城市隧道施工的安全評價體系及現(xiàn)場監(jiān)控量測研究

1、中文摘要 城市隧道施工的安全評價體系及現(xiàn)場監(jiān)控量測研究摘 要 隨著我國基礎建設事業(yè)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施，原有的道路交通系統(tǒng)已難以滿足人們的出行需要，為了有效緩解日趨增大的交通壓力，我國加快了利用新奧法設計施工的公路隧道工程的發(fā)展步伐，但與此同時伴隨著高速發(fā)展出現(xiàn)的安全問題正逐漸制約著工程進展。本文以重慶市五一路地下環(huán)道工程為依托工程，結合現(xiàn)場調研、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等多種手段，對五一路隧道的施工安全進行了綜合性的評價以及對其監(jiān)控量測的問題進行了重點研究。 獲得主要成果如下： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 在城市隧道施工評價中引入危險指數(shù)法，確定了城市隧道施工的

2、物質系數(shù)MF、城市隧道一般工藝危險系數(shù)F1、城市隧道一般工藝危險系數(shù)F2。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 以巖體力學分級為基礎，借鑒危險度指數(shù)評價法，提出了城市隧道施工安全的分級體系，將隧道施工安全等級分為IVI級，該評價體系的各因素權重采用層次分析法確定，主觀因素對安全等級影響程度通過補償系數(shù)衡量，得到城市隧道施工的危險性評定指數(shù)D=（MF）F3S1S2=157.54，評定該隧道段的施工安全分級屬于II級(較安全)，與施工的實際情況較為符合。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 利用ANSYS軟件建立該隧道的三維立體模型，根據(jù)實際情況進行加載，得出了隧道開挖之后

3、，新建隧道拱頂最大沉降值為3.397mm，隧道開挖后引起重慶日報集團基底最大沉降值為0.731mm，基底最大整體傾斜0.081 。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 應用尖點突變理論模型，基于隧道圍巖變形實測資料，運用了隧道開挖圍巖失穩(wěn)預測模型，并將結合五一路實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對五一路隧道部分斷面進行預測，得到了較高的準確率，同時驗證了城市隧道施工安全評價體系的準確性和實用性。關鍵詞：隧道施工，危險指數(shù)法，數(shù)值模擬，監(jiān)控量測，尖點突變 ABSTRACT With fast development of national foundation construction and the

4、 implement of develop-the-west strategy,the existing traffic system had failed to meet peoples requirement for travel,so the nation speed up the use of the new Austrian tunneling method to the design and construction of highway tunnel engineering for remitting the increasing traffic pressure.But pro

5、blems in fast development also restricted engineering progress.Based on underground ring road engineering of Wuyi road in Chongqing,this paper applied some methods ,local survey、 HYPERLINK app:ds:numerical t numerical HYPERLINK app:ds:modeling t modeling、 HYPERLINK app:ds:data t data HYPERLINK app:d

6、s:analysis t analysis and so on，to HYPERLINK app:ds:synthetically t synthetically evaluate the implement safety of Wuyi road tunnel and study the problems about measurement and monitoring. Main achievements are as follows: = 1 * GB3 * MERGEFORMAT In city tunnel implement assessment, the material fac

7、tor （MF），the general progress risk factor（F1 ）,the particular progress risk factor （F2）of city tunnel were determined by risk rank method. = 2 * GB3 * MERGEFORMAT Based on rock mass mechanics ranking and risk index assessment method,we put forward ranking hierarchy for city tunnel implement,covering

8、 five degrees,from 1-5.The weight of factors in the hierarchy was determined by layer analysis method.the influencing level of subjective factor on safety degree was measured by compensation factor.The risk assessment index D=（MF）F3S1S2=157.54 for city tunnel implement was HYPERLINK app:ds:calculate

9、 t calculated to assess its implement safety degree,achieving degree two,which accorded with actual situation. = 3 * GB3 * MERGEFORMAT The tunnel three-dimensional model was established by ANSYS,and applying load according to actual situation，then the maximum settlement values of New tunnel vault an

10、d Chongqing daily group base and the maximum global incline value of base was computed，3.397mm,0.731mm ，0.081 respectively，during excavation. = 4 * GB3 * MERGEFORMAT According to actual data for Tunnel surrounding rock deformation， , Surrounding rock instability prediction model was used by cuspidal

11、 mutation theory .and some planes of fracture in Wuyi road tunnel was predicted ,showing higher accuracy rate,with its actual measurement results.Key words: tunnel construction，risk index method，numerical simulation，monitoring measurement，cusp catastrophe重慶大學碩士學位論文 目 錄目 錄 TOC o 1-3 u 中文摘要 PAGEREF _T

12、oc341275094 h I英文摘要 PAGEREF _Toc341275095 h II1 緒論 PAGEREF _Toc341275097 h 11.1 研究意義及選題依據(jù) PAGEREF _Toc341275098 h 11.2 國內外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc341275099 h 11.2.1 隧道施工安全管理 PAGEREF _Toc341275100 h 11.2.2 隧道監(jiān)控量測與信息化施工 PAGEREF _Toc341275101 h 21.3 論文的主要研究內容與技術路線 PAGEREF _Toc341275102 h 41.3.1 主要研究內容 PAGEREF

