浅埋大跨下穿高速公路隧道施工风险评估及控制措施研究

曹成勇，施成华,2，彭立敏，2，雷明锋，3

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410075；3.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)



浅埋大跨下穿高速公路隧道施工风险评估及控制措施研究

曹成勇1，施成华1,2，彭立敏1，2，雷明锋1，3

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410075；3.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

为评估浅埋大跨下穿高速公路隧道施工风险和优化施工措施，结合深圳市红棉路隧道工程现场监测数据，建立基于功效系数法的隧道施工风险评估模型。计算分析表明，现有的施工措施无法满足下穿高速公路段施工安全要求，施工风险等级极高，需要及时对其调整。经综合分析，采取合理的施工步序、台阶长度、开挖进尺、掌子面封闭加固措施、隧道施工工序优化、及时封闭初支、加快二衬施工等一系列优化控制措施，并采用FLAC3D数值计算软件验证其可行性。同时，通过现场实施效果与监测数据的反馈，并应用提出的风险评估模型计算发现隧道下穿高速公路段施工风险等级已降为低度，证明采取的风险控制措施合理可行，能够保障隧道成功穿越机荷高速公路。

浅埋；大跨；软弱围岩；下穿高速公路；隧道；风险评估；控制措施

随着我国基础设施建设的快速发展，出现了越来越多下穿既有高速公路的隧道工程，下穿高速公路隧道建设本身具有一定的难度，尤其当遇到浅埋、富水、大断面、软弱围岩等特殊情况时，将会进一步加剧下穿高速公路隧道施工的风险。隧道施工风险评估有助于科学评价隧道施工安全，为隧道施工提供有效预警手段，减小隧道灾害发生的几率。

在隧道与地下工程风险研究方面，国外代表性的人物是美国的Einstein教授，曾撰写多篇有价值的文献[1-2]，指出了隧道工程风险分析的特点与遵循的理念。之后，Sturk等[3-6]都对隧道与地下工程的风险分析进行了深入研究。此外，国际隧道协会也为岩石隧道工程风险管理提供了一整套参照标准和方法[7]。

相比国外，我国隧道与地下工程风险评估的研究起步相对较晚，但随着我国隧道与地下工程的大规模建设，国内引进了一些风险理论[8]，并开展了隧道与地下工程的风险研究，丰富了隧道风险评估分析方法，如风险指数法[9]、层次分析法[10]、故障树分析法[11]、模糊综合评判法[12]和可拓法[13]等。但是，当采用以上方法动态评估隧道施工风险时也存在一定的不足，主要表现为个人主观性影响大、计算过程复杂等，因此，需要确定一种简单易行的定量评估隧道风险的方法，能够为隧道施工提供有效预警作用。

本文借鉴商业评估与预警中广泛运用的功效系数法[14]，以埋深浅、大跨度、地质条件差、施工难度高、风险大的深圳市红棉路隧道为工程背景，动态评估浅埋大跨软弱围岩下穿高速公路隧道施工风险，同时提出相应的风险控制措施，为类似浅埋复杂环境下的隧道工程施工提供建议与参考。

1　风险评估分析方法

1.1功效系数法

功效系数法是根据多目标规划的原理，对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值，以满意值为上限，以不允许值为下限．计算各指标实现满意值的程度，并以此确定各指标的分数，再经过加权平均进行综合，从而评价被研究对象的综合状况[15]。其具体评价过程为：

1)评价指标体系的确定，要求选取的指标要有代表性，既要相互补充，又不能重复，应尽可能综合反映评价目标的状况。

2)确定各评价指标的满意值和不允许值，满意值即评价指标可能达到的最高水平，不允许值一般取各评价指标的最低水平。

3)计算各评价指标的功效系数值：

(1)

式中:Xi为第i(i=1，2,…，n)个评价指标的实际值;Xhi为第i个指标的满意值;Xsi为第i个指标的不允许值;di为第i个评价指标的功效系数值。

4)确定各评价指标的权重，这里采用专家评分后的归一化权重，使评价更加具有科学性。计算公式为：

(2)

式中:Pi和wi分别为第i个评价指标的权数和归一化权重系数。

5)计算评价对象的总功效系数值D为：

(3)

