下穿建筑物隧道施工风险评估方法＊

陈洁金，阳军生，张永杰，张学民

(1．长沙理工大学土木与建筑学院岩隧系，湖南长沙410004;2．中南大学土木工程学院，湖南 长沙410075)

城市隧道的开挖将引起周围岩土体的扰动，特别当隧道埋深较浅时，这一扰动将波及地表，引起地表的沉陷和不均匀沉降，从而引起附近建筑物和地下设施的损坏，造成巨大损失的同时，会造成恶劣的社会影响。由于破坏机理复杂，从目前的研究水平看，还不可能进行精确评价，所以，在下穿邻近建(构)筑物过程中，存在诸多的不确定性，施工风险不容忽视。一条城市隧道肯定会穿过众多建筑物和地下管线，施工过程中，对每个建筑物和管线的影响会不同，产生的风险也不一样，那怎样快捷的筛选出风险等级高的建筑物和管线，加以重点监控和保护，就显得非常重要［1］。从目前的评估方法看，专家调查法、头脑风暴法、风险矩阵法等得到的都是定性的结果，而蒙特卡洛法、概率评估方法等，缺乏评估需要的基础数据，并且工作量大。针对可行性研究和初步勘察阶段，需要一个简洁、参数的物理意义明确、评定结果可靠的实用定量模型［2］。风险综合指数模型以风险分级系统为基础，通过对危险源以及其他风险参数进行分析，并按照一定的原则对其赋予适当的指数(或点数)，然后通过数学方法综合起来，得到一个子系统或系统的指数(或点数)，从而快速简单地估算相对风险等级［3］，风险综合指数评价模型适用于确定可能发生事故的相对危险性，并根据结果比较不同方案。

1 风险综合指数模型的建立

在城市隧道施工过程中，对邻近建筑物和管线影响的安全风险评价中，造成事故的原因主要分为三大类:隧道原因、地层原因和既有设施自身的原因。从灾害风险学的角度考虑，将隧道因素与地层因素共同组成危险性指数F1，设施等自身因素决定了承灾体的易损性指数F2。危险性指数是指一定的时间段内，在给定的区域内，致灾因子以一定的强度发生的可能性。易损性指数是指给定的致灾因子强度而导致承灾体破坏程度。首先通过对致灾机理的分析与研究，可以得到城市隧道施工对邻近建筑物影响的各个致灾因子，然后，对致灾因子进行分级，以确定它们的相对重要性。根据Watts的基本原理与步骤，综合风险指数评估模型按照以下6 步进行构建［4－5］:

(1)分析城市隧道施工造成地表沉降的各个影响因素，这些因素也被称为参数、元素、变量等，它们构成了隧道施工对邻近建筑物安全影响的属性因素(致灾因子)且需要进行描述和评价的各个因素。

(2)根据上述分析将引起地表沉降的各个因素分为危险性指数和易损性指数。结合相关规范和实例，依据定量分析和经验分别给定量指数和经验指数的属性因素赋予权重和分值。

(3)分析隧道施工的过程中的施工工艺和施工水平，定为工艺影响系数，确实建筑物与管线本身重要性的影响系数和破坏系数，参考已有的研究成果，确定各个系数等级。

(4)确定风险事件的风险指数。

(5)给出安全补偿系数，对基础指数进行修正。

(6)确定综合风险指数，并对其进行风险分级。

风险综合指数法评估模型如图1所示。

2 隧道施工危险性指数F1

2．1 隧道施工危险性指数F1各因素的选取

通过对大量的实测结果和施工经验已表明，隧道施工危险性指数F1的主要因素有地层条件、隧道直径、隧道埋深、施工方法、断面形状、施工技术水平、工期影响等。其中，地层条件、隧道断面直径、埋深和施工方法对引起地层移动的影响最大，施工技术水平和工期影响难以定量化、作为主观评价指标，本文将其列入工艺影响系数。