13、 _Toc341275103 h 41.3.2 技術路線 PAGEREF _Toc341275104 h 42 城市隧道施工安全評價體系研究 PAGEREF _Toc341275105 h 62.1 安全評價 PAGEREF _Toc341275106 h 62.1.1 安全評價的內容 PAGEREF _Toc341275107 h 62.1.2 安全評價的意義 PAGEREF _Toc341275108 h 62.1.3 安全評價的程序 PAGEREF _Toc341275109 h 72.2 城市隧道施工安全評價體系 PAGEREF _Toc341275110 h 82.2.1 城市隧道施

14、工的風險分析 PAGEREF _Toc341275111 h 82.2.2 城市隧道施工的安全評價體系框架 PAGEREF _Toc341275112 h 92.2.3 城市隧道施工的物質系數(shù)確定 PAGEREF _Toc341275113 h 122.2.4城市隧道施工工藝危險系數(shù)確定 PAGEREF _Toc341275114 h 152.2.5 城市隧道施工安全補償系數(shù)確定 PAGEREF _Toc341275115 h 172.2.6 城市隧道施工綜合評定指數(shù)的確定及安全分級 PAGEREF _Toc341275116 h 182.3 城市隧道施工安全分級評價體系分析 PAGEREF

15、_Toc341275117 h 182.4 五一路隧道施工安全評價 PAGEREF _Toc341275118 h 192.4.1 工程概況 PAGEREF _Toc341275119 h 192.4.2 隧道工程地質評價 PAGEREF _Toc341275120 h 202.4.3 隧道施工安全評價 PAGEREF _Toc341275121 h 212.5 本章小結 PAGEREF _Toc341275122 h 243 五一路下穿重慶日報集團隧道段施工安全的數(shù)值模擬 PAGEREF _Toc341275123 h 253.1 ANSYS簡介 PAGEREF _Toc341275124

16、h 263.2 有限元模型及邊界選取 PAGEREF _Toc341275125 h 263.3 本構模型與力學參數(shù)的選取 PAGEREF _Toc341275126 h 303.4 數(shù)值模擬結果分析 PAGEREF _Toc341275127 h 333.5 本章小結 PAGEREF _Toc341275128 h 364 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測研究 PAGEREF _Toc341275129 h 384.1 新奧法簡介 PAGEREF _Toc341275130 h 384.2 隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量 PAGEREF _Toc341275131 h 404.2.1 現(xiàn)場量測的目的和意義 PAGEREF

17、 _Toc341275132 h 404.2.2 隧道量測信息的反饋方法 PAGEREF _Toc341275133 h 414.2.3 監(jiān)控量測項目及測點布置 PAGEREF _Toc341275134 h 434.2.4 量測頻率和量測時間 PAGEREF _Toc341275135 h 444.3 五一路隧道現(xiàn)場監(jiān)控測量 PAGEREF _Toc341275136 h 454.3.1 五一路隧道監(jiān)測方案 PAGEREF _Toc341275137 h 454.3.2 圍巖失穩(wěn)尖點突變預測模型 PAGEREF _Toc341275138 h 484.3.3 五一路隧道監(jiān)控量測分析 PAGE

18、REF _Toc341275139 h 504.4 五一路隧道量測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析 PAGEREF _Toc341275140 h 564.5 本章小結 PAGEREF _Toc341275141 h 575 結論與展望 PAGEREF _Toc341275142 h 585.1 主要結論 PAGEREF _Toc341275143 h 585.2 展望 PAGEREF _Toc341275144 h 59致 謝 PAGEREF _Toc341275145 h 60參考文獻 PAGEREF _Toc341275146 h 61附 錄 PAGEREF _Toc341275147 h 64A

19、. 作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表論文情況 PAGEREF _Toc341275148 h 64B. 作者在攻讀碩士學位期間的發(fā)明專利情況 PAGEREF _Toc341275149 h 64重慶大學碩士學位論文 1 緒論1 緒論1.1 研究意義及選題依據(jù) 我國是一個多山的國家，山地、丘陵和高原面積約占國土面積的69%，隨著我國國道和高速公路網的迅速建設，穿山越嶺的公路隧道優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)出來，但其所遇到的各類安全問題也越來越引起人們的重視，其中隧道施工的安全評價及其現(xiàn)場的監(jiān)控量測是與公路隧道設計和施工密切聯(lián)系的一項極為重要的研究內容，也是推動隧道向縱深發(fā)展和安全使用的保證，迫切需要深入研究和探索。

20、 大量工程實踐表明，隨著公路隧道開挖長度、深度的不斷增加，施工地質條件也越來越復雜，正確分析隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性、施工開挖方法、開挖順序、支護方式和時間長短與隧道施工的安全狀況有著密切聯(lián)系1。同時做好施工時的監(jiān)控量測也可以及時的預報險情，并通過監(jiān)控量測反饋的數(shù)據(jù)為隧道施工的設計修改提供依據(jù)和指導隧道現(xiàn)場的施工。隧道施工不同于其他生產形式，兼顧建設工程施工和礦山生產，具有其自身獨特的安全生產特點。隧道施工過程中的事故多以地質災害和常見慣性事故為主，其危險源和有害因素也有了初步認識，通過選取最佳的安全評價模型進行施工安全評價，可以對施工安全的認識更系統(tǒng)化、完整化、科學化，做到及早地對事故發(fā)生

21、的可能性和危險、有害因素進行辨識，切斷危險源，把事故消滅在萌芽之中。同時通過隧道施工安全評價，進行安全技術措施和安全管理的落實，對施工員工進行安全教育，提高他們的安全意識，制止和控制勞動者的不安全行為，可以讓施工人員更系統(tǒng)全面地了解隧道施工過程中的危險、有害因素，促使施工企業(yè)領導從安全管理制度上和管理方法上提出控制對策，真正做到貫徹落實“安全第一、預防為主”的安全生產方針，并最終建立完善的動態(tài)的安全管理系統(tǒng)，進一步預防和降低事故的發(fā)生，保證安全生產順利進行24。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀1.2.1 隧道施工安全管理 風險管理在1955年左右起源于美國，經過50多年的理論探索和實踐，現(xiàn)在已被公認為

