卢春林

(中铁隧道集团杭州公司，浙江 杭州 310000)



浅埋暗挖隧道穿越既有桥梁风险评估方法研究

卢春林

(中铁隧道集团杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:隧道工程建设规模大，施工期间的不确定因素多，工程中灾害事故会造成严重的财产损失和社会影响，风险管理理念越来越多的应用于隧道工程建设中。由于事故统计数据的有限性以及工程自身的差异性，事故真实概率难以获取，导致当前定量风险评估方法可操作性较差，通过对Kent法思想进行优化改进，构建改进Kent法隧道穿越桥梁施工风险评估模型，并提出“施工风险综合指数CRCI”的概念，用其表征隧道穿越既有桥梁施工风险水平，对实现隧道穿越桥梁施工风险评估的多元考虑具有重要意义。以杭州紫之隧道沿山河段穿越桥梁施工为实例，运用改进Kent法模型对其施工风险水平进行评估，评估结果显示其风险水平为2级。数值模拟及现场监测结果均显示桩基变形稳定，无异常变形，隧道穿越桥梁施工过程中桥梁安全状况良好，施工风险水平较低，与风险评估结果相吻合，验证了运用改进Kent法模型对隧道穿越桥梁施工风险进行评估的可行性与可靠性。

关键词：隧道工程；浅埋暗挖；下穿桥梁施工；风险评估；施工风险综合指数

隧道工程所具有的投资额度大、施工工期长、施工技术复杂、周边环境不确定性因素多等特点，使其成为一项高风险工程。在城市交通建设过程中，浅埋暗挖隧道施工的情况越来越普遍。随着城市建设不断加快，地上结构物越来越多，隧道施工难以避免地要穿越既有桥梁。隧道下穿既有桥梁施工，地层原有的平衡状态被打破，产生地层位移，若地层位移过大，将影响桥梁的安全使用，甚至造成桥梁垮塌，威胁人民生命及财产安全[1-3]。如果在施工前能够准确预测或者在施工中能够准确评估桥梁的安全风险状况，并找出影响桥梁变形的关键因素，就能采取针对性措施来保证其安全。因此，对隧道施工穿越既有桥梁安全风险评估进行研究具有很大的理论意义和工程价值。近年来，风险管理在隧道工程实践中得到了越来越多的应用，并取得了一定的经济效益和研究成果。然而在实际应用中发现：由于隧道工程项目的风险因素、影响范围、风险发生机理错综复杂，用概率方法研究隧道工程风险问题时，很难判断一个人为的概率分布假设是否合适，而且经常会遇到小样本问题，要想获得事故发生概率的精确关系是一项困难的工作[4-6]。Kent[7]在管道运行风险评估中应用了指数法(本文将该方法称为Kent法)，他认为管道事故是无法精确预测的，风险评估不需要按照概率理论进行精确计算，主要原因是精确计算所需样本量不够，并且计算过程中使用了大量的假设条件，导致评估结果的不准确性和不可靠信。Kent法在风险打分方法上越过了定量评估中的实际概率打分，且Kent法中的指数包含了概率的因素，又不拘泥于确切的概率，具有比较好的说服力。本文借鉴Kent法的思想，对Kent法中的指数及其评估模型进行改进，使之适用于隧道工程灾害事故的风险评估，并以杭州某隧道穿越既有桥梁为实例进行评估，为日后类似工程风险的定量评估提供参考。

1基于改进Kent法的隧道穿越既有桥梁风险评估

1.1Kent法的改进

Kent法没有回避主观因素在风险评估中的重要作用，并且通过采取一系列可行措施降低主观因素带来的不利影响，这种思想值得借鉴到隧道工程的风险评估中[8]。

然而Kent法也有其局限性，肯特指数法在风险分析过程中假定因素之间是独立不相关或者相关性很小不予考虑的，当分析对象不同时这种独立性假设可能会有不成立的情况存在[9]。并且管道风险相对来说比较简单，比如就管道风险事故来说，根本上就是管道的破裂，而对于其他领域的风险，比如隧道工程施工中常见的风险事故就有坍塌、地表沉降过大等，而且这些事故之间具有很大的相关性，完全套用Kent法进行评估难以达到控制施工安全的作用，Kent法者要应用于隧道工程安全风险评估中，必须进行改进。

