基于肯特指数法的隧道邻近结构物风险评估

罗光财,郭 庶,彭 丹

(中建五局土木工程有限公司, 湖南 长沙 410004)

0 引 言

近年来,我国城市地下工程迅速发展,隧道工程建设规模日益扩大,因此不可避免带来了隧道穿越和邻近各种既有结构施工的情况。隧道穿越施工中周围环境难度大、安全性问题突出,是穿越工程的核心问题。因此,系统研究隧道邻近结构物的安全风险大小从而制定相应的控制措施具有重要的现实意义。

我国在公路、管道方面的施工风险评估已经有一定研究经验[1-5],但有关隧道施工特别是地铁隧道风险的研究并不多,少数有关隧道的风险研究主要是定性评价[6-7]。张雁、黄宏伟[8]从风险评价方法模型和评价流程方面为我国风险管理研究提供了思路;张雷等[9]针对城市地下工程中周围建筑安全事故的特点,确定了常见的风险评价的指标。这些研究多以定性分析为主,因此,以客观数值来定量分析安全风险大小,已成为隧道施工风险评估研究的方向。从工程实际来看,隧道邻近结构物在施工过程中的安全风险对隧道施工的进程具有关键意义。

肯特指数法是指1992年肯特提出的管道风险评分指标体系法(以下简称肯特法)。肯特法在独立分析各段管道的影响因素后,分析管道内物质的危险指数和影响系数,求取泄漏影响指数,最后求取指数和与泄漏影响指数的比值,得到相对风险值[11]。这种理念同样适用于地下工程施工中。肯特法在考虑了概率的因素对风险进行打分,但又不拘泥于确切的概率,越过了定量评估中的实际概率打分,具有较好的说服力。与之类似,隧道工程安全风险评估是分析隧道建设各阶段的风险事件、风险发生概率及可能引发的事故损失来确定风险值。

本文主要研究如何应用肯特指数法对隧道邻近结构物进行风险评估,结合长沙地铁4号线一期星城车辆段明挖隧道工程实例,定量对隧道邻近结构物安全风险作出评估,以期为隧道施工风险评估提供参考依据。

1 肯特指数法风险评价流程

利用肯特指数法对风险事件进行评价的核心是确定评价对象的风险源,并根据大量实例统计确定相应的指数取值范围。利用肯特指数法评价隧道邻近结构物施工风险的具体流程如图1所示[11]。

图1 隧道邻近结构物肯特法评价流程

影响隧道指数的主要因素以及相应隧道指数见表1;地层指数的影响因素主要包括围岩级别和地下水位等,地层指数判定见表2;邻近结构物指数分为管线指数和路面指数两类,各邻近结构物指数见表3～表4;邻近结构物与隧道的位置关系的影响系数S1判定见表5;邻近结构物的重要性的影响系数S2见表6。

表1 隧道指数F 1

表2 地层指数F 2

表3 管线指数F 3－1

表4 路面指数F 3－3

表5 影响系数S 1

表6 影响系数S 2

根据以上分析计算,得到隧道工程的风险分级如表7所示,环境风险评估要求表中安全等级定为4级,可满足隧道工程开挖引起的环境风险评估要求。

风险综合指数是在基础指数的基础上通过影响系数进行修正获得的。计算公式如下：

表7 隧道施工安全风险等级

2 工程实例

2.1 工程概况

本项目研究长沙地铁4号线星城出入段线明挖隧道,研究施工过程中隧道邻近结构物对施工的安全风险大小。

星城车辆段位于石长铁路长沙西站北侧、北三环以南的地块内;车辆段出入段线由4号线一期最北的车站星城车辆段出入段线站北端头接出,其线路设计里程为RDK0＋0～RDK1＋828.715,共计1828.715 m。结合具体的地层条件及线路埋深,在出入段线靠星城车辆段出入段线RDK1＋230～RDK1＋722.111里程段共约492.111 m采用明挖法施工,在明挖段靠盾构隧道的端头设置盾构吊出井。

明挖段结构形式包含矩形单层双跨隧道(里程RDK1＋230～RDK1＋355.000)和 U型槽结构(里程RDK1＋355.000～RDK1＋722.111),在矩形隧道和U型槽结构分界处靠矩形隧道侧设一个单层雨水泵房间。根据工程地质和水文地质勘查结果,本工程段周边地下水丰富,场地围岩分级定位Ⅳ级,地层指数F2取值75。

2.2 风险等级判别

(1)基础指数MF。根据表1～表4的基础指数标准,根据工程实际得到本工程的隧道指数、管线指数、路面指数分别如表8～表10所示,根据地质情况取地层指数为75。

表8 本工程隧道指数F 1

表9 本工程管线指数F 3－1

表10 本工程地层指数F 2

(2)影响系数MS。星城车辆出入段线明挖段位于市三环高速路基南侧,现状场地主要为乡村便道和农田,地势总体东低西高,与线路标高变化相类似。其中施工范围内需拆迁的居民房屋、东段北侧的三环路高速和南侧楠藕线110 k V高压线走廊及相应的高压铁塔现场对明挖段工程影响较大,地下管线埋布较为复杂且与施工隧道极为靠近,因此根据表6和表7,影响系数S1、S2分别取0.9和1。

(3)综合指数TS。将上述基础指数和影响系数带入公式(1)和公式(2),评估结果如表12所示,综合指数TS为271.2。

(4)风险分级。本工程中隧道邻近结构物风险综合指数TS为271.2,大于250但小于400,由表8可知本工程中隧道邻近结构物安全风险为中度风险。

表12 隧道邻近结构物风险肯特法评估结果

2.3 分析结果评估

该工程实例评估结果为中危险度风险,一般不需要采取风险处理措施,但需要予以监测。基于评估结果,施工单位在施工过程中委托相关单位对该场地路面以及隧道都进行监控,测点布置如图2所示。

由于施工单位对该项目的重视及事前处理,在隧道施工过程中,该项目未出现安全事故,监测指标均保持在合理范围内,说明了该风险评估方法可靠,控制效果好。

图2 平面控制点剖面示意

3 结 论

(1)针对隧道施工及邻近结构物特点,基于肯特指数法选取合适的风险源,确定其风险基础指数以及影响因素,从而建立隧道邻近结构物风险评价模型。

(2)结合隧道、地层、邻近结构物等多方面因素,同时考虑了邻近结构物与隧道的邻近程度以及结构物重要程度最为影响系数,提高了风险评价的可靠度,解决了专家打分法主观性强的问题。

(3)通过对工程数据及已有文献的总结分析,提出了各指标等级赋值标准和评价准则,并依托工程实例进行验证,验证结果表明模型符合工程实际,能为施工单位安全施工提供有效参考。