22、一項不可或缺的管理職能，并以此為基礎創(chuàng)建了一門新的管理學科。1960年左右工程項目管理開始運用風險評估技術，隨著西方國家經濟的復蘇，歐洲興建了一大批投資巨大的資源、水電、航天、交通項目，其中復雜多變的工程項目環(huán)境令工程項目本身面臨著各種不確定因素，從而使項目管理者對風險管理越來越重視5。通過幾十年的實踐應用和理論研究，對工程風險管理的概念國際學術界達成了一致的認知，認為工程風險管理是系統(tǒng)工程的一個分支，涉及到了工程管理的各個更次，比如危險的識別、分析、評估、控制和管理，其旨在于通過對項目環(huán)境中的不確定因素進行研究控制，來控制成本和降低損失6。工程風險評估正隨著產生的各種新評價方法向綜合、全面、

23、多維方向發(fā)展來解決怎樣定量地預測不確定因素對工程項目成本造成的影響。 國外學者對于隧道工程的風險分擔和風險管理方面做了很多研究，比如挪威學者認為：做好風險分擔的準備對縮短工期和控制工程造價以及對承包商和業(yè)主雙方都有利。所以，挪威采用一種把時間當量（實際單位作業(yè)耗時）作為作業(yè)項目的方法，來降低合同中的風險。國際隧道協(xié)會也開展過隧道工程風險分擔的研究，并提出了25條建議應用于隧道工程中合同風險的分擔。事實表明，工程中預先進行風險識別和制定相應的控制措施是降低風險的重要手段7?，F(xiàn)在很多國外隧道和地下工程都從開始的設計到施工結束都進行了風險管理。在工程啟動前先進行風險識別，找出所有潛在風險，同時在招標

24、和簽訂合同的各個階段也加強了風險管理。雖然國外進行了較多的隧道工程風險管理研究，但隧道工程的多樣性和復雜性決定了它的研究還不夠系統(tǒng)和完善。公路隧道安全評價技術仍然處在不斷的發(fā)展與完善階段，沒有形成統(tǒng)一的、完整的安全評價標準，有待進一步的探討與研究。在我國工程風險管理尚未納入工程管理體系，并且在隧道工程風險管理方面的研究也處于相對滯后狀態(tài)。2004年鐵道部工程管理中心和中鐵西南科學研究院在野三關鐵路隧道工程進行的風險分析和評估研究中采用了定性和定量相結合的方法，這在我國鐵路隧道工程界的發(fā)展中尚屬首次嘗試8。1.2.2 隧道監(jiān)控量測與信息化施工 隨著力學理論的不斷進展，監(jiān)控量測于1948年左右開始

25、興起，逐步發(fā)展為一種集預測、監(jiān)控、評價和修正為一體的設計施工方法。1960年以后，以最大限度地不破壞圍巖中應力分布為前提，通過在施工過程中密切監(jiān)測圍巖的應力應變，并同時實施各種支護措施來控制變形，以期達到最大限度地利用圍巖本身自承能力的新奧地利施工法開始運用到隧道的開挖掘進中，作為新奧法核心之一的隧道施工監(jiān)控量測在美國、日本以及歐洲等諸多地下工程中獲得了飛速的發(fā)展9。近幾年來，由于量測技術與計算機等多種技術的滲透發(fā)展，地下工程結構體系中的新奧法設計和施工有了很大的發(fā)展，其中“信息化設計施工方法”被廣泛地普及應用，其原理也大大地被擴展?！靶畔⒒O計施工方法”已經被許多設計、施工方法規(guī)范認同，比如

26、歐洲規(guī)范（Eurocode）。國際隧道協(xié)會執(zhí)行主席Eisenstein教授在城市隧道的挑戰(zhàn)與進展書中認為，“信息化方法特別適用于隧道工程”10。Brandl博士（國際土力學及巖土工程學會（ISSMGE)副主席）曾大力倡導信息化設計施工方法，稱之為“解決目前理論與實際日益脫節(jié)”的有效辦法。 目前日本和歐洲等開始以監(jiān)控量測及信息化設計施工思想為基礎進行研制和開發(fā)隧道工程動態(tài)設計系統(tǒng)，并開發(fā)出很多產品，有的已經批量化投產11。近段時間，鑒于通信技術、信息技術以及各種獲取信息手段和方法的飛速發(fā)展，特別是設計施工體制的改革，都給隧道“信息化設計施工”的實現(xiàn)創(chuàng)造了良好的前提12。我國在隧道工程體系中基本也

27、是按照“信息化設計施工”的思想進行的設計和施工，但因信息傳輸系統(tǒng)的不完善、獲取信息手段發(fā)展的遲緩以及隧道施工環(huán)境和管理體制的限制等諸多原因并未實現(xiàn)真正意義上的“信息化”。國內西安礦業(yè)學院的劉懷恒教授在1978年開發(fā)出“巖石力學平而非線性有限元分析NCAP-2D”；王蘭生教授的課題組設計了施工簡單易且于埋設的量測圍巖變形跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)（TMS),并成功應用于川藏公路二郎山隧道工程中；同濟大學的朱合華教授于1997年推出了“地下工程施工模擬通用正反分析計算軟件”；鐵科院發(fā)表了根據(jù)圓形洞室的周邊位移進行平而應變問題初始應力反分析計算的復變函數(shù)法；長安大學呂康成教授、伍毅敏博士利用激光基準測量原理開發(fā)的

