第六周隧道工程風險控制課程xin

1、隧道工程風險管理與控制,北京交通大學隧道中心蘇 潔,,,地層沉降整體沉降和拱式沉降兩種主要模式，分別適用于粘性土地層和砂性土地層。,上覆地層的整體運動模式,松散地層冒落拱形態(tài),地下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,,,根據(jù)大量的城市地鐵、淺埋暗挖隧道工程的監(jiān)測結果進行分析，城市地下工程施工引起地層的典型破壞模式有三種：,地表裂縫,地層之間的離層,地表錯臺塌陷,地下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,,,城市地鐵隧道施工造成的地表裂縫：,地

2、下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,2006年1月3日，北京地鐵10號線施工導致東三環(huán)京廣橋附近地面塌陷，致使污水管斷裂、上水管懸空、東三環(huán)京廣橋附近交通中斷。,,地面塌陷-1：,地下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,2007年3月28日，北京地鐵10 號線蘇州街東南出入口發(fā)生地面塌陷事故，事故造成6名施工人員被埋并全部遇難,,地面塌陷-2：,地下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,2007年11月29日，北京西大望路地下通道施工導致西大望路發(fā)

3、生塌陷，致使主路4車道全部破壞，交通中斷。,,地面塌陷-3：,地下工程施工地層變形和破壞規(guī)律研究,城市隧道合理埋置深度的分析 出于功能和環(huán)境條件的需要，各種城市地下工程對埋置深度具有不同的要求，但其施工對地層環(huán)境造成的影響卻具有很明顯的一致性。若工程埋深過小，對地層環(huán)境帶來的突出問題則是：① 施工過程對地層變形影響大，對某些重要的建（構）筑物保護的技術難度增大；② 由于隧道覆蓋層厚度較小，其失穩(wěn)破壞的不確定性加大，易于出現(xiàn)

4、惡性事故；③ 工程服役期間對環(huán)境影響大，如地下鐵道的運營振動給某些周邊環(huán)境帶來不能接受的影響。,8,城市隧道合理埋置深度分析,,隧道深埋以后，這些問題可以得到一定程度的緩解，但若埋深過大同樣會帶來新的問題：① 在某些降水困難的條件下，帶水施工圍巖穩(wěn)定性變差，風險增大；② 深埋隧道的襯砌結構需考慮水荷載的作用，相應要增加隧道的建造成本；③ 因與地面之間運輸距離的增加，工程服役期的運營及使用成本會相應增加，同時也不利于緊急情況下的人

5、員疏散和災變救護。 因此，應綜合考慮以上各因素的影響程度和相互作用，確定出相應地層、環(huán)境和工程條件下合理的隧道埋置深度，以取得最佳的安全、經(jīng)濟和環(huán)境效果。,9,城市隧道合理埋置深度分析,,在具體的地層和環(huán)境條件下，合理的隧道埋置深度應滿足：（1）隧道施工對地面環(huán)境的影響減小到可接受的程度，可避免重大地面環(huán)境安全事故的發(fā)生，同時施工過程中圍巖的穩(wěn)定性可控；（2）地下工程的運營和使用對地面造成的環(huán)境影響能夠滿足相關的控制標準要

6、求，不會對正常的生產(chǎn)生活造成影響，同時不會顯著增加建造成本。,10,城市隧道合理埋置深度分析,,城市隧道合理埋置深度的確定方法 城市隧道合理埋深的確定主要應從上覆地層結構穩(wěn)定性、地層變形的傳播規(guī)律和隧道圍巖及地層的破壞區(qū)分布等方面考慮，以確保隧道施工對地面環(huán)境的影響最小、并處于可控狀態(tài)。統(tǒng)計分析，數(shù)值模擬，模型試驗等方法進行分析,11,城市隧道合理埋置深度分析,,12,城市隧道合理埋置深度分析,,統(tǒng)計分析：對北京地鐵5號

