输水隧洞下穿并行高速公路施工安全风险评价

2024-02-26廖斯韬李南南郑卫强

水力发电 2024年2期

廖斯韬，李南南，郑卫强

(1.广东华路交通科技有限公司，广东广州 510440；2.广州广空设计咨询有限公司，广东广州 510420；3.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌 330013)

0 引言

输水隧洞既满足城市快速发展的用水需求，又带动地方经济发展，为此，我国修建了数个输水隧洞工程[1-2]。输水隧洞具有距离长、规模大等特点，不良地质条件及周边沿线环境对输水隧洞的影响不容小觑。为进一步研究输水隧洞的施工安全，学者们分别从原位试验、数值模拟和安全评价3个方面进行研究。黄井武等[3]以珠江三角洲水资源配置工程为研究背景，进行了现场原位试验，探讨衬砌的结构力学性能。高学平等[4]采用数值模拟分析平面转弯输水隧洞进出口水流力学特性在转弯角度、转弯半径、转弯后直隧洞长度作用下的变化规律。秦敢等[5]通过数值模拟研究隧洞衬砌管片接头受弯至极限的承载性能表明，管片接头处的混凝土应多加保护。杨开林[6]比较有压和无压隧洞的时空变化规律。郑汉种等[7]采用数值模拟研究不良地质隧洞的稳定性，着重分析隧洞结构应力、应变的变化规律。陈晓年等[8]依托福建龙岩引水工程，提出一套基于地质条件与隧洞设计紧密结合的系统不衬砌有压输水隧洞的设计方法和思路。李强等[9]基于贝叶斯网络构建了盾构隧道施工风险事件预测模型，提取了盾构隧道施工关键风险因素。何进等[10]基于模糊综合评价法计算隧洞塌方风险等级，得出与实际相符的结论。

为研究输水隧洞下穿、并行对高速公路的影响，本文依托珠江三角洲水资源配置工程某标段，采用模糊-熵权理论建立风险评价指标体系，分析输水隧洞下穿、并行高速公路施工安全风险等级，再利用数值模拟验证风险评价结果，为后续类似工程提供参考。

1 输水隧洞下穿、并行高速公路评价模型

1.1 建立风险评价指标体系

假设目标层为输水隧洞下穿、并行高速公路施工安全风险，即U=(U1，U2，…，Ui)，其中，Ui是目标层U的指标集i；准则层为因素集Ui=(Ui1，Ui2，…，Uin)，其中，Uij为准则层中第i个因素集中第j个指标。

1.2 熵权法计算指标权重

信息熵权法旨在利用熵值判断某个指标的离散程度，其中熵值与离散程度成反比，与指标权重也成反比[11-13]。利用信息熵权法可以计算出各个指标的权重，权重的大小反应指标的严重程度。步骤为：

(1)建立评估矩阵。根据目标层的关键指标建立参评数据矩阵M，M=(a01，a02，…，a0n)，其中，a0j为参评数据矩阵取值为同一行业内若干个专家对指标评估结果的均值，即

(1)

创建的(m-1)×n阶评估矩阵N为

(2)

式中，m为评价等级；n为评价指标数。参评矩阵M与评估矩阵N共同构建决策矩阵A，即

(3)

(2)决策矩阵标准化。由于决策矩阵A=(aij)m×n中各指标量纲不统一，故采用线性比例变换法得到标准化矩阵B=(bij)m×n。将指标分为正向指标a′ij和负向指标a″ij，分别经下式作标准化处理

(4)

(5)

(6)

式中，bij为第j个指标下第i个样本值占该指标的比重。

(3)计算指标熵值ej，即

(7)

(4)计算指标权重wj，即

(8)

式中，gj为计算指标的差异系数，满足gj=1-ej；各权重相加和为1，权重向量W记为W=(w1，w2，…，wn)。

1.3 模糊综合评价

一般地，多级模糊综合评价的顺序是由最低至高递进计算，整理各个层次的评价结果。根据评价对象建立的因素集U、评价集R、权重向量W和评价矩阵V，即

U=(u1，u2，…，un)

(9)

R=(r1，r2，…，rn)

(10)

W=(w1，w2，…，wn)

(11)

(12)

将权重和评价矩阵相乘即实现模糊评价，由最底层逐次向上一层递进，最后得出隧道下穿、并行高速公路的施工风险等级。

2 实例分析

2.1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程位于珠江三角洲核心地区，该工程下穿某高速公路路基段、并行某高速高架桥，总体平面见图1。根据GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计规范》可知，该工程抗震设防类别为乙类，建筑物设计烈度为7度。

图1 总体平面

施工采用土压平衡盾构机进行盾构掘进施工。输水隧洞洞顶埋深50.38～55.82 m，隧洞为外径6.0 m的双隧洞，采用C55混凝土盾构衬砌管片，管片厚300 mm，管片衬砌后内径为5.4 m，内衬Q345C钢管后内径为4.8 m，钢管壁厚20 mm。混凝土衬砌和钢管之间设有复合排水板(上部240°、高15 mm)、C30自密实混凝土填充以及Q345C加劲环(宽24 mm，高120 mm)。图2为下穿涉路位置剖面。图3为并行某高速高架桥剖面。