图1 风险指数法评估基本模型Fig．1 Basic model of a risk index assessment

2．2 正交试验法确定危险性指数的评价指标权重

利用正交层次分析法结合数值模拟对隧道直径、埋深、围岩级别和施工方法4个危险度因子进行敏感性分析，数值模拟结果以天然地面沉降槽的最大沉降值为评价指标，根据因子对评价指标的重要程度来确定各个因素的权重。依照综合风险指数评估方法中对各指数及其属性的描述，最终确定试验为4因素3水平，故选用L9(34)正交表。因素水平表如表1所示，试验方案如表2所示。

表1 因素水平Table 1 Factor level

表2 正交试验方案Table 2 Orthogonal test program

根据正交试验方案，共需进行9次数值计算，现以5号试验为例描述数值计算的过程。

根据试验结果，计算各个参数，具体如表3所示。

表3 正交试验层次分析结果Table 3 Orthogonal test level results

通过计算因素对实验的影响权重矩阵C为:

因此，可以得出隧道直径、埋深、围岩级别和施工方法对地表沉降影响的权重分别为0．19，0．14，0．45 和 0．22。

2．3 隧道危险性指数F1各因素权重和分值

一般根据计算权数时原始数据的来源不同，大致分为3类［6－7］，在这里采用数值计算和专家调查法相结合的综合赋值法，具体赋值过程如下:

式中:A表示综合权重;Ak表示由数值计算法得到的客观权重;Az表示由专家调查法得到的主观权重;k1和k2分别是客观权重和主观权重的权重，由专家现场根据实际情况确定。

从影响因素敏感性分析结果中可以看出，它们在地层移动和变形过程中表现出明显的非线性特征，例如当隧道埋深小于1．5倍隧道直径D时，曲线的斜率非常大，说明对地表沉降很敏感;而大于4倍隧道直径D时，曲线的斜率区域平缓，说明这是隧道埋深对地表沉降的影响已不明显。考虑因素的非线性特征，具体划分见表4。

2．4 工艺影响系数S1

工艺影响系数S1是表示施工技术水平和工期等影响因素对隧道危险性指数的影响程度。在危险性指数中没有考虑施工技术水平和工期等关键因素，在这里用工艺影响系数对危险性指数进行调整，使评价更合理。具体取值见表5。

表4 影响因素的权重及赋值Table 4 Factors weight and assignment

表5 工艺影响系数Table 5 Processes influence coefficient

2．5 危险度分级

危险度是指一定的时间段内，在给定的区域内，致灾因子以一定的强度发生的可能性。根据隧道危险性指数和工艺影响系数可以得到一个具体的数值F1S1，这个数值越大，说明危险度越大，参考《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》［8］的评价标准，可以将危险度划分成5个等级，具体划分见表6。

表6 危险度等级Table 6 Hazard level

3 既有设施易损性指数F2的确定

城市中的既有设施主要包括建筑物、桥梁、隧道、道路、地面及地下铁路、道路路面、水道、防洪工程、地面及地下设施、以及所有由于工程施工而受到影响的建筑结构和基础设施。易损性指数是指给定的致灾因子强度而导致承灾体破坏的程度大小。不同设施的结构形式、基础类型、所在持力层条件、完损程度的因素不同，其抵抗破坏的能力不同。本文选取桥梁、建筑物和地下管线3种常见设施进行易损性分析。

3．1 桥梁易损性指数

桥梁易损性指数主要反映待评桥梁对因隧道开挖而造成的附加影响的反应敏感程度及承受能力。本文着重考虑隧道开挖对桥梁既有状态产生影响。最终选取桥梁上部结构形式、基础类型、基础埋深、基础所在持力层地层抗变形能力、完损现状等因素进行易损性评分，然后，综合得到易损性指数，如表7所示。

3．2 建筑物易损性指数

各种不同类型的建筑物，因其基础及结构不同而抵抗地面变形的能力各异。从建筑物抵抗地面变形的能力来看，建筑物的刚度起着关键性的作用。本文对建筑物易损性指数中各因素的确定、权重及其分值主要依靠专家调查法确定。最终选取上部结构形式、基础类型、几何特性、完损现状和基础所在持力层抗变形能力等因素进行易损性评分，然后综合得到易损性指数，如表8所示。

