盾構(gòu)下穿既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及防控方案評(píng)價(jià)

高文華

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300）

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展、人口密度的增加和地面交通擁堵已成為制約城市發(fā)展的兩個(gè)主要因素[1-2]。為了解決人口流動(dòng)集中對(duì)交通造成的壓力，地下工程建設(shè)已成為主要的解決途徑。盾構(gòu)法因其自動(dòng)化程度高、施工速度快、管理方便、一次性成孔、無氣候影響以及對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已成為地下工程建設(shè)的主要施工方法。雖然盾構(gòu)隧道施工技術(shù)具有良好的優(yōu)勢(shì)，但在施工過程中針對(duì)不同的地質(zhì)和環(huán)境仍不可避免地會(huì)造成施工風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。此外，軌道交通規(guī)劃往往是平行于地面交通的主干道，因此地下施工必然要經(jīng)過大量的橋梁樁基[7]。

城市地下隧道開挖施工，無論開挖的深淺，都將會(huì)對(duì)地下巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，打破地層內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使其進(jìn)行應(yīng)力重分布從而達(dá)到一個(gè)新的平衡。傳統(tǒng)的大城市存在著大量的立交橋、過街天橋、河上部的橋，因此，地鐵的修建勢(shì)必會(huì)下穿一些既有橋梁[8]。隧道施工過程中由于樁基打于土體之內(nèi)，隧道開挖引起土體擾動(dòng)，使橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降甚至產(chǎn)生不均勻沉降，當(dāng)相鄰樁基沉降達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)影響橋梁的安全性、耐久性和適用性，嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)引起失穩(wěn)破壞。因此，地鐵隧道施工對(duì)樁基的影響和破壞程度，以及控制和預(yù)防方法成為主要的研究問題。

早在1997年同濟(jì)大學(xué)的李永盛等[9]人就提出既有橋梁在盾構(gòu)施工作用下的主要力學(xué)影響是荷載傳遞和荷載作用，并將彈性地基梁的相關(guān)理論運(yùn)用在盾構(gòu)施工的橋基上，并結(jié)合彈性力學(xué)中的Kelvin解推導(dǎo)出了盾構(gòu)法隧道對(duì)既有樁基引起的內(nèi)力變形公式。楊曉杰等[10]結(jié)合廣州地鐵2號(hào)線下穿既有框架建筑樁基礎(chǔ)施工工程，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件建模計(jì)算，研究表明：隧道施工主要是從樁側(cè)和樁端阻力對(duì)樁基承載力產(chǎn)生影響，隧道和樁基之間位置起到關(guān)鍵性因素，不同的位置將產(chǎn)生不同的影響。梁榮柱等[11]在2016年基于Mindlin解并考慮刀盤擠土效應(yīng)產(chǎn)生的掘進(jìn)面附加壓力、軟土地層中具有軟化特性且分布不均勻的盾殼側(cè)摩阻力及同步注漿壓力引起的地層位移，結(jié)合地層損失引起的地層位移，得到盾構(gòu)施工過程中地表沉降及深層巖土體水平位移的解答。但是，當(dāng)前的研究主要集中于橋梁所處地基的地質(zhì)的影響，并沒有從橋梁結(jié)構(gòu)本身出發(fā)進(jìn)行研究[12-15]。

基于此，本文首先基于層次分析理論，從不同層次分析盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁保障橋梁穩(wěn)定性的方案選擇，并對(duì)不同的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，通過權(quán)重值的排序得出實(shí)際施工中的施工方案選擇的優(yōu)劣性，在施工中可以選擇合適有效的方法對(duì)橋梁的安全運(yùn)營提供保障。

1 工程概況及區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

1.1 工程概況

沈陽地鐵九號(hào)線怒江公園站-淮河街站區(qū)間，起點(diǎn)右線里程DK0+495.903（左線里程DK0+470.900），區(qū)間終點(diǎn)里程右DK1+715.275（區(qū)間終點(diǎn)里程左DK1+708.869），右線全長(zhǎng)1 219.372 m，區(qū)間左線全長(zhǎng)1 237.969 m。區(qū)間在里程DK0+765~DK0+840處下穿新開河，新開河為流經(jīng)沈陽市的內(nèi)河，河寬約30 m，西江街以3~12 m空心板梁橋跨越該河，區(qū)間右線近距離側(cè)穿橋梁樁基，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)，隧道結(jié)構(gòu)與樁基水平最小凈距為1.9 m，覆土埋深13.8 m。區(qū)間線路在怒江公園出站時(shí)線間距為15 m，然后以右線半徑R=300 m與左線半徑R=500 m的曲線拉開線間距，在西江橋的東西兩側(cè)分別下穿新開河，最大線間距約46.5 m。過河后又通過左右線各設(shè)置一個(gè)半徑R=350 m的曲線轉(zhuǎn)至左右線沿淮河街并行，線間距13 m。左右線分別各設(shè)置半徑R=1 500 m與R=350 m的曲線，將線間距調(diào)至17 m，進(jìn)入淮河街站。

