厦门机场路安全风险评估PPT课件.ppt

厦门市机场路大跨度隧道穿越复杂建 构 筑物安全风险评估北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心2006 7 28 1 汇报提纲 工程概况环境安全风险管理的总体思路隧道周围建筑物的现状调查与分析隧道施工方案的分析与优化重要建筑物的影响预测与安全风险评估主要施工措施及加固方案隧道施工影响的专项监测 2 1工程概况拟建的厦门机场快速路系是重点工程项目 一期工程全长10 532km 为避免莲前西路至大厝山段军事管理区造成太大影响 将原高架桥设计方案改为下穿建筑物群的隧道方案 下穿浦南浅埋暗挖段左线ZK7 485 211 ZK8 174 897 长689 686m 右线YK7 500 YK8 185 204 3 4 5 6 7 8 9 10 11 工程特点 隧道跨度大 由于该通道为双向6车道 而且均为小间距或连拱形式 总体跨度在30m以上 隧道埋深小 从7 8m到20多m的居多 与跨度相对应 均属于浅埋和超前埋隧道 地质条件差 岩石差异风化显著 风化界面形态复杂 隧道开挖断面多处于风化岩或回填地层中 含水丰富 地下水位较高 地层渗透系数较大 隧道施工中的水土流失可能对地层扰动较大 隧道穿越地段建筑物众多 结构形式多样 而且建筑物的现况普遍较差 施工工期紧张 连续穿越复杂环境的区段较长 12 工程难点 浅埋大跨度隧道施工技术难度大 而且采用多种施工方法 工法转换复杂 对施工队伍的技术水平和管理水平及经验要求高 工程周围建筑物的控制标准高 由于建筑物与工程的关系较为复杂 而且现况普遍较差 这样对保护建筑物提出了更高的要求 需要实现技术创新 无成熟的经验可以应用 由此需要某些关键技术的研发和创新 13 工程重点 通过对技术难点的研究和实践 实现技术突破和创新 力求形成复杂环境条件下浅埋大跨度施工的系统关键技术 包括若干核心技术 技术保证 指定系统完整的技术方案和预案 使整个工程建设的各个环节都有可靠的技术方案和措施 并制定具有较强可操作性的紧急预案 使整个施工过程处于受控状态 措施保证 建立由业主 设计 施工 监理和安全风险技术咨询机构组成的完善的管理体系 以确保重要工程技术措施落实到位 并在必要时实现信息化管理 组织保证 14 2环境安全风险管理的总体思路环境安全风险管理主要包括风险分析 风险评估 风险规避及风险控制等环节 风险分析就是找出工程的主要风险源和致险因子 并对其影响关系进行分析和归类 风险评估就是依据施工影响的变形预测结果与工程周边建筑物控制标准进行对比 由此可对安全性作出评价 风险规避就是针对环境安全风险特点 实行可靠的技术措施并实行严格的管理 使安全风险降到最低 由此实现对环境安全风险的控制和管理 15 对本隧道工程周围95栋建筑物的安全实行可靠的控制和管理是实行安全风险管理的宗旨 按照建筑物结构及基础结构形式 完好状态及其与隧道工程的空间位置关系分为不同类型和等级 通过对隧道施工引起的环境安全风险进行控制 使风险发生的几率和造成的危害减到最小 避免恶性事故的发生 这显然对本工程的建设具有重要的保证作用和实际价值 16 本项安全风险评估工作的主要创新之处表现在 将隧道施工的环境影响作为一个体系考虑 各环节之间紧密结合 实现系统控制 建筑物控制标准的制定与工程特点及地表变形模式相联系 使控制标准更具科学性和实用性 按照地层及结构的变位分配原理 将总体控制目标值分解到各个施工步序中 实行施工过程的分阶段控制 使控制效果更具可靠性 在拟定施工方案下附加影响不能满足控制要求时 可通过过程变形 沉降 恢复来达到总体控制目标 这样在某些条件下可能会取得更好的安全效益和经济价值 17 建 构 筑物的现状评估及安全性评价 危险性的分类和分级 制定相应的控制标准 施工附加影响的分析 从而实现施工方案的优化 包括施工方法和辅助施工法的优化 由此确定对环境影响最小的施工方案 