下面针对肯特指数法在隧道工程风险评估中应用提出几点基本想法：一是在确定权重和因子取值的时候，应充分利用现有的研究成果及方法；二是建立适合于隧道工程安全的风险评估模型，在Kent法中指数和相当于风险发生概率程度，其求取方法就是各指数之和，在隧道工程施工中，由于地质、设计、施工错综复杂的交叉影响关系，利用简单的指数之和的计算难以体现评估的效果。

1.2改进Kent法风险评估模型的构建

通过对隧道穿越既有桥梁施工致灾机理的分析与研究，可知造成事故的风险因子主要有3个：隧道、地层和邻近结构物自身(桥梁)。为使隧道穿越既有桥梁施工风险评估最终有一个量化的综合评估结果，对施工风险给出定量具体的描述，能使人们真切实在地把握其风险水平，本文借鉴Kent法思想，并对其优化改进，规避其缺陷，提出了“施工风险综合指数CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用CRCI来表征隧道穿越既有桥梁施工风险水平。

CRCI=0.01λsCBRI=

(1)

改进Kent法按照以下4个步骤对浅埋暗挖隧道施工穿越既有桥梁风险进行评估(图1)：

1)依据相关规范，运用定量分析(数值计算)和定性分析(经验调查)等方法给隧道指数δ1，地层指数δ2和邻近结构物指数δ3赋值。

2)分析隧道施工过程中的施工技术水平、监控水平和工期要求，确定工艺影响系数λt；根据现场实际情况，确定邻近结构物重要性系数λc及位置系数λp。

3)计算得出施工风险基础指数CRBI。

4)根据现场采用的变形控制措施，给出安全补偿系数λs，对施工风险基础指数进行修正得到施工风险综合指数CRCI，确定最终的风险水平。

图1　改进Kent法风险评估流程Fig.1 Risk assessment process of improve Kent method

1.3模型因子的确定

1.3.1隧道指数δ1

影响隧道指数的因素主要有跨度和埋深，此处选用覆跨比(H/B)来综合考虑跨度和埋深因素，为简化计算，将不同形状的隧道跨度均按照等效原则将其折算为直径B。本文采用通用大型有限元分析软件ABAQUS模拟不同覆跨比下隧道开挖，考虑到模型边界效应，模型尺寸取为：100m×80m，土层参数如表1所示，计算中隧道直径取为7.0m，覆跨比分别取H/B=1.5，2.0 ，2.5，3.0，3.5和4.0。模型边界条件为：模型上表面自由边界；左右两侧为活动铰支座，限制水平向位移；模型底面为固定支座，限制水平位移和竖向位移。分析时，为计算简便采用二维模型，围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则，初始应力仅考虑自重应力，全断面开挖，模型如图2所示。

表1　围岩参数取值

图2　数值计算模型图Fig.2 Numerical calculation model

图3是单孔隧道在不同覆跨比(H/B)隧道开挖引起的最大地表沉降(umax)曲线及其斜率曲线。从图中分析可知：随着H/B值的增大，最大地表沉降(umax)减小，表明最大地表沉降与覆跨比之间存在反比关系。并且，当覆跨比H/B⦤2.25时，最大地表沉降曲线斜率较大，且最大地表沉降较大，表明在此覆跨比条件下隧道开挖对地表影响较大；当覆跨比H/B3.5时，最大地表沉降曲线斜率趋于0，且最大地表沉降较小，表明在此覆跨比条件下围岩具有良好的成拱能力，隧道开挖对地表影响较小。根据以上分析，隧道指数δ1按以下方式进行取值，如表2所示。

图3　最大地表沉降与覆跨比关系曲线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在区间内时，δ1取值按线性插值得到。

1.3.2地层指数δ2

地层作为隧道开挖影响的传播介质，地层条件的好坏很大程度上决定邻近建筑物受影响的范围和程度，良好的地层条件更有利于降低邻近建筑物的安全风险。参考《规范》，地层指数按表3进行取值。

1.3.3邻近结构物指数δ3

邻近结构物指数δ3即为桥梁指数，影响桥梁的主要因素为上部结构形式ξ1,基础类型ξ2,基础埋深ξ3，完损现状ξ4，邻近结构物指数δ3按式(2)进行计算，其中ωi为各因素权重，式中各因子取值方法如表4所示。

(2)

