城市隧道施工的安全评价体系及现场监控量测研究

1、中文摘要 城市隧道施工的安全评价体系及现场监控量测研究摘 要 随着我国基础建设事业的快速发展和西部大开发战略的稳步实施，原有的道路交通系统已难以满足人们的出行需要，为了有效缓解日趋增大的交通压力，我国加快了利用新奥法设计施工的公路隧道工程的发展步伐，但与此同时伴随着高速发展出现的安全问题正逐渐制约着工程进展。本文以重庆市五一路地下环道工程为依托工程，结合现场调研、数值模拟、数据分析等多种手段，对五一路隧道的施工安全进行了综合性的评价以及对其监控量测的问题进行了重点研究。 获得主要成果如下： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 在城市隧道施工评价中引入危险指数法，确定了城市隧道施工的

2、物质系数MF、城市隧道一般工艺危险系数F1、城市隧道一般工艺危险系数F2。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 以岩体力学分级为基础，借鉴危险度指数评价法，提出了城市隧道施工安全的分级体系，将隧道施工安全等级分为IVI级，该评价体系的各因素权重采用层次分析法确定，主观因素对安全等级影响程度通过补偿系数衡量，得到城市隧道施工的危险性评定指数D=（MF）F3S1S2=157.54，评定该隧道段的施工安全分级属于II级(较安全)，与施工的实际情况较为符合。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 利用ANSYS软件建立该隧道的三维立体模型，根据实际情况进行加载，得出了隧道开挖之后

3、，新建隧道拱顶最大沉降值为3.397mm，隧道开挖后引起重庆日报集团基底最大沉降值为0.731mm，基底最大整体倾斜0.081 。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 应用尖点突变理论模型，基于隧道围岩变形实测资料，运用了隧道开挖围岩失稳预测模型，并将结合五一路实际监控量测数据对五一路隧道部分断面进行预测，得到了较高的准确率，同时验证了城市隧道施工安全评价体系的准确性和实用性。关键词：隧道施工，危险指数法，数值模拟，监控量测，尖点突变 ABSTRACT With fast development of national foundation construction and the

4、 implement of develop-the-west strategy,the existing traffic system had failed to meet peoples requirement for travel,so the nation speed up the use of the new Austrian tunneling method to the design and construction of highway tunnel engineering for remitting the increasing traffic pressure.But pro

5、blems in fast development also restricted engineering progress.Based on underground ring road engineering of Wuyi road in Chongqing,this paper applied some methods ,local survey、 HYPERLINK app:ds:numerical t numerical HYPERLINK app:ds:modeling t modeling、 HYPERLINK app:ds:data t data HYPERLINK app:d

6、s:analysis t analysis and so on，to HYPERLINK app:ds:synthetically t synthetically evaluate the implement safety of Wuyi road tunnel and study the problems about measurement and monitoring. Main achievements are as follows: = 1 * GB3 * MERGEFORMAT In city tunnel implement assessment, the material fac

7、tor （MF），the general progress risk factor（F1 ）,the particular progress risk factor （F2）of city tunnel were determined by risk rank method. = 2 * GB3 * MERGEFORMAT Based on rock mass mechanics ranking and risk index assessment method,we put forward ranking hierarchy for city tunnel implement,covering

8、 five degrees,from 1-5.The weight of factors in the hierarchy was determined by layer analysis method.the influencing level of subjective factor on safety degree was measured by compensation factor.The risk assessment index D=（MF）F3S1S2=157.54 for city tunnel implement was HYPERLINK app:ds:calculate

9、 t calculated to assess its implement safety degree,achieving degree two,which accorded with actual situation. = 3 * GB3 * MERGEFORMAT The tunnel three-dimensional model was established by ANSYS,and applying load according to actual situation，then the maximum settlement values of New tunnel vault an

10、d Chongqing daily group base and the maximum global incline value of base was computed，3.397mm,0.731mm ，0.081 respectively，during excavation. = 4 * GB3 * MERGEFORMAT According to actual data for Tunnel surrounding rock deformation， , Surrounding rock instability prediction model was used by cuspidal

11、 mutation theory .and some planes of fracture in Wuyi road tunnel was predicted ,showing higher accuracy rate,with its actual measurement results.Key words: tunnel construction，risk index method，numerical simulation，monitoring measurement，cusp catastrophe重庆大学硕士学位论文 目 录目 录 TOC o 1-3 u 中文摘要 PAGEREF _T

12、oc341275094 h I英文摘要 PAGEREF _Toc341275095 h II1 绪论 PAGEREF _Toc341275097 h 11.1 研究意义及选题依据 PAGEREF _Toc341275098 h 11.2 国内外研究现状 PAGEREF _Toc341275099 h 11.2.1 隧道施工安全管理 PAGEREF _Toc341275100 h 11.2.2 隧道监控量测与信息化施工 PAGEREF _Toc341275101 h 21.3 论文的主要研究内容与技术路线 PAGEREF _Toc341275102 h 41.3.1 主要研究内容 PAGEREF