7、線淺埋暗挖法施工的9個區(qū)間隧道的地表沉降進行了統(tǒng)計和分析，研究地表沉降與埋深的關系。,,地層變形的統(tǒng)計規(guī)律,大多數(shù)暗挖區(qū)間隧道的地表沉降值的變動范圍在20～60mm；地表沉降值小于30mm 發(fā)生的頻率不超過42%；58%以上的地表沉降值均超過了30mm 的控制標準。樣本均值為34.3mm，樣本方差為15.18mm。,由于車站的開挖面積遠大于區(qū)間，車站的地表沉降值約為區(qū)間的2～3倍，大多數(shù)暗挖車站的地表沉降值的變動范圍為40～120mm；

8、地表沉降值小于40mm和大于120mm的發(fā)生的頻率均不超過10%；96.7%以上的地表沉降值均超過了30mm的控制標準。樣本均值為79.76mm；樣本方差為33.34mm。,14,,10~12m埋深內區(qū)間隧道最大地表沉降在39~45mm間，沉降值較大；大于12m埋深的區(qū)間隧道最大地表沉降都24~27mm間，沉降值較??；可見，埋深對地表沉降的影響較為顯著。,城市隧道合理埋置深度分析,15,,（埋深9m）試驗初始加載0.04MPa，五級加載

9、，各級荷載增量為0.02MPa，最終加載值為0.12MPa。加載過程中，隧道圍巖的漸進性破壞過程如下圖所示,城市隧道合理埋置深度分析,16,,（埋深15m）試驗初始加載0.02MPa，九級加載，各級荷載增量0.02MPa，最終加載值0.18MPa，圍巖破壞發(fā)展穩(wěn)定。隧道圍巖的漸進性破壞過程如下圖所示,城市隧道合理埋置深度分析,17,,（埋深20m）初始加載0.04MPa，十級加載，一~八級各級荷載增量0.02MPa，九~十級荷載增量0.

10、04MPa，最終加載值0.24MPa，隧道圍巖的漸進性破壞過程如下圖所示,城市隧道合理埋置深度分析,18,,試驗結果——地層變形規(guī)律,埋深9m工況下各級荷載下的沉降槽,埋深15m工況下各級荷載下的沉降槽,埋深20m工況下各級荷載下的沉降槽,埋深較小時，洞室上方20cm監(jiān)測位置處沉降值大，埋深較大的隧道工況下，其地層沉降值較小。 對比埋深15m和埋深20m工況的試驗結果，說明埋深的增大，有效地減小了圍巖變形的發(fā)展。,城市隧道合理埋置深度

11、分析,19,,,北京地鐵區(qū)間隧道的標準斷面圖,分析模型局部網(wǎng)格圖,數(shù)值分析：,六、城市隧道合理埋置深度分析,,地層變形發(fā)展規(guī)律與埋深的關系,最大地表沉降值與埋深的關系,數(shù)值分析結果——地層變形與埋深的關系,城市隧道合理埋置深度分析,,城市隧道合理埋深確定——針對北京地層標準區(qū)間隧道斷面： 從最大地表沉降值計算結果看，采取合理支護措施，隧道覆土厚度達到12m~15m時，才能將地表沉降控制20~25mm內；隧道覆土厚度需達到20m時

12、，才能將地表沉降控制在15mm內。 地中沉降曲線拐點位置（距洞頂距離）隨隧道埋深增大而增大，當埋深達到20m后，拐點位置變化不大，基本位于洞頂上方10m處。,城市隧道合理埋置深度分析,,洞室開挖后形成的圍巖塑性區(qū)分為兩個區(qū)域，一部分是地表附近的塑性區(qū)，一部分是洞室周圍的塑性區(qū)。,埋深9m的塑性區(qū)分布圖,埋深12m的塑性區(qū)分布圖,埋深15m的塑性區(qū)分布圖,埋深20m的塑性區(qū)分布圖,埋深25m的塑性區(qū)分布圖,埋深30m的塑性區(qū)分布圖