1.3.4工艺影响系数λt

工艺影响系数λt是表示施工技术水平，监控水平和工期等影响因素对隧道穿越桥梁施工危险水平的影响程度。由于受人为因素的影响，对这3个因素进行定量的计算比较困，在此，将3项综合为工艺影响系数，用它对隧道指数与地层指数之和进行调整，使评价体系更为合理。见表5所示。

表3　地层指数δ2

表4　邻近结构物指数δ3

表5　工艺影响系数λt

1.3.5位置系数λp

目前，对隧道施工影响区域的划分还没有统一的标准，但基本原则是：建(构)筑物基础底部向下卧层地基土扩散附加应力的有效范围应离开隧道周围和上方土体受扰动后的塑性区，以防止塑性区土体的施工沉降和后期固结沉降引起建(构)筑物不能承受的差异沉降。

文献[10]提出了一种简单实用的方法：假定基底压力按45°向下扩散，影响范围边线定在隧道扰动区外，并认为隧道扰动区为2R(R为隧道半径)。隧道施工的影响范围划分如图4所示。其中，C区为不受影响区域，而A和B区为受影响区域。且一般A区需采取托换、加固等措施来保证安全；B区的建(构)筑物会受到影响，但一般不会对安全和正常使用造成影响。通过以上分析，位置系数λp按以下方式进行取值，如表6所示。

图4　隧道施工的影响范围划分Fig.4 Partition of tunnel construction influence

桥梁与隧道位置关系λpA区0.8B区0.9C区1.0

1.3.6结构重要性系数λc

结构重要性系数λc表示桥梁在历史意义、社会功能和艺术价值等方面的重要性程度，参考《公路桥涵设计通用规范》的相关规定对桥梁重要性系数的设定，根据结构破坏可能产生的后果严重程度划分为3个等级，如表7所示。

表7　结构重要性系数λc

1.3.7安全补偿系数λs

安全补偿系数λs指通过有效的变形控制措施使承灾体(桥梁)减少受破坏的程度。对于距离隧道很近、受到施工强烈影响的桩基，仅通过优化开挖方法、调整施工工艺、提高支护强度己不能满足安全控制要求的情况，就必须采取有效的工程措施先加固邻近桥梁，后进行开挖施工作业。安全补偿主要通过土体加固、结构补强、基础托换、施工影响隔离等方法来降低施工风险水平，安全补偿系数λs取值见表8。

表8　安全补偿系数λs

注：具体取值根据现场施工效果而定。

1.4风险评估标准

施工风险综合指数CRCI表征的是隧道穿越既有桥梁施工的综合风险水平，通过对CRCI与各风险因子间相关性、敏感性进行分析，本文建议CRCI的风险评估标准如表9所示。

表9　建议CRCI风险评估标准

2实例应用研究

2.1工程概况

在建杭州紫之隧道为大跨浅埋暗挖双线隧道，采用CRD法施工，单洞限宽10.0m=0.75m(右侧检修道)+0.5m(路缘带)+3.75m(机动车道)+3.5m(机动车道)+0.5m(路缘带)+1.0m(左侧检修道)。隧道东西两线在沿山河段同时下穿沿山河桥，隧道东西两线与桥梁平面位置关系如图5所示，桥梁采用Φ1 000mm钻孔灌注桩基础，隧道距离最近桩基仅2.3m。桥梁桩基与隧道剖面关系如图6所示，暗挖隧道拱顶距离河底仅为9.30m。

图5　暗挖隧道东西线与桥梁平面位置关系Fig.5 Plane position relationship between tunnel and bridge

图6　桥梁桩基与隧道剖面关系Fig.6 Pile foundation and tunnel’s location relations

下穿桥梁施工段隧道上覆地层主要为粉质黏土混碎石，如图7所示。暗挖隧道东西两线紧邻桥梁桩基施工，不可避免的扰动周围土体产生地层变形，地层变形传递到既有桩基，引起桩基承载力的损失，导致桥梁上部结构发生不均匀沉降，影响桥梁的安全使用，严重时可能导致结构出现失稳破坏。下穿桥梁施工段为隧道施工关键工程节点，为确保隧道开挖过程中近邻桥梁的安全，在桥桩与隧道之间布置2排直径Φ800高压旋喷桩(如图8所示)，以隔离阻断隧道施工引起的地层变形向桥桩传播，保证桥桩的摩擦力不受损失，图9为高压旋喷桩现场施工照片。