1.2风险评估指标体系

隧道监测指标通常主要为拱顶(地表)沉降、周边收敛、地下水、掌子面以及支护结构观察等内容。因此，为了全面、客观、准确地评估隧道风险，将以上几项隧道监测指标都纳为隧道风险评估指标体系。

1)拱顶(地表)沉降

拱顶(地表)沉降的判断，以拱顶(地表)沉降值与监测基准值进行比较，并对拱顶(地表)沉降数据做进一步处理，可以得到拱顶(地表)沉降速率，若沉降值超过监测基准值，则以沉降速率作为主要指标。根据文献[16]统计的国内隧道下穿既有公路地表沉降控制基准，基于工程类比法，确定高速公路地表沉降基准值为100mm。因此，地表沉降满意值为30mm、不允许值为100mm。同时，根据《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009)[17]，将地表沉降速率满意值和不允许值分别设为0.2mm/d和5mm/d。

2)周边收敛

周边收敛的判断，类似于拱顶(地表)沉降。周边收敛以隧道跨度的0.1%～0.5%为指标，即周边收敛满意值为16mm、不允许值为80mm。周边收敛速率满意值、不允许值也分别设为0.2mm/d和5mm/d。

3)地下水

地下水的存在及活动使它在隧道周围产生力学的、物理的和化学的作用，其作用不利于洞室的稳定，根据地下水的存在情况，分无水、浸渗、滴漏、涌流、喷射五个等级分别进行打分，无水(100分)、浸渗(75分)、滴漏(50分)、涌流(25分)、喷射(0分)。

4)掌子面观察

掌子面的评价指标为定性指标，主要靠专家打分确定，根据掌子面稳定程度分为5种情况，很好(100分)、好(75分)、一般(50分)、差(25分)、非常差(0分)。

5)支护结构观察

隧道失稳破坏时，隧道初期支护会产生不同程度的变化。根据隧道初期支护的变化程度分为5种情况，无裂缝(100分)、少量裂缝(75分)、开裂(50分)、剥落(25分)、垮塌(0分)。

各评价指标的不允许值和满意值需要根据各指标实际可能达到的水平加以确定，具体如表1所示。

表1　各评价指标满意值与不允许值

表2　风险评估分级表

1.3风险评估分级标准

将总功效系数作为隧道施工安全风险的综合评价，其值越大，则表明隧道施工风险越小。将隧道施工安全风险划分为4个等级，并对应预警级别为重警、中警、轻警和无警4个警限，用红、橙、黄、绿4种颜色表示，即“四色警情”。依据总功效系数值大小，将其对应的总功效系数区间进行划分，如表2所示。

根据各施工阶段监测数据，应用功效系数法，计算各施工阶段功效系数值，根据总功效系数值判断，即可确定基于监测数据的各施工步下隧道施工风险等级，进而确定预警级别。当预测围岩警情在轻警及以下时，即为黄色、绿色警情时，可以按照原方案施工。当预测围岩警情为中警或重警时，即为红色或橙色警情时，说明大变形风险比较高，应加强监测和观察，及时调整施工方案，并采取相应的工程应对措施，以防止大变形灾害的发生。

2　工程实例分析

2.1工程概况

深圳市红棉路市政隧道为上下行双洞六车道隧道，左线隧道长670m，右线隧道长720m。隧道中线与高速公路约45°～58°夹角斜交，中心间距约为43.5m，隧道最小埋深约6m，隧道在出口端左线ZK10+765～ZK10+925和右线YK10+800～YK10+975处下穿机荷高速公路荷坳收费站区域，左线下穿距离160m，右线下穿距离175m。隧道下穿段开挖跨度约16.0m，高度为11.7m，为大断面隧道。

隧道围岩主要以人工素填土、第四系冲洪积淤泥质土、粉质黏土为主，围岩级别Ⅵ级，土质松散且富含地下水，土质遇水容易软化。隧道下穿高速公路距离长，施工期间正逢雨季，雨水丰富，同时，机荷高速每天车流量非常大，隧道施工难度高、风险大，对高速公路正常通车的影响显著。隧道采用的具体支护措施及参数如下表3所示。