28、激光隧道圍巖位移實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)精度為0.5mm，在浙江杭金衙高速公路上的樊村二號隧道試用過后效果良好13；東北大學的劉連峰和王泳嘉開發(fā)了3D離散元軟件TRUDEC，通過動態(tài)松弛法來求解力和位移14；能源部成勘院發(fā)表了可考慮松動圈影響的彈塑性問題雙介質位移反分析數(shù)值計算法，西安空軍工程學院發(fā)表了引入數(shù)理統(tǒng)計原理的二維彈塑性問題位移法分析計算的邊界單元法15,16。這些研究不僅促進了巖土力學的發(fā)展，還有利地帶動了隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測和信息反饋的發(fā)展。近十年來，針對公路隧道建設的現(xiàn)狀和其面對的各類安全問題，我國投入的科研經費量逐年增多，在隧道工程的各類實際問題上開展詳細的科學研究，比如“公路隧

29、道施工技術規(guī)范編制”、“特長公路隧道修筑技術研究”、“公路隧道通風技術研究”、“公路長大隧道縱向通風研究”和“連拱隧道建設關鍵技術研究”等等17，在隧道工程的各個領域取得了針對性成果，這些研究成果有力地支持了我國公路隧道的建設。但我國對監(jiān)控量測和信息化施工的研究還不是很多，監(jiān)控量測技術和方法還處于發(fā)展階段，隨著科學技術的進步和認識水平的提高以及對工程建設的客觀要求提高，必定會推動監(jiān)控量測技術的不斷進步和提高17。因此，如何及時、快速地獲取各類信息，如何綜合分析信息以及如何快速地把監(jiān)測信息反饋給其他各方并立即采取適當?shù)姆磻幚硗话l(fā)事故，如何使信息得到的真實性得到確保并能切實有效的應用于工程建設中

30、，是目前隧道施工和監(jiān)控量測研究急需解決的問題18。1.3 論文的主要研究內容與技術路線1.3.1 主要研究內容 本文以解放碑地下環(huán)道二期工程（五一路隧道工程）為實際依托工程，采用了現(xiàn)場調研、數(shù)值模擬和選取合適安全評價方法等手段，對五一路的隧道施工進行了安全評價，并結合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)運用尖點突變原理進行了分析。論文的主要內容有以下幾點： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 綜合采用危險指數(shù)評價法、層次分析法以及巖石力學中的巖體穩(wěn)定性分級方法，給隧道施工安全評定了一個通過計算危險指數(shù)的安全分級標準,結合五一路隧道施工中的具體情況，確定各個計算參數(shù)，對五一路隧道施工的安全等級進行評價。

31、 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 運用ANSYS對五一路隧道工程的重慶日報隧道段進行數(shù)值模擬，利用等效剛度法簡化其荷載施加的計算方式，分析其施工過程可能對地表構筑物和隧道自身產生的影響。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 分析了監(jiān)控量測在新奧法中的重要性，運用由尖點突變原理以及圍巖的本構關系導出的圍巖失穩(wěn)的尖點突變預測模型，并結合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對圍巖失穩(wěn)進行預判，分析其危險性。1.3.2 技術路線 本文的技術路線簡要說明如下（圖1.1）： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 收集國內外相關領域的最新資料； = 2 * GB3 * MERGEFORMA

32、T 分析資料，根據(jù)研究目標制定安全評價研究方案，確定方案后對工程實況進行安全評價； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 進行隧道區(qū)工程地質條件研究，重點對隧址的區(qū)域地質與區(qū)域穩(wěn)定性、地形地貌條件、地層巖性及工程地質巖組、地質構造及其應力場演化、水文地質條件等進行調研，來確定本文評價所要用到的參數(shù)。以上參數(shù)通過對五一路隧道的現(xiàn)場調研以及物探資料獲得； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 針對五一路隧道的實際開挖和支護情況進行數(shù)值模擬，評估其安全穩(wěn)定性； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 進行現(xiàn)場測量，運用尖點突變原理分析測量數(shù)據(jù)，預判隧道圍巖的穩(wěn)定性，并與數(shù)

33、值模擬的試驗結果作對比，驗證數(shù)值模擬的準確度。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 將有關研究成果形成文檔，完成學位論文撰寫。收集國內外相關領域的最新資料制定安全評價研究方案確定隧道施工安全評價所要用到的參數(shù)，進行安全評價對隧道的實際開挖和支護情況進行數(shù)值模擬進行現(xiàn)場監(jiān)控量測并分析數(shù)據(jù)后與數(shù)值模擬對比將有關研究成果形成文檔，完成學位論文撰寫圖1.1 論文技術路線圖Fig.1.1 Technology roadmap重慶大學碩士學位論文 2 城市隧道施工安全評價體系研究2 城市隧道施工安全評價體系研究城市隧道施工工藝主要包括鉆爆作業(yè)、支護作業(yè)、渣運作業(yè)、仰拱施工、襯砌、防水層施工等，