1.2 區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

1.2.1 三維程式風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

根據(jù)盾構(gòu)施工系統(tǒng)的組成即地質(zhì)、盾構(gòu)機(jī)、人，將該區(qū)間施工風(fēng)險(xiǎn)源分為3大類：自身風(fēng)險(xiǎn)工程、下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)工程、人為因素。將這3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合起來構(gòu)造出一個(gè)三維程式，分別用A、B、C三軸來表示3類風(fēng)險(xiǎn)源[16]。采用集合的形式來對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行說明集合關(guān)系，如圖1所示。

圖1 自身風(fēng)險(xiǎn)工程、下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)工程、人為因素三者關(guān)系圖

圖1中，A={自身風(fēng)險(xiǎn)工程}；B={下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)工程}；C={人為因素}；U={風(fēng)險(xiǎn)源全集}；T={引發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)源}。圖1（a）主要表示在施工區(qū)間自身存在的風(fēng)險(xiǎn)造成的事故；圖1（b）是地鐵隧道在區(qū)間施工時(shí)下穿既有建筑物時(shí)所存在的風(fēng)險(xiǎn)造成的事故；圖1（c）情況下由于隧道施工本身所存在的風(fēng)險(xiǎn)以及人的操作失誤造成事故。在圖1（d）情況下由于人沒有正確地認(rèn)識(shí)到施工所存在的自身風(fēng)險(xiǎn)以及下穿建筑物的風(fēng)險(xiǎn)工程且沒考慮到人的操作失誤造成事故。

1.2.2 區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別步驟及結(jié)果

應(yīng)用三維程式風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別對(duì)該區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別并劃分等級(jí)，具體步驟如下。

（1）形成三維網(wǎng)[17]：

a.盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)有由3部分組成，即圖1所示的A、B、C三個(gè)部分；

b.每個(gè)集合又包含若干次級(jí)因素；

c.每個(gè)次級(jí)因素又包含多個(gè)再次及因素。

（2）對(duì)各因素進(jìn)行分析研究：

a.對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行判斷，選出能成為盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)源；

b.對(duì)圖1中的關(guān)系進(jìn)行分析，找出A∩B、A∩C、B∩C共同作用形成的風(fēng)險(xiǎn)源；

c.分析是否存在A∩B∩C共同作用的風(fēng)險(xiǎn)源。

（3）根據(jù)識(shí)別以及專家意見對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行等級(jí)劃分，制定出相應(yīng)的對(duì)應(yīng)措施；

（4）動(dòng)態(tài)施工過程中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行規(guī)避，識(shí)別新的風(fēng)險(xiǎn)源。

根據(jù)步驟對(duì)該區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別結(jié)果見表1。

由表1可知，區(qū)間始發(fā)接收段、區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)區(qū)間隧道作為自身風(fēng)險(xiǎn)工程屬于不可控制和改善的風(fēng)險(xiǎn)源；人行天橋和人工湖作為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，可以通過施工技術(shù)控制和改善；新開河以及上部的西江橋作為該區(qū)間工程的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，必須針對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行施工影響因素分析。

表1 盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源表

由表1可得西江橋作為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，區(qū)間在里程DK0+765~DK0+840處下穿西江橋，西江街主要為空心板梁結(jié)構(gòu)，板寬為3~12 m。盾構(gòu)隧道右線側(cè)穿橋梁樁基，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)，隧道結(jié)構(gòu)與樁基水平最小凈距離為1.9 m屬于近距離測(cè)穿，覆土埋深13.8 m。如圖2所示。

圖2 區(qū)間下穿新開河

2 盾構(gòu)下穿既有橋梁影響因素權(quán)重分析

根據(jù)實(shí)際的盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)資料以及相關(guān)學(xué)者專家的研究成果和現(xiàn)行的施工規(guī)范要求，本文建立了如圖3所示的層次分析結(jié)構(gòu)圖。

