第六周隧道工程风险控制课程xin

隧道工程风险管理与控制北京交通大学隧道中心苏洁地层沉降整体沉降和拱式沉降两种主要模式，分别适用于粘性土地层和砂性土地层。上覆地层的整体运动模式隧道结构层2结构层1离层区域1离层区域1地铁隧道拱结构2拱结构拱结构1松散地层冒落拱形态地下工程施工地层变形和破坏规律研究根据大量的城市地铁、浅埋暗挖隧道工程的监测结果进行分析，城市地下工程施工引起地层的典型破坏模式有三种：滑裂面地表裂缝β地表沉陷（错台3～5）肉眼清晰可见沉降盆破裂面地表裂缝地层之间的离层地表错台塌陷隧道结构层2结构层1离层区域1离层区域1地下工程施工地层变形和破坏规律研究城市地铁隧道施工造成的地表裂缝：地下工程施工地层变形和破坏规律研究2006年1月3日，北京地铁10号线施工导致东三环京广桥附近地面塌陷，致使污水管断裂、上水管悬空、东三环京广桥附近交通中断。地面塌陷-1：地下工程施工地层变形和破坏规律研究2007年3月28日，北京地铁10号线苏州街东南出入口发生地面塌陷事故，事故造成6名施工人员被埋并全部遇难地面塌陷-2：地下工程施工地层变形和破坏规律研究2007年11月29日，北京西大望路地下通道施工导致西大望路发生塌陷，致使主路4车道全部破坏，交通中断。地面塌陷-3：地下工程施工地层变形和破坏规律研究–城市隧道合理埋置深度的分析出于功能和环境条件的需要，各种城市地下工程对埋置深度具有不同的要求，但其施工对地层环境造成的影响却具有很明显的一致性。若工程埋深过小，对地层环境带来的突出问题则是：–①施工过程对地层变形影响大，对某些重要的建（构）筑物保护的技术难度增大；–②由于隧道覆盖层厚度较小，其失稳破坏的不确定性加大，易于出现恶性事故；–③工程服役期间对环境影响大，如地下铁道的运营振动给某些周边环境带来不能接受的影响。8城市隧道合理埋置深度分析•隧道深埋以后，这些问题可以得到一定程度的缓解，但若埋深过大同样会带来新的问题：①在某些降水困难的条件下，带水施工围岩稳定性变差，风险增大；②深埋隧道的衬砌结构需考虑水荷载的作用，相应要增加隧道的建造成本；③因与地面之间运输距离的增加，工程服役期的运营及使用成本会相应增加，同时也不利于紧急情况下的人员疏散和灾变救护。•因此，应综合考虑以上各因素的影响程度和相互作用，确定出相应地层、环境和工程条件下合理的隧道埋置深度，以取得最佳的安全、经济和环境效果。9城市隧道合理埋置深度分析•在具体的地层和环境条件下，合理的隧道埋置深度应满足：•（1）隧道施工对地面环境的影响减小到可接受的程度，可避免重大地面环境安全事故的发生，同时施工过程中围岩的稳定性可控；•（2）地下工程的运营和使用对地面造成的环境影响能够满足相关的控制标准要求，不会对正常的生产生活造成影响，同时不会显著增加建造成本。10城市隧道合理埋置深度分析–城市隧道合理埋置深度的确定方法城市隧道合理埋深的确定主要应从上覆地层结构稳定性、地层变形的传播规律和隧道围岩及地层的破坏区分布等方面考虑，以确保隧道施工对地面环境的影响最小、并处于可控状态。统计分析，数值模拟，模型试验等方法进行分析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统计分析：对北京地铁5号线浅埋暗挖法施工的9个区间隧道的地表沉降进行了统计和分析，研究地表沉降与埋深的关系。区间隧道名称覆土厚度/m统计测点数有效测点数沉降均值/mm沉降标准差/mm刘蒲区间16.502322316蒲天区间16.506253359天磁区间15.003231255磁崇区间10.302222379.8崇东区间9.6~14.621192013和和区间9.6~16.536304311和北区间9.6~16.53432445.9北干区间9.6~16.536362515雍和区间9.0~15.03637217地层变形的统计规律大多数暗挖区间隧道的地表沉降值的变动范围在20～60mm；地表沉降值小于30mm发生的频率不超过42%；58%以上的地表沉降值均超过了30mm的控制标准。样本均值为34.3mm，样本方差为15.18mm。由于车站的开挖面积远大于区间，车站的地表沉降值约为区间的2～3倍，大多数暗挖车站的地表沉降值的变动范围为40～120mm；地表沉降值小于40mm和大于120mm的发生的频率均不超过10%；96.7%以上的地表沉降值均超过了30mm的控制标准。样本均值为79.76mm；样本方差为33.34mm。140510152025303540459121518覆土厚度平均值/m最大地表沉降值/mm10~12m埋深内区间隧道最大地表沉降在39~45mm间，沉降值较大；大于12m埋深的区间隧道最大地表沉降都24~27mm间，沉降值较小；可见，埋深对地表沉降的影响较为显著。城市隧道合理埋置深度分析15（埋深9m）试验初始加载0.04MPa，五级加载，各级荷载增量为0.02MPa，最终加载值为0.12MPa。加载过程中，隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析16（埋深15m）试验初始加载0.02MPa，九级加载，各级荷载增量0.02MPa，最终加载值0.18MPa，围岩破坏发展稳定。隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析17（埋深20m）初始加载0.04MPa，十级加载，一~八级各级荷载增量0.02MPa，九~十级荷载增量0.04MPa，最终加载值0.24MPa，隧道围岩的渐进性破坏过程如下图所示城市隧道合理埋置深度分析18试验结果——地层变形规律埋深9m工况下各级荷载下的沉降槽埋深15m工况下各级荷载下的沉降槽051015202530-400-300-200-1000100200300400测点距隧道中心轴的距离(mm)沉降值(mm)一级荷载二级荷载三级荷载四级荷载五级荷载六级荷载七级荷载八级荷载九级荷载十级荷载010203040506070-400-300-200-1000100200300400测点距隧道中心轴线的距离(mm)沉降值(mm)一级荷载二级荷载三级荷载四级荷载五级荷载埋深20m工况下各级荷载下的沉降槽05101520253035404550-400-300-200-1000100200300400测点距隧道中心轴线测水平距离(mm)沉降值(mm)一级荷载二级荷载三级荷载四级荷载五级荷载六级荷载七级荷载八级荷载九级荷载埋深较小时，洞室上方20cm监测位置处沉降值大，埋深较大的隧道工况下，其地层沉降值较小。对比埋深15m和埋深20m工况的试验结果，说明埋深的增大，有效地减小了围岩变形的发展。城市隧道合理埋置深度分析19北京地铁区间隧道的标准断面图FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective22:45:58MonDec132010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-1.436e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:2.770e+002Mag.:2.44Ang.:22.500BlockGroup15423678910分析模型局部网格图数值分析：六、城市隧道合理埋置深度分析地层变形发展规律与埋深的关系1015202530355101520253035隧道埋深/m最大地表沉降值/mm最大地表沉降值与埋深的关系数值分析结果——地层变形与埋深的关系城市隧道合理埋置深度分析城市隧道合理埋深确定——针对北京地层标准区间隧道断面：从最大地表沉降值计算结果看，采取合理支护措施，隧道覆土厚度达到12m~15m时，才能将地表沉降控制20~25mm内；隧道覆土厚度需达到20m时，才能将地表沉降控制在15mm内。地中沉降曲线拐点位置（距洞顶距离）随隧道埋深增大而增大，当埋深达到20m后，拐点位置变化不大，基本位于洞顶上方10m处。城市隧道合理埋置深度分析洞室开挖后形成的围岩塑性区分为两个区域，一部分是地表附近的塑性区，一部分是洞室周围的塑性区。埋深9m的塑性区分布图FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep12547ModelPerspective10:02:23MonOct252010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-1.542e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:4.582e+002Mag.:3.81Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-ntension-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep13219ModelPerspective11:04:07MonOct252010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-1.432e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:4.429e+002Mag.:3.81Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep6915ModelPerspective10:16:49MonOct252010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-1.215e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:4.611e+002Mag.:3.81Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep7702ModelPerspective09:57:03MonOct252010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-2.110e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:4.636e+002Mag.:2.44Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep8731ModelPerspective09:46:58MonOct252010Center:X:0.000e+000Y:5.000e-001Z:-1.794e+001Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:4.661e+002Mag.:3.81Ang.:22.500BlockStateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-pFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep9285ModelPerspective09:26:56MonOct252010Cent