地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有運營鐵路施工風(fēng)險評估

崔根群，林大涌

（1. 中國中鐵投資集團有限公司，天津 300250；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

近年來隨著我國城市軌道交通建設(shè)的大力發(fā)展，出現(xiàn)了大量新建地鐵隧道穿越既有建筑物的情形。其中，下穿既有運營鐵路尤為突出。盾構(gòu)施工擾動極易誘發(fā)地層位移，進而造成軌道變形，影響列車運行安全。因此，極有必要開展相應(yīng)的施工安全風(fēng)險評價與分析，提出科學(xué)有效的應(yīng)對措施，以達到工前預(yù)估和防患于未然的目的［1-2］。

目前已有不少學(xué)者針對該問題開展了針對性研究，如Hyun、Hamidi等基于層次分析法，就盾構(gòu)機掘進、選型風(fēng)險進行了分析探討［3，4］；Rao、Dai、趙延熹、應(yīng)國柱等結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，對隧道結(jié)構(gòu)安全以及施工風(fēng)險展開了多級綜合評價［5-8］?？v觀這些研究結(jié)果，其主要的評估對象為隧道結(jié)構(gòu)本身，較少涉及第三方風(fēng)險（如周邊環(huán)境設(shè)施等）。具體到盾構(gòu)隧道下穿運營鐵路方面，既有研究［9-11］多以數(shù)值模擬為主，專門針對盾構(gòu)下穿運營鐵路安全風(fēng)險評估理論的研究較少。

為此，筆者以長沙地鐵1號線下穿京廣鐵路區(qū)間工程為背景，總結(jié)盾構(gòu)近接施工條件下的常見風(fēng)險，并針對依托工程的實際情況，采用層次分析法對其風(fēng)險情況進行評價和分析，以探明其關(guān)鍵風(fēng)險源，為后續(xù)加固處治提供直接依據(jù)。

1 工程概況

長沙地鐵1號線涂家沖-鐵道學(xué)院站區(qū)間段，從地貌上屬湘江Ⅳ～Ⅴ級階地，為典型的二元結(jié)構(gòu)沉積地層。在里程約Y（Z）K24+245-Y（Z）K24+210處下穿京廣鐵路，下穿段長約35m，主要分布粉質(zhì)粘土、粗砂、圓礫和卵石層，且富含水。左右線均采用盾構(gòu)法施工，中心間距約22.8m，從鐵道學(xué)院站始發(fā)，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為5.4m，外徑6.0m，采用300mm厚C50鋼筋混凝土管片襯砌。隧道走向與京廣鐵路走向呈74°斜交，豎向凈距約8.7m，如圖1。所穿越的京廣鐵路為國家Ⅰ級鐵路，正常行車時速120km，上下行線間距5m，碎石道床，道床厚度約為0.45m，平均3～5min就有一趟列車通過。

圖1 下穿段平縱面位置關(guān)系及地質(zhì)剖面圖

2 盾構(gòu)下穿運營鐵路施工風(fēng)險因素分析

徐家沖—鐵道學(xué)院區(qū)間，在盾構(gòu)下穿京廣鐵路的施工過程中，要保證京廣鐵路的正常運營。然而該區(qū)段地質(zhì)及環(huán)境均較為復(fù)雜，存在諸多潛在風(fēng)險源，主要包括以下幾個方面：地質(zhì)及環(huán)境條件、盾構(gòu)掘進參數(shù)、施工組織與管理等。

（1）環(huán)境條件嚴(yán)苛。

盾構(gòu)下穿京廣鐵路線區(qū)段，地表既有鐵路線列車運營頻繁，通行列車種類繁多，且與盾構(gòu)隧道垂直距離僅有8.7m。盾構(gòu)施工將無可避免地導(dǎo)致路基沉降，進而引起軌道變形，在淺埋深且上部列車荷載反復(fù)施加的聯(lián)合作用下，勢必對列車的安全運行構(gòu)成極大影響。