34、對城市隧道施工安全的評價是對施工過程中安全程度的評價，通過對施工過程中存在的危險進行定性和定量的分析，反映出隧道施工的安全狀況和安全管理水平，為施工方決策提供依據(jù)。安全評價的技術很多且各有特色，運用安全評價技術對隧道施工的安全生產水平進行評價，應根據(jù)評價對象、評價目的的不同而合理的選用相應評價方法。目前對于隧道施工安全評價的方法很多，比如模糊綜合評價法、PNN或者BP神經網絡法、模糊層次分析法等，這些方法都能比較真實地體現(xiàn)出隧道施工中的各類安全問題所占的比重，哪些安全隱患應該更加重視，但缺乏一個對于隧道施工的整體安全指標，不能夠明確評價某一隧道的施工安全的級別，從而采取相應的措施。本文綜合采用

35、危險指數(shù)評價法、層次分析法以及巖石力學中的巖體穩(wěn)定性分級方法，給隧道施工安全評定了一個通過計算危險指數(shù)的安全分級標準。2.1 安全評價安全評價（safety assessment）也稱危險評價或風險評價（risk assessment），是應用安全系統(tǒng)工程的原理和方法，對系統(tǒng)存在的危險因素、有害因素進行辨識和分析，判斷系統(tǒng)發(fā)生事故和職業(yè)危害的可能性及其嚴重程度和可能造成的損失進行調查研究和分析論證，從而為評估系統(tǒng)的整體安全性及為制定防范措施和管理決策提供科學依據(jù)，以尋求最低事故率、最少的損失和最優(yōu)的安全投資效益。2.1.1 安全評價的內容安全評價的主要內容一般分為4個方面：危險的識別、危險的定

36、量化、定量化的危險與基準值的比較、控制危險措施的提出。危險的識別是分析研究對象存在的各種危險，危險的定量是研究確定這些危險發(fā)生的頻率以及可能造成的后果。定量化的危險與基準值的比較是將這些風險與預定的風險值相比較，判斷是否可以接受；最后根據(jù)風險能否被接受而提出降低、排除、轉移風險的決策。2.1.2 安全評價的意義安全評價的目的是查找、分析和預測工程、系統(tǒng)中存在的危險、有害因素及危險的程度，提出合理可行的安全對策措施，指導危險源監(jiān)控和事故預防，實現(xiàn)安全生產。安全評價是安全生產管理的重要組成部分，其作用主要有：有助于政府安全監(jiān)督管理部門對生產經營單位的安全生產實行宏觀控制；有助于提高生產經營單位的安

37、全管理水平；有助于安全投資的合理選擇；有助于生產經營單位提高經濟效益、社會效益。2.1.3 安全評價的程序安全評價程序如圖2.1所示，主要包括：準備階段，危險、有害因素辨識與分析，定性、定量評價，提出安全對策措施，形成安全評價結論及建議，編制安全評價報告。安全評價準備危險辨識定性、定量評價安全對策措施結論及建議編制報告現(xiàn)場勘察、資料收集危險有害因素辨識和分析危險源辨識事故單元劃分評價方法的選擇、確定定性、定量評價危險分級安全對策措施應急預案做出評價結論影響因素、事故機制發(fā)生的可能性圖2.1安全評價程序圖Fig.2.1 Safety Assessment Procedures 準備階段。明確被評

38、價對象和范圍，收集國內外相關法律法規(guī)、技術標準及工程、系統(tǒng)的技術資料。危險、有害因素辨識與分析。根據(jù)被評價的工程、系統(tǒng)的情況，辨識和分析危險、有害因素，確定危險、有害因素存在的部位、存在的方式、事故發(fā)生的途徑及其變化規(guī)律。定性、定量評價。在危險、有害因素辨識和分析的基礎上，劃分評價單元，選擇合理的評價方法，對工程、系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性和嚴重程度進行定性、定量評價。提出安全對策措施。根據(jù)定性、定量評價的結果，提出消除或減弱危險、有害因素的技術措施、管理措施及建議。安全評價結論及建議。簡要地列出主要危險、有害因素的評價結果，指出工程、系統(tǒng)應重點防范的重大危險因素，明確生產經營者應重視的重要安全措施

39、。編制安全評價報告。依據(jù)安全評價的結果編制相應的安全評價報告19。2.2 城市隧道施工安全評價體系2.2.1 城市隧道施工的風險分析隧道施工不同于其他工程，主要體現(xiàn)在其環(huán)境復雜性、工程動態(tài)性和時效性，即工程開挖自始至終處于復雜的動態(tài)開挖及施工擾動中。從隧道施工生產經營系統(tǒng)整體來講，施工風險主要來自以下兩個方面：客觀因素在隧道爆破掘進后，是否及時對圍巖進行初級支護是直接影響圍巖穩(wěn)定性的一個方面。另外由于不同的圍巖類別和不同的施工方法，在遇到特殊地質（如斷層破碎帶、流沙、膨脹性圍巖、黃土、巖爆、巖溶等）的情況下便很難保證圍巖的穩(wěn)定性，尤其在強大的地應力作用下，會導致片幫、冒頂、底鼓以及支護襯砌的變

40、形甚至塌方。隨著隧道隧洞施工的不斷縱向深入，作業(yè)場所在時間和空間上經常發(fā)生變化，隧洞的環(huán)境條件也隨之不斷改變和惡化。主要表現(xiàn)在灰塵和噪聲污染，工作空間狹小（施工設備和機械不但占用空間，而且各種施工活動還要在這樣的空間內進行交叉作業(yè)），工作照明強度不夠造成的視覺誤差，以及一些高溫和高濕度的危害，這樣不但易發(fā)生事故，還會導致職業(yè)病，另外隧道內的一些多發(fā)性事故（物體打擊、墜落傷害、車輛傷害等）也會給職工帶來一定的精神壓抑。隧道的施工環(huán)境是一個惡劣多變的動態(tài)系統(tǒng)，因此在隧道施工中惡劣的環(huán)境條件以及多變的固有屬性是引起隧道施工事故多發(fā)的潛在客觀危險因素20。主觀因素人為地控制施工生產系統(tǒng)中的危險源是利用

