城市隧道施工的安全评价体系及现场监控量测研究.docx

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城市隧道施工的安全评价体系及现场监控量测研究

城市隧道施工的安全评价体系及现场监控量测研究

摘要

随着我国基础建设事业的快速发展和西部大开发战略的稳步实施，原有的道路交通系统已难以满足人们的出行需要，为了有效缓解日趋增大的交通压力，我国加快了利用新奥法设计施工的公路隧道工程的发展步伐，但与此同时伴随着高速发展出现的安全问题正逐渐制约着工程进展。

本文以重庆市五一路地下环道工程为依托工程，结合现场调研、数值模拟、数据分析等多种手段，对五一路隧道的施工安全进行了综合性的评价以及对其监控量测的问题进行了重点研究。

获得主要成果如下：

在城市隧道施工评价中引入危险指数法，确定了城市隧道施工的物质系数MF、城市隧道一般工艺危险系数F1、城市隧道一般工艺危险系数F2。

以岩体力学分级为基础，借鉴危险度指数评价法，提出了城市隧道施工安全的分级体系，将隧道施工安全等级分为I～VI级，该评价体系的各因素权重采用层次分析法确定，主观因素对安全等级影响程度通过补偿系数衡量，得到城市隧道施工的危险性评定指数D=（MF）F3S1S2=157.54，评定该隧道段的施工安全分级属于II级（较安全），与施工的实际情况较为符合。

利用ANSYS软件建立该隧道的三维立体模型，根据实际情况进行加载，得出了隧道开挖之后，新建隧道拱顶最大沉降值为3.397mm，隧道开挖后引起重庆日报集团基底最大沉降值为0.731mm，基底最大整体倾斜0.081‰。

应用尖点突变理论模型，基于隧道围岩变形实测资料，运用了隧道开挖围岩失稳预测模型，并将结合五一路实际监控量测数据对五一路隧道部分断面进行预测，得到了较高的准确率，同时验证了城市隧道施工安全评价体系的准确性和实用性。

关键词：

隧道施工，危险指数法，数值模拟，监控量测，尖点突变

ABSTRACT

Withfastdevelopmentofnationalfoundationconstructionandtheimplementof

develop-the-weststrategy,theexistingtrafficsystemhadfailedtomeetpeoplesrequirementfortravel,sothenationspeeduptheuseofthenewAustriantunnelingmethodtothedesignandconstructionofhighwaytunnelengineeringforremittingtheincreasingtrafficpressure.Butproblemsinfastdevelopmentalsorestrictedengineeringprogress.BasedonundergroundringroadengineeringofWuyiroadinChongqing,thispaperappliedsomemethods,localsurvey、numericalmodeling、dataanalysisandsoon，tosyntheticallyevaluatetheimplementsafetyofWuyiroadtunnelandstudytheproblemsaboutmeasurementandmonitoring.

Mainachievementsareasfollows:

Incitytunnelimplementassessment,thematerialfactor（MF），thegeneralprogressriskfactor（F1）,theparticularprogressriskfactor（F2）ofcitytunnelweredeterminedbyriskrankmethod.

Basedonrockmassmechanicsrankingandriskindexassessmentmethod,weputforwardrankinghierarchyforcitytunnelimplement,coveringfivedegrees,from1-5.Theweightoffactorsinthehierarchywasdeterminedbylayeranalysismethod.theinfluencinglevelofsubjectivefactoronsafetydegreewasmeasuredbycompensationfactor.TheriskassessmentindexD=（MF）·F3S1S2=157.54forcitytunnelimplementwascalculatedtoassessitsimplementsafetydegree,achievingdegreetwo,whichaccordedwithactualsituation.

Thetunnelthree-dimensionalmodelwasestablishedbyANSYS,andapplyingloadaccordingtoactualsituation，thenthemaximumsettlementvaluesofNewtunnelvaultandChongqingdailygroupbaseandthemaximumglobalinclinevalueofbasewascomputed，3.397mm,0.731mm，0.081‰respectively，duringexcavation.

AccordingtoactualdataforTunnelsurroundingrockdeformation，,Surroundingrockinstabilitypredictionmodelwasusedbycuspidalmutationtheory.andsomeplanesoffractureinWuyiroadtunnelwaspredicted,showinghigheraccuracyrate,withitsactualmeasurementresults.