（2）地質(zhì)條件復(fù)雜。

隧道穿越地層上層為粉質(zhì)粘土，下層為富水砂卵石軟弱地層，表現(xiàn)出上軟下硬的特點。上下層土體的顯著差異給盾構(gòu)施工帶來極大的困難，掘進參數(shù)稍有差池就可能導(dǎo)致盾構(gòu)機發(fā)生抬頭現(xiàn)象。富水砂卵石軟弱地層自穩(wěn)能力差，在盾構(gòu)機擾動下極易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致地面沉降甚至塌陷，且大粒徑卵石不僅對盾構(gòu)機刀具損耗嚴(yán)重，還容易造成超挖以及排碴困難。

（3）盾構(gòu)掘進參數(shù)控制要求高。

①土艙壓力：盾構(gòu)土艙壓力直接決定著掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)，需精準(zhǔn)地控制在合理范圍內(nèi)以確保盾構(gòu)施工的正常進行。若土艙壓力偏小，將難以平衡掌子面水土壓力，使掌子面向盾構(gòu)機方向產(chǎn)生位移，造成地層損失，進而引發(fā)地表沉降，軌道變形。若土艙壓力過大，掌子面受過量擠壓，將導(dǎo)致掌子面前方地表隆起，同樣對上部結(jié)構(gòu)不利［12］。

針對1號線盾構(gòu)下穿京廣鐵路線區(qū)段，由于該區(qū)段在穿越邊坡前后覆土厚度存在接近7m的差異，故取土體泊松比μ=0.4，則土艙壓力理論值σ=0.4/（1-0.4）×20000×（15.5～8.7）=0.21～0.12MPa。在具體施工過程中，為確保京廣鐵路及邊坡的安全，所設(shè)定的土艙壓力較理論計算值高15～25kPa。然而，由于富水砂卵石層本身的地質(zhì)特點，在盾構(gòu)施工擾動下極易出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)，從而引發(fā)較大的地表沉降。而土艙壓力的調(diào)整需要一定的時間與空間，在短距離內(nèi)難以實現(xiàn)及時調(diào)整，進一步增加了施工階段的風(fēng)險性。

②掘進速度：為避免盾構(gòu)機自重引起隧道下臥層產(chǎn)生的豎向位移，在保證盾尾同步注漿質(zhì)量的前提下［13］，應(yīng)盡可能提高盾構(gòu)掘進速度，使盾構(gòu)機快速通過。

③同步注漿和二次注漿：在隧道施工過程中，針對地層損失主要依賴于同步注漿或二次注漿進行彌補。若注漿參數(shù)控制不當(dāng)將誘發(fā)地表沉降或隆起，導(dǎo)致軌道變形，進而影響既有鐵路的正常運營。

④盾構(gòu)姿態(tài)控制：該區(qū)間左線在下穿區(qū)段位于半徑600m的平面曲線上，因此在掘進過程中必須對盾構(gòu)機姿態(tài)進行調(diào)整。不合理的姿態(tài)調(diào)控將增加地鐵施工的擾動次數(shù)，不利于管片結(jié)構(gòu)受力，甚至誘發(fā)局部受拉破壞。

⑤機械故障：砂卵地層中大粒徑卵石對盾構(gòu)機損耗極大，一旦出現(xiàn)機械故障，掘進參數(shù)將發(fā)生劇烈變化，盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制，從而誘發(fā)超挖，造成地表沉降，應(yīng)盡可能避免。

（4）施工組織與管理難度大。

機組人員的施工經(jīng)驗以及操作技術(shù)對隧道質(zhì)量及施工安全將產(chǎn)生根本性影響。同時機組人員的綜合素養(yǎng)，面對突發(fā)情況的應(yīng)變能力與決策能力均是隧道施工的風(fēng)險源。

綜合上述工程條件分析可知，該段地質(zhì)條件和施工環(huán)境極為復(fù)雜，盾構(gòu)左、右線兩次近距離穿越鐵路時，必須保證上部鐵路的正常運行，有必要在施工前對其開展施工風(fēng)險評估與分析，以探明關(guān)鍵風(fēng)險源。