41、工程技術和管理手段消除、控制危險源，防止危險源導致事故、造成人員傷害和財產損失的工作。危險源控制的基本理論依據(jù)是能量意外釋放理論，而控制危險源主要是通過工程技術手段來實現(xiàn)。危險源控制技術包括防止事故發(fā)生的安全技術和減少或避免事故損失的安全技術。前者在于約束、限制系統(tǒng)中的能量，防止發(fā)生意外的能量釋放；后者在于避免或減輕意外釋放的能量對人或物的作用。也就是說危險源的控制是通過人為的管理，在隧道施工這個人機環(huán)境系統(tǒng)中，人是主要的，但同時是脆弱的。由于隧道中作業(yè)環(huán)境差，工作空間狹小，勞動強度大，工資水平又不太高，這樣就難以吸收穩(wěn)定的、具有較高文化和較高素質的工人在隧道施工企業(yè)長期工作。從事隧道施工的人

42、員大多是分包企業(yè)招收的農民工、合同工和臨時工，這些工人總體文化素質偏低，一旦發(fā)生事故，往往驚慌失措，避災能力薄弱，在很多情況下難以自救，甚至有可能造成二次事故。這樣的施工隊伍較難形成良好的安全文化氛圍，給隧道施工安全工作帶來重大安全隱患，是隧道施工事故多發(fā)的重要主觀因素20、21。2.2.2 城市隧道施工的安全評價體系框架危險指數(shù)評價法以物質系數(shù)法為基礎，用危險指數(shù)作為衡量系統(tǒng)安全的標準。它從安全角度出發(fā)，對所要分析的問題，確定其工藝及操作有關危險性，通過對工藝屬性進行分析比較計算，進而確定哪一個區(qū)域的相對危險性較大，對重點關鍵的區(qū)域單元進行進一步的安全評價補償。危險指數(shù)評價法主要包括危險度評

43、價法，DOW火災、爆炸危險指數(shù)評價法，ICI蒙德法，化工廠危險度分級等，即可進行定量評價，又可定性評價，其工程評價內容和地下開挖工程有較多的共性。以DOW法為例，建立在對火災、爆炸危險性評價基礎上的DOW法，其評價體系較為完備和科學，且它的工程背景和隧道施工有諸多相似之處，如危險源的影響因素和影響方式等，一旦發(fā)生事故，二者都會對人員設備形成較大破壞。危險指數(shù)評價法用于城市隧道施工的危險性評價，在考慮主要事故致因因素和安全措施補償系數(shù)的基礎上，以工程經驗和檢測數(shù)據(jù)相結合確定其定量分級方法?？蓪γ恳粋€影響因素據(jù)其對安全性影響的大小，按一定的程序確定一個值；再按各因素的重要程度，用層次分析法或經驗確

44、定影響系數(shù)；最后得到危險性綜合指數(shù)和安全分級等級。安全評價的流程框圖如圖2.2所示2228。選取城市隧道施工工藝單元確定城市隧道施工的物質系數(shù)（MF）計算一般工藝危險系數(shù)（F1）計算特殊工藝危險系數(shù)（F2）確定工藝單元危險系數(shù)（F3）確定城市隧道施工的固有危險指數(shù)F3(MF)確定安全補償系數(shù)（S）確定城市隧道施工的危險指數(shù)（D）確定城市隧道施工安全等級圖2.2 城市隧道施工安全等級劃分程序圖Fig.2.2 The safety classification procedures of City tunnel construction 選取城市隧道施工工藝單元。城市隧道施工工藝單元是整體隧道生產

45、系統(tǒng)的一個獨立部分，其中包括隧道施工的方法以及可能遇到的安全問題等。 確定城市隧道施工的物質系數(shù)MF。城市隧道施工安全的物質系數(shù)是隧道穩(wěn)定與否的內在因素，數(shù)值越大，表示危險度越高。影響此物質系數(shù)的主要因素有隧道圍巖的工程地質和水文特征，包括巖石性質、巖體性質、原巖應力、結構面特征、含斷層破碎帶及其充填物膠結狀況、巖體滲透性、張性節(jié)理/滲水節(jié)理發(fā)育程度、節(jié)理連通性及與地下水的水力聯(lián)系等。由于這些因素不能真正反映巖體對工程影響的本質特性，也不能用于表達工程的危險等級，這里采用能反映開挖巖體綜合特性的圍巖分級及便于檢測、判定的已有研究成果為影響因素，如巖體的變形模量、彈性模量和巖體波速來進行判別。在

46、道化學火災、爆炸指數(shù)評價法第七版中給出了物質系數(shù)的取法（如表2.1所示），我們可以參照其思路給城市隧道施工的物質系數(shù)賦值。表2.1道化學火災、爆炸指數(shù)評價法第七版物質系數(shù)取值表Table 2.1 The material factor value table of Dow Fire Index V7.0物 質NFPA325M/NFPA49反應性或不穩(wěn)定性NR=0NR=1NR=2NR=3NR=4液體、氣體的易燃性或可燃性不燃物NF=0114242940FP93.3NF=141424294037.8FP93.3NF=2101424294022.8FP37.8或FP22.8并且BP37.8NF=31

