方兴湖隧道施工风险控制研究

2014-02-02王文通丁华兴王树英

铁道建筑 2014年2期

关键词：湖底抗拔控制措施

王文通，唐鹏，丁华兴，王树英

(1．深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029;2．中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

方兴湖隧道施工风险控制研究

王文通1，唐鹏2，丁华兴1，王树英2

(1．深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029;2．中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

方兴湖隧道是国内跨度最大的明挖湖底隧道，施工难度大，防水困难。本文结合其施工情况，分析可能存在的5种风险源(基坑失稳、结构上浮、结构渗漏水、结构施工和环境影响)，并针对风险源提出了加强边坡支护和基坑防排水防止基坑失稳、加设抗拔桩增强隧道抗浮能力、提高隧道自防水并加强接缝防水减少渗漏水对隧道的危害、采取各种环护措施降低空气污染及粉尘危害等控制措施。通过对主体结构受力的跟踪监测，验证了该风险控制措施切实有效。

隧道下穿湖底大跨度施工风险控制措施监测

我国已建成的明挖湖底隧道较少(表1)，可借鉴的施工经验有限。大跨湖底隧道工程的建设存在复杂多变的环境因素，其本身又具有规模大的特点，这些决定了隧道工程建设阶段必然存在诸多不确定因素，因此，施工安全风险伴随着隧道建设的整个过程。合肥市方兴湖隧道为八车道明挖湖底隧道，是我国同类隧道中跨度最大的湖底隧道，施工难度大，安全风险高，在施工期间易发生工程事故。为避免或减少损失，必须重视施工阶段的风险管理。本文以方兴湖隧道为依托，分析施工过程中的风险因素，提出相应的控制措施，最后通过现场监测分析验证风险控制措施的有效性，以供类似大跨湖底隧道施工参考。

表1 国内已建成的明挖法施工湖底隧道［1-4］

1 工程概况

方兴湖隧道位于合肥市滨湖新区，在规划建设的“包河大道—方兴大道立交”与规划建设的“福建路”之间。行车速度为60 km/h，荷载等级为A级，隧道结构安全等级为一级，防水等级二级，结构耐火等级为一级，抗震设防烈度为7度。该隧道设计为三跨单层对称框架式结构，如图1所示。采用明挖法施工。方兴湖下穿隧道结构顶板以上最大水深约为5.0 m，结构顶板上覆盖层厚度约为1 m(包括保护层和防冲刷层)。隧道左、右净宽16.45 m，中间管廊净宽2.20 m，净高5.15 m(含顶部预留设备安装、装修空间)，风机安装净高为6.10 m(含顶部预留设备安装、装修空间)。

隧道所处地貌总体上属江淮平原，微地貌单元为经人工改造的人工湖和填筑高地。主要地层为第四系全新统冲洪积层，岩性自上而下依次为填筑土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、黏土。场地内存在局部的淤泥黏土层，需进行处理。

2 隧道施工风险分析及控制

2.1 风险源分析

目前明挖湖底框架式隧道风险分析的案例十分有限，本文将借鉴已有相关工程实例的建设资料，对方兴湖隧道施工风险进行分析。

1)基坑失稳风险

图1 方兴湖隧道断面

隧道穿越地段地表水丰富，施工前期需施作引道或沟渠分流河水，其次在隧道施工区域内施作围堰隔离河水，并对人工湖湖水进行抽排。这一环节工程量大，所需时间较长，对施工质量要求高。同时，水文地质及气候条件也是施工建设时需要考虑的重要因素。任何一个方面处理得不好，都可能导致施工区域遭受地表水的影响，使得基坑淹没、边坡塌陷，严重耽误工期，危害工程及机械设备安全，造成严重的经济损失。

2)结构上浮风险

隧道主体结构大部分处于地下水位以下，主体结构为大型空腔，所受浮力大，无法通过结构自重来避免结构上浮。为了提高抗浮能力，在结构下面设置抗拔桩，然而由于人为因素、施工工艺等导致抗拔桩浇筑质量不过关，致使隧道不满足抗浮要求，危害结构安全。

3)结构渗漏水风险

由于大体积混凝土浇筑水化热大，和易性较差，加之人工振捣不均匀等因素的影响，混凝土结构易产生贯通的毛细通道和施工冷缝，导致结构开裂，发生渗漏水风险高;其次施工缝、变形缝施作时未凿毛、清渣，可能导致接缝不密实而产生渗漏水灾害，影响隧道运营安全及使用寿命［5］。

