箱涵下穿顶进施工安全风险研究

随着我国基建的快速发展，铁路建设过程中出现了一系列铁路和公路交叉的立交工程。 作为主要解决方式之一，公路下穿铁路被广泛应用，但施工过程中箱涵下穿顶进的风险控制往往仍依靠施工人员的经验，对风险因素的影响大小定位模糊。 施工安全控制方面的盲目性，造成近年下穿施工事故屡有发生。 为此，如何有效的降低风险，很多学者做了相关研究。 杨超等提出了1种层次分析法与模糊综合评价相结合的基础选型评价方法，结合相关因素变量，建立3层评价模型，确定最优的深水桥梁基础形式。 苏有文等在某跨海大桥工程中，运用层次分析对不同桩型进行定量分析，选取环境因素、施工场地等指标作为基础矩阵，为大型工程项目中对施工方案进行定量分析提供参考。 胡国平以昌栗高速公路下穿南昌西环铁路框架涵顶进工程为依托，在对框架涵顶进施工方案探讨的基础上，基于现场变形监测、解析计算和数值模拟，采用风险分析理论开展了框架涵下穿铁路顶进施工风险分析与评价。 谢钦方采用ABAQUS有限元软件，对新建公路下穿既有铁路进行了数值模拟，分别研究道路施工荷载和车辆荷载对桥梁桩基的变形影响。

本文依托实际工程，结合现场实际环境和施工过程中存在的风险，构建箱涵下穿顶进施工风险因素结构层次指标体系，分析获得各项风险因素的排序，再通过有限元软件对最大风险因素下箱涵下穿顶进施工工况进行数值模拟和分析，相关结论可为类似工程提供借鉴。

1??工程概况

黄山路位于马鞍山市向山镇内，本工程场地位于向山镇，西起向濮路，东至老313省道，全长3.64km。该公路为三级公路，混合交通量大，沿线小路口较多，设计时速为300km/h。黄山路下穿南山矿高采铁路新建1~12m框架桥，箱身总长为16.56m，其中主体结构长8.22m，西侧设4.14mU形槽，东侧设3.62mU形槽，U形槽与箱身主体同步预制同步顶进。结构高6.20m，总高7.80m，顶板厚0.75m，底板厚0.85m，边墙厚0.9m。机动车道使用净高不小于5.45?m。

下穿铁路立交桥采用便梁防护线路，顶进施工。根据现场条件以及施工过程中交通要求，新建下穿铁路框构工作坑设置在铁路南侧，由南向北顶进。下穿铁路框架采用D24和D16型便梁及钢筋混凝土钻孔桩盖梁、独立支墩组成线路加固系统。盖梁施工采用D16型便梁防护线路。

2??构建风险层次指标体系

选取箱涵下穿顶进施工的风险评价指标时，要考虑综合性和代表性，并根据造成后果的严重性，将风险因素划分不同层次，赋予权重值。根据JTJ/T 77—2010《施工企业安全生产标准》、TG/CW 106—2012《铁路营业线施工安全管理方法》结合箱涵下穿顶进施工工程相关特点，使用WBS-RBS（基于工作分解结构的风险分解结构）风险识别方法，选取16种常见风险因素构建箱涵下穿顶进施工风险层次指标体系（图1）。

3??箱涵下穿顶进施工风险安全评价

3.1??构建判断矩阵

通过层次分析，将复杂的施工风险问题分解为若干个风险因素集合（A, B, C, D等），再通过相应的判断方法（直观判断法，专家打分法等）进一步划分具体子目标风险因素（A1, B1, C1, D1等）。采用两两相互对比的方法确定其的相对权重并得到相应的判断矩阵，重要性程度比较分值见表1。

表1??风险因素重要性评价分值

由风险因素指标权重表建立相应的判断矩阵为：

3.2??一致性检验

应用MATLAB软件计算求出相应矩阵对应的特征向量ω，最大特征值λmax。根据所求的特征值，最后再进行归一化计算。

进行完层次权重排序后，初步得到各项风险因素的重要性排序。为使初步得到的权重排序符合实际情况，保证结果准确，需要进行一致性检验。                           

式中：C为一致性指标。

计算结果中，C=0为理想状态下，判断矩阵完全一致，但实际情况中有一定的误差，只需保证其在一定范围内即可。为验证判断矩阵的一致性，需引入随机一致性指标，随机一致性指标的取值见表2。

表2??随机一致性指标取值

当C/R≥0.1时，即可认定判断矩阵的一致性在允许范围内。

当C/R＜0.1时，应判断矩阵的一致性不满足要求，需重新调整判断矩阵直至满足要求。

矩阵计算结果汇总见表3。

表3??层次单排序计算结果

3.3??层次排序结果分析

对16项风险指标进行综合权重计算，得到各项风险因素的综合权重值（表4）。

表4 ??风险指标综合权重排序

箱涵下穿顶进施工的主要风险因素指标前6项排序为：列车荷载、铁路便梁加固、土体条件、施工监测、箱涵、钻孔桩和盖梁。这6项风险指标的累积值已达到0.762，根据ABC分析法接近80%，基本包含了箱涵下穿顶进施工最主要的风险。基于此结果，可对箱涵的下穿顶进施工进行有限元模拟。为了掌握在最大风险指标列车荷载情形下箱涵下穿顶进施工的规律，故有限元模拟对该风险指标下的施工工况做重点分析。