47、014242940FP22.8并且BP300m/s)2424242940可燃性固體厚度大于40mm緊密的NF=1414242940厚度小于40mm疏松的NF=21014242940泡沫材料、纖維、粉狀物等NF=31616242940確定工藝單元危險系數(shù)F3。工藝單元危險系數(shù)F3包括一般工藝危險系數(shù)F1和特殊工藝危險系數(shù)F2，其中F3= F1F2。一般工藝危險是確定事故損害大小的主要因素之一，特殊工藝危險是影響事故發(fā)生概率的主要因素，特定的工藝是導致施工過程中事故的主要原因。計算城市隧道開挖的固有危險指數(shù)MF F3。確定安全補償系數(shù)S。對于隧道工程而言，一般會選擇一些措施來控制單元危險性。根據(jù)不

48、同的支護等級確定支護安全補償系數(shù)S1。在隧道施工中，施工人員的安全態(tài)度、安全培訓程度、安全檢測質量和安全管理也是一個影響施工安全的重要因素，將三者作為安全管理綜合考慮，根據(jù)企業(yè)對安全的重視程度相應的采取補償系數(shù)S2。確定城市隧道開挖的危險指數(shù)D及對城市隧道施工安全分級。通過危險指數(shù)評價法計算出隧道施工過程中的事故可能造成的破壞危險指數(shù)D=（MF）F3S1S2，再根據(jù)計算的結果對其安全等級進行評定。2.2.3 城市隧道施工的物質系數(shù)確定城市隧道施工安全的物質系數(shù)是隧道穩(wěn)定與否的內在因素，數(shù)值越大，表示危險度越高。影響此物質系數(shù)的主要因素有隧道圍巖的工程地質和水文特征，包括巖石性質、巖體性質、原巖

49、應力、結構面特征、含斷層破碎帶及其充填物膠結狀況、巖體滲透性、張性節(jié)理/滲水節(jié)理發(fā)育程度、節(jié)理連通性及與地下水的水力聯(lián)系等。由于這些因素不能真正反映巖體對工程影響的本質特性，也不能用于表達工程的危險等級，這里采用能反映開挖巖體綜合特性的圍巖分級及便于檢測、判定的研究成果為影響因素，如巖體的變形模量、彈性模量和巖體波速來進行判別，結果如表2.2所示。表2.2 物質系數(shù)MF取值確定表Table 2.2 The material factor value table 圍巖巖體變形模量圍巖彈性縱波速度分級危險性取值A1影響系數(shù)取值/GPa危險性取值A2影響系數(shù)波速/（kms-1）危險性取值A3影響系數(shù)

50、 = 1 * ROMAN I12K11812K24.512K3 = 2 * ROMAN II231518233.54.523 = 3 * ROMAN III351315352.54.035 = 4 * ROMAN IV57813571.53.057 = 5 * ROMAN V7938791.02.079 = 6 * ROMAN VI91039100 ，（2） aij=1/ aji，（3） aii=1。其中標度（aij）的含義：Ai比Aj時由決策者回答表2.3問題所得表2.3 標度（aij）取值表Table 2.3 The scale (aij) value table1表示兩個元素相比較，具有

51、同樣重要性3表示兩個元素相比較，一個元素比另一個元素稍微重要5表示兩個元素相比較，一個元素比另一個元素明顯重要7表示兩個元素相比較，一個元素比另一個元素強烈重要9表示兩個元素相比較，一個元素比另一個元素極端重要2,4,6,8表示兩個相鄰元素判斷的中間值計算權向量并做一致性檢驗。對于每一個比較判斷矩陣計算最大特征根及對應特征向量，利用一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率做一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量（歸一化后）即為權向量；若不通過，需重新構造比較判斷矩陣。其中一致性指標,n為判斷矩陣的階數(shù)；隨機一致性指標R.I.是多次重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算后取算術平均數(shù)得到的，下表給出115維矩

52、陣重復計算1000次的平均隨機一致性指標：123456789101112131415000.520.891.121.261.361.411.461.491.521.541.561.581.59一致性比率:，當C.R.6013K5減速12K6513K7CRD354560365936CD47304568等速2691568臺階7815810全斷面810加速610F1=K4B1+K5B2+K6B3+K7B4 (2.2)城市隧道施工中影響特殊工藝危險系數(shù)的因素有開挖形狀與地應力系數(shù)，爆破引起的質點振動速度，施工通風。隧道開挖形狀與地應力系數(shù)的比值=m/，形狀系數(shù)m=b/a,其中a,b分別為開挖斷面水平長

53、度和垂直長度；地應力系數(shù)=q/p,其中p,q分別為隧址圍巖的垂直和水平應力。隧道開挖施工過程中的鉆爆作業(yè)引起的爆破作用對構筑物產生明顯影響，爆破對構筑物的破壞主要以引起質點振動和沖擊波超壓破壞為主，爆破作用的危險性取值參考爆破安全規(guī)程（GB6722-2003）所規(guī)定的質點振動和超壓允許范圍及對工程的破壞程度來確定?？梢酝ㄟ^爆破振動儀測量爆破引起的質點振動速度，所用爆破振動儀如圖2.3所示。圖2.3 爆破振動儀Fig.2.3 Blasting vibration analyzer城市隧道基本處于封閉狀態(tài)，在施工開挖過程中會產生大量煙塵，并可能遇到含有瓦斯賦存的地質條件，如果通風狀況很差，會對工人

54、健康造成影響導致塵肺病等疾病，甚至是瓦斯或粉塵爆炸。以隧道施工過程中的通風狀態(tài)良好、一般、很差和無通風措施對隧道施工的安全進行劃分，若是后兩者情況，應及時采取整改措施。表2.5給出了隧道施工過程中特殊工藝的各個影響因素的危險值及影響系數(shù)的取值：表2.5 特殊工藝危險系數(shù)F2取值確定表Table 2.5 The risk factor of Special process（F2) value table 開挖形狀與地應力系數(shù)爆破引起的質點振動速度施工通風取值危險性取值C1影響系數(shù)取值/（cms-1）危險性取值C2影響系數(shù)通風狀態(tài)危險性取值C3影響系數(shù)1.012K831012K9良好12K101.