13、 _Toc341275103 h 41.3.2 技术路线 PAGEREF _Toc341275104 h 42 城市隧道施工安全评价体系研究 PAGEREF _Toc341275105 h 62.1 安全评价 PAGEREF _Toc341275106 h 62.1.1 安全评价的内容 PAGEREF _Toc341275107 h 62.1.2 安全评价的意义 PAGEREF _Toc341275108 h 62.1.3 安全评价的程序 PAGEREF _Toc341275109 h 72.2 城市隧道施工安全评价体系 PAGEREF _Toc341275110 h 82.2.1 城市隧道施

14、工的风险分析 PAGEREF _Toc341275111 h 82.2.2 城市隧道施工的安全评价体系框架 PAGEREF _Toc341275112 h 92.2.3 城市隧道施工的物质系数确定 PAGEREF _Toc341275113 h 122.2.4城市隧道施工工艺危险系数确定 PAGEREF _Toc341275114 h 152.2.5 城市隧道施工安全补偿系数确定 PAGEREF _Toc341275115 h 172.2.6 城市隧道施工综合评定指数的确定及安全分级 PAGEREF _Toc341275116 h 182.3 城市隧道施工安全分级评价体系分析 PAGEREF

15、_Toc341275117 h 182.4 五一路隧道施工安全评价 PAGEREF _Toc341275118 h 192.4.1 工程概况 PAGEREF _Toc341275119 h 192.4.2 隧道工程地质评价 PAGEREF _Toc341275120 h 202.4.3 隧道施工安全评价 PAGEREF _Toc341275121 h 212.5 本章小结 PAGEREF _Toc341275122 h 243 五一路下穿重庆日报集团隧道段施工安全的数值模拟 PAGEREF _Toc341275123 h 253.1 ANSYS简介 PAGEREF _Toc341275124

16、h 263.2 有限元模型及边界选取 PAGEREF _Toc341275125 h 263.3 本构模型与力学参数的选取 PAGEREF _Toc341275126 h 303.4 数值模拟结果分析 PAGEREF _Toc341275127 h 333.5 本章小结 PAGEREF _Toc341275128 h 364 隧道现场监控量测研究 PAGEREF _Toc341275129 h 384.1 新奥法简介 PAGEREF _Toc341275130 h 384.2 隧道现场监控测量 PAGEREF _Toc341275131 h 404.2.1 现场量测的目的和意义 PAGEREF

17、 _Toc341275132 h 404.2.2 隧道量测信息的反馈方法 PAGEREF _Toc341275133 h 414.2.3 监控量测项目及测点布置 PAGEREF _Toc341275134 h 434.2.4 量测频率和量测时间 PAGEREF _Toc341275135 h 444.3 五一路隧道现场监控测量 PAGEREF _Toc341275136 h 454.3.1 五一路隧道监测方案 PAGEREF _Toc341275137 h 454.3.2 围岩失稳尖点突变预测模型 PAGEREF _Toc341275138 h 484.3.3 五一路隧道监控量测分析 PAGE

18、REF _Toc341275139 h 504.4 五一路隧道量测数据与数值模拟对比分析 PAGEREF _Toc341275140 h 564.5 本章小结 PAGEREF _Toc341275141 h 575 结论与展望 PAGEREF _Toc341275142 h 585.1 主要结论 PAGEREF _Toc341275143 h 585.2 展望 PAGEREF _Toc341275144 h 59致 谢 PAGEREF _Toc341275145 h 60参考文献 PAGEREF _Toc341275146 h 61附 录 PAGEREF _Toc341275147 h 64A

19、. 作者在攻读硕士学位期间发表论文情况 PAGEREF _Toc341275148 h 64B. 作者在攻读硕士学位期间的发明专利情况 PAGEREF _Toc341275149 h 64重庆大学硕士学位论文 1 绪论1 绪论1.1 研究意义及选题依据 我国是一个多山的国家，山地、丘陵和高原面积约占国土面积的69%，随着我国国道和高速公路网的迅速建设，穿山越岭的公路隧道优越性逐渐显现出来，但其所遇到的各类安全问题也越来越引起人们的重视，其中隧道施工的安全评价及其现场的监控量测是与公路隧道设计和施工密切联系的一项极为重要的研究内容，也是推动隧道向纵深发展和安全使用的保证，迫切需要深入研究和探索。

20、 大量工程实践表明，随着公路隧道开挖长度、深度的不断增加，施工地质条件也越来越复杂，正确分析隧道施工过程中围岩的稳定性、施工开挖方法、开挖顺序、支护方式和时间长短与隧道施工的安全状况有着密切联系1。同时做好施工时的监控量测也可以及时的预报险情，并通过监控量测反馈的数据为隧道施工的设计修改提供依据和指导隧道现场的施工。隧道施工不同于其他生产形式，兼顾建设工程施工和矿山生产，具有其自身独特的安全生产特点。隧道施工过程中的事故多以地质灾害和常见惯性事故为主，其危险源和有害因素也有了初步认识，通过选取最佳的安全评价模型进行施工安全评价，可以对施工安全的认识更系统化、完整化、科学化，做到及早地对事故发生