13、,數(shù)值分析——地層破壞區(qū)與埋深的關系,城市隧道合理埋置深度分析,,當埋深達到9m時，埋深工況下洞周塑性區(qū)與地表附近塑性區(qū)完全貫通，無法形成穩(wěn)定的承載拱結構，施工過程中處理不當易造成地面塌陷事故； 當埋深達到12m時，洞頂上方塑性區(qū)沒有完全與地表附近的塑性區(qū)連通，因此塑性區(qū)外圈與彈性區(qū)中應力升高部分合在一起共同形成了有效的承載拱結構，但拱肩部位的塑性區(qū)與地表塑性區(qū)連通； 當埋深達到15m時，洞室周邊塑性區(qū)與地表塑性區(qū)不產(chǎn)生連通

14、，隧道上方地層形成了穩(wěn)定的承載拱結構。,數(shù)值分析結果——地層破壞區(qū)與埋深的關系,城市隧道合理埋置深度分析,隨隧道開挖，上覆地層的變形逐漸向上發(fā)展，形成多個壓力拱式結構，但當?shù)貙雍穸葷M足一定條件時可形成一個較為穩(wěn)定的壓力拱結構。該結構的位置及穩(wěn)定條件因地層不同而出現(xiàn)變化，但與隧道的跨度顯著相關，一般為隧道跨度的1.2~1.3倍。該值應為隧道埋深的最小厚度，當覆土小于此厚度值時則存在地面坍塌等較大的安全風險。通過對其結構穩(wěn)定性的分析來確定結

15、構拱頂上方的地層承力厚度，同時考慮地面附加動荷載影響系數(shù)，這樣即可確定出合理的隧道埋深。,24,,城市隧道合理埋置深度分析,（1）隧道上覆拱結構的穩(wěn)定性,（2）隧道上覆地層變形的傳播和衰減 隧道開挖首先引起周圍地層的變形，進而向周邊傳遞，直到地表。在其傳遞過程中變形量通常逐漸衰減，由不同埋深條件下隧道拱頂至地表的沉降衰減變化規(guī)律可見，隨隧道埋深的增大地表沉降量逐漸變小，當覆土厚度H達到25m以后則地表沉降量趨于穩(wěn)定，當然，隧

16、道跨度變化后這一結論會有所改變。,25,,城市隧道合理埋置深度分析,（3）隧道圍巖與地層的破壞區(qū)分布 受隧道施工過程中應力釋放的影響，周邊圍巖中首先出現(xiàn)塑性破壞區(qū)并擴展到一定范圍達到相對穩(wěn)定，其塑性區(qū)大小取決于地層條件及隧道尺度、開挖方法等；同時地表沉降槽也會形成一定的分布形式，通常在隧道上方一定范圍內形成斷裂破壞區(qū)。上述兩破壞區(qū)的溝通則常常造成安全事故，因此，兩破壞區(qū)之間隔離層的厚度及穩(wěn)定性成為合理埋深確定的重要條件，對

17、于具體的地層和地下工程條件可據(jù)此確定允許的合理埋深。 綜合以上幾個方面的分析，同時考慮到地鐵列車振動在地層中的傳播特點和衰減規(guī)律及其對隧道服役期間的環(huán)境影響，可最終確定出滿足諸多方面要求的隧道合理埋深值。,26,,城市隧道合理埋置深度分析,27,,不考慮滲流作用時數(shù)值分析法得到的塑性區(qū)和位移分布圖如下圖所示?？梢钥闯觯淼篱_挖后，圍巖塑性區(qū)集中在隧道洞周以及開挖面前方約2.5m（0.4倍洞徑）區(qū)域，開挖面發(fā)生了較大的擠出

18、變形，最大變形量為10.1mm。,(a) 模型塑性區(qū),(b) 開挖面位移等值線（單位：mm）,城市隧道合理埋置深度分析,28,,考慮滲流后，如果不在開挖面施加正面支護力開挖面不能自穩(wěn)。在開挖面施加支護壓力后，隧道開挖面仍發(fā)生了較大的擠出變形，最大達到32.6mm，考慮滲流作用后，開挖面前方變形影響范圍明顯增大。,考慮滲流作用數(shù)值模型位移分布（正面支護力0.12MPa),）,城市隧道合理埋置深度分析,29,地層變形與結構的動態(tài)作用關系,3

