寒区浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估

浅埋软塑粘土地层地铁隧道下穿铁路桥施工安全与风险评估内容提要哈尔滨地铁一号线二期工程哈尔滨南站站哈达站区间连续近距离下穿哈尔滨南站9座铁路编组桥，施工技术难度大、风险高，社会影响大。施工前对铁路安全风险进行了评估，多次组织专家对浅埋暗挖法下穿铁路桥施工方案进行了论证，施工中严格按专项方案进行施工，确保了施工及铁路桥运营安全。本文重点对隧道下穿桥梁时施工安全风险评估过程进行了介绍。关键词浅埋软塑粘土地铁隧道连续下穿铁路桥风险评估1工程概况哈尔滨市轨道交通一号线哈尔滨南站站哈达站区间在SK0383882SK0693077（长度309195M）、XK0387605XK0697347（长度309742M）段下穿哈尔滨南站19号铁路桥，其中18号桥为框构桥，无桩基，隧道拱顶与框构底部距离为174824M；4、5号桥扩建部分及9号桥为桩基桥（4、5号扩建桥为1500挖孔桩基础，9号桥为1000挖孔桩基础），下行线隧道距离4、5号桥桥桩基最近处0815M；9号桥王方桥台距离下行线最近13M。上下行线线间距135M，净距73M，上行线上方地表为学府路主道，下行线地表为学府路辅道，下行线靠近哈南编组站一侧。区间埋深813米，隧道主要穿越粉质粘土层。图1南农区间与哈南站铁路桥关系图2区间隧道与铁路框构桥关系断面图表1铁路框构桥底部与隧道顶距离桥梁编号12345678框构桥底部最深处距离隧道顶距离M17418228363408376638242隧道施工风险机理及评估由于城市建设的迅速发展，导致建筑物越来越密集，在城市地铁修建过程中不可避免要从一些既有建筑物下方穿过，同时由于隧道施工风险的复杂性、风险事件的多发性以及后果的严重性，使得它已成为当今世界诸多学者研究的热点和难点。图3隧道施工现场发生安全事故原因由图3可知隧道施工风险的发生主要是由设计失误引起的，其中施工缺陷也占有一定的比例。这是因为隧道及地下工程本身就有其不可预知性，简单的地质钻孔并不能真实反映出整个地貌的实际情况，因此需在施工过程中，需对地质情况进行进一步的勘测，来弥补施工图中的不足。21风险发生原因风险是不确定活动或事件所造成的，而活动或事件的确定或不确定是由信息的完备与否决定的，即风险是由于人们无法充分认识客观事物及其未来的发展变化而引起的。引起隧道工程风险的原因既有内在的因素又有外在的因素，主要有以下几方面的原因（1）人们对客观事物认识的局限性；（2）信息本身的滞后性；（3）隧道所处地区的地质水文条件；（4）隧道施工过程中的不确定因素。22风险发生机制图4隧道施工风险机理23风险评估风险评估是对存在于施工风险因素和风险事件进行分析和等级评定。风险评价方法主要有专家调查打分法、范例推理、风险矩阵法、模糊数学法、层次分析法、风险树分析法（RTA或ETA）、肯特法、蒙特卡罗法、敏感性分析、可拓法等。23隧道下穿铁路桥试验段风险评估本章分别采用肯特指数法和模糊数学法对哈尔滨地铁工程的施工进行风险评估，并对比两种分析方法的评估结果。231肯特指数评估法1）肯特指数评估法的原理肯特指数法评价隧道近接建筑物施工风险的流程如图73所示。图5隧道邻近结构物肯特指数法评价流程（1）隧道指数影响隧道指数的因素主要有隧道断面几何尺寸、隧道埋深、施工技术水平、施工方法、工期影响、外界环境等，具体指数如表2所示。表2隧道指数因素权重取值评分15M81045M133045M361530M68埋深01550极高2）隧道风险评估采用肯特指数法对隧道施工风险进行评估的步骤为第一步，根据表2中所列因素，结合哈尔滨地铁工程的实际情况，依次对隧道跨度、埋深、施工方法、施工技术水平、工期的影响、外界环境等进行评分，进而求得隧道指数为66。第二步，根据表3所描述的围岩分级情况，确定哈尔滨地铁所处围岩等级为级，地层指数为40。第三步，根据表4所列因素，依次对隧道上部桥梁的基础类型、结构形式、完损现状及桥梁基础与隧道埋深进行评分，求得桥梁指数为66。第四步，根据表5所描述，铁路桥处在隧道两侧1H范围内，属于极邻近建筑物，因此影响系数S1为1；根据表6所描述，铁路桥的结构一旦破坏将会引起灾难性的后果，因此影响系数S2为1。由此可得隧道施工影响系数MS为1。第五步，据公式（21）、公式（22）求出风险综合指数TS为174。将以上结果汇总，列于表8中。表8隧道下穿铁路桥施工风险肯特法评估结果综合指数/分各指数/分因素实际情况分值/分隧道跨度51M6隧道埋深10M10施工方法CRD法20施工技术一般25工期紧张3隧道指数F166外界环境良好2地层指数F240围岩级别40基础类型桩基础10结构形式简支梁结构20完损现状基本完好20桥梁指数F366桥梁基础埋深与隧道埋深2D16邻近结构物与隧道的位置关系影响系数S1极邻近1TS174影响指数MS1邻近结构物的重要度影响系数S2非常重要1由表8可知，隧道施工风险综合指数TS174，结合表7可以判断哈尔滨地铁隧道下穿铁路桥的风险等级为低度风险。