21、的可能性和危险、有害因素进行辨识，切断危险源，把事故消灭在萌芽之中。同时通过隧道施工安全评价，进行安全技术措施和安全管理的落实，对施工员工进行安全教育，提高他们的安全意识，制止和控制劳动者的不安全行为，可以让施工人员更系统全面地了解隧道施工过程中的危险、有害因素，促使施工企业领导从安全管理制度上和管理方法上提出控制对策，真正做到贯彻落实“安全第一、预防为主”的安全生产方针，并最终建立完善的动态的安全管理系统，进一步预防和降低事故的发生，保证安全生产顺利进行24。 1.2 国内外研究现状1.2.1 隧道施工安全管理 风险管理在1955年左右起源于美国，经过50多年的理论探索和实践，现在已被公认为

22、一项不可或缺的管理职能，并以此为基础创建了一门新的管理学科。1960年左右工程项目管理开始运用风险评估技术，随着西方国家经济的复苏，欧洲兴建了一大批投资巨大的资源、水电、航天、交通项目，其中复杂多变的工程项目环境令工程项目本身面临着各种不确定因素，从而使项目管理者对风险管理越来越重视5。通过几十年的实践应用和理论研究，对工程风险管理的概念国际学术界达成了一致的认知，认为工程风险管理是系统工程的一个分支，涉及到了工程管理的各个更次，比如危险的识别、分析、评估、控制和管理，其旨在于通过对项目环境中的不确定因素进行研究控制，来控制成本和降低损失6。工程风险评估正随着产生的各种新评价方法向综合、全面、

23、多维方向发展来解决怎样定量地预测不确定因素对工程项目成本造成的影响。 国外学者对于隧道工程的风险分担和风险管理方面做了很多研究，比如挪威学者认为：做好风险分担的准备对缩短工期和控制工程造价以及对承包商和业主双方都有利。所以，挪威采用一种把时间当量（实际单位作业耗时）作为作业项目的方法，来降低合同中的风险。国际隧道协会也开展过隧道工程风险分担的研究，并提出了25条建议应用于隧道工程中合同风险的分担。事实表明，工程中预先进行风险识别和制定相应的控制措施是降低风险的重要手段7。现在很多国外隧道和地下工程都从开始的设计到施工结束都进行了风险管理。在工程启动前先进行风险识别，找出所有潜在风险，同时在招标

24、和签订合同的各个阶段也加强了风险管理。虽然国外进行了较多的隧道工程风险管理研究，但隧道工程的多样性和复杂性决定了它的研究还不够系统和完善。公路隧道安全评价技术仍然处在不断的发展与完善阶段，没有形成统一的、完整的安全评价标准，有待进一步的探讨与研究。在我国工程风险管理尚未纳入工程管理体系，并且在隧道工程风险管理方面的研究也处于相对滞后状态。2004年铁道部工程管理中心和中铁西南科学研究院在野三关铁路隧道工程进行的风险分析和评估研究中采用了定性和定量相结合的方法，这在我国铁路隧道工程界的发展中尚属首次尝试8。1.2.2 隧道监控量测与信息化施工 随着力学理论的不断进展，监控量测于1948年左右开始

25、兴起，逐步发展为一种集预测、监控、评价和修正为一体的设计施工方法。1960年以后，以最大限度地不破坏围岩中应力分布为前提，通过在施工过程中密切监测围岩的应力应变，并同时实施各种支护措施来控制变形，以期达到最大限度地利用围岩本身自承能力的新奥地利施工法开始运用到隧道的开挖掘进中，作为新奥法核心之一的隧道施工监控量测在美国、日本以及欧洲等诸多地下工程中获得了飞速的发展9。近几年来，由于量测技术与计算机等多种技术的渗透发展，地下工程结构体系中的新奥法设计和施工有了很大的发展，其中“信息化设计施工方法”被广泛地普及应用，其原理也大大地被扩展。“信息化设计施工方法”已经被许多设计、施工方法规范认同，比如

26、欧洲规范（Eurocode）。国际隧道协会执行主席Eisenstein教授在城市隧道的挑战与进展书中认为，“信息化方法特别适用于隧道工程”10。Brandl博士（国际土力学及岩土工程学会（ISSMGE)副主席）曾大力倡导信息化设计施工方法，称之为“解决目前理论与实际日益脱节”的有效办法。 目前日本和欧洲等开始以监控量测及信息化设计施工思想为基础进行研制和开发隧道工程动态设计系统，并开发出很多产品，有的已经批量化投产11。近段时间，鉴于通信技术、信息技术以及各种获取信息手段和方法的飞速发展，特别是设计施工体制的改革，都给隧道“信息化设计施工”的实现创造了良好的前提12。我国在隧道工程体系中基本也