Keywords:

tunnelconstruction，riskindexmethod，numericalsimulation，monitoringmeasurement，cuspcatastrophe

目录

中文摘要I

英文摘要II

1绪论1

1.1研究意义及选题依据1

1.2国内外研究现状1

1.2.1隧道施工安全管理1

1.2.2隧道监控量测与信息化施工2

1.3论文的主要研究内容与技术路线4

1.3.1主要研究内容4

1.3.2技术路线4

2城市隧道施工安全评价体系研究6

2.1安全评价6

2.1.1安全评价的内容6

2.1.2安全评价的意义6

2.1.3安全评价的程序7

2.2城市隧道施工安全评价体系8

2.2.1城市隧道施工的风险分析8

2.2.2城市隧道施工的安全评价体系框架9

2.2.3城市隧道施工的物质系数确定12

2.2.4城市隧道施工工艺危险系数确定15

2.2.5城市隧道施工安全补偿系数确定17

2.2.6城市隧道施工综合评定指数的确定及安全分级18

2.3城市隧道施工安全分级评价体系分析18

2.4五一路隧道施工安全评价19

2.4.1工程概况19

2.4.2隧道工程地质评价20

2.4.3隧道施工安全评价21

2.5本章小结24

3五一路下穿重庆日报集团隧道段施工安全的数值模拟25

3.1ANSYS简介26

3.2有限元模型及边界选取26

3.3本构模型与力学参数的选取30

3.4数值模拟结果分析33

3.5本章小结36

4隧道现场监控量测研究38

4.1新奥法简介38

4.2隧道现场监控测量40

4.2.1现场量测的目的和意义40

4.2.2隧道量测信息的反馈方法41

4.2.3监控量测项目及测点布置43

4.2.4量测频率和量测时间44

4.3五一路隧道现场监控测量45

4.3.1五一路隧道监测方案45

4.3.2围岩失稳尖点突变预测模型48

4.3.3五一路隧道监控量测分析50

4.4五一路隧道量测数据与数值模拟对比分析56

4.5本章小结57

5结论与展望58

5.1主要结论58

5.2展望59

致谢60

参考文献61

附录64

A.作者在攻读硕士学位期间发表论文情况64

B.作者在攻读硕士学位期间的发明专利情况64

1绪论

1.1研究意义及选题依据

我国是一个多山的国家，山地、丘陵和高原面积约占国土面积的69%，随着我国国道和高速公路网的迅速建设，穿山越岭的公路隧道优越性逐渐显现出来，但其所遇到的各类安全问题也越来越引起人们的重视，其中隧道施工的安全评价及其现场的监控量测是与公路隧道设计和施工密切联系的一项极为重要的研究内容，也是推动隧道向纵深发展和安全使用的保证，迫切需要深入研究和探索。

大量工程实践表明，随着公路隧道开挖长度、深度的不断增加，施工地质条件也越来越复杂，正确分析隧道施工过程中围岩的稳定性、施工开挖方法、开挖顺序、支护方式和时间长短与隧道施工的安全状况有着密切联系[1]。

同时做好施工时的监控量测也可以及时的预报险情，并通过监控量测反馈的数据为隧道施工的设计修改提供依据和指导隧道现场的施工。

隧道施工不同于其他生产形式，兼顾建设工程施工和矿山生产，具有其自身独特的安全生产特点。

隧道施工过程中的事故多以地质灾害和常见惯性事故为主，其危险源和有害因素也有了初步认识，通过选取最佳的安全评价模型进行施工安全评价，可以对施工安全的认识更系统化、完整化、科学化，做到及早地对事故发生的可能性和危险、有害因素进行辨识，切断危险源，把事故消灭在萌芽之中。

同时通过隧道施工安全评价，进行安全技术措施和安全管理的落实，对施工员工进行安全教育，提高他们的安全意识，制止和控制劳动者的不安全行为，可以让施工人员更系统全面地了解隧道施工过程中的危险、有害因素，促使施工企业领导从安全管理制度上和管理方法上提出控制对策，真正做到贯彻落实“安全第一、预防为主”的安全生产方针，并最终建立完善的动态的安全管理系统，进一步预防和降低事故的发生，保证安全生产顺利进行[2~4]。

