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湿陷性黄土隧道洞口开挖安全风险评价及对策研究

日期:2020年12月29日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:169
论文价格:150元 论文编号:lw202012261031092820 论文字数:34569 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文研究,本文立足于紫云山公路隧道施工项目,紫云山隧道洞口段施工由于其工序繁琐、地质水文条件复杂及在施工过程中存在诸多的风险因素,导致施工风险性较高。为了避免因风险因素考虑不周产生施工事故,通过对紫云山隧道洞口段施工过程进行风险因素归纳识别及相应的神经网络模型分析,完成了洞口段施工过程中的安全风险评价,对风险应对方案进行研究与归纳。


1  绪论


1.1  选题背景及意义

随着国家“一带一路”倡议的提出和贯彻,西北地区作为“古丝绸之路”的重要节点,在响应国家“一带一路”倡议的过程中具有先天优势,同时在其带动下,对西部的发展战略贯彻产生了直接的促进作用。交通建设作为地区发展的“先行军”首当其冲,一大批交通基础设施项目规划和启动,此举在补充完善西北地区交通路网的同时,更是方便了人们的出行,推进了西北地区贸易、旅游产业的繁荣。而在路网的规划过程中,西北地区湿陷性黄土的存在却成为滞碍路网完善的主要阻力。众所周知黄土是第四系堆积的陆相沉积物,在我国分布面积达 64 万 km2,约占国土总面积的 6.3%。而甘肃作为“一带一路”的枢纽,位于我国黄土高原的西部,是我国主要黄土分布省份,如图1.1,省内分布面积达 12 万 km2,约占我国黄土面积的 19%,占甘肃省总面积的 25.1%。且黄土大部分位于甘肃中东部中高山区,该地区以黄土梁、峁地形为主,冲沟十分发育[1-3]。在此特殊地理环境因素影响下,隧道交通成为路网结构的重要组成部分。历来甘肃地区因其黄土分布的广泛性和其自身的软弱工程特性被诟病颇多,成为学术界和工程界的重要研究课题。尤其是甘肃在公路路网建设中,由于山脉众多,不可避免选择以隧道贯通的形式,为工程的建设提出了极大挑战。在甘肃省建设的馋柳、兰海、兰临、平定等高速公路中,已经施工完成了较多的黄土隧道,而隧道通过的黄土层多具有大孔隙、普遍存在垂直节理和管状孔道等特征。在天然含水量稳定时强度水平相对较高,能较好的维持高差较大的大倾角边坡,一旦发生较大程度的渗水情况,黄土颗粒内部结构则发生破坏崩解,表现为较强的湿陷特性,加上隧道施工存在的围岩应力调整失衡等原因,给公路隧道施工带来了极大的安全风险[4-7]。

定临高速公路全长 69.8km,是一条高速公路联络线,是连接定西市安定区、临洮县的一条便捷通道,同时也是甘肃东部地区通往临夏、甘南、青海南部地区的一条便捷快速通道,项目的建设能够有效改善定西市的交通环境,极大地促进贫困地区同周边城市之间的交通联系与经济往来,带动区域经济跨越式发展。紫云山隧道全长 3.9km,是定临高速公路全线的重点控制性工程,隧道穿越地层地质结构复杂,尤其洞口段处于第四系上更新统冲积黄土、中更新统粉质黏土、卵石,围岩稳定性差,开挖易坍塌并可能引起坡体的变形等,存在极大的施工安全风险。
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1.2  国内外研究现状及分析

1.2.1 国外研究现状及分析

风险管理作为一门新兴的管理学科,最早起源于美国。在 1929 年~1933 年,由于世界性经济危机的影响,“风险”一词开始出现,保险和金融行业成为了最早出现风险管理行业。到了 20 世纪中页,风险管理研究作为热门学科开始席卷欧洲及其他国家[15]。进而风险管理揭开了其神秘的面纱,走进大众视野,开始影响着我们生活的方方面面。美国作为风险管理研究的先行者,在风险管理研究领域已经取得了丰硕的成果的。其早期风险管理主要集中于金融服务行业。自 20 世纪中期以来,国内开始渐渐将风险管理研究带入各学科的发展。隧道早期的风险管理研究学者主要包括国外学者 Vik E A[16]、Okazaki K[17]、Kwong A K L[18],Vik E A 对隧道施工中使用的化学灌浆剂的环境风险管理经验进行总结,Okazaki K 采用了直升机实时监测的方法进行隧道施工风险管理,Kwong A K L 对香港东区海底隧道修建引入了风险管理与预测的方法。在国内,关于隧道风险的研究早期为沈富荣[19]在上海外环隧道中采用风险管理,对隧道施工风险进行了相应研究。通过近年来以胡根友[20]为代表的国内学者等对风险管理方法的优化与更新,对隧道施工风险评价理论和方法进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。