圖3 層次分析結(jié)構(gòu)圖

該層次分析模型主要分為3層，最高目標(biāo)層即盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁的穩(wěn)定性保障，更好的保證施工的安全性；中間為準(zhǔn)則層，即影響既有橋梁穩(wěn)定性的主要因素，可以通過對(duì)相關(guān)因素的控制來保障既有橋梁的穩(wěn)定性；最下層為方案層，即用來保障既有橋梁穩(wěn)定性的可供選擇的方案。

建立層次分析結(jié)構(gòu)后，將問題分析歸結(jié)為各種保證盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁穩(wěn)定性的方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)時(shí)選擇的優(yōu)先次序。

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)層次分析模型，將各層元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣。判斷矩陣作為層次分析理論的基本信息，也是進(jìn)行相對(duì)重要度計(jì)算的主要依據(jù)。為了使決策判斷定量化，需要將判斷矩陣按照一定的比率標(biāo)度定量化，本文選用1～9標(biāo)度方法，見表2。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

對(duì)于n個(gè)元素來說，得到兩兩比較判斷矩陣C=（Cij）n×n其中Cij表示因素i和因素j相對(duì)于目標(biāo)重要值。構(gòu)造的判斷矩陣見表3。

表3 判斷矩陣形式

將上述矩陣簡(jiǎn)寫為：

結(jié)合層次分析結(jié)構(gòu)和表3的判斷矩陣標(biāo)度，首先得到準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣A-B為：

同理，寫出判斷矩陣B1（對(duì)于隧道施工，為保證橋梁穩(wěn)定性各方案相對(duì)重要性比較）、B2（對(duì)于地層變形，為保證橋梁穩(wěn)定性各方案相對(duì)重要性比較）、B3（對(duì)于既有橋梁基礎(chǔ)本身，為保證橋梁穩(wěn)定性各方案相對(duì)重要性比較），如下所示：

2.2 層次單排序及判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣計(jì)算對(duì)于上一層某元素而言本層次與之聯(lián)系的元素重要性次序的權(quán)值即為層次單排序。本文利用方根法進(jìn)行層次單排序計(jì)算，其計(jì)算步驟如下：

判斷矩陣的建立將感性的判斷思維數(shù)學(xué)化，將復(fù)雜的問題進(jìn)行定量分析。為了保證專家學(xué)者給出的判斷指標(biāo)的協(xié)調(diào)一致以及不出現(xiàn)相互矛盾的結(jié)果，應(yīng)用層次分析理論要保證判斷思維的一致性，故需要對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

式中：CR為隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR<0.10認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣；CI作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)，CI值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，反之越??；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)（當(dāng)作已知），通過查表4獲得相應(yīng)數(shù)值。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

計(jì)算某一層次所有因素對(duì)于最高層（總目標(biāo)）相對(duì)重要性的權(quán)值，稱為層次排序。這一過程是從最高層次到最低層次依次進(jìn)行的。根據(jù)計(jì)算步驟（1）~（4），首先對(duì)準(zhǔn)則層對(duì)最高層的重要性進(jìn)行計(jì)算，獲得權(quán)向量（0.623,0.256,0.121）T和最大特征根為3.038。權(quán)向量中有3個(gè)元素，每一個(gè)元素代表的是每一個(gè)因素對(duì)上一層的因素的權(quán)重，最終結(jié)果繪制見表5。

表5 準(zhǔn)則層判斷矩陣數(shù)據(jù)一覽表

表6、表7、表8是方案層對(duì)準(zhǔn)則層的層次排序計(jì)算。計(jì)算過程與一致性驗(yàn)證同上，在此不做贅述。

表6 隧道施工（B1）的層次單排序

表7 地層變形（B2）的層次單排序

表8 既有橋梁基礎(chǔ)（B3）的層次單排序

同理可得，CI=0，RI=0，CR=0<0.10，滿足一致性要求。?

2.3 層次總排序

按照層次結(jié)構(gòu)圖，由上而下依次計(jì)算得出最低層因素相對(duì)于目標(biāo)層的重要性的排序值。由此可知，層次總排序是針對(duì)目標(biāo)層而言。本文中，各種保障方案對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁穩(wěn)定性這一目的層次總排序見表9。

表9 盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁保障方案總排序

3 保障方案評(píng)價(jià)分析

通過上述應(yīng)用層次分析理論計(jì)算得出的總排序結(jié)果可知，在保證盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁時(shí)，按照權(quán)重大小來分析，隧道施工對(duì)于橋梁穩(wěn)定性的影響最大，其次為地層變形和橋梁基礎(chǔ)本身，針對(duì)不同的影響對(duì)保障方案進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇[18-20]。本文根據(jù)層次結(jié)構(gòu)分析圖進(jìn)行逐層評(píng)價(jià)分析。