拟定施工方案下施工过程对建 构 筑物安全影响预测 通过与控制标准的对比实行安全风险评估 得出评估结论 当评估结果施工无法保证建筑安全时 应对建筑物进行加固 提高抗变形能力 施工对结构附加影响 变形 预测 阶段控制目标和过程控制方案的制定 18 重要建 构 筑物监控量测方案的制定和实施 根据监测结果及时进行方案调整 实现过程控制和调整 工后评估及恢复 施工后对重要建 构 筑物进行再评估 对其进行损伤等级划分并说明恢复的必要性 同时要制定据具体的恢复方案和措施 对重要的建 构 筑物实行全过程的跟踪和控制 必要时和可能时施行过程恢复方案 建立相应的组织协调机构 其工作流程如下图 19 20 过程控制与过程恢复过程控制 当总体控制目标能够满足控制要求时 对建筑物是行分阶段目标控制 即通过对阶段目标的控制实现对总体目标的控制 以使每个施工阶段都使安全处于受控状态 过程恢复 当总体控制目标不能满足控制要求时 在某个阶段完成后具有恢复的条件时对沉降等实行部分或全部恢复 通过恢复实现对总体目标的控制 使施工过程总体上处于受控状态 21 过程控制与过程恢复的实例 22 23 导洞贯通 中洞顶层衬砌 侧洞支撑 侧洞贯通 中洞衬砌 侧洞衬砌 中洞管幕施工结束 侧洞支撑 1 2 3 24 3隧道周围建筑物的现状调查与分析厦门市机场路一期工程大跨度浅埋隧道穿越密集建筑物区域共有95不同类型和结构形式的建筑物 显然由于建筑物与隧道的相对空间位置以及所处地层条件的不同 所受施工影响的程度也是不同的 因此首先要对建筑物进行基于各种特点的分类研究 同时还应结合施工条件对其危险性进行分级 在此基础上针对不同类型的建筑物确定具体的控制指标和标准 以实现对建筑物安全的可靠控制 25 一 建筑物状况分析为保证隧道施工过程中周边建筑物的安全 厦门市房屋安全鉴定所对厦门机场快速路谊爱路至浦南片区段三个社区范围内的95幢建筑物 建筑总面积150483平方米 其中住宅面积76931平方米 非住宅面积73552平方米 的完好与损坏程度和住用状况进行了鉴别和判定 并出具了勘查报告 95栋房屋坐落分布为龙山桥社区20幢 溪东社区60幢 莲西社区15幢 对建筑物基础形式 结构类型以及目前的完好状态进行系统的分析 可作为制定相应风险管理方案的依据 26 1 按基础型式分类建筑物基础通常分为浅基础和深基础两大类 根据本区段范围内95栋建筑物的勘查资料 其中具备基础型式资料的建筑物有72栋 除3栋建筑物采用人工挖孔桩基础外 其余建筑物均采用浅基础 由于基础种类较多 可详细划分为10余种不同类型 为便于分析 将72栋建筑物的基础型式分为5大类 分别为挖孔桩 砖混 砖 砂浆 基础 毛石基础 砼和毛石砼基础以及钢筋砼基础 其中24栋建筑物为毛石基础 36栋建筑物为钢筋砼基础 27 2 按结构类型分类建筑物按承重结构材料分为砌体结构 钢筋混凝土结构 钢结构和木结构4类结构类型 由此本区段范围内95栋建筑物的结构类型可分为4类 即砖 石 混结构 砼结构 框架结构和钢筋混凝土排架结构 无钢结构和木结构型式 其中以砖混结构和砼结构居多 分别有52栋和33栋 28 3 按层数 高度分为类根据本区段范围内95栋建筑物的勘查资料 大多数建筑物为低层和多层建筑物 少数为小高层建筑物 无高层 18层以上 建筑高度54m以上 和超高层 建筑高度100m以上 建筑物 统计63栋建筑物的高度 24m以上6栋 10 24m的38栋 10m以下19栋 综合建筑物的层数划分标准 最终将其分为3类 29 4 按产权性质分类根据本区段范围内95栋建筑物的勘查资料 南京军区所属房屋共56栋 其中部队家属区住宅楼7栋 商业店面14栋 厂房6栋 外口公寓2栋 部队办公楼27栋 居民房屋共39栋 包括办公楼12栋 其余主要为住宅楼 据此可将95栋建筑物按产权性质分为部队房屋和居民房屋两大类 30 5 按地质条件分类厦门市机场路谊爱路至浦南片区段地面建筑物所处地层围岩条件为 级 