1.2国内外研究现状

1.2.1隧道施工安全管理

风险管理在1955年左右起源于美国，经过50多年的理论探索和实践，现在已被公认为一项不可或缺的管理职能，并以此为基础创建了一门新的管理学科。

1960年左右工程项目管理开始运用风险评估技术，随着西方国家经济的复苏，欧洲兴建了一大批投资巨大的资源、水电、航天、交通项目，其中复杂多变的工程项目环境令工程项目本身面临着各种不确定因素，从而使项目管理者对风险管理越来越重视[5]。

通过几十年的实践应用和理论研究，对工程风险管理的概念国际学术界达成了一致的认知，认为工程风险管理是系统工程的一个分支，涉及到了工程管理的各个更次，比如危险的识别、分析、评估、控制和管理，其旨在于通过对项目环境中的不确定因素进行研究控制，来控制成本和降低损失[6]。

工程风险评估正随着产生的各种新评价方法向综合、全面、多维方向发展来解决怎样定量地预测不确定因素对工程项目成本造成的影响。

国外学者对于隧道工程的风险分担和风险管理方面做了很多研究，比如挪威学者认为：

做好风险分担的准备对缩短工期和控制工程造价以及对承包商和业主双方都有利。

所以，挪威采用一种把时间当量（实际单位作业耗时）作为作业项目的方法，来降低合同中的风险。

国际隧道协会也开展过隧道工程风险分担的研究，并提出了25条建议应用于隧道工程中合同风险的分担。

事实表明，工程中预先进行风险识别和制定相应的控制措施是降低风险的重要手段[7]。

现在很多国外隧道和地下工程都从开始的设计到施工结束都进行了风险管理。

在工程启动前先进行风险识别，找出所有潜在风险，同时在招标和签订合同的各个阶段也加强了风险管理。

虽然国外进行了较多的隧道工程风险管理研究，但隧道工程的多样性和复杂性决定了它的研究还不够系统和完善。

公路隧道安全评价技术仍然处在不断的发展与完善阶段，没有形成统一的、完整的安全评价标准，有待进一步的探讨与研究。

在我国工程风险管理尚未纳入工程管理体系，并且在隧道工程风险管理方面的研究也处于相对滞后状态。

2004年铁道部工程管理中心和中铁西南科学研究院在野三关铁路隧道工程进行的风险分析和评估研究中采用了定性和定量相结合的方法，这在我国铁路隧道工程界的发展中尚属首次尝试[8]。

1.2.2隧道监控量测与信息化施工

随着力学理论的不断进展，监控量测于1948年左右开始兴起，逐步发展为一种集预测、监控、评价和修正为一体的设计施工方法。

1960年以后，以最大限度地不破坏围岩中应力分布为前提，通过在施工过程中密切监测围岩的应力应变，并同时实施各种支护措施来控制变形，以期达到最大限度地利用围岩本身自承能力的新奥地利施工法开始运用到隧道的开挖掘进中，作为新奥法核心之一的隧道施工监控量测在美国、日本以及欧洲等诸多地下工程中获得了飞速的发展[9]。

近几年来，由于量测技术与计算机等多种技术的渗透发展，地下工程结构体系中的新奥法设计和施工有了很大的发展，其中“信息化设计施工方法”被广泛地普及应用，其原理也大大地被扩展。

“信息化设计施工方法”已经被许多设计、施工方法规范认同，比如欧洲规范（Eurocode）。

国际隧道协会执行主席Eisenstein教授在《城市隧道的挑战与进展》书中认为，“信息化方法特别适用于隧道工程”[10]。

Brandl博士（国际土力学及岩土工程学会（ISSMGE）副主席）曾大力倡导信息化设计施工方法，称之为“解决目前理论与实际日益脱节”的有效办法。

目前日本和欧洲等开始以监控量测及信息化设计施工思想为基础进行研制和开发隧道工程动态设计系统，并开发出很多产品，有的已经批量化投产[11]。

近段时间，鉴于通信技术、信息技术以及各种获取信息手段和方法的飞速发展，特别是设计施工体制的改革，都给隧道“信息化设计施工”的实现创造了良好的前提[12]。

我国在隧道工程体系中基本也是按照“信息化设计施工”的思想进行的设计和施工，但因信息传输系统的不完善、获取信息手段发展的迟缓以及隧道施工环境和管理体制的限制等诸多原因并未实现真正意义上的“信息化”。