表3　隧道支护措施及参数

为保证隧道的施工安全，施工期间需进行合理的交通疏解，分阶段封闭掌子面上方机荷高速公路。然而机荷高速车流量大，长时间大范围实行交通管制将会对其通车能力造成严重不利影响。所以，只能在很小的范围内封闭高速公路，这样留给下方隧道施工的空间大大减小，且导致掌子面和二次衬砌之间不能拉开太大距离，而传统的双侧壁导坑法开挖施工时，掌子面至二次衬砌的距离至少在40～50m以上，此时隧道施工开挖段必然处于地表高速公路行车的条件下，难以满足施工要求。此外，传统的双侧壁导坑法工序繁多，施工缓慢，严重影响机荷高速正常通车。

因此，在保证隧道施工安全的基础上，有必要在传统的双侧壁导坑法的基础上进行优化，加快施工进度，缓解交通压力。双侧壁导坑优化工法施工工序如图2所示，各主要施工主要步骤为：1)拱部超前预支护大管棚施作，隧道拟开挖位置上方高速公路的交通疏解；2)左导坑拱部超前小导管注浆预支护，上半断面左导坑②开挖，开挖宽度约占整个隧道开挖跨度的1/3，开挖高度约4.5m，架设初期支护和临时支护钢支撑、喷射混凝土，施作两侧锁脚锚杆和临时仰拱；3)上半断面右导坑③开挖，开挖方法、支护措施与左导坑相同；4)中导坑拱部超前小导管注浆预支护，上半断面中导坑上台阶④开挖，开挖高度约2m，架设初期支护钢支撑、喷射混凝土；5)上半断面中导坑下台阶⑤开挖，开挖高度约4m，将该工作面开挖成斜面，同时保留核心土；6)下半断面左侧导坑⑥开挖，开挖跨度为2m，架设边墙及底部初期支护钢支撑，施作边墙锚杆，喷射混凝土，施作底部锁脚锚杆；7)下半断面右导坑⑦开挖，开挖方法、支护措施与下半断面左导坑相同；8)下半断面中导坑⑧开挖，开挖后立即架设底部初期支护钢支撑、喷射混凝土；9)绑扎隧道仰拱、二次衬砌钢筋，浇筑混凝土；10)每个工作循环中各分部开挖的长度相同且均为5～6m，开挖进尺控制在0.75m，在每个工作循环完成后，进行地表交通疏解的转换，将地表行车转至隧道已施作二次衬砌的位置，封闭即将进行隧道开挖的位置，进行下一循环的施工，以此类推，完成整个隧道下穿公路段的施工。

2.2现场测试分析

高速公路地表沉降观测，共设置了4个地表沉降观测断面，每个断面间隔为2m，采用精密水准仪测量，测量频率1次/d，具体布置图见图3。

红棉路隧道初始阶段施工时，出现了洞内变形侵限、地下水渗出以及地表沉降过大，如图4所示，地表沉降和洞内变形的监测时程曲线分别如图5和6所示。

从图5和6可以看出：地表沉降与隧道周边收敛值较大，地表沉降最大值约279mm，地表沉降平均速率约为4.8mm/d；隧道周边收敛最大值约65mm，隧道周边平均收敛率约为2.6mm/d。由于地表沉降值达到279mm，远大于地表沉降控制基准值100mm，所以以沉降速率作为评价指标。

图1　施工工序图Fig.1 Construction process

图2　地表沉降测点布置图Fig.2 Monitoring points of ground settlement

(a)左导坑变形；(b)右导坑变形；(c)地下水；(d)地表变形图3　现场状况示意图Fig.3 Site conditions

图4　YK10+906地表沉降时程曲线Fig.4 Time history curves of ground settlement at section of YK10+906

图5　YK10+900隧道周边收敛时程曲线Fig.5 Time history curves of peripheral convergence of tunnel at section of YK10+900

2.3风险评估结果

结合上述的监测数据，首先根据式(2)计算各评价指标的归一化权重，如表4所示。然后，将各评价指标现场实测值，代入式(1)计算得到各评价指标的功效系数值di，并根据式(3)计算得到总功效系数D，如表5所示。由表5可以看出，功效系数值为69.69，根据1.3节风险评估分级标准，表明隧道下穿高速公路段施工风险等级极高，预警级别为重警，预警颜色为红色，因此隧道下穿高速公路段施工必须采取风险控制措施，以保证隧道后续施工的安全。