美国 Einstein H H 在《Risk and Risk Analysis in Rock Engineering》(1996)一文中指出了隧道等岩土工程领域风险分析的理念和特点[21],并在《Decision Aids in Tunneling》[22](1998)详细介绍了 DAT 隧道风险决策辅助系统。1996 年,Sturk 等考虑到现场实地考察存在诸多不确定因素难以涉及的前提下,将事故树法、德尔菲法(专家调查法)等方法综合应用到公路隧道的安全风险评价体系的构建中[23]。Reilly J 于 2005 年提出了隧道工程主要涉及人员、财产、成本、工期四个方面,其风险源同样存在于这四个方面。并指出在隧道风险管理的过程中应将风险管理、风险分担考虑其过程的动态性贯穿于隧道工程建设的全部过程中[24]。2001 年,Weiss E H[25]等人通过运用“mediation”运算途径,对隧道发生风险的概率进行定量计算,开创了隧道风险定量评价的先河,也为后续隧道风险发生概率评价提供了科学的理论基础。国际隧道协会(ITA)在 2004年发表了《隧道风险管理指南》一书,介绍对比了了其他行业已经成熟应用的风险评估方法[26],进而完善了风险管理在隧道工程中具体过程和步骤。Marian 采用贝叶斯网络构建了公路隧道施工风险模型,并以波兰维斯瓦河下的公路隧道为例,验证了模型的有效性[27]。

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2  隧道施工安全风险管理理论


2.1  隧道施工安全风险管理的意义

风险管理是指对存在的风险识别、评价并采取相应措施规避、缓解、分散或转移的过程。风险因子诱发风险源,风险源造成风险后果,因此识别的是风险因子,评价的是风险源,规避、缓解、分散或转移的是风险后果[58]。风险管理在时间顺序上包含两个方面,即风险源发生之前的风险管理和风险源发生之后的风险管理,风险管理要求风险管理者在风险源发生前采取科学的预防措施,防患于未然,在一定程度上有效降低风险源的发生概率,如若风险源的发生无法避免,应在风险源发生后,积极迅速地采取合理的风险控制措施,将风险后果尽量控制到一个较小范围内,并预防风险损失的进一步扩大。风险的不确定性造成了风险源发生的不可预测性,因此风险管理实际上是预测风险发生的概率并制定相应防范、控制措施的过程[59-60]。

隧道施工风险管理指的是:为了保证隧道施工的安全顺利进行,风险管理者运用科学手段对可能影响隧道安全施工或已经对隧道的安全施工造成危害的风险因素进行识别,并分析评估其可能在施工过程中造成哪种工程事故以及事故发生后可能的损失大小,最后制定预防控制措施,降低施工事故发生的概率或事故发生后积极采取防控措施,将风险控制在可控范围内。隧道施工安全风险管理过程是一个连续、动态的过程。其连续性表现在风险管理的过程是环环相扣的,一阶段工作完成后才能进行下一阶段的工作,风险因子识别后方能进行可能发生的风险源的分析,风险源分析完成后方能预测风险损失的严重程度,然后根据风险损失的严重等级采取相应的防止措施,整个过程步步为营,环环相扣,缺一不可[61-64]。其动态性表现在由于隧道施工前方围岩情况的相对不确定性,所采取的支护体系要根据实际情况来设置,因此造成了施工过程中对隧道安全影响的风险因素的识别不明晰,此时所采取预防和控制措施都要跟随隧道动态施工来变更,隧道风险管理的动态性造成了风险源和风险损失更难预测。

表 2.1 风险发生等级及判断标准

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2.2  隧道施工安全风险管理的流程隧道风险管理的一般流程是:风险识别、风险分析、风险评价和风险控制,具体流程图如图 2.1 所示。

图 2.1 风险管理的基本流程

2.2.1 风险识别

风险识别即对可能造成风险源发生的风险因子进行科学合理识别的过程。风险识别要求对隧道施工过程中所有潜在风险因子进行识别并统计识别主要风险因子,最后形成合理的风险因子清单。

但是风险识别并不是一项简单的工作,尤其是在隧道施工过程中,由于前方围岩情况的相对不确定性,造成了风险因子的随机性,风险因子并不是一成不变的,可能当施工进行了一段时间后随着围岩情况和支护结构的改变,旧的风险因子减少甚至消失,新的风险因子出现,以前的主要风险因子变成了次要风险因子,而次要风险因子反而变成了影响隧道安全的主要风险因子。此外,隧道施工过程中个别风险因子具有极强的隐蔽性,风险因子识别困难或难以识别,但这些识别困难或难以识别的风险因子可能正是影响隧道安全的主要因素[65-67]。因此运用科学合理的风险因子识别方法,在隧道施工过程中识别主要风险因子,对于隧道施工安全和生命财产安全具有重要意义[68]。

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3  紫云山洞口段开挖安全风险评价指标体系的建立 ............26

3.1  紫云山隧道工程概况 .................26

3.1.1  地形地貌 ......................26

3.1.2  水文条件 ............................26

4  基于 BP 神经网络的隧道洞口段施工安全风险评价 ....................................42

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