盾構(gòu)隧道施工臨近建筑物風(fēng)險等級評估方法

黎春林, 張際鑫

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000; 2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 201900)

城市地鐵隧道往往需要穿越繁華的商業(yè)區(qū)、火車站和居民區(qū)，盾構(gòu)隧道沿線鄰近建筑物較多。盾構(gòu)機施工推進(jìn)時一般伴隨著周圍地基的擾動，引起土體變形，土體變形形成沉降槽，進(jìn)而對建筑物地基產(chǎn)生影響，并由地基傳遞給基礎(chǔ)，最后傳至上部結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)的次生內(nèi)力和變形，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致建筑物傾斜甚至傾覆。特別是沿線有許多年代較久的磚混結(jié)構(gòu)多層居民樓，對變形非常敏感，為保護建筑物和保證施工的正常進(jìn)行，必須對鄰近建筑物的盾構(gòu)施工風(fēng)險進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)保護措施，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍建筑物的影響。

地鐵隧道施工的風(fēng)險為當(dāng)前研究的熱點問題之一，EINSTEIN H H首先在地鐵工程領(lǐng)域引入風(fēng)險分析評估理念[1]； REILLY J J提出將風(fēng)險管理和風(fēng)險分析應(yīng)用于具有復(fù)雜地層環(huán)境的隧道工程[2]；宋浩然等[3]采用風(fēng)險判斷矩陣和專家調(diào)查的方法對海底隧道施工進(jìn)行了風(fēng)險評估；苗棟[4]運用地質(zhì)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)理論對隧道進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險評價；陳韶光[5]采用模糊層次評估模型對隧道進(jìn)行塌方風(fēng)險評估；陳自海等[6]采用模糊層次分析法，對地鐵盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險識別和風(fēng)險估計，并進(jìn)一步采用模糊綜合評判法進(jìn)行風(fēng)險評價；劉祖容等[7]采用層次分析法對盾構(gòu)法施工中的風(fēng)險情況進(jìn)行評估,根據(jù)分析結(jié)果預(yù)判各施工段風(fēng)險大小。

在盾構(gòu)施工對臨近建筑物影響方面也有一些研究成果。魏綱等[8]利用模糊層次分析法對鄰近盾構(gòu)隧道的建筑物進(jìn)行安全風(fēng)險評估，采用專家打分法確定層次分析中各風(fēng)險評價指標(biāo)的權(quán)重，建立鄰近盾構(gòu)隧道的建筑物風(fēng)險模糊層次評估模型。任建喜等[9]采用綜合模糊層次分析法建立鄰近建筑物條件下盾構(gòu)施工風(fēng)險評估體系，并以某具體工程為例評估盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險等級。

綜上可以看出，當(dāng)前盾構(gòu)施工風(fēng)險評估主要采用層次分析法和模糊層次分析法建立風(fēng)險評估體系，其可靠性取決于專家水平，并且需要較多的專家和技術(shù)人員參與，評價過程比較復(fù)雜，影響最終評價結(jié)果的因素較多。為此，本文以層次分析理論為基礎(chǔ)，將量化分析和專家經(jīng)驗相結(jié)合，提出盾構(gòu)施工對鄰近建筑物影響的風(fēng)險評估簡化算法；在充分考慮盾構(gòu)隧道沿線地質(zhì)條件、工程環(huán)境、建筑物位置、建筑物建設(shè)年代、基礎(chǔ)形式等因素的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)隧道施工過程中臨近建筑物的風(fēng)險進(jìn)行評估，并做出等級劃分。

1 建筑物風(fēng)險性評價系統(tǒng)

1.1 多風(fēng)險因素影響下的風(fēng)險評價

首先進(jìn)行風(fēng)險單元構(gòu)成識別，之后，考慮影響風(fēng)險單元安全的各種因素，對其風(fēng)險性進(jìn)行綜合評價，并在此基礎(chǔ)上確定風(fēng)險單元的風(fēng)險等級。地鐵盾構(gòu)隧道施工時，地面建筑物的穩(wěn)定性主要由以下因素決定：建筑物和隧道相關(guān)距離，地質(zhì)、水文條件，建筑物的基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)類型及埋深，隧道覆土厚度，施工環(huán)境，建筑物等級等。為了量化各建筑物的風(fēng)險等級，可以引入一個風(fēng)險值S作為評定依據(jù)。風(fēng)險值S是將以上各要素綜合考慮，根據(jù)各種影響因素對建筑物穩(wěn)定性影響程度的不同，確定不同影響因素在風(fēng)險等級劃分時的權(quán)重，從而為建筑物的加固處理措施提供具體依據(jù)。