国内西安矿业学院的刘怀恒教授在1978年开发出“岩石力学平而非线性有限元分析NCAP-2D”；王兰生教授的课题组设计了施工简单易且于埋设的量测围岩变形跟踪监测系统（TMS）,并成功应用于川藏公路二郎山隧道工程中；同济大学的朱合华教授于1997年推出了“地下工程施工模拟通用正反分析计算软件”；铁科院发表了根据圆形洞室的周边位移进行平而应变问题初始应力反分析计算的复变函数法；长安大学吕康成教授、伍毅敏博士利用激光基准测量原理开发的激光隧道围岩位移实时监测系统监测系统精度为0.5mm，在浙江杭金衙高速公路上的樊村二号隧道试用过后效果良好[13]；东北大学的刘连峰和王泳嘉开发了3D离散元软件TRUDEC，通过动态松弛法来求解力和位移[14]；能源部成勘院发表了可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法，西安空军工程学院发表了引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移法分析计算的边界单元法[15,16]。

这些研究不仅促进了岩土力学的发展，还有利地带动了隧道施工现场监控量测和信息反馈的发展。

近十年来，针对公路隧道建设的现状和其面对的各类安全问题，我国投入的科研经费量逐年增多，在隧道工程的各类实际问题上开展详细的科学研究，比如“公路隧道施工技术规范编制”、“特长公路隧道修筑技术研究”、“公路隧道通风技术研究”、“公路长大隧道纵向通风研究”和“连拱隧道建设关键技术研究”等等[17]，在隧道工程的各个领域取得了针对性成果，这些研究成果有力地支持了我国公路隧道的建设。

但我国对监控量测和信息化施工的研究还不是很多，监控量测技术和方法还处于发展阶段，随着科学技术的进步和认识水平的提高以及对工程建设的客观要求提高，必定会推动监控量测技术的不断进步和提高[17]。

因此，如何及时、快速地获取各类信息，如何综合分析信息以及如何快速地把监测信息反馈给其他各方并立即采取适当的反应处理突发事故，如何使信息得到的真实性得到确保并能切实有效的应用于工程建设中，是目前隧道施工和监控量测研究急需解决的问题[18]。

1.3论文的主要研究内容与技术路线

1.3.1主要研究内容

本文以解放碑地下环道二期工程（五一路隧道工程）为实际依托工程，采用了现场调研、数值模拟和选取合适安全评价方法等手段，对五一路的隧道施工进行了安全评价，并结合现场监控量测数据运用尖点突变原理进行了分析。

论文的主要内容有以下几点：

综合采用危险指数评价法、层次分析法以及岩石力学中的岩体稳定性分级方法，给隧道施工安全评定了一个通过计算危险指数的安全分级标准,结合五一路隧道施工中的具体情况，确定各个计算参数，对五一路隧道施工的安全等级进行评价。

运用ANSYS对五一路隧道工程的重庆日报隧道段进行数值模拟，利用等效刚度法简化其荷载施加的计算方式，分析其施工过程可能对地表构筑物和隧道自身产生的影响。

分析了监控量测在新奥法中的重要性，运用由尖点突变原理以及围岩的本构关系导出的围岩失稳的尖点突变预测模型，并结合现场监控量测数据对围岩失稳进行预判，分析其危险性。

1.3.2技术路线

本文的技术路线简要说明如下（图1.1）：

收集国内外相关领域的最新资料；

分析资料，根据研究目标制定安全评价研究方案，确定方案后对工程实况进行安全评价；

进行隧道区工程地质条件研究，重点对隧址的区域地质与区域稳定性、地形地貌条件、地层岩性及工程地质岩组、地质构造及其应力场演化、水文地质条件等进行调研，来确定本文评价所要用到的参数。

以上参数通过对五一路隧道的现场调研以及物探资料获得；

针对五一路隧道的实际开挖和支护情况进行数值模拟，评估其安全稳定性；

进行现场测量，运用尖点突变原理分析测量数据，预判隧道围岩的稳定性，并与数值模拟的试验结果作对比，验证数值模拟的准确度。

将有关研究成果形成文档，完成学位论文撰写。

图1.1论文技术路线图

Fig.1.1Technologyroadmap

2城市隧道施工安全评价体系研究

城市隧道施工工艺主要包括钻爆作业、支护作业、渣运作业、仰拱施工、衬砌、防水层施工等，对城市隧道施工安全的评价是对施工过程中安全程度的评价，通过对施工过程中存在的危险进行定性和定量的分析，反映出隧道施工的安全状况和安全管理水平，为施工方决策提供依据。

