(fēng)險產(chǎn)生的原因主要有：基坑勘察設(shè)計失誤、水處理不當(dāng)、施工方法錯誤或不當(dāng)、工程監(jiān)測失誤、工程管理失誤、相鄰施工影響、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、環(huán)境影響等等。另外,工程各參建方的工作不到位、失職也會導(dǎo)致基坑風(fēng)險事故,根據(jù)以往工程風(fēng)險事故的統(tǒng)計分析,這三方面導(dǎo)致基坑失穩(wěn)事故的幾率及影響程度較小,因此本文不考慮這方面的影響。

基坑風(fēng)險事故的發(fā)生,主要是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效(T)所造成,支護(hù)結(jié)構(gòu)失效破壞的風(fēng)險影響因素眾多,通過對金沙洲隧道明挖基坑段的地質(zhì)情況、施工情況進(jìn)行調(diào)研分析,包括各種工作程序、各種施工參數(shù)、作業(yè)條件、環(huán)境影響因素等,結(jié)合案例分析和專家意見,編制故障樹進(jìn)行風(fēng)險分析,具體結(jié)果見圖2。

3 基坑風(fēng)險評估

3.1 風(fēng)險發(fā)生概率估計

根據(jù)工程實際情況,結(jié)合以往的深基坑施工經(jīng)驗和有關(guān)專家意見,得出各個基本事件的發(fā)生概率(表2),然后運用前述FTA故障樹分析計算方法算出深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系事故發(fā)生概率以及各種破壞模式的發(fā)生概率。

表2 金沙洲隧道深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效風(fēng)險發(fā)生概率

通過故障樹概率重要度的計算分析,DK2 196+300～DK2 196+460、DK2 196+460～DK2 196+505、DK2 196+505～DK2 196+555三段的支護(hù)體系失效風(fēng)險發(fā)生概率等級較高,其基本事件X3(存在流塑性淤泥土),X10(樁后地表堆載過大),X12(雨水或者地下管道水滲入),X17(圈梁與樁身連接不牢)的發(fā)生概率的變化對頂上事件發(fā)生概率的影響程度較大,其中DK2 196+300～DK2 196+460段的基本事件X4(存在溶洞等)對A4(基坑涌水涌沙、基底破壞)的影響非常大,因此風(fēng)險控制應(yīng)盡量減少這些基本事件的發(fā)生概率,就能大大減少頂上風(fēng)險事件的發(fā)生概率。DK2 196+555～DK2 196+700段支護(hù)體系失效風(fēng)險發(fā)生受基本事件X3(存在流塑性軟土)、X12(雨水或者地下管道水滲入)、X15(支撐間距過大)、X17(圈梁與樁身連接不牢)影響較大、DK2 196+700～DK2 196+920支護(hù)體系失效風(fēng)險發(fā)生受基本事件X8(巖土特性參數(shù)偏差)、X6(混凝土質(zhì)量差)、X12(雨水或者地下管道水滲入)、X15(支撐間距過大)影響較大。

3.2 風(fēng)險后果損失估計

深基坑工程事故后果主要分為兩類：一類是設(shè)計、施工、管理及其他原因引起的支護(hù)體系的自身破壞,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤,甚至人員傷亡；另一類是支護(hù)體系的破壞,從而導(dǎo)致相鄰建(構(gòu))筑物及市政設(shè)施破壞或者深基坑土方開挖引起支護(hù)體系變形過大以及降低地下水位造成基坑四周地面產(chǎn)生過大沉降和水平位移,影響相鄰建(構(gòu))筑物及市政管線的正常使用甚至破壞所造成的損失。

(1)風(fēng)險后果損失計算模型

金沙洲隧道明挖基坑段為沖積平原區(qū),地表主要是已征收的農(nóng)田和民房,基坑離廣州西環(huán)高速公路比較遠(yuǎn),開挖前采取了堵水的措施,因此該明挖基坑的開挖對環(huán)境影響和第三方財產(chǎn)損失這里不做分析。只考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤,并把工期延誤折算成經(jīng)濟(jì)損失,而人員傷亡亦忽略不計。

支護(hù)結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險后果的損失與初期投資有關(guān),而影響初期投資的主要因素是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方案的選擇。有支護(hù)基坑工程一般包括基坑加固、降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、支撐體系施工、土方開挖等部分,初期投資計算主要是計算這些工程的投資,這里只計算直接費的直接工程材料費,不計算間接費、利潤以及稅金等部分。計算方法如下。