沿不同里程范围对应的围岩状况和建筑物分布均不同 在不同围岩条件的地层中进行隧道施工 会对相应地表建筑物产生不同程度的影响 因此必须结合各区段的地质和水文条件 对隧道施工对地表建筑物的影响进行分析评价 围岩条件越差 隧道施工对地表建筑物的附加影响越大 施工中须采取更为严格的控制措施 31 6 按隧道埋深分类左线暗挖隧道起点 咬合桩设置起点 里程为ZK7 485 211 此处隧道埋深最浅 为8 9m 咬合桩设置终点里程为ZK7 633 371 此处隧道埋深15 1m 右线暗挖隧道起点 咬合桩设置起点 里程为YK7 500 此处隧道埋深最浅为9 9m 咬合桩设置终点里程为YK7 648 16 此处隧道埋深15 5m 由地层开挖后的变形传递规律可知 在不考虑其它条件的情况下 隧道埋深越深 地表建筑物受到的影响范围越大 影响程度越小 32 7 按建筑物完好状态分类依据相关鉴定标准 对本区段范围内95栋房屋按完损状态划分为完好房 基本完好房 一般损坏房 严重损坏房和危险房5个等级 具体查勘结果为 基本完好房50幢 53 龙山桥社区14幢 溪东社区28幢 莲西社区8幢 一般损坏房39幢 41 龙山桥社区6幢 溪东社区27幢 莲西社区6幢 严重损坏房6幢 6 溪东社区5幢 莲西社区1幢 建筑物现状完损状态是决定建筑物承受附加变形影响的能力的重要因素 具体划分见表6 33 二 建筑物危险性等级划分隧道开挖导致建筑物的现状发生改变 给建筑物的稳定和安全带来或多或少的不利影响 使其出现发生危险的可能 这种可能性即为建筑物的危险性 为了评估这种不利影响 区别不同程度的危险性 采用级别划分的方式表示其大小 由A级开始级别依次降低 相应地危险性依次减小 34 在考虑隧道施工影响的情况下 依据建筑物的现状安全评估建筑物承受附加变形的能力大小 并结合建筑物所处位置的地层条件 建筑物与隧道的综合邻近等级 分析评价隧道施工可能给建筑物带来的危险性 具体来说主要考虑3个方面 建筑物的重要性和现状安全等级 隧道与建筑物的邻近关系 相关的工程概况 包括工程规模 施工方法等 当然这3个方面对危险性等级划分的权重是不同的 由此 将谊爱路至浦南片区段隧道周边的95栋建筑物按安全风险等级高低依次划分为一 二 三级 如下表所列 35 建筑物安全风险等级划分结果 36 本工程穿越建筑物区段路线长 地层条件总体较差 隧道施工影响范围内建筑物数量多 密度大 且结构状况不利于承受附加变形 此特殊性决定了隧道穿越施工过程中必然对建筑物带来较大风险 因此如何保证建筑物的安全是工程控制的重点和难点 隧道施工对每一栋建筑物施加的不利影响都不容忽视 尤其对危险性较高的建筑物 更须进行科学 详细地风险评估和控制 并在施工中相应采取更为严格的控制措施 由安全风险等级划分结果可以看出 风险等级较高的建筑物所占比例并不是很多 其中一级风险点为10栋 详见下表 这是本工程进行安全风险管理的重点 37 38 三 建筑物变形破坏控制指标和标准的确定 1 控制指标及其标准值的确定方法不同的基础和结构形式对建筑物整体刚度的贡献不同 相应地建筑物抵抗变形的能力也不同 对刚度比较小的建筑物如砖混结构 其层数多少对建筑物抗变形能力的影响也很大 因此 为实现对如此复杂繁多的建筑物进行科学的分级控制和管理 对不同危险性等级的建筑物 须制定不同的控制标准 以最大限度地满足每栋建筑物安全控制的要求 在控制标准的具体制定中 分别针对每一级别危险性的建筑物 综合其层数 基础形式和结构类型进一步大致归类 以每一类建筑物作为典型 分别制定出相应的控制标准 39 控制标准值确定的步骤 1 综合考虑隧道埋深 跨度 地层条件以及建筑物所处位置等因素 抽象出若干个不同的变形模式 包括沉降量 水平变形量及其分布形式 2 将变形模式施加到不同结构和基础形式的建筑物上 根据建筑物结构所发生的响应并以结构破坏开始为主要判断指标 得出不同类型建筑物各响应指标的极限值 3 在控制指标极限值的基础上 