19、0,,地層與結構的動態(tài)作用關系,31,,地層與結構的動態(tài)作用關系,32,地鐵隧道施工穿越既有樁基,33,隧道-土體-樁基-上部結構之間的相互作用關系,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,34,樁基影響因素劃分為外部因素和內部因素 外部因素 內部因素 (1)土體的影響 (1) 樁基幾何尺

20、寸 a.土體力學參數(shù)改變 (2) 樁基截面性質 b.樁土之間相對位移及樁端沉降 (3) 樁身材料強度 c.樁土接觸面性質改變 (4) 樁身的完整性 (2)樁頂荷載的影響 (3)地下水的影響,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,35,樁端和樁側摩

21、阻力的分布,,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,36,地層變形與樁基的相互作用,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,37,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,38,在上述樁基與土體相互作用和已有樁基破壞模式研究基礎上，通常認為在地層豎向變形影響下樁基變形主要表現(xiàn)為沉降或隆起。 樁基豎向變形模式主要為整體沉降或隆起，但當樁端承載條件發(fā)生較大的變化時，樁基達到極限平衡狀態(tài)而發(fā)生滑動破壞；如隧道從樁基底部穿過，可能造成樁底土體滑動破壞。,地層豎向變形影響

22、下樁基變形模式,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,39,地層豎向變形影響下樁基變形模式,樁端土體處于極限平衡狀態(tài) 樁端土體發(fā)生滑動,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,40,滑動圓弧經(jīng)過A點 滑動圓弧經(jīng)過C點,<,時，土體不會產(chǎn)生滑動,地層豎向變形影響下樁基變形模式,,

23、地鐵隧道施工穿越既有樁基,41,地層水平變形影響下樁基變形模式 同樣地根據(jù)樁土相互作用原理，在地層水平變形影響下樁基變形模式主要表現(xiàn)為彎曲或傾斜。根據(jù)不同地層變形模式中，樁基與土體可能出現(xiàn)的不同接觸狀況，將樁基水平變形計算簡化為以下三種模型： （1）豎向彈性地基梁； （2）超靜定梁； （3）壓桿失穩(wěn)。,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,42,地層水平變形影響下樁基變

24、形模式,豎向彈性地基梁模型,,,樁基初始平衡狀態(tài),地層受到擾動后樁基的變形狀態(tài) 等效為豎向彈性地基梁,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,43,超靜定梁模型 由于樁基與地層剛度的差異，當?shù)貙影l(fā)生較大的曲線型變形而樁基的撓度較小時或地層在樁基附近出現(xiàn)局部的隔離層，將在樁基側面與地層之間形成局部脫離區(qū)，此時，樁基成為兩端或局部具有彈性約束的超靜定梁。壓桿失穩(wěn)模式 對于細長樁，由于上部結構抗彎度大，可假設樁基礎為上

25、端水平移動而不能轉動,下端為固定彈性的壓桿。,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,44,地層變形影響下樁基承載力及變形分析地層變形對不同位置樁基的影響分析 地層變形對不同長度的樁基影響分析地層變形對不同受力特性樁基的影響分析,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,45,地層變形對不同位置樁基的影響分析,,,,,樁端位于隧道影響線之外 樁端位于隧道影響線之內隧道下穿樁基,樁端位于隧道影響線之內 樁端位于隧道影響線

26、之外隧道側穿樁基,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,46,地層變形對不同長度的樁基影響分析,,地鐵隧道施工穿越既有樁基,47,地層變形對不同受力特性樁基的影響分析（1）以摩擦力為主的樁基 該類樁基易受地層整體變形的影響，沿樁身范圍內樁側阻力發(fā)生變化，嚴重時會出現(xiàn)負摩阻力，導致樁基承載力降低。（2）以端承力為主的樁基 此類樁基易受抽冒式地層變形影響，樁端阻力迅速降低，樁基出現(xiàn)較大豎向位移。（3）摩擦力和端承力同