曹成勇，施成華,2，彭立敏，2，雷明鋒，3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

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淺埋大跨下穿高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制措施研究

曹成勇1，施成華1,2，彭立敏1，2，雷明鋒1，3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

為評(píng)估淺埋大跨下穿高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)化施工措施，結(jié)合深圳市紅棉路隧道工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立基于功效系數(shù)法的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。計(jì)算分析表明，現(xiàn)有的施工措施無法滿足下穿高速公路段施工安全要求，施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)極高，需要及時(shí)對(duì)其調(diào)整。經(jīng)綜合分析，采取合理的施工步序、臺(tái)階長(zhǎng)度、開挖進(jìn)尺、掌子面封閉加固措施、隧道施工工序優(yōu)化、及時(shí)封閉初支、加快二襯施工等一系列優(yōu)化控制措施，并采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件驗(yàn)證其可行性。同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，并應(yīng)用提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)隧道下穿高速公路段施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已降為低度，證明采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施合理可行，能夠保障隧道成功穿越機(jī)荷高速公路。

淺埋；大跨；軟弱圍巖；下穿高速公路；隧道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；控制措施

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多下穿既有高速公路的隧道工程，下穿高速公路隧道建設(shè)本身具有一定的難度，尤其當(dāng)遇到淺埋、富水、大斷面、軟弱圍巖等特殊情況時(shí)，將會(huì)進(jìn)一步加劇下穿高速公路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有助于科學(xué)評(píng)價(jià)隧道施工安全，為隧道施工提供有效預(yù)警手段，減小隧道災(zāi)害發(fā)生的幾率。

在隧道與地下工程風(fēng)險(xiǎn)研究方面，國(guó)外代表性的人物是美國(guó)的Einstein教授，曾撰寫多篇有價(jià)值的文獻(xiàn)[1-2]，指出了隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)與遵循的理念。之后，Sturk等[3-6]都對(duì)隧道與地下工程的風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行了深入研究。此外，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)也為巖石隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理提供了一整套參照標(biāo)準(zhǔn)和方法[7]。

相比國(guó)外，我國(guó)隧道與地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究起步相對(duì)較晚，但隨著我國(guó)隧道與地下工程的大規(guī)模建設(shè)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了一些風(fēng)險(xiǎn)理論[8]，并開展了隧道與地下工程的風(fēng)險(xiǎn)研究，豐富了隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法，如風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[9]、層次分析法[10]、故障樹分析法[11]、模糊綜合評(píng)判法[12]和可拓法[13]等。但是，當(dāng)采用以上方法動(dòng)態(tài)評(píng)估隧道施工風(fēng)險(xiǎn)時(shí)也存在一定的不足，主要表現(xiàn)為個(gè)人主觀性影響大、計(jì)算過程復(fù)雜等，因此，需要確定一種簡(jiǎn)單易行的定量評(píng)估隧道風(fēng)險(xiǎn)的方法，能夠?yàn)樗淼朗┕ぬ峁┯行ьA(yù)警作用。

本文借鑒商業(yè)評(píng)估與預(yù)警中廣泛運(yùn)用的功效系數(shù)法[14]，以埋深淺、大跨度、地質(zhì)條件差、施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大的深圳市紅棉路隧道為工程背景，動(dòng)態(tài)評(píng)估淺埋大跨軟弱圍巖下穿高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為類似淺埋復(fù)雜環(huán)境下的隧道工程施工提供建議與參考。

1　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法

1.1功效系數(shù)法

功效系數(shù)法是根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃的原理，對(duì)每一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定一個(gè)滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限．計(jì)算各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)滿意值的程度，并以此確定各指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，再經(jīng)過加權(quán)平均進(jìn)行綜合，從而評(píng)價(jià)被研究對(duì)象的綜合狀況[15]。其具體評(píng)價(jià)過程為：

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定，要求選取的指標(biāo)要有代表性，既要相互補(bǔ)充，又不能重復(fù)，應(yīng)盡可能綜合反映評(píng)價(jià)目標(biāo)的狀況。

2)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意值和不允許值，滿意值即評(píng)價(jià)指標(biāo)可能達(dá)到的最高水平，不允許值一般取各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最低水平。

