北京新机场线折返区间下穿道路施工安全风险评估方法

李珍

中铁二十三局集团第六工程有限公司 重庆 401121

引言

施工安全风险评估是优化施工方案、保障工程项目顺利实施的关键，为了落实此项工作，本次研究以北京新机场线折返区间下穿道路施工项目为例，对此项目在施工中的安全风险进行评价[1]。施工道路的主路定线为直线，纵断面设计纵坡为2.99%，三环外环辅路定线为圆曲线，半径R600，纵断面设计纵坡为0.27%，三环内环辅路定线为圆曲线，半径R140，纵断面设计纵坡为1.04%，东南象限南向东Z3匝道定线为圆曲线，半径R550，纵断面设计纵坡为2.99%。整体采用装配式钢筋混凝土挡土墙作为支撑，人行道外侧为混凝土砌块重力式挡土墙，挡土墙墙高H为1.0m～3.6m，混凝土砌块挡土墙采用M7.5水泥砂浆砌筑并灌实，M7.5水泥勾缝。为了保证此工程项目的顺利施工，在设计施工阶段，施工方部署了大量的技术人员与辅助作业设备进行施工现场监测，但相关工作的实施并未取得有效成果[2]。因此，本文将在上述研究的基础上，设计一个全新的风险评估方法，以此种方式，掌握工程在施工中的风险，结合风险的量化，及时制定对应的工程施工整改方案，保证施工中人员的合理分配与施工安全。

1 施工安全风险评估方法

1.1 确定施工安全风险评估范围与评估对象

为了确保评价结果的真实性与可靠性，应在方法设计前，确定评估范围与评估对象[3]。确定施工安全风险评估范围需要考虑的因素包括：新建工程与既有结构的相互关系；新建工程和既有工程规模、尺寸；新建工程会对3倍洞径范围内围岩、建（构）筑物等产生影响（根据地下工程积累的经验）；环境负荷对应力分布区域的影响等。明确确定范围的影响因素后，圈定本工程评估范围：根据新建北京轨道交通新机场线一期工程与既有玉泉营桥辅路挡墙（1#挡墙）、玉泉营桥南侧挡墙（2#挡墙）、玉泉营桥北侧挡墙（3#挡墙）之间的相对位置关系，考虑工程情况，确定计算模型长度×宽度×高度=210.0m×160.0m×60.0m（地表下深），得到本工程评估范围（如下图1所示）。

图1 施工安全风险评估范围

明确北京新机场线折返区间下穿道路施工安全风险评估范围后，将既有挡土墙结构作为主要评价对象，其中包括玉泉营桥辅路挡墙及其主路的南北侧挡墙和玉泉营桥2#通道。

1.2 施工模型建立与安全风险评估参数设定

在地层中进行隧道施工会引起地层土体扰动，从而导致地层发生不均匀沉降、异常变形、土体结构移位等岩土工程施工安全问题。在下穿道路施工中，会不可避免地对周边原有地层结构的平衡性造成影响，诱发地层重力分布异常，增加对既有挡墙基础的附加应力，使其发生形变[4]。因此，可以认为施工中的开挖是造成施工现场安全风险的主要原因。为了进一步掌握施工中安全风险的分布，下述将通过构建施工区域三维地层模型的方式，进行风险覆盖区域的确定。

施工区域内所有土层、钢筋混凝土挡墙、砌块重力式挡墙、明挖基坑等结构，都采用实体单元建模（2#通道采用板单元除外）。建模中考虑到模型的适用性与计算精度要求，将模型划分成757228个单元。模型结构如图2所示。

图2 施工模型结构

完成施工模型的构建后，根据工程地质勘查报告中的相关数据，参照北京地区有关工程结构地层参数计算取值，设定施工区域有关钢筋混凝土物理参数。如下表1所示。

表1 有关钢筋混凝土物理参数按规范取值

已知工程施工参数后，计算施工中主体结构荷载，荷载计算时，需要考虑新建和既有结构自重；土体自重；汽车荷载。输出累加计算值，将其作为安全风险评估参数。

1.3 基于LEC法的挡墙变形安全风险评价结果量化

完成上述研究后，将下穿道路中的挡墙变形作为参照，获取施工现场相关数据，将数据值导入施工模型，根据施工中挡墙的变形与位移，进行工程安全风险的评价[5]。在此过程中，需要先建立一个针对施工结构的重力应力分布场，模拟下穿道路施工过程。结合现场工况，施工过程为：初始地应力平衡→挡墙和通道结构模拟、重新计算平衡→施做明挖区间（明挖基坑）→暗挖隧道左线注浆加固、上部土体开挖并施做初期支护、临时仰拱→左线下部土体开挖并施做初期支护→暗挖隧道右线注浆加固、施做左线二衬→右线拆除临时仰拱并施做右线二衬。

