箱涵下穿顶进施工安全风险研究.docx

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1、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

2、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

3、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300kmho黄山 路下穿南山矿高采铁路新建112m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3.62m 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 mo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

4、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 772010施工企业安全生产标准、 TG/CW 1062012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）。 Al ：施工监测

5、 |A2：地址勘探资料AlA3：施匚方案 |A4：施匚图纸B1： 土体条件-B2：列车运营B3：天气条件B4：列车荷载C1：便梁加固C2：盖梁和钻孔桩AC3：箱涵C4： 土体加固强度- Dl ：施.人员资质Al D2：施工现场布置Al D3：施工现场监督Al D4：施工现场信息反馈图1箱涵下穿顶进施工风险层次指标体系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

6、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分值定义1，因素与/因素同样重要3/因素比J因素略微重要5/因素比，因素明显重要7，因素比）因素强烈重要9，因素比J因素极端重要2, 4, 6. 8，因素和，因素相比，重要性处于以匕状”之工由风险因素指标权重表建立相应的判断矩阵为：1355-1331/31/31331/3111/5A=B=1/51/3131/3111/51/51/31/313551 1355一-11/31/41/31/3113311/31C=D=1/311343131/51/31/31311/313.2 一致性检验应用MATLAB软件计算求出

7、相应矩阵对应的特征向量3,最 大特征值入max。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。C= ( ma-77 ) / ( 一 1 )式中：C为一致性指标。计算结果中，C = O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n12345678910R000.580.91.121.241.321.411.451.49当CR0.1时

8、，即可认定判断矩阵的一致性在允许范围内。当CR 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判断矩阵八 InaXCiR一致性检验UW= ( 0.120 0.4900.320 0.07 )4.00820.00246满足AW= ( 0.549 0.2480.129 0.074 )4.19810.05961满足BW= ( 0.249 0.095 0.095 0.561 )4.04350.01305满足CW= ( 0.546 0.193 0.193 0.068 )4.00390.00237满足DW= ( 0.063 0.203

9、0.531 0.203 )4.08330.02499满足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排名序号风险指标综合权重累积值1BjI 何载0.2750.2752C1铁路便梁加固0.1750.4503B1 土体条件0.1220.5724A1施工监测0.0660.6385C3箱涵0.0620.7006C2钻孔桩和盖梁0.0620.7627B2 -I - -LV0.0470.8118B3天气条件0.0470.8589D3施工现场监督0.0370.89310A2地质勘探资料0.0300.92311C4体加固强度0.022

10、0.94512A3施工方案0.0150.96013D2施匚现场布置0.0140.97414D4现场信息反馈0.0140.98815A4施工图纸0.0080.99616D1施工人员资质0.0041.000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

11、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 m57.3m , 层分为4层，从上到下分别为杂填士（厚2.8m ）,粉质粘士（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 ,

12、 y方向拉伸16m ,箱涵模型和 土体模型采用Mohr-CoUIomb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，-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 51 9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5o表5 土层力学参数值土层质量密度/ kgm杨氏模量/MPa内聚力C()二二 mM185040.35152.8粉质粘土200015.20.35165.6强风化闪长岩3 0002030305.1弱风化 闪长岩31002535281.5由于在实际

13、工程施工期间无实际荷载，故依据TB 10021 1 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16mo4.3 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L 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 mmo(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