考虑到一定的安全系数 并参考国内外的相关标准和规范 制定出不同指标的控制标准值 而且在必要时可根据建筑物类型确定出主控指标和辅助指标 40 2 建筑物变形破坏控制标准值依据上述原理 分别对95栋建筑物进行归类和分级 综合考虑底层条件 房屋状况 位置关系以及施工方法等分别选择典型的建筑物和变形模式进行模拟分析 由此可得出不同建筑物的控制标准 见下表 41 对于10栋以及风险点的建筑物评估结果见下表所示 结合以上分析对其余92栋建筑物分别制定了相应的控制标准 42 一级风险点建筑物控制标准 43 4隧道施工方案的分析与优化厦门市机场路一期工程下穿道路段的地质情况非常复杂 围岩类型从 级到 级都有分布 隧道上覆层厚度在8 9m到40m之间变化 为了简化问题的分析 得到最优的施工方案 在工法优化过程中 取最不利的地质条件进行模拟分析 即以隧道上覆层厚度8 9m围岩类型为 级的入口段进行分析 由于本工程控制的重点是地面建筑物的沉降和差异沉降 因此在对施工方法进行优化分析时以地表变形量为目标 并且以地面最大沉降量为主要目标 44 在当前隧道施工实践中 采用最多的方法是台阶法 其次是全断面法 在大断面软弱围岩隧道施工中 中隔壁法 CD 法 中隔壁交叉临时仰拱法 CRD法 单侧壁导坑 小隔壁法 和双侧壁导坑 眼镜法 采用较多 由于施工机械的开发和辅助工法的采用 施工方法有向更多地采用全断面法 特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势 45 通过调研比选 可以确定可行的施工方案大致有 台阶法 中隔壁法 CD法 中隔壁交叉临时仰拱法 CRD法 和双侧壁导坑法 眼镜法 对于双侧壁导坑法而言该工法工序较复杂 导坑的支护拆除困难 且有可能由于测量误差而引起钢架连接困难 从而加大了下沉值 而且成本较高 进度较慢 目前已经较少使用 因此工法的比较可以在台阶法 中隔壁法 CD法 中隔壁交叉临时仰拱法 CRD法 三种工法之间进行 同时针对不良地质条件还应对辅助施工方法和措施进行比选 46 台阶法是施工工艺相对简单 施工进度较快的一种施工方法 在满足控制要求和确保安全时应优先考虑采用 同时为考察辅助施工方法的有效性 对地层注浆前后的效果进行了对比 计算结果表明 注浆加固地层对控制地表沉降效果明显 隧洞开挖造成的沉降分为三个部分 第一部分是工前 即开挖面还未通过观测面 沉降 第二部分是施工中 即开挖面全部通过观测面 沉降 第三部分是工后 即开挖面远离观测面 沉降 隧道台阶法开挖过程和最终沉降曲线分别如图2和3所示 47 48 CD法施工过程的三维模拟中分注浆情况下各开挖步错距5m 10m 15m三种情况分析 开挖时先竖向开挖 再横向开挖 中间设置中隔墙两侧采用台阶法开挖 开挖过程三维模拟见图4 不同错距下的地表沉降如图5所示 可以看出减小上下台阶的开挖错距尽快形成封闭结构对控制地表沉降是有利的 49 50 CRD工法施工时的地表变形进行了分析 双洞隧道中采用CRD施工的模型如图6所示 相应施工条件下的地表沉降和地表水平位移分布如图7和图8所示 51 52 通过上述对台阶法 CD法和CRD法的模拟比较可以看到CRD工法在控制地面沉降保证周围环境安全方面优于台阶法和CD法 这是由于各个局部封闭成环的时间短 控制早期沉降好 每个步序受力体系完整 因此结构受力均匀 形变小 由于支护刚度大 施工时隧道整体下沉微弱 地层沉降量不大 而且容易控制 横隔墙和临时仰拱在阻止结构初期的下沉方面也起了关键作用 53 5重要建筑物的影响预测与安全风险评估隧道施工必然对周围地层造成扰动 进而影响到周围的建筑物 严重时可能会危及到建筑物的安全 因此在隧道施工前应对已经优化后的拟定施工方案进行变形预测 并通过与控制标准的对比从而对建筑物的安全性作出评估 54 一 建筑物变形预测按照位置关系 在不同穿越方式下建筑物分别处于地表沉降槽的不同位置 由此可对相应状态下建筑物的变形值作出预测 