表4　各评价指标权重计算结果

表5　隧道下穿高速公路段风险评估表

3　风险控制措施

结合隧道施工现场情况及风险评估结论，为了降低隧道后续施工的风险，通过研究决定采用以下风险控制措施：

1)为了配合地面交通疏解要求，减小围闭车道范围，尽量合理安排施工中步序、台阶长度、开挖进尺，步序长度缩短为3m，台阶长度缩短为1～2m，开挖进尺缩短为0.5m。

2)隧道临时仰拱施工时，对上导坑掌子面土体喷射5cm厚混凝土；地面交通疏解、隧道下导坑开挖以及二次衬砌施工时，封闭下导坑掌子面土体，具体为：布置φ8@250×250mm双层钢筋网；φ42×3.5mm注浆小导管(长度4m、横纵间距1.5×1.5m)；喷射10cm厚C20混凝土。

3)隧道施工过程中，处理好各节点，如拱脚要防下沉、内移，加设锁脚锚杆、连接筋并与钢架焊接成整体，保证各工序施工质量，同时在施工过程中应加强边墙和隧道底部排水施工，避免地下水长期浸泡地基造成承载力下降。

4)初期支护及时封闭成环，适当推后临时支护拆除时机，加快仰拱及仰拱填充施工进度，减小对隧道中导坑和二衬施工的影响，加快二衬施工进度。

4　数值分析论证

为了论证风险控制措施对地层变形的控制效果，采用三维有限差分软件FLAC3D对隧道施工全过程进行动态模拟，深入研究风险控制措施下各施工步的开挖对土体变形的影响。

4.1计算模型

根据隧洞开挖空间效应影响范围，建模范围需要考虑到尺寸效应所引起的计算误差，计算边界作如下选取：左右边界距离隧道边缘3倍最大开挖宽度，下边界距离隧道底板3倍开挖高度，上边界取至地表。计算模型纵向y方向长40m，宽度x方向长120m(隧道居中)，高度z方向长60m、如图7所示。模型顶部自由，四周及底部施加位移边界条件，模型顶部施加路面荷载。

4.2计算参数

计算模型中，围岩采用实体单元模拟，服从Mohr-Coulomb准则；初期支护、临时支护均采用shell单元模拟，初期支护厚度35cm，临时支护厚度25cm；二次衬砌采用实体单元模拟，厚度为70cm，按照弹性材料模拟。根据地质勘测资料，隧道埋深取为6m，同时选取粉质黏土、强风化泥质砂岩等两种典型地质，围岩级别为Ⅵ，结合《公路隧道设计规范》(JTGD70-2014)[18]的要求，确定围岩和支护结构的力学参数如表6所示。参考《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ77-98)[19]，根据隧道跨度，取跨度为2～20m城-A级荷载，并考虑汽车冲击荷载，选取冲击系数为0.4，组合得到最终路面超载模式及量值如图8所示。

图6　模型网格示意图Fig.6 Mesh scheme of model

材料容重/(kN·m-3)变形模量/GPa泊松比μ粘聚力/kPa内摩擦角/(°)粉质黏土19.80.0080.362015强风化泥质砂岩20.80.10.2810035预加固层20.20.0160.346018初期支护22270.2--临时支护22230.2--二次衬砌23300.2--

图7　路面荷载示意图Fig.7 Road load

4.3计算结果与分析

取模型中间断面(纵向20m处)为分析断面，沿横向x轴方向选取了一系列的地表特征点，隧道开挖后地表沉降曲线，如图9所示。各个施工步下拱顶沉降时程曲线，如图10所示。

图8　地表沉降Fig.8 Ground settlement

图9　拱顶沉降时程曲线图Fig.9 Time history curves of crown settlement

从图9和10可以看出，

1)隧道开挖后地表横向沉降规律明显，即隧道中线的地表处沉降值最大，距离隧道中线越远，地表沉降就越小。隧道开挖后，地表最大沉降值为97.1mm左右。采取施工措施后，高速公路地表沉降减小，位移得到有效控制，降低了隧道施工的风险。

2)隧道上半断面左、右侧导坑和中导坑上、下台阶开挖时，4个工序施工引起地表总沉降量占累计沉降量的80.95%，因此该4个工序是位移控制的关键施工步。为了控制高速公路地表的位移，开挖上半断面左、右侧导坑时应确保支护及时；临时仰拱尽早成环；并加设锁脚锚杆，控制隧道下沉；开挖中部上、中台阶时应尽快架立钢拱架，并及时喷射混凝土。