27、是按照“信息化设计施工”的思想进行的设计和施工，但因信息传输系统的不完善、获取信息手段发展的迟缓以及隧道施工环境和管理体制的限制等诸多原因并未实现真正意义上的“信息化”。国内西安矿业学院的刘怀恒教授在1978年开发出“岩石力学平而非线性有限元分析NCAP-2D”；王兰生教授的课题组设计了施工简单易且于埋设的量测围岩变形跟踪监测系统（TMS),并成功应用于川藏公路二郎山隧道工程中；同济大学的朱合华教授于1997年推出了“地下工程施工模拟通用正反分析计算软件”；铁科院发表了根据圆形洞室的周边位移进行平而应变问题初始应力反分析计算的复变函数法；长安大学吕康成教授、伍毅敏博士利用激光基准测量原理开发的

28、激光隧道围岩位移实时监测系统监测系统精度为0.5mm，在浙江杭金衙高速公路上的樊村二号隧道试用过后效果良好13；东北大学的刘连峰和王泳嘉开发了3D离散元软件TRUDEC，通过动态松弛法来求解力和位移14；能源部成勘院发表了可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法，西安空军工程学院发表了引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移法分析计算的边界单元法15,16。这些研究不仅促进了岩土力学的发展，还有利地带动了隧道施工现场监控量测和信息反馈的发展。近十年来，针对公路隧道建设的现状和其面对的各类安全问题，我国投入的科研经费量逐年增多，在隧道工程的各类实际问题上开展详细的科学研究，比如“公路隧

29、道施工技术规范编制”、“特长公路隧道修筑技术研究”、“公路隧道通风技术研究”、“公路长大隧道纵向通风研究”和“连拱隧道建设关键技术研究”等等17，在隧道工程的各个领域取得了针对性成果，这些研究成果有力地支持了我国公路隧道的建设。但我国对监控量测和信息化施工的研究还不是很多，监控量测技术和方法还处于发展阶段，随着科学技术的进步和认识水平的提高以及对工程建设的客观要求提高，必定会推动监控量测技术的不断进步和提高17。因此，如何及时、快速地获取各类信息，如何综合分析信息以及如何快速地把监测信息反馈给其他各方并立即采取适当的反应处理突发事故，如何使信息得到的真实性得到确保并能切实有效的应用于工程建设中

30、，是目前隧道施工和监控量测研究急需解决的问题18。1.3 论文的主要研究内容与技术路线1.3.1 主要研究内容 本文以解放碑地下环道二期工程（五一路隧道工程）为实际依托工程，采用了现场调研、数值模拟和选取合适安全评价方法等手段，对五一路的隧道施工进行了安全评价，并结合现场监控量测数据运用尖点突变原理进行了分析。论文的主要内容有以下几点： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 综合采用危险指数评价法、层次分析法以及岩石力学中的岩体稳定性分级方法，给隧道施工安全评定了一个通过计算危险指数的安全分级标准,结合五一路隧道施工中的具体情况，确定各个计算参数，对五一路隧道施工的安全等级进行评价。

31、 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 运用ANSYS对五一路隧道工程的重庆日报隧道段进行数值模拟，利用等效刚度法简化其荷载施加的计算方式，分析其施工过程可能对地表构筑物和隧道自身产生的影响。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 分析了监控量测在新奥法中的重要性，运用由尖点突变原理以及围岩的本构关系导出的围岩失稳的尖点突变预测模型，并结合现场监控量测数据对围岩失稳进行预判，分析其危险性。1.3.2 技术路线 本文的技术路线简要说明如下（图1.1）： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 收集国内外相关领域的最新资料； = 2 * GB3 * MERGEFORMA

32、T 分析资料，根据研究目标制定安全评价研究方案，确定方案后对工程实况进行安全评价； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 进行隧道区工程地质条件研究，重点对隧址的区域地质与区域稳定性、地形地貌条件、地层岩性及工程地质岩组、地质构造及其应力场演化、水文地质条件等进行调研，来确定本文评价所要用到的参数。以上参数通过对五一路隧道的现场调研以及物探资料获得； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 针对五一路隧道的实际开挖和支护情况进行数值模拟，评估其安全稳定性； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 进行现场测量，运用尖点突变原理分析测量数据，预判隧道围岩的稳定性，并与数

33、值模拟的试验结果作对比，验证数值模拟的准确度。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 将有关研究成果形成文档，完成学位论文撰写。收集国内外相关领域的最新资料制定安全评价研究方案确定隧道施工安全评价所要用到的参数，进行安全评价对隧道的实际开挖和支护情况进行数值模拟进行现场监控量测并分析数据后与数值模拟对比将有关研究成果形成文档，完成学位论文撰写图1.1 论文技术路线图Fig.1.1 Technology roadmap重庆大学硕士学位论文 2 城市隧道施工安全评价体系研究2 城市隧道施工安全评价体系研究城市隧道施工工艺主要包括钻爆作业、支护作业、渣运作业、仰拱施工、衬砌、防水层施工等，

