城市地下工程建设的安全风险控制技术体系分析

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1、城市地下工程建设的安全风险城市地下工程建设的安全风险 控制技术体系分析控制技术体系分析 报告内容报告内容 问题的提出及安全风险控制体系问题的提出及安全风险控制体系1 地层变形与安全事故机理分析地层变形与安全事故机理分析2 地层及结构变位分配与过程控制地层及结构变位分配与过程控制3 结构注浆抬升及过程恢复结构注浆抬升及过程恢复 4 安全风险控制的工作程序安全风险控制的工作程序5 城市地下工程安全风险控制实践城市地下工程安全风险控制实践6 1 问题的提出及安全风险控制体系 o 近年来 我国城市轨道交通和地下工程建设得 到了快速发展 主要特点是建设速度快 规模 大 工期紧 同时其建设条件也极为复杂

2、o 由于特殊的环境与工程条件 城市地下工程施 工中存在诸多的安全隐患 国内外的城市轨道 交通及地下工程建设中出现了各种类型的安全 事故 严重影响着城市地下空间开发的进展 典型事故案例 广州地铁三号线滑坡事故 2004年4月 某地铁隧道推进引起地表发生塌陷破坏 国内部分城市地铁工程事故实例 台湾某地铁工程施工事故 基坑滑坡和坍塌 新加坡地铁隧道坍塌事故 上海轨道交通四号线施工事故 广州地铁其它施工事故 04年4月1日三号线沥滘站连续墙倒塌 管线破裂事故 地面坍塌 原因分析 o 地下工程的安全事故主要有工程结构自身引起 的安全事故和工程诱发的环境灾害和事故 在 城市地下工程中是以环境事故为主 也是

3、控制 的重点和难点 o 隧道开挖所引起的地层变形及其与结构物的动 态作用是事故发生的根本原因 也是安全风险 控制研究的重点 原因分析 o 事故原因就是对地层变形及其动态作用关系认 识不清 没能做到可靠的控制 o 因此为了适应我国城市地下工程的快速发展以 及复杂多变的工程条件 尽快建立起一套安全 风险的控制体系非常迫切和必要 o 目前国内外也开展了相关的研究工作 但主要 存在以下几个方面的问题 研究现状及问题 o 缺乏系统理论指导和技术支撑 一般性经验很 难为复杂的工程提供可靠的决策依据 o 某些核心技术问题没有实现突破 面对疑难问 题时的对策方案具有局限性 o 仅对监测数据进行信息化处理 没有

4、针对具体 条件进行细化分析 针对性较差 o 没有形成完整体系 难以对工程建设提供有效 的指导 技术思路 从地层变形及其与结构的动态作用原 理从发 重点解决好 3个关键问题 实现科学管理 I 深化理论研究 建立起城市地下工程建设安全 的系统控制理论 实现施工过程控制的科学化 II 结合安全风险类型和工程特点 实行分级管 理 使控制标准定量化 做到精细化设计和施工 III 基于系统论的观点 通过对安全风险不同 环节的分析和关键技术集成 形成安全风险控制 模式和相应的规程 规范 实现管理程序的规范 化 技术思路和控制体系 4个技术突破 o 揭示地层变形机制和典型事故机理 o 制定科学合理的沉降控制标

5、准 o 基于施工过程力学的动态过程控制技术 o 基于非线性动力学的注浆抬升与过程回复 安全风险控制原则 安全风险控制原则 提出 以现状评估为基础 以控制地层 变形为核心 以地层处理和施工方案为重点 以监控量测为手段 以确保近邻结构物安 全为目标 的安全风险控制原则和方法 实 现对工程建设过程的动态控制 2 地层变形与安全事故机理分析 o 隧道开挖引起的上覆地层中存在着拱式的结构 其形成的位置及其稳定性受到许多因素的影 响 由于地层条件的不同 地表沉降呈现不同 的模式 o 粘土性上覆地层呈整体沉降 且具有明显的分 组运动特征 而运动的不协调则出现地层组间 的离层 砂性土松散上覆地层呈现冒落拱 松