表8　隧道下穿高速公路段风险评估表

5　工程应用效果

采取风险控制措施后，右线YK10+875地表沉降、隧道周边收敛现场监测结果如图11和12所示。应用功效系数法，结合上述监测数据，计算得到隧道下穿高速公路段风险评估结果，如表8所示。

图10　YK10+875地表沉降时程曲线Fig.10 Time history curves of ground settlement at section of YK10+875

从图11和12及表8中可以看出：变形监测(拱顶沉降、周边收敛及其速率)都有很大程度减小，总功效系数值为91.85，根据1.3节风险评估分级标准，表明隧道下穿高速公路段施工风险等级为低度风险，预警级别为无警，预警颜色为绿色，表明所采取的风险控制措施是合理可行的。采用施工优化措施后，每天左、右洞各进0.5m，月平均掘进30m左右，最终红棉路隧道成功穿越机荷高速公路，并且地表沉降得到了有效控制。

图11　YK10+875隧道周边收敛时程曲线Fig.11 Time history curves of peripheral convergence of tunnel at section of YK10+875

6　结论

1)将功效系数法应用于浅埋大跨下穿高速公路隧道施工风险评估中，建立了基于功效系数法的隧道施工风险评估模型，为隧道施工提供了有效预警手段。

2)为了降低隧道施工的风险，稳定浅埋大跨下穿高速公路隧道掌子面，减小围闭车道范围，必须合理安排施工中步序、台阶长度，步序长度缩短为3m，台阶长度缩短为1～2m，开挖进尺缩短为0.5m。同时，采取掌子面封闭加固措施、优化隧道施工工序、及时封闭初支、加快二衬施工，能更有效地控制高速公路地表沉降。

3)结合现场监测数据，应用建立得隧道施工风险评估模型，计算发现采取风险控制措施后隧道下穿高速公路段施工风险等级已从极高降为低度，表明采取的风险控制措施是合理可行的，其能够保障隧道成功穿越机荷高速公路。

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Study on risk assessment and control measures in the construction process of shallow and large-span tunnel beneath expressway

CAO Chengyong1，SHI Chenghua1,2，PENG Limin1,2，LEI Mingfeng1,3

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.NationalEngineeringLaboratoryofHigh-speedRailwayConstruction,Changsha410075,China;3.ChinaConstructionFifthEngineeringDivisionCROP.,LTD,Changsha410004,China)

Forevaluatingconstructionriskandoptimizingconstructionmeasuresofshallowandlarge-spantunnelbeneathexpressway,thefieldmonitoringdataofHongmianroadtunnelinShenzhenwasemployedinthisstudy.Theriskassessmentmodeloftunnelconstructionwasestablishedbasedonefficacycoefficientmethod.Throughthecalculationandanalysis,theresultsshowthattheexistingconstructionmeasurescannotmeetsafetyrequirementintheconstructionprocessoftunnelbeneathexpressway,andthatthelevelofriskisextremelyhighandhenceneedstobetimelyadjusted.Throughcomprehensiveanalysis,aseriesofoptimizationmeasures,forexample,reasonableconstructionstep,thesuitablelengthofbenchandexcavation,soilreinforcementmeasuresontunnelface,optimizingconstructionprocess,closingprimarysupportintimeandspeedinguptheconstructionofsecondlining,wereusedinconstruction,andthefeasibilitywereverifiedbythenumericalcalculationsoftwareFLAC3D.Meanwhile,fromthefeedbackoffieldimplementandmonitoringresult,andintheapplicationofriskassessmentmodelputforward,thecalculationresultsindicatethatthelevelofriskhasbeenreducedtobelowgradeintheconstructionprocessoftunnelbeneathexpressway.Theriskcontrolmeasureshavebeenprovedtobereasonableandfeasibility,whichcanguaranteethatthetunnelcrossesJiheexpresswaysuccessfully.

shallowdepth;largespan;weaksurroundingrock;beneathexpressway;tunnel;riskassessment;controlmeasures

2015-11-28

国家重点基础研究发展计划(973)计划项目(2011CB013802)；中铁一局科技计划资助项目

曹成勇(1988-)，男，江苏建湖人，博士研究生，从事隧道与地下工程方面的研究与应用工作；E-mail：csuccy@csu.edu.cn

U458.1

A

1672-7029(2016)07-1439-08