图7　下穿桥梁桩基隧道段地质剖面图Fig.7 Geological profile of the tunnel across pile foundation

图8　隧道穿越桥梁施工变形控制措施(高压旋喷桩)Fig.8 Deformation control measures

2.2隧道穿越既有桥梁风险评估

依照改进Kent法风险评估模型，对杭州紫之隧道穿越沿山河桥施工的安全风险评估如下：

杭州紫之隧道沿山河段隧道覆跨比H/B=2.52，故根据表2，隧道指数δ1=74.32。

沿山河段围岩级别为V级，围岩自稳能力一般，参考表3，地层指数δ2= 70。

图9　高压旋喷桩现场施工照片Fig.9 Site construction photos of high pressure jet grouting pile

沿山河桥为连续梁桥，采用钻孔灌注桩基础，基础埋深位于隧道底板以下。通过对沿山河桥进行外观检查发现，沿山河桥结构整体状况良好，除发现几处墩、台拱脚处泛白外，未有其他病害发现，经综合评定该桥完损现状属于完好状态。参考表4，邻近结构物指数取值为：

95+0.4×90=93

工艺影响系数λt是表示施工技术水平、监控水平和工期等影响因素对隧道穿越桥梁施工危险水平的影响程度。下穿桥梁施工段为隧道施工关键工程节点，施工单位对其高度重视，投入了大量的人力和物力，故本工程工艺影响系数总分为0.6×95+0.3×95+0.1×90=94.5，参考表5，工艺影响系数λt=1.0。

沿山河段隧道紧邻桥梁桩基施工，距离最近桩基仅2.3m，桥梁桩基位于A区，受隧道施工影响较大，由表6可知位置系数λp=0.8。

沿山河桥位于交通要道紫金港路，若其破坏对地面交通影响较大，且其毗邻国家湿地公园西溪湿地，综合考虑各因素确定沿山河桥结构重要程度为2类，结构重要性系数λc=0.9。

隧道穿越沿山河桥施工过程中，为确保桥梁安全，在桥桩与隧道之间布置2排直径Φ800高压旋喷桩，以隔离阻断隧道施工引起的地层变形向桥桩传播，保证桥桩的摩擦力不受损失，依据表8，本工程安全补偿系数λs=1.0。

由式(1)计算可得，施工风险综合指数CRCI=96.64。依据表9施工风险综合指数评估标准，最终确定杭州紫之隧道穿越沿山河桥施工的安全风险水平为2级，表明本工程在现有施工技术条件下风险水平较低，能有效保证桥梁的安全。

2.3评估结果有效性验证

2.3.1数值模拟

为验证风险评估结果的有效性，在施工穿越沿山河桥梁前，运用大型通用有限元软件ABAQUS对其施工过程进行三维仿真模拟，分析判断沿山河桥梁的安全状况。

1)计算模型的建立

土体和注浆加固区域的物理行为按Mohr-Coulomb屈服准则计算，支护结构和桥基的物理行为视为弹性材料。初期支护中的钢筋及钢拱架通过换算截面法修正密度及弹性模量来进行考虑；围岩材料参数根据地质勘探资料并参考《公路隧道设计规范》来确定。桩土之间相互作用的接触行为按有限滑动接触算法进行考虑。由于隧道施工区域内围岩含水率较高，不能忽略水的作用，采用基于比奥固结理论的直接耦合方法进行渗流场-应力场耦合计算[11]。具体模型见图10所示。

图10　局部模型图Fig.10 Local model diagram

2)数值模拟结果分析

桥梁南北桥墩各两排桩基，由北向南依次编号1～4；每排12根，自东向西依次编号1～12。选取隧道开挖穿越桥桩后桩顶沉降进行研究，如图11所示。由图11分析可知，受东西线隧道施工扰动的影响，靠近隧道两侧桩基(1和12号桩基)沉降明显大于内侧桩基，单排桩基桩顶沉降呈由两侧向中间递减的分布规律，与实际情况相吻合。桩基最大沉降仅为9.9mm，发生在北侧桥墩的西侧桩基，表明桥梁不会因过大沉降变形而影响其正常使用。各墩桩间差异沉降分布规律与桩基沉降类似，也呈由两侧向中间递减的趋势，如图12所示，各墩桩间差异沉降均较小，小于3mm，在隧道施工期间不可能因过大桩基差异沉降而使桥梁产生过大的结构附加应力。