34、对城市隧道施工安全的评价是对施工过程中安全程度的评价，通过对施工过程中存在的危险进行定性和定量的分析，反映出隧道施工的安全状况和安全管理水平，为施工方决策提供依据。安全评价的技术很多且各有特色，运用安全评价技术对隧道施工的安全生产水平进行评价，应根据评价对象、评价目的的不同而合理的选用相应评价方法。目前对于隧道施工安全评价的方法很多，比如模糊综合评价法、PNN或者BP神经网络法、模糊层次分析法等，这些方法都能比较真实地体现出隧道施工中的各类安全问题所占的比重，哪些安全隐患应该更加重视，但缺乏一个对于隧道施工的整体安全指标，不能够明确评价某一隧道的施工安全的级别，从而采取相应的措施。本文综合采用

35、危险指数评价法、层次分析法以及岩石力学中的岩体稳定性分级方法，给隧道施工安全评定了一个通过计算危险指数的安全分级标准。2.1 安全评价安全评价（safety assessment）也称危险评价或风险评价（risk assessment），是应用安全系统工程的原理和方法，对系统存在的危险因素、有害因素进行辨识和分析，判断系统发生事故和职业危害的可能性及其严重程度和可能造成的损失进行调查研究和分析论证，从而为评估系统的整体安全性及为制定防范措施和管理决策提供科学依据，以寻求最低事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。2.1.1 安全评价的内容安全评价的主要内容一般分为4个方面：危险的识别、危险的定

36、量化、定量化的危险与基准值的比较、控制危险措施的提出。危险的识别是分析研究对象存在的各种危险，危险的定量是研究确定这些危险发生的频率以及可能造成的后果。定量化的危险与基准值的比较是将这些风险与预定的风险值相比较，判断是否可以接受；最后根据风险能否被接受而提出降低、排除、转移风险的决策。2.1.2 安全评价的意义安全评价的目的是查找、分析和预测工程、系统中存在的危险、有害因素及危险的程度，提出合理可行的安全对策措施，指导危险源监控和事故预防，实现安全生产。安全评价是安全生产管理的重要组成部分，其作用主要有：有助于政府安全监督管理部门对生产经营单位的安全生产实行宏观控制；有助于提高生产经营单位的安

37、全管理水平；有助于安全投资的合理选择；有助于生产经营单位提高经济效益、社会效益。2.1.3 安全评价的程序安全评价程序如图2.1所示，主要包括：准备阶段，危险、有害因素辨识与分析，定性、定量评价，提出安全对策措施，形成安全评价结论及建议，编制安全评价报告。安全评价准备危险辨识定性、定量评价安全对策措施结论及建议编制报告现场勘察、资料收集危险有害因素辨识和分析危险源辨识事故单元划分评价方法的选择、确定定性、定量评价危险分级安全对策措施应急预案做出评价结论影响因素、事故机制发生的可能性图2.1安全评价程序图Fig.2.1 Safety Assessment Procedures 准备阶段。明确被评

38、价对象和范围，收集国内外相关法律法规、技术标准及工程、系统的技术资料。危险、有害因素辨识与分析。根据被评价的工程、系统的情况，辨识和分析危险、有害因素，确定危险、有害因素存在的部位、存在的方式、事故发生的途径及其变化规律。定性、定量评价。在危险、有害因素辨识和分析的基础上，划分评价单元，选择合理的评价方法，对工程、系统发生事故的可能性和严重程度进行定性、定量评价。提出安全对策措施。根据定性、定量评价的结果，提出消除或减弱危险、有害因素的技术措施、管理措施及建议。安全评价结论及建议。简要地列出主要危险、有害因素的评价结果，指出工程、系统应重点防范的重大危险因素，明确生产经营者应重视的重要安全措施

39、。编制安全评价报告。依据安全评价的结果编制相应的安全评价报告19。2.2 城市隧道施工安全评价体系2.2.1 城市隧道施工的风险分析隧道施工不同于其他工程，主要体现在其环境复杂性、工程动态性和时效性，即工程开挖自始至终处于复杂的动态开挖及施工扰动中。从隧道施工生产经营系统整体来讲，施工风险主要来自以下两个方面：客观因素在隧道爆破掘进后，是否及时对围岩进行初级支护是直接影响围岩稳定性的一个方面。另外由于不同的围岩类别和不同的施工方法，在遇到特殊地质（如断层破碎带、流沙、膨胀性围岩、黄土、岩爆、岩溶等）的情况下便很难保证围岩的稳定性，尤其在强大的地应力作用下，会导致片帮、冒顶、底鼓以及支护衬砌的变