6、动 拱 在一定条件下可形成稳定的 拱结构 1 上覆地层的整体运动模式 2 上覆地层的 抽冒式 运动模式 3 安全事故类型 4 地表沉降控制标准 o 从控制地表沉降的本质需要出发 即满足隧 道围岩和支护结构稳定的需要 地表有特殊 控制要求时由环境的控制标准确定 o 以大量工程实践的监测结果为依据 结合隧 道开挖尺度 埋深和地层条件综合考虑 控制标准确定的依据 o 结构自身的安全可靠性 o 对地层及地面结构不发生破坏性影响 o 在现行技术水平下不必采取特殊工程措施 不致显著增加工程造价 o 必须采取严格管理方能实现 控制标准的确定 同时考虑到普通管线等结构物的承受能力 从而综合确定地表沉降的控制标

7、准为 区间隧道为30mm 地铁车站为60mm 由此使沉降控制标准更具科学化 3 地层及结构变位分配原理与方法 I 隧道施工过程力学的核心是考虑施工过程 的时间 空间效应 施工对地层及环境的 影响更多地表现出其变形过程的非线性特 点 II 城市地下工程的围岩软弱及多工序特点 因此时空效应将更加明显 1 变位分配的基本原理 o 地层及结构的变形是逐渐累积的 每步工程活 动都会造成变形的增大 o 每个施工活动步骤 开挖 支护 支撑拆除及 衬砌等 中所产生的变形是不同的 有时差异 很大 并且具有明显的规律性 o 不同应力路径所产生的变形量是不同的 即施 工顺序不同 其阶段变形和最终变形量都是不 同的

8、2 变位分配方法 o 根据理论分析结果 给出每个施工阶段 步序 的控制目标值 o 根据工程特点 找出影响地层与结构变形的关 键工序点 即对安全性影响最大的施工阶段及 其主要影响参数 o 借鉴既往类似工程的实际监测结果 将总体控 制目标值分解到相应的施工步序中 oo 由此可实现对地层和结构变形的由此可实现对地层和结构变形的 动态过程控制动态过程控制 4 结构注浆抬升及过程恢复 注浆抬升技术源于地层加固和止沉 在 此基础上通过提高注浆压力可使地层和结构 沉降得到全部或部分恢复 事实上 抬升是 结构沉降的逆过程 因此 注浆抬升也是一 个逐渐累积和发展的过程 通常经过填充密 实 止浆围护形成 抬升力产

9、生和结构抬升 等阶段 5 安全风险控制的工作程序 p 随着一些深层次的关键技术问题的解决 建立 一套较为完整的安全风险管理机制 藉著风险 咨询系统 对地下工程施工全过程实行动态控 制已成为可能 该系统具有更强的可操作性和 先进性 p 根据城市地下工程的建设特点 对于安全风险 的控制应贯穿于工程建设的全过程 本控制体 系主要包括以下 5 个主要环节 安全风险控制的工作程序 安全风险控制的工作程序 o 既有结构的现状评估及安全性评价 o 施工影响预测和施工方案确定 o 过程控制方案的制定和实施 o 监控量测及信息反馈 o 工后评估及结构状态修复 6 城市地下工程安全风险控制实践 o 北京地铁五号线

10、穿越既有崇文门车站 o 厦门机场路穿越复杂建筑物群 o 大连椒金山隧道长距离穿越既有隧道及教学 楼工程 6 1 北京地铁五号线穿越既有崇文门车站 1 98m 根据现状评估结果 同时考虑到列车运营条 件的要求 最后以既有隧道结构变形缝处的最大 沉降量最为控制指标 控制标准为不超过40mm 考虑到一定安全储备 将既有结构的最大沉降 量控制标准拟定为36mm 一 既有结构的现状评估与安全性评价 一 既有结构的现状评估与安全性评价 针对大断面浅埋暗挖地铁车站常用的中洞法 柱洞法和侧洞法对既有结构沉降附加影响进行分析 由此实现对施工方法的优化 施工方法的附加影响分析及优化 包括工法的 优化和施工步骤的细