3．3 地下管线易损性指数

地下管线可分为刚性管线和柔性管线。通常，管道在土体移动不大时可正常使用，土体移动幅度超过一定限度时则将发生断裂破坏。最终选取管材、接口类型、管径、相对位置、埋深、投入使用的年限等因素进行易损性评分，然后，综合得到易损性指数，如表9所示。

表7 桥梁易损性指数F2各因素的权重及赋值［9－10］Table 7 Bridges vulnerability index F2weights and assignment

表8 建筑物易损性指数F2各因素的权重及赋值［11］Table 8 Building vulnerability index F2weights and assignment

注:L1和L2为建筑物的长和宽;D为隧道的直径。

3．4 位置系数和重要度影响系数

既有设施与隧道的位置关系影响系数S2表示设施与隧道结构之间的水平距离对设施易损性的重要性系数。重要度影响系数S3表示既有设施在历史意义、社会功能和艺术价值等方面的重要性程度。它们的影响系数赋值分别见表10和表11。

3．5 既有设施易损性分级

根据既有设施的易损性指数、位置系数和重要度系数可以得到一个具体的数值F2S2S3，这个数值越大，说明设施的破坏程度越大，将易损性划分成5个等级，具体划分见表12。

4 安全补偿系数Sk

安全补偿系数Sk，影响系数赋值见表13。

5 综合指数的确定及风险分级

参考危险指数安全评价法中的DOW化学公司的计算方法，风险指数就按照式(2)进行计算。而桥梁易损性指数和建筑物易损性指数要通过位置系数S2和重要度系数S3进行修正，桥梁和建筑物风险指数按照式(3)进行计算。

表9 管线指数赋值［12］Table 9 Pipeline index assignment

表10 影响系数S2赋值Table 10 Influence coefficient S2assignment

表11 影响系数S3赋值Table 11 Affect the coefficient S3assignment

表12 易损性等级划分Table 12 Vulnerability classification

表13 影响系数Sk赋值Table 13 The coefficient Skassignment

根据危险指数和易损性指数可以按照文献［9］判别风险等级级别。对建筑物采取保护措施之后或对隧道围岩进行加固之后，对风险指数进行第2次修正，在此基础上乘以安全补偿系数Sk，得到处理后的风险综合指数TS。

根据以上分析计算，得到地下开挖工程的风险分级如表14所示，表中安全等级定为4级，可满足隧道工程开挖引起的环境风险评估。

表14 风险等级标准Table 14 Risk Level standard

表15 隧道施工风险分级Table 15 Tunnel construction risk classification

6 金沙洲隧道下穿广佛立交风险评估

金沙洲隧道为武广客运专线重点控制工程，为穿越城区复杂条件下的客运专线隧道［13］。该隧道内轮廓采用单洞双线断面，隧道有效内净空面积为100 m2，暗洞开挖面积超过150 m2。隧道穿越地层地质条件复杂、包括软土和岩溶等不良地质条件;隧道大部分地段埋深较浅，下穿广佛立交、广州西环高速公路和建设大道。隧道下穿建设大道的DK2196+220～255段，该区间段土层管线与隧道走向近乎垂直，埋深为1～3 m，管线多而密集，且材质、管径、保护要求等又不尽相同。具体见表16。

表16 管线调查表Table 16 Pipeline questionnaire

经计算得老桥的综合指数TS=61．6，根据表14，金沙洲隧道穿越广佛立交老桥风险等级为极高;B匝道的综合指数TS=52．3，根据表14，金沙洲隧道穿越广佛立交B匝道风险等级为高度。下穿建设大道地下管线风险评估数值与等级划分见表17。

根据GB50007—2002(《地基基础设计规范》)规定要求，即:简支梁桥墩台基础中心最终沉降计算值不应大于200 mm，相邻墩台最终沉降差不应大于50 mm。下面是距离隧道最近的3个墩的沉降曲线，其中6号墩最大沉降平均值达450 mm，5号墩和7号墩的沉降量平均值达200 mm相邻墩台之间的沉降差达250 mm，都远远超过规范允许值。可见隧道施工方案的调整和桥梁地基的加固后，建设大道地面最终沉降量最大100 mm。安全风险仍然很高，安全补偿系数有待进一步细化。