40、形甚至塌方。随着隧道隧洞施工的不断纵向深入，作业场所在时间和空间上经常发生变化，隧洞的环境条件也随之不断改变和恶化。主要表现在灰尘和噪声污染，工作空间狭小（施工设备和机械不但占用空间，而且各种施工活动还要在这样的空间内进行交叉作业），工作照明强度不够造成的视觉误差，以及一些高温和高湿度的危害，这样不但易发生事故，还会导致职业病，另外隧道内的一些多发性事故（物体打击、坠落伤害、车辆伤害等）也会给职工带来一定的精神压抑。隧道的施工环境是一个恶劣多变的动态系统，因此在隧道施工中恶劣的环境条件以及多变的固有属性是引起隧道施工事故多发的潜在客观危险因素20。主观因素人为地控制施工生产系统中的危险源是利用

41、工程技术和管理手段消除、控制危险源，防止危险源导致事故、造成人员伤害和财产损失的工作。危险源控制的基本理论依据是能量意外释放理论，而控制危险源主要是通过工程技术手段来实现。危险源控制技术包括防止事故发生的安全技术和减少或避免事故损失的安全技术。前者在于约束、限制系统中的能量，防止发生意外的能量释放；后者在于避免或减轻意外释放的能量对人或物的作用。也就是说危险源的控制是通过人为的管理，在隧道施工这个人机环境系统中，人是主要的，但同时是脆弱的。由于隧道中作业环境差，工作空间狭小，劳动强度大，工资水平又不太高，这样就难以吸收稳定的、具有较高文化和较高素质的工人在隧道施工企业长期工作。从事隧道施工的人

42、员大多是分包企业招收的农民工、合同工和临时工，这些工人总体文化素质偏低，一旦发生事故，往往惊慌失措，避灾能力薄弱，在很多情况下难以自救，甚至有可能造成二次事故。这样的施工队伍较难形成良好的安全文化氛围，给隧道施工安全工作带来重大安全隐患，是隧道施工事故多发的重要主观因素20、21。2.2.2 城市隧道施工的安全评价体系框架危险指数评价法以物质系数法为基础，用危险指数作为衡量系统安全的标准。它从安全角度出发，对所要分析的问题，确定其工艺及操作有关危险性，通过对工艺属性进行分析比较计算，进而确定哪一个区域的相对危险性较大，对重点关键的区域单元进行进一步的安全评价补偿。危险指数评价法主要包括危险度评

43、价法，DOW火灾、爆炸危险指数评价法，ICI蒙德法，化工厂危险度分级等，即可进行定量评价，又可定性评价，其工程评价内容和地下开挖工程有较多的共性。以DOW法为例，建立在对火灾、爆炸危险性评价基础上的DOW法，其评价体系较为完备和科学，且它的工程背景和隧道施工有诸多相似之处，如危险源的影响因素和影响方式等，一旦发生事故，二者都会对人员设备形成较大破坏。危险指数评价法用于城市隧道施工的危险性评价，在考虑主要事故致因因素和安全措施补偿系数的基础上，以工程经验和检测数据相结合确定其定量分级方法。可对每一个影响因素据其对安全性影响的大小，按一定的程序确定一个值；再按各因素的重要程度，用层次分析法或经验确

44、定影响系数；最后得到危险性综合指数和安全分级等级。安全评价的流程框图如图2.2所示2228。选取城市隧道施工工艺单元确定城市隧道施工的物质系数（MF）计算一般工艺危险系数（F1）计算特殊工艺危险系数（F2）确定工艺单元危险系数（F3）确定城市隧道施工的固有危险指数F3(MF)确定安全补偿系数（S）确定城市隧道施工的危险指数（D）确定城市隧道施工安全等级图2.2 城市隧道施工安全等级划分程序图Fig.2.2 The safety classification procedures of City tunnel construction 选取城市隧道施工工艺单元。城市隧道施工工艺单元是整体隧道生产

45、系统的一个独立部分，其中包括隧道施工的方法以及可能遇到的安全问题等。 确定城市隧道施工的物质系数MF。城市隧道施工安全的物质系数是隧道稳定与否的内在因素，数值越大，表示危险度越高。影响此物质系数的主要因素有隧道围岩的工程地质和水文特征，包括岩石性质、岩体性质、原岩应力、结构面特征、含断层破碎带及其充填物胶结状况、岩体渗透性、张性节理/渗水节理发育程度、节理连通性及与地下水的水力联系等。由于这些因素不能真正反映岩体对工程影响的本质特性，也不能用于表达工程的危险等级，这里采用能反映开挖岩体综合特性的围岩分级及便于检测、判定的已有研究成果为影响因素，如岩体的变形模量、弹性模量和岩体波速来进行判别。在

46、道化学火灾、爆炸指数评价法第七版中给出了物质系数的取法（如表2.1所示），我们可以参照其思路给城市隧道施工的物质系数赋值。表2.1道化学火灾、爆炸指数评价法第七版物质系数取值表Table 2.1 The material factor value table of Dow Fire Index V7.0物 质NFPA325M/NFPA49反应性或不稳定性NR=0NR=1NR=2NR=3NR=4液体、气体的易燃性或可燃性不燃物NF=0114242940FP93.3NF=141424294037.8FP93.3NF=2101424294022.8FP37.8或FP22.8并且BP37.8NF=31

