盾構下穿既有橋梁風險識別及防控方案評價

高文華

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300）

隨著我國城市建設的不斷發展、人口密度的增加和地面交通擁堵已成為制約城市發展的兩個主要因素[1-2]。為了解決人口流動集中對交通造成的壓力，地下工程建設已成為主要的解決途徑。盾構法因其自動化程度高、施工速度快、管理方便、一次性成孔、無氣候影響以及對周圍環境影響小等優點，已成為地下工程建設的主要施工方法。雖然盾構隧道施工技術具有良好的優勢，但在施工過程中針對不同的地質和環境仍不可避免地會造成施工風險[3-6]。此外，軌道交通規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，都將會對地下巖土體產生擾動，打破地層內部原有的應力平衡狀態，使其進行應力重分布從而達到一個新的平衡。傳統的大城市存在著大量的立交橋、過街天橋、河上部的橋，因此，地鐵的修建勢必會下穿一些既有橋梁[8]。隧道施工過程中由于樁基打于土體之內，隧道開挖引起土體擾動，使橋梁上部結構出現沉降甚至產生不均勻沉降，當相鄰樁基沉降達到一定程度時，會影響橋梁的安全性、耐久性和適用性，嚴重時可能還會引起失穩破壞。因此，地鐵隧道施工對樁基的影響和破壞程度，以及控制和預防方法成為主要的研究問題。

早在1997年同濟大學的李永盛等[9]人就提出既有橋梁在盾構施工作用下的主要力學影響是荷載傳遞和荷載作用，并將彈性地基梁的相關理論運用在盾構施工的橋基上，并結合彈性力學中的Kelvin解推導出了盾構法隧道對既有樁基引起的內力變形公式。楊曉杰等[10]結合廣州地鐵2號線下穿既有框架建筑樁基礎施工工程，應用FLAC3D有限差分軟件建模計算，研究表明：隧道施工主要是從樁側和樁端阻力對樁基承載力產生影響，隧道和樁基之間位置起到關鍵性因素，不同的位置將產生不同的影響。梁榮柱等[11]在2016年基于Mindlin解并考慮刀盤擠土效應產生的掘進面附加壓力、軟土地層中具有軟化特性且分布不均勻的盾殼側摩阻力及同步注漿壓力引起的地層位移，結合地層損失引起的地層位移，得到盾構施工過程中地表沉降及深層巖土體水平位移的解答。但是，當前的研究主要集中于橋梁所處地基的地質的影響，并沒有從橋梁結構本身出發進行研究[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隧道下穿既有橋梁保障橋梁穩定性的方案選擇，并對不同的方案進行評價分析，通過權重值的排序得出實際施工中的施工方案選擇的優劣性，在施工中可以選擇合適有效的方法對橋梁的安全運營提供保障。

1 工程概況及區間風險源識別

1.1 工程概況

沈陽地鐵九號線怒江公園站-淮河街站區間，起點右線里程DK0+495.903（左線里程DK0+470.900），區間終點里程右DK1+715.275（區間終點里程左DK1+708.869），右線全長1 219.372 m，區間左線全長1 237.969 m。區間在里程DK0+765~DK0+840處下穿新開河，新開河為流經沈陽市的內河，河寬約30 m，西江街以3~12 m空心板梁橋跨越該河，區間右線近距離側穿橋梁樁基，經現場實際量測，隧道結構與樁基水平最小凈距為1.9 m，覆土埋深13.8 m。區間線路在怒江公園出站時線間距為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置一個半徑R=350 m的曲線轉至左右線沿淮河街并行，線間距13 m。左右線分別各設置半徑R=1 500 m與R=350 m的曲線，將線間距調至17 m，進入淮河街站。

1.2 區間風險源識別

1.2.1 三維程式風險識別

根據盾構施工系統的組成即地質、盾構機、人，將該區間施工風險源分為3大類：自身風險工程、下穿建筑物風險工程、人為因素。將這3個風險結合起來構造出一個三維程式，分別用A、B、C三軸來表示3類風險源[16]。采用集合的形式來對風險源進行說明集合關系，如圖1所示。