3)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的功效系數(shù)值：

(1)

式中:Xi為第i(i=1，2,…，n)個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值;Xhi為第i個(gè)指標(biāo)的滿意值;Xsi為第i個(gè)指標(biāo)的不允許值;di為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的功效系數(shù)值。

4)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，這里采用專家評(píng)分后的歸一化權(quán)重，使評(píng)價(jià)更加具有科學(xué)性。計(jì)算公式為：

(2)

式中:Pi和wi分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)數(shù)和歸一化權(quán)重系數(shù)。

5)計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的總功效系數(shù)值D為：

(3)

1.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

隧道監(jiān)測(cè)指標(biāo)通常主要為拱頂(地表)沉降、周邊收斂、地下水、掌子面以及支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察等內(nèi)容。因此，為了全面、客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估隧道風(fēng)險(xiǎn)，將以上幾項(xiàng)隧道監(jiān)測(cè)指標(biāo)都納為隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

1)拱頂(地表)沉降

拱頂(地表)沉降的判斷，以拱頂(地表)沉降值與監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并對(duì)拱頂(地表)沉降數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，可以得到拱頂(地表)沉降速率，若沉降值超過監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值，則以沉降速率作為主要指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)隧道下穿既有公路地表沉降控制基準(zhǔn)，基于工程類比法，確定高速公路地表沉降基準(zhǔn)值為100mm。因此，地表沉降滿意值為30mm、不允許值為100mm。同時(shí)，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF60-2009)[17]，將地表沉降速率滿意值和不允許值分別設(shè)為0.2mm/d和5mm/d。

2)周邊收斂

周邊收斂的判斷，類似于拱頂(地表)沉降。周邊收斂以隧道跨度的0.1%～0.5%為指標(biāo)，即周邊收斂滿意值為16mm、不允許值為80mm。周邊收斂速率滿意值、不允許值也分別設(shè)為0.2mm/d和5mm/d。

3)地下水

地下水的存在及活動(dòng)使它在隧道周圍產(chǎn)生力學(xué)的、物理的和化學(xué)的作用，其作用不利于洞室的穩(wěn)定，根據(jù)地下水的存在情況，分無水、浸滲、滴漏、涌流、噴射五個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行打分，無水(100分)、浸滲(75分)、滴漏(50分)、涌流(25分)、噴射(0分)。

4)掌子面觀察

掌子面的評(píng)價(jià)指標(biāo)為定性指標(biāo)，主要靠專家打分確定，根據(jù)掌子面穩(wěn)定程度分為5種情況，很好(100分)、好(75分)、一般(50分)、差(25分)、非常差(0分)。

5)支護(hù)結(jié)構(gòu)觀察

隧道失穩(wěn)破壞時(shí)，隧道初期支護(hù)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。根據(jù)隧道初期支護(hù)的變化程度分為5種情況，無裂縫(100分)、少量裂縫(75分)、開裂(50分)、剝落(25分)、垮塌(0分)。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的不允許值和滿意值需要根據(jù)各指標(biāo)實(shí)際可能達(dá)到的水平加以確定，具體如表1所示。

表1　各評(píng)價(jià)指標(biāo)滿意值與不允許值

表2　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)表

1.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將總功效系數(shù)作為隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)，其值越大，則表明隧道施工風(fēng)險(xiǎn)越小。將隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)劃分為4個(gè)等級(jí)，并對(duì)應(yīng)預(yù)警級(jí)別為重警、中警、輕警和無警4個(gè)警限，用紅、橙、黃、綠4種顏色表示，即“四色警情”。依據(jù)總功效系數(shù)值大小，將其對(duì)應(yīng)的總功效系數(shù)區(qū)間進(jìn)行劃分，如表2所示。