47、014242940FP22.8并且BP300m/s)2424242940可燃性固体厚度大于40mm紧密的NF=1414242940厚度小于40mm疏松的NF=21014242940泡沫材料、纤维、粉状物等NF=31616242940确定工艺单元危险系数F3。工艺单元危险系数F3包括一般工艺危险系数F1和特殊工艺危险系数F2，其中F3= F1F2。一般工艺危险是确定事故损害大小的主要因素之一，特殊工艺危险是影响事故发生概率的主要因素，特定的工艺是导致施工过程中事故的主要原因。计算城市隧道开挖的固有危险指数MF F3。确定安全补偿系数S。对于隧道工程而言，一般会选择一些措施来控制单元危险性。根据不

48、同的支护等级确定支护安全补偿系数S1。在隧道施工中，施工人员的安全态度、安全培训程度、安全检测质量和安全管理也是一个影响施工安全的重要因素，将三者作为安全管理综合考虑，根据企业对安全的重视程度相应的采取补偿系数S2。确定城市隧道开挖的危险指数D及对城市隧道施工安全分级。通过危险指数评价法计算出隧道施工过程中的事故可能造成的破坏危险指数D=（MF）F3S1S2，再根据计算的结果对其安全等级进行评定。2.2.3 城市隧道施工的物质系数确定城市隧道施工安全的物质系数是隧道稳定与否的内在因素，数值越大，表示危险度越高。影响此物质系数的主要因素有隧道围岩的工程地质和水文特征，包括岩石性质、岩体性质、原岩

49、应力、结构面特征、含断层破碎带及其充填物胶结状况、岩体渗透性、张性节理/渗水节理发育程度、节理连通性及与地下水的水力联系等。由于这些因素不能真正反映岩体对工程影响的本质特性，也不能用于表达工程的危险等级，这里采用能反映开挖岩体综合特性的围岩分级及便于检测、判定的研究成果为影响因素，如岩体的变形模量、弹性模量和岩体波速来进行判别，结果如表2.2所示。表2.2 物质系数MF取值确定表Table 2.2 The material factor value table 围岩岩体变形模量围岩弹性纵波速度分级危险性取值A1影响系数取值/GPa危险性取值A2影响系数波速/（kms-1）危险性取值A3影响系数

50、 = 1 * ROMAN I12K11812K24.512K3 = 2 * ROMAN II231518233.54.523 = 3 * ROMAN III351315352.54.035 = 4 * ROMAN IV57813571.53.057 = 5 * ROMAN V7938791.02.079 = 6 * ROMAN VI91039100 ，（2） aij=1/ aji，（3） aii=1。其中标度（aij）的含义：Ai比Aj时由决策者回答表2.3问题所得表2.3 标度（aij）取值表Table 2.3 The scale (aij) value table1表示两个元素相比较，具有

51、同样重要性3表示两个元素相比较，一个元素比另一个元素稍微重要5表示两个元素相比较，一个元素比另一个元素明显重要7表示两个元素相比较，一个元素比另一个元素强烈重要9表示两个元素相比较，一个元素比另一个元素极端重要2,4,6,8表示两个相邻元素判断的中间值计算权向量并做一致性检验。对于每一个比较判断矩阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；若不通过，需重新构造比较判断矩阵。其中一致性指标,n为判断矩阵的阶数；随机一致性指标R.I.是多次重复进行随机判断矩阵特征值的计算后取算术平均数得到的，下表给出115维矩

52、阵重复计算1000次的平均随机一致性指标：123456789101112131415000.520.891.121.261.361.411.461.491.521.541.561.581.59一致性比率:，当C.R.6013K5减速12K6513K7CRD354560365936CD47304568等速2691568台阶7815810全断面810加速610F1=K4B1+K5B2+K6B3+K7B4 (2.2)城市隧道施工中影响特殊工艺危险系数的因素有开挖形状与地应力系数，爆破引起的质点振动速度，施工通风。隧道开挖形状与地应力系数的比值=m/，形状系数m=b/a,其中a,b分别为开挖断面水平长

53、度和垂直长度；地应力系数=q/p,其中p,q分别为隧址围岩的垂直和水平应力。隧道开挖施工过程中的钻爆作业引起的爆破作用对构筑物产生明显影响，爆破对构筑物的破坏主要以引起质点振动和冲击波超压破坏为主，爆破作用的危险性取值参考爆破安全规程（GB6722-2003）所规定的质点振动和超压允许范围及对工程的破坏程度来确定。可以通过爆破振动仪测量爆破引起的质点振动速度，所用爆破振动仪如图2.3所示。图2.3 爆破振动仪Fig.2.3 Blasting vibration analyzer城市隧道基本处于封闭状态，在施工开挖过程中会产生大量烟尘，并可能遇到含有瓦斯赋存的地质条件，如果通风状况很差，会对工人

54、健康造成影响导致尘肺病等疾病，甚至是瓦斯或粉尘爆炸。以隧道施工过程中的通风状态良好、一般、很差和无通风措施对隧道施工的安全进行划分，若是后两者情况，应及时采取整改措施。表2.5给出了隧道施工过程中特殊工艺的各个影响因素的危险值及影响系数的取值：表2.5 特殊工艺危险系数F2取值确定表Table 2.5 The risk factor of Special process（F2) value table 开挖形状与地应力系数爆破引起的质点振动速度施工通风取值危险性取值C1影响系数取值/（cms-1）危险性取值C2影响系数通风状态危险性取值C3影响系数1.012K831012K9良好12K101.