4)大体积混凝土施工风险

方兴湖隧道大跨度主体结构施工对模板支撑体系要求高，模板应具有足够的强度、刚度及稳定性，任何一项不满足要求，将危害施工人员安全，损害机械设备。

5)环境影响风险

方兴湖隧道设计为双向八车道，基坑开挖规模大，对周边生态环境破坏较大。施工过程中的废弃物、车辆尾气都将给周边环境带来污染，大型机械的振动、钻机打孔及重锤击打夯实等声音也会给周边居民带来噪音污染，施工过程中产生的粉尘严重影响施工人员及周围居民的身心健康［6］。

2.2 风险控制措施

基坑失稳、结构上浮、结构渗漏水、大体积混凝土施工风险和环境影响等5个方面是隧道安全施工的主要风险源。本文针对隧道的安全施工风险，结合设计资料，提出了相应的控制措施。

1)基坑失稳是明挖法隧道遇到的常见问题。针对方兴湖隧道基坑深且跨度长的特点，要降低施工过程中的风险，需要从两方面进行处理：①做好基坑防排水工程。基坑可采用明沟排水为主、管井降水为辅的防排水工程，并制定相应的防排水应急措施，避免雨季施工，保证施工过程中基坑及边坡坡脚无积水。②做好基坑边坡支护结构施工。根据实际施工情况，采用锚喷结合的措施加强边坡支护，同时加强对基坑变形的监控，及时反馈信息指导施工。

2)抗浮是水下隧道结构施工应重点关注的问题。针对方兴湖隧道下穿湖底施工的特点，部分区间段的隧道主体结构不满足抗浮要求，采取在主体结构底板增设抗拔桩，通过桩体自重和桩身与侧壁土的摩擦力提高隧道抗浮能力，保证隧道施工及运营阶段的抗浮安全。施工过程中，要严格监控抗拔桩的桩长、桩径、混凝土和钢筋强度等级。

3)隧道渗漏水是施工控制的重难点。对于湖底隧道，首先应加强主体结构自防水，根据设计要求选用适宜的混凝土类型，提高混凝土施作质量，防止混凝土内部出现贯通裂缝;严格按照设计要求铺设结构防水外层，保证防水材料的搭接长度，并注意严加保护;同时增强隧道接缝防水，对接缝预留孔道进行凿毛清理，选用合适的防水涂料对接缝填充密实，加厚接缝处的防水涂层厚度，保证防水涂层的施作质量。

4)大体积混凝土结构施工风险高，要合理组织施工，按照设计要求构筑支模体系，保证大体积混凝土结构施工过程中的人员、机械安全，同时加强现场施工监督管理，制定相应应急预案，降低结构施工风险［6-7］。

5)方兴湖隧道所在区域周围场地开阔，施工范围内无市政及民用设施，地块属于单独地块，不影响交通，施工对环境的影响主要是空气污染和粉尘污染。空气污染问题可通过配备各类较为先进的低污染环保型机械设备，对汽油等易挥发品的存放进行密闭处理，严禁在场地内燃烧各种垃圾和废弃物等措施进行控制。同时通过对运输可能产生粉尘的车辆配备挡板及棚布、配备专用洒水车对施工现场和运输道路经常进行洒水湿润、对作业场地及运输车辆及时清扫冲洗等措施来减少粉尘带来的危害。

3 现场监测分析

为掌握隧道主体结构受力的动态信息，对方兴湖隧道主体结构受力进行了监测，以检验隧道施工方法的合理性，验证风险控制措施的有效性。

结合方兴湖隧道实际施工情况，选取水位最深处(K1+645)进行主体结构受力监测，利用混凝土应变计监测主体结构受力变化，利用钢筋计监测抗拔桩受力情况，以验证隧道抗浮能力及安全性，监测点布置如图2所示。

图2 K1+645断面监测元器件布置示意

自隧道典型断面元器件布置完成后立即进行监测，直至结构受力趋于稳定后才停止监测。将监测数据中的应力应变转换为结构内力，并计算得到主体结构各截面的安全系数，如图3所示。由图3可知，主体结构截面最小安全系数为2.54，大于《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)中规定的限值(2.0)，说明主体结构受力处于安全状态。抗拔桩内钢筋的最大拉应力为32.3 MPa，远小于钢筋的抗拉强度(335 MPa)，因此桩体抗拔力满足要求。另外，通过现场观测，恢复湖水后洞内无明显渗漏水现象。可见，采用所提出的风险控制措施后，方兴湖隧道的结构安全、抗浮和防水等方面均满足要求。