根據(jù)各施工階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用功效系數(shù)法，計(jì)算各施工階段功效系數(shù)值，根據(jù)總功效系數(shù)值判斷，即可確定基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的各施工步下隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而確定預(yù)警級(jí)別。當(dāng)預(yù)測(cè)圍巖警情在輕警及以下時(shí)，即為黃色、綠色警情時(shí)，可以按照原方案施工。當(dāng)預(yù)測(cè)圍巖警情為中警或重警時(shí)，即為紅色或橙色警情時(shí)，說明大變形風(fēng)險(xiǎn)比較高，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和觀察，及時(shí)調(diào)整施工方案，并采取相應(yīng)的工程應(yīng)對(duì)措施，以防止大變形災(zāi)害的發(fā)生。

2　工程實(shí)例分析

2.1工程概況

深圳市紅棉路市政隧道為上下行雙洞六車道隧道，左線隧道長(zhǎng)670m，右線隧道長(zhǎng)720m。隧道中線與高速公路約45°～58°夾角斜交，中心間距約為43.5m，隧道最小埋深約6m，隧道在出口端左線ZK10+765～ZK10+925和右線YK10+800～YK10+975處下穿機(jī)荷高速公路荷坳收費(fèi)站區(qū)域，左線下穿距離160m，右線下穿距離175m。隧道下穿段開挖跨度約16.0m，高度為11.7m，為大斷面隧道。

隧道圍巖主要以人工素填土、第四系沖洪積淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，圍巖級(jí)別Ⅵ級(jí)，土質(zhì)松散且富含地下水，土質(zhì)遇水容易軟化。隧道下穿高速公路距離長(zhǎng)，施工期間正逢雨季，雨水豐富，同時(shí)，機(jī)荷高速每天車流量非常大，隧道施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)高速公路正常通車的影響顯著。隧道采用的具體支護(hù)措施及參數(shù)如下表3所示。

表3　隧道支護(hù)措施及參數(shù)

為保證隧道的施工安全，施工期間需進(jìn)行合理的交通疏解，分階段封閉掌子面上方機(jī)荷高速公路。然而機(jī)荷高速車流量大，長(zhǎng)時(shí)間大范圍實(shí)行交通管制將會(huì)對(duì)其通車能力造成嚴(yán)重不利影響。所以，只能在很小的范圍內(nèi)封閉高速公路，這樣留給下方隧道施工的空間大大減小，且導(dǎo)致掌子面和二次襯砌之間不能拉開太大距離，而傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工時(shí)，掌子面至二次襯砌的距離至少在40～50m以上，此時(shí)隧道施工開挖段必然處于地表高速公路行車的條件下，難以滿足施工要求。此外，傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序繁多，施工緩慢，嚴(yán)重影響機(jī)荷高速正常通車。

因此，在保證隧道施工安全的基礎(chǔ)上，有必要在傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，加快施工進(jìn)度，緩解交通壓力。雙側(cè)壁導(dǎo)坑優(yōu)化工法施工工序如圖2所示，各主要施工主要步驟為：1)拱部超前預(yù)支護(hù)大管棚施作，隧道擬開挖位置上方高速公路的交通疏解；2)左導(dǎo)坑拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，上半斷面左導(dǎo)坑②開挖，開挖寬度約占整個(gè)隧道開挖跨度的1/3，開挖高度約4.5m，架設(shè)初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)鋼支撐、噴射混凝土，施作兩側(cè)鎖腳錨桿和臨時(shí)仰拱；3)上半斷面右導(dǎo)坑③開挖，開挖方法、支護(hù)措施與左導(dǎo)坑相同；4)中導(dǎo)坑拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，上半斷面中導(dǎo)坑上臺(tái)階④開挖，開挖高度約2m，架設(shè)初期支護(hù)鋼支撐、噴射混凝土；5)上半斷面中導(dǎo)坑下臺(tái)階⑤開挖，開挖高度約4m，將該工作面開挖成斜面，同時(shí)保留核心土；6)下半斷面左側(cè)導(dǎo)坑⑥開挖，開挖跨度為2m，架設(shè)邊墻及底部初期支護(hù)鋼支撐，施作邊墻錨桿，噴射混凝土，施作底部鎖腳錨桿；7)下半斷面右導(dǎo)坑⑦開挖，開挖方法、支護(hù)措施與下半斷面左導(dǎo)坑相同；8)下半斷面中導(dǎo)坑⑧開挖，開挖后立即架設(shè)底部初期支護(hù)鋼支撐、噴射混凝土；9)綁扎隧道仰拱、二次襯砌鋼筋，澆筑混凝土；10)每個(gè)工作循環(huán)中各分部開挖的長(zhǎng)度相同且均為5～6m，開挖進(jìn)尺控制在0.75m，在每個(gè)工作循環(huán)完成后，進(jìn)行地表交通疏解的轉(zhuǎn)換，將地表行車轉(zhuǎn)至隧道已施作二次襯砌的位置，封閉即將進(jìn)行隧道開挖的位置，進(jìn)行下一循環(huán)的施工，以此類推，完成整個(gè)隧道下穿公路段的施工。