55、11.524102024一般231.62.046203046较差362.04.068304068无通风6104.081040810F2=K8C1+K9C2+K10C3 (2.3)以上一般工艺和特殊工艺的危险性影响系数都可以通过层次分析法求出，再由城市隧道工艺单元危险系数F3用一般工艺危险系数F1和特殊工艺危险系数F2来表示，即F3=F1F2 (2.4)2.2.5 城市隧道施工安全补偿系数确定对于城市隧道工程而言，一般会采取一些措施来控制单元危险性。常用的主动或被动支护措施有：喷混泥土支护、喷网支护、喷锚网支护、喷锚网+钢支撑支护（格栅支撑）、混凝土衬砌、注浆支护、复合式衬砌（初期支护+防水层+

56、二次衬砌）等。根据上述不同的支护等级，确定支护安全补偿系数S1如表2.6。表2.6安全补偿系数表Table 2.6 Compensation factors of safety支护方式 安全补偿系数S1 分类 安全补偿系数S2复合衬砌+注浆 0.900.92 非常好 0.950.97复合衬砌 0.920.93 较好 0.960.98二次支护 0.930.94 好 0.970.99喷锚网+钢支撑 0.940.95 一般 0.981.00喷网支护 0.950.96 较差 0.991.10喷混凝土 0.960.97 差 1.101.20锚杆 0.970.98 很差 1.201.30隧道施工中，施工人

57、员的安全态度、安全培训程度、安全检测质量和安全管理也是影响施工安全的重要因素，将三者作为安全管理综合考虑，可根据企业对安全的重视程度相应地采取补偿系数S2，如表2.6，取0.951.30。2.2.6 城市隧道施工综合评定指数的确定及安全分级通过以上计算，参照危险指数安全评价法中的道化学公司的计算方法，综合城市隧道施工的物质系数、一般工艺危险系数、特殊工艺危险系数，得到用于估计施工过程中的事故可能造成的破坏的危险指数:D=（MF）F3S1S2 (2.5)结合矿山与尾矿库的安全评价经验，参考岩石力学中的岩体稳定性分级方法，再根据以上分析计算，得到城市隧道施工的安全分级，如表2.7所示，表中将安全等

58、级定为6个等级，可满足一般城市隧道施工评价的要求。表2.7 隧道施工安全分级Table 2.7 Safety gradation for tunnel construction D 安全等级150 I级(安全)150275 II级(较安全)275400 III级(基本安全)400525 IV级(一般)525650 V级(较危险)650 VI 级(危险)2.3 城市隧道施工安全分级评价体系分析本隧道安全分级评价模式是基于危险指数法，综合运用层次分析法并借鉴岩体力学中的岩石分级体系将隧道施工安全等级划分为6个等级，每个等级代表不同的安全程度，通过对隧道施工的物质系数MF的确立，并计算出城市隧道施工

59、的工艺危险系数F3（一般工艺危险系数F1和特殊工艺危险系数F2表示）和安全补偿系数S1、S2，最后得出城市隧道施工的危险指数D，通过与表2.7中的数值比较，确定隧道施工的安全等级，如果属于前三级，则属于安全范畴内，在注意好防范措施和保持安全意识的前提下可以正常施工；属于第四级时则要加强安全整顿，从技术和管理上做到有效提升，将安全等级上升到安全范畴内；如果属于五或六级，则属于危险范畴，必要时需要停工整顿，将危险源和隐患排除，将安全等级提升上去后才能恢复施工。目前对于城市隧道施工的安全评价模式有很多种，大多数都是基于层次分析法和模糊矩阵法进行的安全评价，偏重于安全管理方面，其中权重的取值主要依赖于

60、专家评分法，然后通过对隧道施工的综合安全状况求权重，根据最大权重原则来判断隧道施工的安全状况。其量化力度和分析力度明显不够，而且计算繁琐，不容易辨别出主要危险源和主要安全隐患。本隧道安全分级评价模式给出了各种确定的参考指标，不仅包括了主观的安全管理方面，还重点分析了隧道自身的各种属性，比如最小顶板厚度、开挖断面和围岩稳定性的变形速率比值以及开挖最大跨度等。这种评价模式的权重取值不仅可以依靠专家评分法，还可以利用数值分析，实地的监控量测等方法来获取，能更加全面真实地反映出隧道施工的安全情况，有利于更真实地对其进行安全评价。在计算出评价结果后还可以根据它的安全等级制定不同的整改措施，提高它的安全程