3 基于層次分析法的盾構(gòu)下穿運營鐵路施工風(fēng)險評價

3.1 層次分析法的基本原理

層次分析法（AHP）是美國匹茲堡運籌學(xué)教授Ssaty上世紀(jì)70年代提出的一種定性分析和定量分析相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法［14］。由于它在處理復(fù)雜決策問題上的實用性和有效性，很快在世界范圍內(nèi)得到重視。總體而言，層次分析法是一種先分解后綜合的系統(tǒng)思想。其具體評價過程為：

（1）根據(jù)工程實際構(gòu)造風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型。一般分為3層，最上層為目標(biāo)層，最下層為方案層，中間則稱為準(zhǔn)則層。

（2）構(gòu)建成對的判斷矩陣。設(shè)某層有n個因素X=｛x1，x2，…，xn｝，要比較它們對上一層某一準(zhǔn)則的影響程度，確定在該層中對某一準(zhǔn)則所占的比重，使用數(shù)值1～9作為比例標(biāo)度來衡量兩個因素之間的相對重要性，見表1。

進一步用aij表示第i個因素相對于第j個因素的比較結(jié)果，得到判斷矩陣

其中，aij＞0，aij=1/aji，aii=1。

（3）進行判斷矩陣的一致性檢驗。由于判斷矩陣的構(gòu)造過程中存在人為的主觀因素，為了避免各指標(biāo)相對重要次序上出現(xiàn)邏輯錯誤，需要對判斷矩陣的一致性進行檢驗。當(dāng)判斷矩陣具有滿意一致性時，最大特征根稍大于矩陣階數(shù)n，其余特征根接近于零。一致性指標(biāo)

引入判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)RI，RI值由表2確定。當(dāng)隨機一致性比率CR滿足

則認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求，否則繼續(xù)調(diào)整判斷矩陣。

表2 平均隨機一致性指標(biāo)

（4）層次單排序。

使用判斷矩陣計算被比較元素對于上一準(zhǔn)則的權(quán)重，若n個因素X=｛x1，x2，…，xn｝對于準(zhǔn)則C的判斷矩陣為A，則記n個因素x1，x2，…，xn對于準(zhǔn)則C的相對權(quán)重為W=｛w1，w2，…，wn｝。權(quán)重的計算方法有多種，較為常用的簡化方法是和法，即將判斷矩陣A的n個行（或列）向量歸一化后的算術(shù)平均值近似作為權(quán)重向量

（5）層次總排序。

構(gòu)造表3計算組合權(quán)重，根據(jù)組合權(quán)重，選擇風(fēng)險性比較大的因素。

表3 綜合權(quán)值計算

3.2 盾構(gòu)下穿既有京廣鐵路施工風(fēng)險評價

（1）多級結(jié)構(gòu)模型的建立。

參考以往盾構(gòu)下穿施工風(fēng)險分析的資料和數(shù)據(jù)，結(jié)合徐家沖—鐵道學(xué)院區(qū)間富水砂卵地層的力學(xué)特性，在詳細(xì)咨詢專家意見的基礎(chǔ)上，找出主要的、后果嚴(yán)重的9項基本風(fēng)險，建立富水砂卵地層條件下盾構(gòu)隧道下穿京廣線風(fēng)險多級結(jié)構(gòu)模型，如圖2。

（2）判斷矩陣。

對應(yīng)的判斷矩陣共有4個，分別為目標(biāo)層A對準(zhǔn)則層B記為A1；準(zhǔn)則層B層對指標(biāo)C層的3個分別記為B1、B2、B3，使用數(shù)值1～9作為比例標(biāo)度來衡量兩個因素之間的相對重要性構(gòu)建判斷矩陣，得到的判斷矩陣分別為

圖2 盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路風(fēng)險多級結(jié)構(gòu)模型