2.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

高速公路地表沉降觀測(cè)，共設(shè)置了4個(gè)地表沉降觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面間隔為2m，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量，測(cè)量頻率1次/d，具體布置圖見圖3。

紅棉路隧道初始階段施工時(shí)，出現(xiàn)了洞內(nèi)變形侵限、地下水滲出以及地表沉降過大，如圖4所示，地表沉降和洞內(nèi)變形的監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線分別如圖5和6所示。

從圖5和6可以看出：地表沉降與隧道周邊收斂值較大，地表沉降最大值約279mm，地表沉降平均速率約為4.8mm/d；隧道周邊收斂最大值約65mm，隧道周邊平均收斂率約為2.6mm/d。由于地表沉降值達(dá)到279mm，遠(yuǎn)大于地表沉降控制基準(zhǔn)值100mm，所以以沉降速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖1　施工工序圖Fig.1 Construction process

圖2　地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Monitoring points of ground settlement

(a)左導(dǎo)坑變形；(b)右導(dǎo)坑變形；(c)地下水；(d)地表變形圖3　現(xiàn)場(chǎng)狀況示意圖Fig.3 Site conditions

圖4　YK10+906地表沉降時(shí)程曲線Fig.4 Time history curves of ground settlement at section of YK10+906

圖5　YK10+900隧道周邊收斂時(shí)程曲線Fig.5 Time history curves of peripheral convergence of tunnel at section of YK10+900

2.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

結(jié)合上述的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先根據(jù)式(2)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化權(quán)重，如表4所示。然后，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，代入式(1)計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的功效系數(shù)值di，并根據(jù)式(3)計(jì)算得到總功效系數(shù)D，如表5所示。由表5可以看出，功效系數(shù)值為69.69，根據(jù)1.3節(jié)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明隧道下穿高速公路段施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)極高，預(yù)警級(jí)別為重警，預(yù)警顏色為紅色，因此隧道下穿高速公路段施工必須采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施，以保證隧道后續(xù)施工的安全。

表4　各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表5　隧道下穿高速公路段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

3　風(fēng)險(xiǎn)控制措施

結(jié)合隧道施工現(xiàn)場(chǎng)情況及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論，為了降低隧道后續(xù)施工的風(fēng)險(xiǎn)，通過研究決定采用以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

1)為了配合地面交通疏解要求，減小圍閉車道范圍，盡量合理安排施工中步序、臺(tái)階長(zhǎng)度、開挖進(jìn)尺，步序長(zhǎng)度縮短為3m，臺(tái)階長(zhǎng)度縮短為1～2m，開挖進(jìn)尺縮短為0.5m。

2)隧道臨時(shí)仰拱施工時(shí)，對(duì)上導(dǎo)坑掌子面土體噴射5cm厚混凝土；地面交通疏解、隧道下導(dǎo)坑開挖以及二次襯砌施工時(shí)，封閉下導(dǎo)坑掌子面土體，具體為：布置φ8@250×250mm雙層鋼筋網(wǎng)；φ42×3.5mm注漿小導(dǎo)管(長(zhǎng)度4m、橫縱間距1.5×1.5m)；噴射10cm厚C20混凝土。

3)隧道施工過程中，處理好各節(jié)點(diǎn)，如拱腳要防下沉、內(nèi)移，加設(shè)鎖腳錨桿、連接筋并與鋼架焊接成整體，保證各工序施工質(zhì)量，同時(shí)在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)邊墻和隧道底部排水施工，避免地下水長(zhǎng)期浸泡地基造成承載力下降。