55、11.524102024一般231.62.046203046較差362.04.068304068無通風6104.081040810F2=K8C1+K9C2+K10C3 (2.3)以上一般工藝和特殊工藝的危險性影響系數(shù)都可以通過層次分析法求出，再由城市隧道工藝單元危險系數(shù)F3用一般工藝危險系數(shù)F1和特殊工藝危險系數(shù)F2來表示，即F3=F1F2 (2.4)2.2.5 城市隧道施工安全補償系數(shù)確定對于城市隧道工程而言，一般會采取一些措施來控制單元危險性。常用的主動或被動支護措施有：噴混泥土支護、噴網支護、噴錨網支護、噴錨網+鋼支撐支護（格柵支撐）、混凝土襯砌、注漿支護、復合式襯砌（初期支護+防水層+

56、二次襯砌）等。根據(jù)上述不同的支護等級，確定支護安全補償系數(shù)S1如表2.6。表2.6安全補償系數(shù)表Table 2.6 Compensation factors of safety支護方式 安全補償系數(shù)S1 分類 安全補償系數(shù)S2復合襯砌+注漿 0.900.92 非常好 0.950.97復合襯砌 0.920.93 較好 0.960.98二次支護 0.930.94 好 0.970.99噴錨網+鋼支撐 0.940.95 一般 0.981.00噴網支護 0.950.96 較差 0.991.10噴混凝土 0.960.97 差 1.101.20錨桿 0.970.98 很差 1.201.30隧道施工中，施工人

57、員的安全態(tài)度、安全培訓程度、安全檢測質量和安全管理也是影響施工安全的重要因素，將三者作為安全管理綜合考慮，可根據(jù)企業(yè)對安全的重視程度相應地采取補償系數(shù)S2，如表2.6，取0.951.30。2.2.6 城市隧道施工綜合評定指數(shù)的確定及安全分級通過以上計算，參照危險指數(shù)安全評價法中的道化學公司的計算方法，綜合城市隧道施工的物質系數(shù)、一般工藝危險系數(shù)、特殊工藝危險系數(shù)，得到用于估計施工過程中的事故可能造成的破壞的危險指數(shù):D=（MF）F3S1S2 (2.5)結合礦山與尾礦庫的安全評價經驗，參考巖石力學中的巖體穩(wěn)定性分級方法，再根據(jù)以上分析計算，得到城市隧道施工的安全分級，如表2.7所示，表中將安全等

58、級定為6個等級，可滿足一般城市隧道施工評價的要求。表2.7 隧道施工安全分級Table 2.7 Safety gradation for tunnel construction D 安全等級150 I級(安全)150275 II級(較安全)275400 III級(基本安全)400525 IV級(一般)525650 V級(較危險)650 VI 級(危險)2.3 城市隧道施工安全分級評價體系分析本隧道安全分級評價模式是基于危險指數(shù)法，綜合運用層次分析法并借鑒巖體力學中的巖石分級體系將隧道施工安全等級劃分為6個等級，每個等級代表不同的安全程度，通過對隧道施工的物質系數(shù)MF的確立，并計算出城市隧道施工

59、的工藝危險系數(shù)F3（一般工藝危險系數(shù)F1和特殊工藝危險系數(shù)F2表示）和安全補償系數(shù)S1、S2，最后得出城市隧道施工的危險指數(shù)D，通過與表2.7中的數(shù)值比較，確定隧道施工的安全等級，如果屬于前三級，則屬于安全范疇內，在注意好防范措施和保持安全意識的前提下可以正常施工；屬于第四級時則要加強安全整頓，從技術和管理上做到有效提升，將安全等級上升到安全范疇內；如果屬于五或六級，則屬于危險范疇，必要時需要停工整頓，將危險源和隱患排除，將安全等級提升上去后才能恢復施工。目前對于城市隧道施工的安全評價模式有很多種，大多數(shù)都是基于層次分析法和模糊矩陣法進行的安全評價，偏重于安全管理方面，其中權重的取值主要依賴于

60、專家評分法，然后通過對隧道施工的綜合安全狀況求權重，根據(jù)最大權重原則來判斷隧道施工的安全狀況。其量化力度和分析力度明顯不夠，而且計算繁瑣，不容易辨別出主要危險源和主要安全隱患。本隧道安全分級評價模式給出了各種確定的參考指標，不僅包括了主觀的安全管理方面，還重點分析了隧道自身的各種屬性，比如最小頂板厚度、開挖斷面和圍巖穩(wěn)定性的變形速率比值以及開挖最大跨度等。這種評價模式的權重取值不僅可以依靠專家評分法，還可以利用數(shù)值分析，實地的監(jiān)控量測等方法來獲取，能更加全面真實地反映出隧道施工的安全情況，有利于更真實地對其進行安全評價。在計算出評價結果后還可以根據(jù)它的安全等級制定不同的整改措施，提高它的安全程