圖1 自身風險工程、下穿建筑物風險工程、人為因素三者關系圖

圖1中，A={自身風險工程}；B={下穿建筑物風險工程}；C={人為因素}；U={風險源全集}；T={引發事故的風險源}。圖1（a）主要表示在施工區間自身存在的風險造成的事故；圖1（b）是地鐵隧道在區間施工時下穿既有建筑物時所存在的風險造成的事故；圖1（c）情況下由于隧道施工本身所存在的風險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識到施工所存在的自身風險以及下穿建筑物的風險工程且沒考慮到人的操作失誤造成事故。

1.2.2 區間風險源識別步驟及結果

應用三維程式風險識別對該區間的風險源進行識別并劃分等級，具體步驟如下。

（1）形成三維網[17]：

a.盾構施工風險有由3部分組成，即圖1所示的A、B、C三個部分；

b.每個集合又包含若干次級因素；

c.每個次級因素又包含多個再次及因素。

（2）對各因素進行分析研究：

a.對各個因素進行判斷，選出能成為盾構施工的風險源；

b.對圖1中的關系進行分析，找出A∩B、A∩C、B∩C共同作用形成的風險源；

c.分析是否存在A∩B∩C共同作用的風險源。

（3）根據識別以及專家意見對風險源進行等級劃分，制定出相應的對應措施；

（4）動態施工過程中對風險源進行規避，識別新的風險源。

根據步驟對該區間風險源識別結果見表1。

由表1可知，區間始發接收段、區間聯絡通道、盾構區間隧道作為自身風險工程屬于不可控制和改善的風險源；人行天橋和人工湖作為二級風險源，可以通過施工技術控制和改善；新開河以及上部的西江橋作為該區間工程的一級風險源，必須針對該風險源進行施工影響因素分析。

表1 盾構區間風險源表

由表1可得西江橋作為一級風險源，區間在里程DK0+765~DK0+840處下穿西江橋，西江街主要為空心板梁結構，板寬為3~12 m。盾構隧道右線側穿橋梁樁基，經現場實際量測，隧道結構與樁基水平最小凈距離為1.9 m屬于近距離測穿，覆土埋深13.8 m。如圖2所示。

圖2 區間下穿新開河

2 盾構下穿既有橋梁影響因素權重分析

根據實際的盾構隧道施工現場資料以及相關學者專家的研究成果和現行的施工規范要求，本文建立了如圖3所示的層次分析結構圖。

圖3 層次分析結構圖

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

建立層次分析結構后，將問題分析歸結為各種保證盾構隧道下穿既有橋梁穩定性的方案對于實現總目標時選擇的優先次序。

2.1 構造判斷矩陣

根據層次分析模型，將各層元素進行兩兩比較，構造出比較判斷矩陣。判斷矩陣作為層次分析理論的基本信息，也是進行相對重要度計算的主要依據。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度定量化，本文選用1～9標度方法，見表2。

表2 判斷矩陣標度及其含義

對于n個元素來說，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相對于目標重要值。構造的判斷矩陣見表3。

表3 判斷矩陣形式

將上述矩陣簡寫為：

結合層次分析結構和表3的判斷矩陣標度，首先得到準則層對于目標層的判斷矩陣A-B為：

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

2.2 層次單排序及判斷矩陣一致性檢驗

根據判斷矩陣計算對于上一層某元素而言本層次與之聯系的元素重要性次序的權值即為層次單排序。本文利用方根法進行層次單排序計算，其計算步驟如下：

判斷矩陣的建立將感性的判斷思維數學化，將復雜的問題進行定量分析。為了保證專家學者給出的判斷指標的協調一致以及不出現相互矛盾的結果，應用層次分析理論要保證判斷思維的一致性，故需要對構造的判斷矩陣進行一致性檢驗。

式中：CR為隨機一致性比率，當CR<0.10認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣；CI作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標，CI值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，反之越小；RI為平均隨機一致性指標（當作已知），通過查表4獲得相應數值。