支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的初始投資

CZ=CJG+CZS+CWH+CZC+CTF

式中：CJG為加固總費用；CZS為止水總費用；CWH為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總費用；CZC為支撐體系總費用；CTF為土方開挖總費用。

則支護(hù)結(jié)構(gòu)失效損失后果與初始投資的關(guān)系可表示為

C=PξCZ

式中，ξ為一常數(shù),支護(hù)結(jié)構(gòu)失效損失的后果除支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的直接經(jīng)濟(jì)損失外,還可能造成其他附加損失,例如支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效有可能導(dǎo)致人員傷亡,對周圍的建(構(gòu))筑物造成破壞以及工期損失。這方面的精確分析比較困難,可以根據(jù)深基坑工程的不同安全等級,通過籠統(tǒng)調(diào)整ξ的大小來估算其影響,本報告不考慮環(huán)境影響,但考慮到工期延誤造成的損失以及工程事故產(chǎn)生的影響,ξ取1.5,P為上節(jié)算出的支護(hù)結(jié)構(gòu)失效概率。

(2)金沙洲隧道明挖基坑風(fēng)險后果損失計算

按照上文所述的計算模型,參照金沙洲隧道設(shè)計施工圖紙工程數(shù)量、造價等參數(shù),考慮基坑加固、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、土方開挖、帷幕止水幾個方面,計算出基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效后每段基坑可能的風(fēng)險損失,見表3。

表3 金沙洲隧道明挖基坑各分段可能的風(fēng)險損失 萬元

3.3 風(fēng)險評估結(jié)論

根據(jù)上述故障樹風(fēng)險評價方法分析及計算結(jié)果,依據(jù)相關(guān)行規(guī),金沙洲隧道軟弱地層明挖基坑工程在DK2 196+300～DK2 196+460段風(fēng)險等級為極高,DK2 196+460～DK2 196+505段和DK2 196+505～DK2 196+555段風(fēng)險等級為高度,應(yīng)積極采取措施進(jìn)行規(guī)避,DK2 196+555～DK2 196+700段風(fēng)險等級為中度,應(yīng)加強(qiáng)施工管理和風(fēng)險的監(jiān)控?？紤]到基坑地質(zhì)條件很差,施工風(fēng)險極高,因此在開挖、維護(hù)、加固以及排水等方面都要制定應(yīng)急措施,確實做到風(fēng)險心中有數(shù)、風(fēng)險貫穿管理、安全健康施工?；痈鞫沃ёo(hù)結(jié)構(gòu)體系失效風(fēng)險等級見表4。

4 基坑施工風(fēng)險控制措施與實施

通過采用故障樹法對金沙洲隧道明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效風(fēng)險進(jìn)行評估和風(fēng)險發(fā)生概率重要度的分析,依據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果,結(jié)合專家意見提出以下基坑施工風(fēng)險控制措施。

表4 金沙洲隧道基坑各段支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效風(fēng)險等級

注：1.鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系事故發(fā)生概率；2.鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系事故估計損失(萬元)。

(1)針對前三段X3(存在流塑性淤泥土)、X12(雨水或者地下管道水滲入)的概率重要性高,施工時應(yīng)重視地下水的影響,包括土層中滯水、地下管道滲漏水、地面無組織排水、以及施工期間的雨水等,嚴(yán)格做好止水、排水和防水工作,防止水的影響造成塌方。本基坑工程采用鉆孔灌注樁支護(hù),樁頂設(shè)置1.2 m×0.7 m的混凝土冠梁,同時在冠梁頂上增設(shè)高1.5 m、37 cm厚混凝土隔墻,高出原地面0.9 m,從而防止地表水流入危及基坑穩(wěn)定,樁間外側(cè)必要時增設(shè)φ600 mm旋噴咬合樁止水墻,嚴(yán)控基坑滲水,效果良好。