4)初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，適當(dāng)推后臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)機(jī)，加快仰拱及仰拱填充施工進(jìn)度，減小對(duì)隧道中導(dǎo)坑和二襯施工的影響，加快二襯施工進(jìn)度。

4　數(shù)值分析論證

為了論證風(fēng)險(xiǎn)控制措施對(duì)地層變形的控制效果，采用三維有限差分軟件FLAC3D對(duì)隧道施工全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，深入研究風(fēng)險(xiǎn)控制措施下各施工步的開挖對(duì)土體變形的影響。

4.1計(jì)算模型

根據(jù)隧洞開挖空間效應(yīng)影響范圍，建模范圍需要考慮到尺寸效應(yīng)所引起的計(jì)算誤差，計(jì)算邊界作如下選取：左右邊界距離隧道邊緣3倍最大開挖寬度，下邊界距離隧道底板3倍開挖高度，上邊界取至地表。計(jì)算模型縱向y方向長(zhǎng)40m，寬度x方向長(zhǎng)120m(隧道居中)，高度z方向長(zhǎng)60m、如圖7所示。模型頂部自由，四周及底部施加位移邊界條件，模型頂部施加路面荷載。

4.2計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，圍巖采用實(shí)體單元模擬，服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)均采用shell單元模擬，初期支護(hù)厚度35cm，臨時(shí)支護(hù)厚度25cm；二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，厚度為70cm，按照彈性材料模擬。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，隧道埋深取為6m，同時(shí)選取粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖等兩種典型地質(zhì)，圍巖級(jí)別為Ⅵ，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2014)[18]的要求，確定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表6所示。參考《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ77-98)[19]，根據(jù)隧道跨度，取跨度為2～20m城-A級(jí)荷載，并考慮汽車沖擊荷載，選取沖擊系數(shù)為0.4，組合得到最終路面超載模式及量值如圖8所示。

圖6　模型網(wǎng)格示意圖Fig.6 Mesh scheme of model

材料容重/(kN·m-3)變形模量/GPa泊松比μ粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)粉質(zhì)黏土19.80.0080.362015強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖20.80.10.2810035預(yù)加固層20.20.0160.346018初期支護(hù)22270.2--臨時(shí)支護(hù)22230.2--二次襯砌23300.2--

圖7　路面荷載示意圖Fig.7 Road load

4.3計(jì)算結(jié)果與分析

取模型中間斷面(縱向20m處)為分析斷面，沿橫向x軸方向選取了一系列的地表特征點(diǎn)，隧道開挖后地表沉降曲線，如圖9所示。各個(gè)施工步下拱頂沉降時(shí)程曲線，如圖10所示。

圖8　地表沉降Fig.8 Ground settlement

圖9　拱頂沉降時(shí)程曲線圖Fig.9 Time history curves of crown settlement

從圖9和10可以看出，

1)隧道開挖后地表橫向沉降規(guī)律明顯，即隧道中線的地表處沉降值最大，距離隧道中線越遠(yuǎn)，地表沉降就越小。隧道開挖后，地表最大沉降值為97.1mm左右。采取施工措施后，高速公路地表沉降減小，位移得到有效控制，降低了隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。

2)隧道上半斷面左、右側(cè)導(dǎo)坑和中導(dǎo)坑上、下臺(tái)階開挖時(shí)，4個(gè)工序施工引起地表總沉降量占累計(jì)沉降量的80.95%，因此該4個(gè)工序是位移控制的關(guān)鍵施工步。為了控制高速公路地表的位移，開挖上半斷面左、右側(cè)導(dǎo)坑時(shí)應(yīng)確保支護(hù)及時(shí)；臨時(shí)仰拱盡早成環(huán)；并加設(shè)鎖腳錨桿，控制隧道下沉；開挖中部上、中臺(tái)階時(shí)應(yīng)盡快架立鋼拱架，并及時(shí)噴射混凝土。

表8　隧道下穿高速公路段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

5　工程應(yīng)用效果

采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施后，右線YK10+875地表沉降、隧道周邊收斂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11和12所示。應(yīng)用功效系數(shù)法，結(jié)合上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到隧道下穿高速公路段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，如表8所示。