3.1 針對(duì)隧道施工的方案評(píng)價(jià)分析

由表9可得，按照權(quán)重大小來分析，隧道施工對(duì)于橋梁穩(wěn)定性的影響最大，而在方案中工法比選和工法優(yōu)化又是最優(yōu)先的選擇。因此，在隧道下穿既有橋梁時(shí)，最重要的是對(duì)隧道施工的分析，包括對(duì)隧道穿越地區(qū)的工程環(huán)境、水文地質(zhì)條件以及隧道的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工法比選，選擇對(duì)地層擾動(dòng)較小的施工方法。

在確定了施工方法后，就要對(duì)工法中包含的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和優(yōu)化。結(jié)合工程隧道所處的環(huán)境，采取專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)以及借助數(shù)值模擬的手段可以對(duì)隧道下穿造成的施工影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，從而合理選擇適用于本工程的施工參數(shù)，從而保障橋梁的穩(wěn)定性。對(duì)于盾構(gòu)法施工參數(shù)的選取包括：土倉壓力值、盾構(gòu)掘進(jìn)頂推力值、掘進(jìn)速度、出土量、注漿參數(shù)的選取、盾構(gòu)姿態(tài)的設(shè)定和調(diào)整等。

因此工法比選和工法優(yōu)化是保障盾構(gòu)下穿既有橋梁穩(wěn)定性的最主要也是最基礎(chǔ)的方案，應(yīng)該最先考慮[21-22]。

3.2 針對(duì)地層變形的方案評(píng)價(jià)分析

由表7可得，針對(duì)地層變形，層次分析結(jié)構(gòu)圖中給出了五種方案，其中按照權(quán)重分析，注漿加固是所有方案中占比最重要的，其次是地層加固和地層阻隔方案?，F(xiàn)將這3種方案進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)表見表10。

表10 方案綜合分析評(píng)價(jià)

3.3 針對(duì)既有橋梁方案評(píng)價(jià)分析

由表8中數(shù)據(jù)分析可得，針對(duì)既有橋梁本身給出了3種保障方案，其中注漿加固橋梁基礎(chǔ)以絕對(duì)的權(quán)值優(yōu)于其它兩種方案。因此，本文重點(diǎn)對(duì)注漿加固橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

對(duì)于既有橋樁的注漿加固一般有兩種加固方式，即樁側(cè)注漿和樁端注漿。通過這兩種方式的注漿都可以改良橋樁和周邊覆土的接觸面性質(zhì)，既可以對(duì)地層變形有所幫助又可以提高樁基承載力。兩種注漿方式都可以將橋樁本身的承載力充分發(fā)揮。但在實(shí)際的施工中，要注意既有橋樁加固范圍要在盾構(gòu)隧道施工范圍以外，以免對(duì)既有樁基產(chǎn)生附加荷載。

由表9計(jì)算數(shù)據(jù)可得，在盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁為了保障既有橋梁的穩(wěn)定性，可供選擇的方案有7種，根據(jù)計(jì)算得出其相對(duì)優(yōu)劣的排序權(quán)值，由權(quán)值可以得出以下結(jié)論：在保障既有橋梁穩(wěn)定性的方案中，相對(duì)優(yōu)先順序?yàn)楣しǖ谋冗x和工法的優(yōu)化、注漿加固、地層加固和地層阻隔以及樁基托換和上部頂升。通過數(shù)據(jù)的定量判斷，施工單位在施工中根據(jù)上述評(píng)價(jià)結(jié)果選擇實(shí)施的先后順序。

4 結(jié)論

本文利用層次分析理論對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿既有橋梁施工的影響因素以及保障方案進(jìn)行定性分析，主要結(jié)論如下：

（1）在保障隧道下穿既有橋梁方案中，相對(duì)優(yōu)先順序?yàn)楣しǖ谋冗x和工法的優(yōu)化、注漿加固、地層加固和地層阻隔以及樁基托換和上部頂升；

（2）按照權(quán)重大小來分析，隧道施工對(duì)于下穿既有西江橋的影響最大，其次為地層變形和橋梁基礎(chǔ)本身；

（3）通過計(jì)算定量分析，按照權(quán)重值分析可得，在實(shí)際盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)通過工法比選和優(yōu)化選定合適的施工方法，設(shè)定合適的施工參數(shù)，這是保證施工穩(wěn)定性的最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)；其次就是選擇注漿加固方式進(jìn)行安全施工的保障，注漿加固方案是在施工中最優(yōu)的選擇，根據(jù)權(quán)重值的分析，為以后類似施工的決策者提供借鑒。