表4 平均隨機一致性指標

計算某一層次所有因素對于最高層（總目標）相對重要性的權值，稱為層次排序。這一過程是從最高層次到最低層次依次進行的。根據計算步驟（1）~（4），首先對準則層對最高層的重要性進行計算，獲得權向量（0.623,0.256,0.121）T和最大特征根為3.038。權向量中有3個元素，每一個元素代表的是每一個因素對上一層的因素的權重，最終結果繪制見表5。

表5 準則層判斷矩陣數據一覽表

表6、表7、表8是方案層對準則層的層次排序計算。計算過程與一致性驗證同上，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（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

按照層次結構圖，由上而下依次計算得出最低層因素相對于目標層的重要性的排序值。由此可知，層次總排序是針對目標層而言。本文中，各種保障方案對于盾構隧道下穿既有橋梁穩定性這一目的層次總排序見表9。

表9 盾構隧道下穿既有橋梁保障方案總排序

3 保障方案評價分析

通過上述應用層次分析理論計算得出的總排序結果可知，在保證盾構隧道下穿既有橋梁時，按照權重大小來分析，隧道施工對于橋梁穩定性的影響最大，其次為地層變形和橋梁基礎本身，針對不同的影響對保障方案進行評價選擇[18-20]。本文根據層次結構分析圖進行逐層評價分析。

3.1 針對隧道施工的方案評價分析

由表9可得，按照權重大小來分析，隧道施工對于橋梁穩定性的影響最大，而在方案中工法比選和工法優化又是最優先的選擇。因此，在隧道下穿既有橋梁時，最重要的是對隧道施工的分析，包括對隧道穿越地區的工程環境、水文地質條件以及隧道的設計要求進行工法比選，選擇對地層擾動較小的施工方法。

在確定了施工方法后，就要對工法中包含的主要技術參數進行設定和優化。結合工程隧道所處的環境，采取專家學者的經驗以及借助數值模擬的手段可以對隧道下穿造成的施工影響進行預測分析，從而合理選擇適用于本工程的施工參數，從而保障橋梁的穩定性。對于盾構法施工參數的選取包括：土倉壓力值、盾構掘進頂推力值、掘進速度、出土量、注漿參數的選取、盾構姿態的設定和調整等。

因此工法比選和工法優化是保障盾構下穿既有橋梁穩定性的最主要也是最基礎的方案，應該最先考慮[21-22]。

3.2 針對地層變形的方案評價分析

由表7可得，針對地層變形，層次分析結構圖中給出了五種方案，其中按照權重分析，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。現將這3種方案進行綜合分析評價，評價表見表10。

表10 方案綜合分析評價

3.3 針對既有橋梁方案評價分析

由表8中數據分析可得，針對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以絕對的權值優于其它兩種方案。因此，本文重點對注漿加固橋樁基礎進行分析。

對于既有橋樁的注漿加固一般有兩種加固方式，即樁側注漿和樁端注漿。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，既可以對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揮。但在實際的施工中，要注意既有橋樁加固范圍要在盾構隧道施工范圍以外，以免對既有樁基產生附加荷載。

由表9計算數據可得，在盾構隧道下穿既有橋梁為了保障既有橋梁的穩定性，可供選擇的方案有7種，根據計算得出其相對優劣的排序權值，由權值可以得出以下結論：在保障既有橋梁穩定性的方案中，相對優先順序為工法的比選和工法的優化、注漿加固、地層加固和地層阻隔以及樁基托換和上部頂升。通過數據的定量判斷，施工單位在施工中根據上述評價結果選擇實施的先后順序。

4 結論

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

（1）在保障隧道下穿既有橋梁方案中，相對優先順序為工法的比選和工法的優化、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）按照權重大小來分析，隧道施工對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本身；

（3）通過計算定量分析，按照權重值分析可得，在實際盾構隧道下穿既有橋梁時，首先應當通過工法比選和優化選定合適的施工方法，設定合適的施工參數，這是保證施工穩定性的最基礎也是最重要的環節；其次就是選擇注漿加固方式進行安全施工的保障，注漿加固方案是在施工中最優的選擇，根據權重值的分析，為以后類似施工的決策者提供借鑒。