圖10　YK10+875地表沉降時(shí)程曲線Fig.10 Time history curves of ground settlement at section of YK10+875

從圖11和12及表8中可以看出：變形監(jiān)測(cè)(拱頂沉降、周邊收斂及其速率)都有很大程度減小，總功效系數(shù)值為91.85，根據(jù)1.3節(jié)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明隧道下穿高速公路段施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低度風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)警級(jí)別為無警，預(yù)警顏色為綠色，表明所采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施是合理可行的。采用施工優(yōu)化措施后，每天左、右洞各進(jìn)0.5m，月平均掘進(jìn)30m左右，最終紅棉路隧道成功穿越機(jī)荷高速公路，并且地表沉降得到了有效控制。

圖11　YK10+875隧道周邊收斂時(shí)程曲線Fig.11 Time history curves of peripheral convergence of tunnel at section of YK10+875

6　結(jié)論

1)將功效系數(shù)法應(yīng)用于淺埋大跨下穿高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，建立了基于功效系數(shù)法的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，為隧道施工提供了有效預(yù)警手段。

2)為了降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定淺埋大跨下穿高速公路隧道掌子面，減小圍閉車道范圍，必須合理安排施工中步序、臺(tái)階長(zhǎng)度，步序長(zhǎng)度縮短為3m，臺(tái)階長(zhǎng)度縮短為1～2m，開挖進(jìn)尺縮短為0.5m。同時(shí)，采取掌子面封閉加固措施、優(yōu)化隧道施工工序、及時(shí)封閉初支、加快二襯施工，能更有效地控制高速公路地表沉降。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用建立得隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施后隧道下穿高速公路段施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已從極高降為低度，表明采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施是合理可行的，其能夠保障隧道成功穿越機(jī)荷高速公路。

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Study on risk assessment and control measures in the construction process of shallow and large-span tunnel beneath expressway

CAO Chengyong1，SHI Chenghua1,2，PENG Limin1,2，LEI Mingfeng1,3

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.NationalEngineeringLaboratoryofHigh-speedRailwayConstruction,Changsha410075,China;3.ChinaConstructionFifthEngineeringDivisionCROP.,LTD,Changsha410004,China)

Forevaluatingconstructionriskandoptimizingconstructionmeasuresofshallowandlarge-spantunnelbeneathexpressway,thefieldmonitoringdataofHongmianroadtunnelinShenzhenwasemployedinthisstudy.Theriskassessmentmodeloftunnelconstructionwasestablishedbasedonefficacycoefficientmethod.Throughthecalculationandanalysis,theresultsshowthattheexistingconstructionmeasurescannotmeetsafetyrequirementintheconstructionprocessoftunnelbeneathexpressway,andthatthelevelofriskisextremelyhighandhenceneedstobetimelyadjusted.Throughcomprehensiveanalysis,aseriesofoptimizationmeasures,forexample,reasonableconstructionstep,thesuitablelengthofbenchandexcavation,soilreinforcementmeasuresontunnelface,optimizingconstructionprocess,closingprimarysupportintimeandspeedinguptheconstructionofsecondlining,wereusedinconstruction,andthefeasibilitywereverifiedbythenumericalcalculationsoftwareFLAC3D.Meanwhile,fromthefeedbackoffieldimplementandmonitoringresult,andintheapplicationofriskassessmentmodelputforward,thecalculationresultsindicatethatthelevelofriskhasbeenreducedtobelowgradeintheconstructionprocessoftunnelbeneathexpressway.Theriskcontrolmeasureshavebeenprovedtobereasonableandfeasibility,whichcanguaranteethatthetunnelcrossesJiheexpresswaysuccessfully.

shallowdepth;largespan;weaksurroundingrock;beneathexpressway;tunnel;riskassessment;controlmeasures

2015-11-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB013802)；中鐵一局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目

曹成勇(1988-)，男，江蘇建湖人，博士研究生，從事隧道與地下工程方面的研究與應(yīng)用工作；E-mail：csuccy@csu.edu.cn

U458.1

A

1672-7029(2016)07-1439-08