影響建筑物安全性的因素很多，在建筑物風(fēng)險等級評定時要綜合各方面因素做出判斷，確定建筑物在盾構(gòu)施工時的狀態(tài)及安全等級。對于一個單獨的風(fēng)險因素，其風(fēng)險值Ri可以表述為：

Ri=PiCi。

(1)

式中：Pi為權(quán)重；Ci為風(fēng)險因素分值。

在風(fēng)險評價過程中，將每個建筑物確定為一個風(fēng)險點。對于某一風(fēng)險點，其中包含有多個風(fēng)險因素，根據(jù)每一單獨風(fēng)險因素的風(fēng)險值累加后得出風(fēng)險點的風(fēng)險值S,

(2)

不同影響因素的權(quán)重是影響風(fēng)險評估結(jié)果的關(guān)鍵因素，文中的權(quán)重采用層次分析法計算。

1.2 基于層次分析法的建筑物風(fēng)險等級評價

建筑物風(fēng)險等級評價AHP(層次分析法)的基本方法和步驟如下：構(gòu)造風(fēng)險等級評價層次結(jié)構(gòu)，計算各判斷矩陣最大特征值及一致性檢驗，確定組合權(quán)重集，建立評價因素集，進(jìn)行建筑物風(fēng)險等級綜合評判。

1.2.1 構(gòu)造風(fēng)險等級評價層次結(jié)構(gòu)

假設(shè)某層有n個因子，采用1—9標(biāo)度來表達(dá)各個因子之間的關(guān)系，標(biāo)度越大，則表示兩個因子的重要程度差距越大。例如：標(biāo)度1表示兩個因子同等重要；而標(biāo)度為9則表示一個因子相比另一個因子來說極端重要。

表1 建筑物風(fēng)險等級評價層次結(jié)構(gòu)

1.2.2 計算各判斷矩陣最大特征值及一致性檢驗

判斷矩陣最大特征值可采用和積法或方根法進(jìn)行計算，這里以方根法為例對其計算步驟作一下介紹。

首先，計算判斷矩陣每行的乘積：

(3)

然后，計算Mi的n次方根：

(4)

(5)

W=[ω1，ω2，…，ωn]T。

(6)

進(jìn)一步求取判斷矩陣最大特征值λmax，

(7)

最后，進(jìn)行一致性檢驗：

①計算一致性指標(biāo)CI，

(8)

②計算一致性比例CR，

(9)

式中，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，是1 000個根據(jù)隨機發(fā)生的判斷矩陣計算的一致性指標(biāo)的平均值，可通過表2查取。

當(dāng)CR≤0.1時，可以認(rèn)為判斷矩陣的一致性良好[10]。

表2 隨機性指標(biāo)的數(shù)值表

1.2.3 確定組合權(quán)重集A

在各層次判斷矩陣的基礎(chǔ)上，由層次分析法確定指標(biāo)體系中各因素的組合權(quán)重集A。

1.2.4 建立評價因素集R

根據(jù)專家意見及地區(qū)工程經(jīng)驗建立評價因素集R，各種影響因素下的分值評價標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。表3中水文地質(zhì)條件分類的具體標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 盾構(gòu)施工臨近建筑物風(fēng)險等級影響因素及評價標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

表4 水文地質(zhì)條件分類

1.2.5 進(jìn)行建筑物風(fēng)險等級綜合評判

盾構(gòu)隧道施工臨近建筑物風(fēng)險是一個模糊概念，它沒有明顯的風(fēng)險界限，因此本文采用定性與定量相結(jié)合的層次分析方法對風(fēng)險等級進(jìn)行評定。從最低層開始進(jìn)行分析，將低層的評價結(jié)果作為高一層的單因素評價集，再對高一層進(jìn)行評價，直到目標(biāo)層，風(fēng)險評估流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)險評估流程圖

其原理是采用層次分析法得到組合權(quán)重集A，并根據(jù)單因素的評價結(jié)果構(gòu)造評價因素集R，再由評價因素集R和組合權(quán)重集A得到風(fēng)險值S，

S=A·R。

(10)

本文根據(jù)盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑物影響的實際情況，將風(fēng)險等級分為4個級別，分別為特級、一級、二級、三級。在4個等級中建筑物的風(fēng)險性依次遞減，各個風(fēng)險等級是決策加固措施時的重要依據(jù)，見表5。

表5 目標(biāo)層風(fēng)險等級評定標(biāo)準(zhǔn)