安全评价的技术很多且各有特色，运用安全评价技术对隧道施工的安全生产水平进行评价，应根据评价对象、评价目的的不同而合理的选用相应评价方法。

目前对于隧道施工安全评价的方法很多，比如模糊综合评价法、PNN或者BP神经网络法、模糊层次分析法等，这些方法都能比较真实地体现出隧道施工中的各类安全问题所占的比重，哪些安全隐患应该更加重视，但缺乏一个对于隧道施工的整体安全指标，不能够明确评价某一隧道的施工安全的级别，从而采取相应的措施。

本文综合采用危险指数评价法、层次分析法以及岩石力学中的岩体稳定性分级方法，给隧道施工安全评定了一个通过计算危险指数的安全分级标准。

2.1安全评价

安全评价（safetyassessment）也称危险评价或风险评价（riskassessment），是应用安全系统工程的原理和方法，对系统存在的危险因素、有害因素进行辨识和分析，判断系统发生事故和职业危害的可能性及其严重程度和可能造成的损失进行调查研究和分析论证，从而为评估系统的整体安全性及为制定防范措施和管理决策提供科学依据，以寻求最低事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。

2.1.1安全评价的内容

安全评价的主要内容一般分为4个方面：

危险的识别、危险的定量化、定量化的危险与基准值的比较、控制危险措施的提出。

危险的识别是分析研究对象存在的各种危险，危险的定量是研究确定这些危险发生的频率以及可能造成的后果。

定量化的危险与基准值的比较是将这些风险与预定的风险值相比较，判断是否可以接受；最后根据风险能否被接受而提出降低、排除、转移风险的决策。

2.1.2安全评价的意义

安全评价的目的是查找、分析和预测工程、系统中存在的危险、有害因素及危险的程度，提出合理可行的安全对策措施，指导危险源监控和事故预防，实现安全生产。

安全评价是安全生产管理的重要组成部分，其作用主要有：

①有助于政府安全监督管理部门对生产经营单位的安全生产实行宏观控制；

②有助于提高生产经营单位的安全管理水平；

③有助于安全投资的合理选择；

④有助于生产经营单位提高经济效益、社会效益。

2.1.3安全评价的程序

安全评价程序如图2.1所示，主要包括：

准备阶段，危险、有害因素辨识与分析，定性、定量评价，提出安全对策措施，形成安全评价结论及建议，编制安全评价报告。

图2.1安全评价程序图

Fig.2.1SafetyAssessmentProcedures

①准备阶段。

明确被评价对象和范围，收集国内外相关法律法规、技术标准及工程、系统的技术资料。

②危险、有害因素辨识与分析。

根据被评价的工程、系统的情况，辨识和分析危险、有害因素，确定危险、有害因素存在的部位、存在的方式、事故发生的途径及其变化规律。

③定性、定量评价。

在危险、有害因素辨识和分析的基础上，划分评价单元，选择合理的评价方法，对工程、系统发生事故的可能性和严重程度进行定性、定量评价。

④提出安全对策措施。

根据定性、定量评价的结果，提出消除或减弱危险、有害因素的技术措施、管理措施及建议。

⑤安全评价结论及建议。

简要地列出主要危险、有害因素的评价结果，指出工程、系统应重点防范的重大危险因素，明确生产经营者应重视的重要安全措施。

⑥编制安全评价报告。

依据安全评价的结果编制相应的安全评价报告[19]。

2.2城市隧道施工安全评价体系

2.2.1城市隧道施工的风险分析

隧道施工不同于其他工程，主要体现在其环境复杂性、工程动态性和时效性，即工程开挖自始至终处于复杂的动态开挖及施工扰动中。

从隧道施工生产经营系统整体来讲，施工风险主要来自以下两个方面：

①客观因素

在隧道爆破掘进后，是否及时对围岩进行初级支护是直接影响围岩稳定性的一个方面。

另外由于不同的围岩类别和不同的施工方法，在遇到特殊地质（如断层破碎带、流沙、膨胀性围岩、黄土、岩爆、岩溶等）的情况下便很难保证围岩的稳定性，尤其在强大的地应力作用下，会导致片帮、冒顶、底鼓以及支护衬砌的变形甚至塌方。

随着隧道隧洞施工的不断纵向深入，作业场所在时间和空间上经常发生变化，隧洞的环境条件也随之不断改变和恶化。

主要表现在灰尘和噪声污染，工作空间狭小（施工设备和机械不但占用空间，而