图2 下穿涉路位置剖面(单位：尺寸mm；高程m)

图3 并行某高速高架桥剖面(单位：尺寸mm；高程m)

2.2 风险评价指标体系建立

根据输水隧洞下穿、并行高速公路基本情况和专家意见，结合Q/CR 9247—2016《铁路隧道工程风险管理技术规范》，对输水隧洞下穿、并行高速公路工程复杂施工环境进行了合理的风险辨识，确定了以设计因素、周边环境因素和施工因素为主要风险因素，将主要因素细分得到了19个子因素。完整且合理的输水隧洞下穿、并行高速公路施工安全风险评价指标体系见图4。

图4 风险评价指标体系

2.3 熵权-模糊综合评判

2.3.1 熵权法计算权重

对各影响因素进行量化评价，邀请50位专家，其中设计单位、建设单位、监理单位、施工单位、学术研究者各10人，对各指标进行打分，求取平均值并建立单因素下的输水隧洞下穿、并行高速公路施工安全风险评估指标量化范围，风险等级所对应的指标量化区间为(50，60]、(60，70]、(70，80]、(80，90]、(90，100]，指标风险值随着打分区间的提高而降低。专家打分值见表1。

表1 专家打分情况汇总

根据熵权法分别计算了准则层、指标层的权重值，将权重值记录于表2中，用于后续模糊综合评判。

表2 输水隧洞下穿、并行高速公路施工风险指标权重

2.3.2 多级模糊综合评判

(1)确定评价集。根据相关规范指南[14]，将输水隧洞下穿、并行高速公路施工安全风险分为5级，定义为R=(1，2，3，4，5)。风险概率等级标准见表3。

表3 风险发生概率等级标准

(2)建立评价因素隶属度矩阵。根据上文建立的施工安全风险评价指标体系，进一步建立指标评价矩阵V，通过德尔菲法确定某因素的隶属向量vij，由数个vij组成隶属度矩阵Vij，即

(3)一级模糊评判。一级模糊评判定义为同一准则层下的各个指标层之间的综合评判，记为Mij=WijVij，其中，Wij为指标层各因素所占权重，计算得到的Mij为一级模糊评判结果，即M1=(0 0.171

0.545 0.284 0)，M2=(0 0.078 0.745 0.177

0)，M3=(0 0.334 0.338 0.328 0)。

(4)二级模糊评判。根据定义可知，二级模糊综合评价是基于一级模糊综合评价基础上展开的，计算得到二级综合模糊评判，即M=(0 0.231 0.476 0.293 0)。

2.3.3 评判结果

本文选用I型函数进行评判，得到最终结果P=0.029 8，该值处于风险概率为3级的区间内，风险偶尔发生，与实际工程相符。为进一步验证风险评价结果，建立三维输水隧洞下穿、并行高速公路数值模型。

3 风险评价结果验证

3.1 物理力学参数

采用三维有限元程序MIDAS GTS NX软件模拟输水隧洞盾构施工过程中对高速公路路基安全性的影响，数值模型尺寸为160 m×80 m×80 m[15]。土层参数和结构力学参数参考地勘报告和当地规范，得到参数力学指标见表4。

表4 土层参数和结构力学参数

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 下穿路基

图5为隧道开挖后地表沉降。图6为路基沉降。根据有限元模拟结果可知，在施工处于正常控制的条件下，输水隧洞开挖后对应的输水隧洞正上方的路基沉降最大，为-1.115 mm。水平方向地表沉降形成沉降槽，表现为中间大、两头小的趋势，地表整体沉降值较小。开挖后，输水隧洞管片在土体应力的作用下产生径向收缩，管顶平均沉降为-0.78 mm，管片左右向内收缩约0.9 mm。根据有限元模拟结果，盾构施工引起的高速公路沉降为1.115 mm，小于监测预警值，在安全范围内。

图5 开挖后地表沉降(单位：mm)

图6 路基沉降(单位：mm)

根据数值分析可知：①该项目输水隧洞于高速路基段下穿，输水隧洞洞顶埋深50.38～55.82 m，穿越地层为弱风化泥质粉砂岩，适合于盾构施工，穿越位置选择合理。②输水隧洞外径为6.0 m，埋深大于相关规范1.5倍管道外径且不小于3 m的要求，满足规范要求。③输水隧洞日常运营过程中其检修空间均在地下，不影响地上高速公路正常营运，高速公路的日常养护维修也不影响地下输水隧洞的正常使用。④输水隧洞下穿高速公路路基未侵入公路建筑限界，满足规范要求。

3.2.2 并行桥梁

图7为隧洞并行桥梁开挖后地表沉降。输水隧道并行高速公路桥梁长度较大，本文仅分析局部较近路段。图8为桥梁桥墩与盖梁的竖向位移(最大沉降为0.182 1 mm)。图9为桥梁桥墩与盖梁的横向位移(最大横向变形为0.193 5 mm)。图10为桥梁桩基竖向位移(最大沉降为0.095 6 mm)。图11为桥梁桩基横向位移，最大的横向变形为0.120 mm。对桥梁结构造成一定的影响，但是影响较小。