2 案例分析

某城市地鐵1號線，結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)條件及隧道埋深，根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道施工的影響范圍初步確定隧道邊線左、右各20 m 范圍內(nèi)的建筑物為評估對象。下面以盾構(gòu)隧道下穿南洋花園7號樓為例對本文提出方法的實施方式進(jìn)行闡述。

該地區(qū)南洋花園7號樓共8層，混凝土框架結(jié)構(gòu)，獨立基礎(chǔ)；與地鐵相交，其最遠(yuǎn)端與隧道中心的距離為33.21 m；房齡13 a，三級建筑物，基礎(chǔ)底面與隧道頂面距離7.52 m；水文地質(zhì)條件簡單，施工環(huán)境一般。經(jīng)現(xiàn)場實測，建筑物傾斜度0.3‰，結(jié)構(gòu)完好。建筑物與隧道的相對關(guān)系如圖2所示。

圖2 南洋花園7號樓位置圖

2.1 第一層指標(biāo)評分

根據(jù)專家經(jīng)驗，第一層指標(biāo)評分見表6。

表6 第一層指標(biāo)評分

建立第一層指標(biāo)判斷矩陣A1，

首先，由式(6)計算得到判斷矩陣A1的特征向量:

然后，由式(7)計算得到該判斷矩陣的最大特征值：

λmax=4.010 4。

隨后，進(jìn)行一致性指標(biāo)CI的計算，

查表得平均隨機一致性指標(biāo)RI=0.9。

最后，進(jìn)行一致性檢驗，

因此，該矩陣具有良好的一致性，通過一致性檢驗。

2.2 第二層指標(biāo)評分

1)建筑物歷史資料判斷矩陣B1，

首先，由式(6)計算得到判斷矩陣B1的特征向量:

然后，由式(7)計算得到該判斷矩陣的最大特征值λmax=3.053 6。

隨后，進(jìn)行一致性指標(biāo)CI的計算，

查表得平均隨機一致性指標(biāo)RI=0.58。

最后，進(jìn)行一致性檢驗:

因此，該矩陣具有良好的一致性，通過一致性檢驗。

2)建筑物與隧道距離判斷矩陣B2，

由式(6)解得判斷矩陣B2的特征向量：

3)建筑物現(xiàn)狀判斷矩陣B3，

由式(6)解得判斷矩陣B3的特征向量：

再由式(7)求得其最大特征值λmax=3.065，則得一致性指標(biāo):

查表得平均隨機一致性指標(biāo)RI=0.58。

進(jìn)行一致性檢驗，

因此，該矩陣具有良好的一致性，通過一致性檢驗。

4)施工條件判斷矩陣B4，

由式(6)解得判斷矩陣B4的特征向量：

由以上第一層和第二層的指標(biāo)評分來構(gòu)建風(fēng)險評判矩陣，見表7。

表7 風(fēng)險評判矩陣

由表7可知，各因素的組合權(quán)重集A為：

A=(0.017 0.027 0.065 0.235 0.116 0.014 0.123 0.053 0.116 0.235)。

根據(jù)工程資料，由表3建立評價因素集R，

R=(90 80 60 40 80 90 80 90 80 100)T。

則由公式(10)得到其風(fēng)險值S，

S=A·R=

(0.017 0.027 0.065 0.235 0.116 0.014 0.123 0.053 0.116 0.235)·(90 80 60 40 80 90 80 90 80 100)T=74.92。

根據(jù)其風(fēng)險值74.92，查表5可知風(fēng)險等級為一級，施工時有非常大的風(fēng)險，必須在盾構(gòu)隧道施工前對該樓進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防加固，并制訂風(fēng)險處置措施。

3 結(jié)論

1)本文利用層次分析法結(jié)合專家經(jīng)驗對盾構(gòu)隧道施工臨近建筑物風(fēng)險等級進(jìn)行評估。該方法充分考慮了盾構(gòu)隧道沿線建筑物等級、建筑結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式、建筑物與隧道軸線水平距離、基礎(chǔ)底面與隧道頂面垂直距離、建筑年代、建筑物傾斜、建筑物變形開裂、施工環(huán)境復(fù)雜情況、沿線水文地質(zhì)條件等10個因素。

2)本文提出的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，致力于對盾構(gòu)隧道施工過程中臨近建筑物的風(fēng)險進(jìn)行分析，將模糊的風(fēng)險概念進(jìn)行量化，根據(jù)建筑物風(fēng)險評估的量化得分確定建筑風(fēng)險等級，最大限度地消除了專家主觀因素對最終評價結(jié)果的影響。評價結(jié)果可為盾構(gòu)隧道施工引起的周邊臨近建筑物安全問題的評估及需采取的加固措施提供理論依據(jù)。