表17 建设大道管线风险等级Table 17 Jianshe Avenue pipeline risk level

7 结论

(1)利用正交层次分析法结合数值模拟对隧道直径、隧道埋深、围岩级别和施工方法4个危险度因子进行敏感性分析，根据因子对评价指标的重要程度来确定各个因素的权重，对隧道施工危险度的评价基本符合隧道施工对地层影响的一般规律。

(2)对既有设施的破坏形式进行了分析，归纳和总结了相应的易损性影响因子，并建立了相应的易损性评估模型。可以快速、方便地对既有设施进行风险等级的划分。

(3)影响系数和安全修正系数有待进一步细化，模型中的指数评估有待进一步完善。

［1］陈洁金．下穿既有设施隧道城市隧道施工风险管理与系统开发［D］．长沙:中南大学，2009．CHEN Jiejin．Risk management and system development of city tunnel construction underpassing existing facilities［D］．Changsha:Central South University，2009．

［2］陈洁金，周峰，阳军生．山岭隧道塌方风险模糊层次分析［J］．岩土力学，2009，30(8):2365 －2370．CHEN Jiejin，ZHOU Feng，YANG Junsheng．Mountain tunnel collapse risk fuzzy analytic hierarchy process［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(8):2365 －2370．

［3］ Michael Pennock J，Yacov Haimes Y．Principles and guidelines for project risk management［J］．Systems Engineering，2002，5(2):89 －108．

［4］Watts John M，Jr，Marilyn E．Kaplan．Development of a prototypical historic fire risk index to evaluate fire safety in historic buildings［R］．Natchitoches，LA:National Center for Preservation Technology and Training，1998．

［5］Watts John M，Jr．Basic methods of quantitative fire risk assessment［C］//Proceedings of Fire Risk ＆ Hazard Assessment Symposium．Quincy MA:Fire Protection Research Foundation，2001．

［6］许柏树．层次分析法原理［M］．天津:天津大学出版社，1988．XU Boshu．Principle of analytic hierarchy process［M］．Tianjin:Tianjin University Press，1988．

［7］郭亚军．综合评价理论、方法及应用［M］．北京:科学出版社，2008:31－79．GUO Yajun．Comprehensive evaluation theory，methods and applications［M］．Beijing:Science Press，2008:31－79．

［8］中华人民共和国铁道部．铁建设［2007］铁路隧道风险评估与管理暂行规定［M］．北京:中国铁道出版社，2009．The People’s Republic of China Ministry of Railways．I-ron construction［2007］Interim Provisions of the railway tunnel risk assessment and management［M］．Beijing:China Railway Press，2009．

［9］Burland J B，Standing J R，Jardine F M．Assessing the risk of building due to tunneling－lessons from the Jubilee LineExtension， London． GeotechnicalEngineering:meeting society needs［C］//Proc of the Fourth Southeast Asian Geotechnical Conf．HongKong，2001:17 －44．

［10］郭继武．建筑地基基础设计及工程应用［M］．北京:中国建筑出版社，2008．GUO Jiwu．Architectural foundation design and engineering applications［M］．Beijing:ChinaArchitectural Press，2008．

［11］仲继寿．采动区砌体结构房屋变形控制设计［M］．北京:煤炭工业出版社，1995．ZHONG Jishou．Masonry structure in mining area deformation control design［M］．Beijing:Coal Industry Press，1995．

［12］马涛．隧道施工引起的地层位移及其对邻近地下管线的影响分析［D］．长沙:长沙理工大学，2005．MA Tao．Ground displacement caused by the tunnel construction and its impact on the adjacent underground pipeline analysis［D］．Changsha:Changsha University of science and technology，2005．

［13］中铁第四勘察设计院集团有限公司．金沙洲隧道工程地质勘察报告［R］．2006．Fourth Survey and Design Institute of China Railway Group Co．Ltd．Jinshazhou tunnel engineering geological survey report［R］．2006．