图11　桩基沉降Fig.11 Pile foundation settlementFig

图12　桩间差异沉降Fig.12 Differential settlement between pile

由于隧道施工对紧邻桩基影响更大，此处选取南北桥墩东西最外侧桩基(共8根)水平位移进行研究，南北桥墩东侧最外侧桩基由北向南依次编号1～4，西侧最外侧桩基由北向南依次编号5～8，桩基水平位移如图13所示。由图13分析可知，由于隧道施工扰动，在隧道施工影响区域内，桩基下部(7m至桩底位置)向隧道侧水平位移较大，上部基本无水平向变形，分布规律与实际情况相吻合。虽桩基水平位移分布不均匀，桩基下部水平位移大于上部，但桩基最大水平位移仅为4.6mm(1号桩19.5m处)，表明隧道穿越桥桩施工过程中，桩基不会因过大水平变形引起过大的附加桩身弯矩。

图13　桥墩外侧桩基水平位移Fig.13 Horizontal displacementof the pile outside pier

综上所述，在整个模拟隧道段施工过程中，桩基变形稳定，均无异常变形，在隧道施工期间桥梁不可能因变形而产生过大的结构附加应力，表明隧道穿越桥梁施工过程中桥梁安全状况良好，与2.2节中风险评估结果相吻合，验证了风险评估结果的有效性。

2.3.2现场监测

隧道下穿桥梁施工过程中，为保证桥梁运营安全，对桥梁桩基沉降变形进行了实时监测。在桥梁两桩基承台布设沉降观测点，每个桩基承台沿垂直于隧道方向自西向东等距布设5个，测点采用钻孔埋设钢筋头。选取桩基北侧承台现场监测数据与数值计算结果进行对比分析，图14为北侧桩基础承台沉降累积变形时程曲线，沉降测点Q-1～Q-5自西向东沿承台依次展开，由图14分析可知，在暗挖隧道下穿桥梁施工过程中桥梁桩基沉降变形正常，无变形速率过大异常情况发生，表明隧道穿越桥梁施工过程中桥梁安全状况良好，施工风险水平较低，与2.2节中风险评估结果相吻合，验证了

图14　桩基北侧承台沉降曲线Fig.14 Northern cap settlement curves

运用改进Kent法模型对隧道穿越桥梁施工风险进行评估的可行性。

3结论

1)借鉴Kent法思想，对其优化改进，构建了改进Kent法隧道穿越桥梁施工风险评估模型，并提出“施工风险综合指数CRCI(ConstructionRiskComprehensiveIndex)”的概念，用其来表征隧道穿越既有桥梁施工风险水平。CRCI是对隧道穿越既有桥梁施工风险水平的一个总的评估，具有综合、简洁、直观等优点，将其运用到隧道穿越既有桥梁施工风险评估中，可以避免复杂的计算、片面的判断以及结果的不确定等风险评估常见问题，并且有利于研究成果的程序化和推广。

2)以杭州紫之隧道沿山河段穿越桥梁施工为实例，运用改进Kent法模型对其施工风险水平进行评估，评估结果显示其风险水平为2级。在施工穿越沿山河桥梁前，运用大型通用有限元软件ABAQUS对其施工过程进行三维仿真模拟，分析判断沿山河桥梁的安全状况；分析结果表明：桩基变形稳定，无异常变形，在隧道施工期间桥梁不可能因变形而产生过大的结构附加应力，桥梁安全状况良好，与风险评估结果相吻合，验证了风险评估结果的有效性。现场监测结果也显示，在暗挖隧道下穿桥梁施工过程中桥梁桩基沉降变形正常，无变形速率过大异常情况发生，桥梁安全状况良好，施工风险水平较低，与风险评估结果一致，验证了运用改进Kent法模型对隧道穿越桥梁施工风险进行评估的可行性与可靠性。

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* 收稿日期：2015-09-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478474)；中铁隧道集团科技创新计划项目(隧研合2013-30)

通讯作者：卢春林(1977-)，男，广东始兴人，高级工程师，从事隧道与地下工程领域研究工作；E-mail:fenglin06230105@163.com

中图分类号：U455

文献标志码：A

文章编号：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