根据模拟的现场施工作业流程，绘制明挖一期基坑施工完成后挡墙位移云图，包括挡墙 X向变形（平行于暗挖区间方向）、挡墙 Y向变形（垂直于暗挖区间方向）、挡墙 Z 向变形（竖向变形）。

根据工程施工结果与预测的工况，对挡墙变形进行分析。明挖基坑施做完成时，1#挡墙最大竖向变形为-1.09mm，沉降缝差异沉降为-0.30mm，新增最大倾斜值为-1.03/1000；2#挡墙最大竖向变形为-0.60mm，沉降缝差异沉降为-0.07mm，新增最大倾斜值为-0.07/1000；3#挡墙几乎不受影响。根据所得数据，进行安全风险等级的评价，评价计算公式如下：

公式（1）中：D表示为安全风险量化值；L表示为挡墙变形事故可能性；E表示为施工人员直接暴露的频率；C表示为挡墙变形可能造成的后果。将计算后的D值进行划分，取值＞320时，证明工程施工存在较大风险，需要停止施工作业；取值在70～320之间时，证明工程施工存在风险，需要整改；取值在20～70之间时，证明工程施工存在风险，需要注意；取值＜20时，证明工程施工不存在风险。按照此种方式，实现对工程施工安全风险的量化。

2 实例应用分析

为了证明本文设计的评估方法可以应用到真实的工程项目中，此次研究以新机场线一期工程穿越三环路挡墙及2号通道项目为例，展开方法的实践研究。实验前，获取工程概况信息。

新机场线草桥站后折返线区间（右 K43+264.374～右 K43+924.891；左 K43+264.282～左 K43+910.979）右线区间全长660.517m，左线区间全长646.697m。线路自草桥站出站后自南向北先后下穿马草河、南三环西路（玉泉营桥）、燃气调压站、婚纱摄影城及古文化广场1～2层建筑、京沪高铁北京特大桥、京沪线铁路地面线等到达新机场线一期工程设计终点。区间最小半径 R=600.0m，最大纵坡26.5‰。

区间采用明挖法+暗挖法施工，区间出草桥站后至马草河部分采用明挖法施工，长度140.0m，为单层双跨矩形断面。区间下穿南三环西路、燃气调压站、婚纱摄影城及古文化广场1～2层建筑、京沪高铁北京特大桥、京沪线铁路地面线部分采用矿山法施工，为单洞单线马蹄形断面。

区间在南三环西路西侧绿地内设置一座明挖区间风井，在菜户营南路与京沪线铁路交口处东北象限内绿地设置一座暗挖施工竖井横通道，横通道兼作区间迂回风道。为了方便实验进行，在实验中选择以墙顶结构沉降A、沉降缝差异沉降B、新增倾斜C等作为影响穿道路施工安全的三个风险类型。针对基坑明挖施工、左线穿越施工、右线穿越施工，共三个工序的上述三个风险类型进行评估，利用本文评估方法确定三个工序中各项风险控制范围，若实际施工时，其对应参数在控制范围内，则说明不会出现安全事故，反之同理。在实际施工过程中，将本文风险评估结果以及实际施工参数记录绘制成表（如表2所示）。

表2 实例应用分析结果记录表（单位：mm）

从表2可以看出，实际结果在评估范围内，则不会出现安全事故，实际结果在评估范围外，则会发生安全事故，由此可以看出，将本文提出的评估方法应用到实际工程项目中，可为工程施工安全开展提供有利依据，若施工参数均能够按照评估结果得出的范围完成，则安全性将会得到显著提升。

3 结束语

本文开展了北京新机场线折返区间下穿道路施工安全风险评估方法的设计研究，明确了施工中不同因素对工程安全造成的影响，为了进一步提高工程质量，需要在后续的施工中做好下述几点工作：隧道开挖时应严格控制施工顺序，先注浆加固后开挖；确保暗挖隧道穿越挡墙阶段的外侧注浆加固厚度按照设计要求加厚；施工结束后，应当对挡墙结构进行检查，如若局部出现裂缝，应对其进行修复；施工期间及施工结束后若干天时间内，安排专人对近接影响地段范围的挡墙结构进行监测，变形需满足控制标准要求，否则应采取相应措施；制定针对性的应急预案，如出现可能影响既有挡墙结构安全的情况，采取应对性措施，保证在发生问题时各相关单位及人员能够及时有效地进行处理，保证既有挡墙结构的安全，避免造成较大的损失并把不良影响降低到最低限度。