11、部优化 二 地铁施工的附加影响分析及工法优化 二 地铁施工的附加影响分析及工法优化 既有环线 区间隧道 新建车站 600大管棚 柱洞法 中洞法 侧洞法 不 同 施 工 方 法 的 塑 性 区 分 布 柱洞法 中洞法 侧洞法 综合既有结构沉降以及塑性区范围的影 响分析 可以得出以下结论 柱洞法以最小的挖土量 提供了前期衬砌 的施作空间 其永久衬砌结构施作最早 支 撑作用发挥得最早 所以对土体沉降和既有 结构的变位控制最为有利 应是穿越施工的 最佳方案 导洞开挖顺序的细部优化导洞开挖顺序的细部优化 12 34 1 1 2 2 3 3 4 4 1 2 3 4 12 34 方案 方案 方案 方案 既有

12、结构分步沉降预测结果 40 35 30 25 20 15 10 5 0 024681012141618 施工步序 累计沉降量 mm 导洞贯通 中洞顶层衬砌 侧洞支撑 侧洞贯通 中洞衬砌 侧洞衬砌 中洞管幕施工 结束 三 环境风险安全控制方案的制定和实施 三 环境风险安全控制方案的制定和实施 依据地层及结构变为分配的原理和方法 拟定出不同施工 阶段的既有结构变形控制目标值 形成控制方案 四 施工过程中的监测和控制 四 施工过程中的监测和控制 与其他的暗挖地铁车站工程相比 监测工作的 主要创新点为 v采用先进的高精度静力水准自动化监测系统 实 现了实时监测和及时的信息反馈 v采用光栅系统对典型管棚

13、进行了隧道施工过程的 全过程实时监测 v对地铁列车振动在地层中的传播规律进行了监测 为振动影响分析及减振措施制定提供了依据 既有线监测设计就是结合既有隧道的结构特点和已制定的监 管指标 选择相应的量测仪器和设备 监测系统的布置也是监测 设计的重要内容 包括仪器安设位置的选择 仪器安装的数量 密度 分布方式和范围等 既有线监测方案 隧道施工完成后 客观上不可避免地要对既有地 铁构筑物造成影响 也可能对既有线的安全运营和使 用功能造成一些损害 因此应对所造成影响的程度作 出评价 同时根据损害的程度对恢复的必要性 可行 性以及经济合理性作出分析和评估 并据此给出相应 的恢复方案 措施和建议 在综合评

14、估的基础上应对恢复方案进行具体设计 五 工后评估和恢复方案制定和实施 五 工后评估和恢复方案制定和实施 六 六 既有结构变形的控制效果既有结构变形的控制效果 导洞贯通 中洞顶层衬砌 侧洞支撑 侧洞贯通 中洞衬砌 侧洞衬砌 中洞管幕 施工结束 侧洞支撑 1 2 3 6 2 厦门机场路大跨隧道穿越建筑物群 34 34 楼房楼房 39 39 楼群楼群 34 楼房 图1 34 楼前后观测图 39 楼房 34 楼房测点布置 34 1建筑物测点沉降时程曲线 34号楼测点沉降及差异沉降时程曲线 实测 34号楼测点沉降及差异沉降时程曲线图 不考虑注浆抬升预测 o 39 楼房测点布置 39 5 39 6测点沉降及其差异沉降时程曲线图 39号楼测点沉降时程曲线 39 5测点沉降实测及预测时程曲线图 39 6测点沉降实测及预测时程曲线图 6 3 大连椒金山隧道长距离近接施工 控制方案 o 通过试验确定控制爆破参数 在确保安全的 条件下快速施工 爆破振动速度达到 20cm s o 成功穿越教学楼 同时控制振动速度和建筑 物沉降量 保证了安全