为此依据穿越方式不同可对各类建筑物 事实上可对每栋建筑物 在隧道实际施工过程中的变形量进行预测 得出相应条件下的建筑物结构变形值 55 1 建筑物处于隧道结构正上方的施工影响计算分析结果表明 当建筑物处于隧道结构的正上方时 在不采取注浆加固措施的条件下 导洞开挖过程中的最危险状态和开挖完成后的最终状态下建筑物前 后侧沉降分布如图9所示 由图可见 最危险状态建筑物最大沉降量达28mm 差异沉降量达24mm 平均倾斜率为2 隧道开挖完成后的最大沉降量为48mm 差异沉降量为15mm 平均倾斜率为1 25 显然满足不了建筑物控制标准的要求 56 57 在开挖前及开挖过程中采取注浆加固措施以后建筑物前 后侧沉降分布如图10所示 由图可见 最危险状态建筑物最大沉降量达13 4mm 差异沉降量达12mm 平均倾斜率为1 0 隧道开挖完成后的最大沉降量为19mm 差异沉降量为3mm 平均倾斜率为0 25 由此可见 当建筑物处于隧道结构的正上方时建筑物的沉降量 差异沉降和倾斜均可控制在允许的范围内 但在隧道施工过程中应加强监测 必要时可施行注浆抬升 58 59 2 建筑物处于隧道结构一侧的施工影响建筑物处于隧道结构一侧 即建筑物的一部分处于隧道正上方时 在不采取注浆措施条件下导洞开挖过程中最危险状态的建筑物最大沉降量达18mm 差异沉降量达15mm 平均倾斜率为1 2 隧道开挖完成后的最大沉降量为52mm 差异沉降量为12mm 平均倾斜率为1 0 如图11所示 与建筑物处于隧道正上方的情况相比 最终沉降量有所增加 但过程的差异沉降量有所减小 以达到控制值的上限 60 61 当建筑物部分处于隧道上方时 在开挖前及开挖过程中采取注浆加固以后建筑物前 后侧沉降分布如图12所示 由图可见 最危险状态建筑物最大沉降量达10mm 差异沉降量达9mm 平均倾斜率为0 8 隧道开挖完成后的最大沉降量为26mm 差异沉降量为6mm 平均倾斜率为0 5 由此可见 隧道结构部分穿越建筑物时的沉降量 差异沉降和倾斜均可控制在允许的范围内 可以取得较好的控制效果 62 63 3 典型建筑物沉降分析34号楼为6层混凝土结构住宅 覆盖隧道结构的大部分 分别经过沉降槽最低点和反弯点 变形及受力条件较为复杂 根据计算模拟结果 采取注浆加固措施前 后结构沉降如图13所示 由图可见 注浆前的最大沉降和差异沉降量分别为25mm和4mm 平均倾斜率为0 4 注浆加固后的最大沉降和差异沉降量分别为16mm和3mm 平均倾斜率为0 3 显然 34号楼的最终沉降量和差异沉降量可控制在允许的范围内 但要加强过程控制 64 65 二 建筑物安全风险评估按照上述分析结果 通过与控制标准的对比可见 由于建筑物基础的刚度大于地层的刚度 建筑物沉降量通常小于无建筑物荷载作用下的地表沉降值 评估结果为 1 部分结构稳定 完好状态较好 所处地层条件较好且与隧道结构距离较远的建筑物在采取正常措施施工时即可得到可靠的控制 能够保证建筑物的安全 但在施工过程中要加强监测工作 66 2 在采取注浆加固地层进行隧道施工时 多数建筑物的最终沉降量可控制在允许的范围内 施工过程中某个工序施工时可能造成差异沉降值短时间内超限 建议在必要时可采取临时保护措施以确保建筑物的安全 3 某些地层条件较差的地段 个别结构状况较差而且受施工影响又较严重的建筑物 部分A级危险性的建筑物 在采取注浆等加强措施后仍不能满足控制要求 这时可施行过程恢复措施 即在施工的某个阶段就进行部分恢复 67 6主要施工措施及加固方案依据隧道周围建筑物安全风险评估结果 可采取不同的措施来保证施工过程中建筑物的安全 主要包括 对建筑物本身的预加固 以提高其抗变形能力 相当于降低了控制标准 改进施工方法及实施辅助施工措施 包括隧道与建筑物间地层的加固和处置 以减小施工对建筑物所造成的附加影响 当总体控制目标无法达到时 可通过施工过程中的阶段恢复 部分阶段目标无法实现 来保证总体目标的实现 68