4??箱涵下穿顶进工况数值模拟

对箱涵下穿顶进工况进行模拟，对比分析在有无列车荷载下，下穿顶进过程中便梁、钻孔桩的变化情况。

该工程箱涵顶进位置共有2个D24便梁进行铁路加固，将靠近箱涵方向标为1号便梁，对侧便梁标记为2号便梁。为方便研究，取顶进最后一步（顶进完成时）为研究对象。

4.1??有限元模型

在箱涵顶进过程中应用ABAQUS软件进行数值模拟，根据施工影响范围，土体厚度取15?m，平面面积取16?m×57.3m，土层分为4层，从上到下分别为杂填土（厚2.8m），粉质粘土（厚5.6?m），强风化闪长岩（厚5.1m），中风化闪长岩（厚1.5m）。箱涵正截面长13.8m，宽7.8m，y方向拉伸16m，箱涵模型和土体模型采用Mohr-Coulomb准则。

土体模型如图2所示，其中x方向为铁路轨道方向，y方向为箱涵推进方向，z方向表示土体厚度，x-z面为箱涵推进面。土体结构、箱涵结构、梁结构均采用三维实体单元，共划分为167?519个网格，142?460个单元。

图2??数值模型示意

4.2??参数设置

模拟过程中不同土层的力学性能参数见表5。

表5??土层力学参数值

由于在实际工程施工期间无实际荷载，故依据TB 100211—99《铁路桥涵设计基本规范》[7]，研究在荷载工况下的变形分析时，在横梁处施加恒定均布荷载92?kN/m代替动荷载。根据工程情况，顶进开挖工程分8步，每次顶进2?m，顶进总长16?m。

4.3??数值模拟结果分析

4.3.1??箱涵顶进施工过程中便梁的变形 在模拟顶进过程中，根据便梁变形情况选取中间位置，根据中心点模拟数据绘制1, 2号便梁中心点处位移图。

通过分析，在无列车荷载下1号便梁和2号便梁的中心点位移变化及在有列车荷载下2号便梁的中心点位移变化可知以下几点。

（1）由便梁位移分布图可知，无列车荷载作用下，在箱涵顶进过程中1号便梁在自重影响下发生沉降，最大变形位于中间部位，顶进完成后便梁沉降达到最大值0.11?mm；在箱涵顶进长度小于等于8?m时，2号便梁整体发生向上的竖向位移，且竖向位移逐渐减小，其原因是1号便梁因箱涵顶进产生沉降，通过横梁传递给2号便梁，导致2号便梁产生向上的位移；随箱涵顶进，当顶进距离大于8?m后，2号便梁发生沉降，随顶进距离增大沉降也逐渐增大。此时2号便梁的沉降规律与1号便梁的沉降规律相似，沉降随箱涵顶进逐渐增大，最大值为0.11?mm。

（2）由便梁位移分布图可得，在列车荷载作用下，顶进过程中1号和2号便梁在荷载作用下发生变形，整体呈现以中心点为轴的轴对称沉降，最大沉降值位于便梁中心处，累计沉降约12.3?mm。两边逐渐减小，盖梁两端向上的位移约0.2?mm；箱涵顶进距离大于8?m后，2号便梁沉降速度加快，原因是在列车荷载作用下加大了对土体的扰动影响。

4.3.2??箱涵顶进施工过程中桩基应力和位移

根据模拟数据可知，桩基最大应力和位移发生在顶进完成后，由桩基竖向应力分布图可知，对比无列车荷载和有列车荷载，顶进完成后铁路横梁和便梁的重力和列车荷载全部由盖梁和钻孔桩承受，在盖梁作用下最大值位于钻孔桩顶部内侧，分别为1.8?Mpa和3.4?Mpa。

由桩基分布图可知，对比无列车荷载和有列车荷载，顶进完成后桩基沉降最大，最大值分别为0.05?mm和0.6?mm，位于桩基底部内侧。

5??结论

（1）基于层次分析法分析的结果，箱涵下穿顶进施工的主要风险因素指标前6项排序为：列车荷载、铁路便梁加固、土体条件、施工监测、箱涵、钻孔桩和盖梁（其中所占权重值：列车荷载＞铁路便梁加固＞土体条件＞施工监测＞箱涵＝钻孔桩和盖梁），这6项风险指标的累积值达到0.762，基本包含了箱涵下穿顶进施工最主要的风险。

（2）箱涵下穿顶进施工数值模拟显示，受影响最大位置位于便梁中部。本工程在便梁无上部荷载时仅受自身重力影响，便梁变形较小为0.11?mm；便梁受列车荷载时变形较大，达到12.3?mm。受影响最小位置位于便梁两端，分别为0.01?mm, 0.2?mm。对比分析列车荷载对桩基的影响，沉降最大处发生在桩基底部内侧，分别为0.05?mm和0.6?mm。

（3）对比分析有列车和无列车荷载下的便梁变形模拟结果可知，在箱涵下穿顶进施工时，应尽可能避免列车行驶。因无论有无列车荷载情况下，便梁的沉降最大值均发生在便梁的中心部位，故建议施工中应该加强该部位监控，以降低施工风险。