(2)針對前三段X10(樁后地表堆載過大)的概率重要性,且地層較軟弱,該工程對樁后地表堆載、水平支撐堆載進(jìn)行嚴(yán)格控制,所有基坑開挖的土方均搬運至遠(yuǎn)離基坑50 m之外,禁止在樁后修建臨時建筑,樁外側(cè)50 m范圍不得堆放大體積施工材料、周轉(zhuǎn)料和機(jī)器等,同時沿基坑外側(cè)修建6 m寬、30 cm厚混凝土臨時便道,規(guī)范基坑邊緣作業(yè)環(huán)境,保護(hù)基坑的穩(wěn)定。

(3)DK2 196+300～DK2 196+460段開挖后,對底板下一定深度范圍進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察,查明溶洞的分布范圍及對工程的危害,采用探灌結(jié)合的原則,對基巖進(jìn)行注漿回填處理,查明了DK2 196+325、DK2 196+372兩處溶洞,均采用預(yù)填充土、石和混凝土,對基巖裂隙進(jìn)行深孔注漿,以利封堵基巖的承壓水和裂隙水,確保基坑穩(wěn)定。

(4)針對X6(混凝土質(zhì)量差)、X15(支撐間距過大)的概率重要性,加強(qiáng)施工管理,加強(qiáng)對進(jìn)場材料的質(zhì)量把關(guān),嚴(yán)格按相應(yīng)規(guī)范和設(shè)計進(jìn)行質(zhì)量控制和驗收。分段、分層、分步、對稱、平衡及限時的原則進(jìn)行基坑開挖與支撐的施工,分層開挖和加快支撐結(jié)構(gòu),適當(dāng)減少每步開挖土方的空間尺寸,并減少每步開挖未支撐前基坑坑壁所暴露的時間,將每層、每區(qū)開挖和支撐的施工時間和間距限制在控制指標(biāo)之內(nèi)。特別是基底混凝土底板必須緊跟,嚴(yán)禁基底連續(xù)開挖大于30 m不施作混凝土底板,確?；咏^對安全。

(5)加強(qiáng)施工監(jiān)測工作,對維護(hù)樁的水平位移、樁身垂直度,樁身土體的側(cè)向變形、鋼支撐的軸力和變形、活絡(luò)頭的例行檢查、地下水位以及廣州西環(huán)高速公路的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測,及時掌握土體、地下水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐體系的工作狀態(tài)信息,及時反饋,為風(fēng)險跟蹤監(jiān)控提供有力的依據(jù)。

5 風(fēng)險跟蹤

通過對金沙洲隧道淤泥質(zhì)明挖段深基坑進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險評估和有針對性的控制,對深基坑高風(fēng)險地段的淤泥地層進(jìn)行注漿加固，嚴(yán)格做好施工防排水,保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和施工質(zhì)量,金沙洲隧道淤泥質(zhì)地層明挖基坑施工過程中風(fēng)險處于可控狀態(tài)；根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果,支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在整個施工過程中受力和變形在可容許承受范圍內(nèi),無不期望的風(fēng)險事故發(fā)生。

6 結(jié)論

(1)基坑的風(fēng)險控制主要是保證其支護(hù)結(jié)構(gòu)體系不失效,采取故障樹進(jìn)行概率分析和初始投資乘以附加損失系數(shù)ξ來估計支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效引起的損失,進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效風(fēng)險評估在一定程度上是一種有效的方法。

(2)根據(jù)FAT法風(fēng)險分析評估結(jié)果,重點采取措施控制淤泥質(zhì)流塑性軟土,樁后地表堆載過大,雨水或者地下管道水滲入,圈梁與樁身連接不牢等因素,有效保證了基坑施工安全。監(jiān)控結(jié)果顯示：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在施工過程中受力和變形均為可控,無不期望風(fēng)險事故發(fā)生。

(3)金沙洲隧道出口明挖段DK2 196+300～DK2 196+920在流塑狀淤泥質(zhì)地層中施工,基坑最大挖深22.22 m,安全風(fēng)險巨大,因此有針對性地對深基坑進(jìn)行了系統(tǒng)的風(fēng)險分析,對風(fēng)險源、風(fēng)險發(fā)生概率及其損失和風(fēng)險預(yù)防措施進(jìn)行專題研究和管理,根據(jù)分析評估結(jié)果,施工過程中采取了一系列的應(yīng)對措施,有效地防范了各種風(fēng)險,確保了施工安全和工程質(zhì)量,系統(tǒng)的風(fēng)險評估管理在土木結(jié)構(gòu)工程施工中能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),值得推廣。

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