232模糊数学评估法1模糊数学法基本原理利用模糊数学的方法对隧道施工风险进行评估，是在上述肯特法评估模型的基础上，结合模糊数学理论，在考虑风险发生概率和风险损失的情况下对隧道邻近建筑物施工的风险进行评估。1965年美国学者ZADEH第一次提出了模糊评价法，即利用模糊集理论对工程项目的风险进行评价。隶属度函数可定义为设为模糊论域，到0,1区间的任一映射都可以确定的一个模糊子集A。（1）模糊隶属函数的选取1979年BALDWIN首先提出采用“接近于”隶属度函数来描述专家对估计值的确信程度，2002年HYONAMCHO对其做了改进，见式（73）（23）式中N取4、2、1、05和025，分别描述为“极接近（VVC）”、“非常接近（VC）”、“接近（C）”、“有点接近（FC）”、“略接近（FFC）”；U隶属度函数曲线的横坐标，令；A根据专家的经验以及相关工程实例，估计某一风险事件发生的概率和损失，如03，令，则得。描述接近03的隶属度函数曲线如图6所示。图6模糊隶属度曲线（2）风险评估根据相关的工程实例、专家的主观判断，利用隶属度函数对工程风险的发生概率、发生后果的损失进行预估。专家的主观判断受风险事件的复杂程度、专家自身受教育的程度和经验等的影响，而概率参数估计效果则主要与数据的可靠性、完整性和概率分析方法的适用性有关。根据表9所列各项能够判断出专家确信度的描述类型，然后由图6中选择适合的隶属度函数曲线，若置信水平为，则模糊估计的最大值和最小值即为隶属度曲线与直线FU的两个交点的横坐。表9专家估值确信程度的判断准则来自主观判断的不确定性来自概率参数估计的不确定性工程的复杂性对结果的影响专家受教育程度及经验对结果的影响数据的可靠性及充分性对结果的影响数据分析方法的适用性对结果的影响对专家估值的确信程度的描述很小很小很小很小很小小很小小小很小小很小VC很小一般很小一般一般很小一般很小小小小小VC小一般小一般一般小一般小很小大很小大大很小大很小C一般一般一般一般小大小大大小大小FC一般大一般大大一般大一般大大大大FFC风险度R是风险事件发生的概率和风险发生的损失的组合，即（24）（25）（26）式中为发生第I个风险事件的概率；为发生第I个风险事件的权重；为发生第J个风险事件的损失；为发生第J个风险事件损失的权重。风险度R的模糊区间为，其中（27）（28）对于同一个风险事件进行评价时，需多个专家同时对这一风险事件作出评估，再综合考虑分析各个专家的估计结果，确定专家自身的权重，根据式（29）计算风险事件。（29）式中为专家对第个风险事件的评价；为第个专家评价第个风险事件时的权重，其中；第个专家对第个风险事件的评价结果。（3）风险评价等级风险事件概率等级、损失等级和风险评价等级见表1012。表10风险评价等级概率损失风险评价描述估值描述估值风险度等级频繁发生09灾难性09095,1极高可能发生07非常严重的0708,095高度偶尔发生05严重的0505,08中度很少发生03较大的030,05低度不可能01轻微的012）隧道风险分析采用模糊数学的方法对隧道施工风险进行评估的具体步骤为第一步，风险的辨识，对施工过程中的自然因素、事故因素、环境因素、施工本身的因素等进行综合分析，并列于表11和表12中。第二步，采用专家调查法对隧道下穿铁路桥施工的风险发生的概率及损失进行预估。当多个专家对该工程的风险进行评估时，应对多个专家的预估结果进行综合分析确定专家的权重。并根据式（29）计算出事故发生的概率和损失及其相应的权重，由此得到事故发生的概率和损失及相应的权重如表11和表12所示。表11事故发生概率、范围及权重风险事故权重确信程度概率估值概率范围渗漏或局部失稳02C0340272,0414洞内变形过大02FC020128,029拱底隆起02VVC0250236,0264掌子面附近土体滑坡02VC0260233,0289地表建筑物破坏02C03024,0365表12事故发生损失估值、范围及权重风险损失权重确信程度损失估计值模糊损失范围经济损失025VC0350313,0388工期损失025C0250200,0306人员伤亡025FC0270173,0387环境损失025C070560,0817第三步，根据表28中所列各项确定专家预估值的确信度。第四步，取置信水平，则模糊区间的最大值与最小值分别为直线与隶属度函数的两个交点的横坐标。如风险事故“渗漏或局部失稳”，求出“接近（C）03”曲线与两个交点的横坐标，即为该风险事故生的概率范围0272，0414，用同样的方法可以求出其他几项风险事故发生的概率范围以及其损失范围，如表11和表12所示。第五步，由式（25）和表11可得隧道施工期间事故发生概况的估计值PF027和事故发生概率的模糊区间0222,0324；由式（26）和表12可得事故损失的估计值CF03925和损失的模糊区间0312,0475。第六步，将所求的PF和CF及其相