（3）一致性檢驗。

得到上述判斷矩陣后，便可對所有判斷矩陣進行一致性檢驗。

①通過|A-λI|=0來求解矩陣特征值，記最大λ值為λmax。

②代入式（2）計算得到一致性指標(biāo)CI；

③查表2-3得到平均隨機一致性指標(biāo)RI；

④根據(jù)式（3）判斷是否滿足一致性。

具體計算結(jié)果列于表4。從中可見，矩陣A1、B1、B2、B3均滿足隨機一致性比率CR＜0.1的條件，即認(rèn)為4個判斷矩陣均具有滿意一致性。

表4 判斷矩陣一致性計算

（4）權(quán)重向量計算及評價。

分別按照式（4）和表3計算每個矩陣的權(quán)重向量和組合權(quán)重，結(jié)果列于表5。從中可知，針對長沙地鐵1號線下穿京廣鐵路區(qū)間工程風(fēng)險評估，在準(zhǔn)則層方面綜合權(quán)值指標(biāo)中，組合權(quán)重最大為0.4789，其次分別為0.1071、0.1011，因此對應(yīng)的風(fēng)險因素分別為卵石自穩(wěn)能力差沉降大、注漿不及時造成地層損失、土倉壓力控制不當(dāng)造成地表沉降。

表5 綜合權(quán)值計算

4 結(jié)論

總結(jié)分析了盾構(gòu)近接施工條件下的常見風(fēng)險因子，進而針對長沙地鐵1號線鐵道學(xué)院站—涂家沖站區(qū)間下穿京廣鐵路段的實際情況，建立了層次分析法風(fēng)險評價結(jié)構(gòu)模型，并對其風(fēng)險情況進行了評價和分析。結(jié)果表明：長沙地鐵1號線鐵道學(xué)院—涂家沖區(qū)間下穿京廣鐵路段，存在極大的施工風(fēng)險，主要風(fēng)險源分別為因卵石自穩(wěn)能力差、盾構(gòu)施工注漿不及時和土倉壓力控制不當(dāng)造成地表沉降。因此實際施工過程中需采取有針對性的保護措施，方能保證施工安全以及降低對既有鐵路的運營影響，為后續(xù)施工風(fēng)險控制措施的制定提供了直接的依據(jù)。

［1］ 張雁，黃宏偉. 地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ GB50652-2011. 城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范［S］.

［3］ Hyun K. C.，Min S.，Choi H.，et al. Risk analysis using fault-tree analysis （FTA）and analytic hierarchy process （AHP）applicable to shield TBM tunnels［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2015，49：121-129.

［4］ Hamidi J. K.，Shahriar K.，Rezai B.，et al. Risk assessment based selection of rock TBM for adverse geological conditions using Fuzzy – AHP ［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2010，69（4）：523-532.

［5］ Rao J. Y.，Xie T.，Liu Y. M.. Fuzzy evaluation model for in-service Karst highway tunnel structural safety［J］. KSCE Journal of Civil Engineering，2016，20（4）：1242-1249.

［6］ Dai C. Q.，Zhao Z. H.. Fuzzy comprehensive evaluation model for construction risk analysis in urban subway［J］. International Journal of Modeling，Simulation，and Scientific Computing，2015，6（3）.

［7］ 趙延喜，徐衛(wèi)亞. 基于AHP和模糊綜合評判的TBM施工風(fēng)險評估［J］. 巖土力學(xué)，2009，30（3）：793-798.

［8］ 應(yīng)國柱，汪鵬程，朱大勇，等. 基于模糊綜合評價模型的地鐵施工風(fēng)險評估［J］. 地下空間與工程學(xué)報，2016，12（2）：539-545.

［9］ 郭滿意. 盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路有限元數(shù)值模擬分析［J］. 土工基礎(chǔ)，2016（3）：358-361.

［10］ 肖立，張慶賀. 盾構(gòu)長距離下穿鐵路股道引起的地表沉降分析［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（5）：672-676.

［11］ 陳海豐，袁大軍，王飛，等. 軟弱地層地鐵盾構(gòu)下穿高鐵的安全控制技術(shù)研究［J］. 土木工程學(xué)報，2015，48（s1）：256-260.

［12］ 張庭華. 土壓平衡盾構(gòu)土艙壓力控制技術(shù)研究［J］. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005，（8）：83-85.

［13］ 麻彥娜，陳浩. 盾構(gòu)隧道穿越鐵路施工參數(shù)控制［J］. 湖南城市學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，19（2）：20-23.

［14］ 陳潔金，張永杰. 下穿既有橋梁隧道施工風(fēng)險定量評估方法［J］. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，46（5）：1862-1868.