崔根群，林大涌

（1. 中國(guó)中鐵投資集團(tuán)有限公司，天津 300250；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

近年來(lái)隨著我國(guó)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(yùn)營(yíng)鐵路尤為突出。盾構(gòu)施工擾動(dòng)極易誘發(fā)地層位移，進(jìn)而造成軌道變形，影響列車運(yùn)行安全。因此，極有必要開(kāi)展相應(yīng)的施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析，提出科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)措施，以達(dá)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(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了針對(duì)性研究，如Hyun、Hamidi等基于層次分析法，就盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、選型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析探討［3，4］；Rao、Dai、趙延熹、應(yīng)國(guó)柱等結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全以及施工風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)了多級(jí)綜合評(píng)價(jià)［5-8］?？v觀這些研究結(jié)果，其主要的評(píng)估對(duì)象為隧道結(jié)構(gòu)本身，較少涉及第三方風(fēng)險(xiǎn)（如周邊環(huán)境設(shè)施等）。具體到盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)鐵路方面，既有研究［9-11］多以數(shù)值模擬為主，專門針對(duì)盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論的研究較少。

為此，筆者以長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)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(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)依托工程的實(shí)際情況，采用層次分析法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，以探明其關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源，為后續(xù)加固處治提供直接依據(jù)。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線涂家沖-鐵道學(xué)院站區(qū)間段，從地貌上屬湘江Ⅳ～Ⅴ級(jí)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(zhǎng)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(guó)家Ⅰ級(jí)鐵路，正常行車時(shí)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(guò)。

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(yùn)營(yíng)鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)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(guò)程中，要保證京廣鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。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(xiǎn)源，主要包括以下幾個(gè)方面：地質(zhì)及環(huán)境條件、盾構(gòu)掘進(jìn)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(yùn)營(yíng)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(wú)可避免地導(dǎo)致路基沉降，進(jìn)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(shì)必對(duì)列車的安全運(yùn)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(diǎn)。上下層土體的顯著差異給盾構(gòu)施工帶來(lái)極大的困難，掘進(jìn)參數(shù)稍有差池就可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)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(jī)擾動(dòng)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(duì)盾構(gòu)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)方向產(chǎn)生位移，造成地層損失，進(jìn)而引發(fā)地表沉降，軌道變形。若土艙壓力過(guò)大，掌子面受過(guò)量擠壓，將導(dǎo)致掌子面前方地表隆起，同樣對(duì)上部結(jié)構(gòu)不利［12］。

針對(duì)1號(hào)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(guò)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(jì)算值高15～25kPa。然而，由于富水砂卵石層本身的地質(zhì)特點(diǎn)，在盾構(gòu)施工擾動(dòng)下極易出現(xiàn)開(kāi)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(shí)間與空間，在短距離內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)整，進(jìn)一步增加了施工階段的風(fēng)險(xiǎn)性。

②掘進(jìn)速度：為避免盾構(gòu)機(jī)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(jìn)速度，使盾構(gòu)機(jī)快速通過(guò)。

③同步注漿和二次注漿：在隧道施工過(guò)程中，針對(duì)地層損失主要依賴于同步注漿或二次注漿進(jìn)行彌補(bǔ)。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(jìn)而影響既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

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(jìn)過(guò)程中必須對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。不合理的姿態(tài)調(diào)控將增加地鐵施工的擾動(dòng)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(jī)械故障：砂卵地層中大粒徑卵石對(duì)盾構(gòu)機(jī)損耗極大，一旦出現(xiàn)機(jī)械故障，掘進(jìn)參數(shù)將發(fā)生劇烈變化，盾構(gòu)機(jī)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(jī)組人員的施工經(jīng)驗(yàn)以及操作技術(shù)對(duì)隧道質(zhì)量及施工安全將產(chǎn)生根本性影響。同時(shí)機(jī)組人員的綜合素養(yǎng)，面對(duì)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(xiǎn)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(shí)，必須保證上部鐵路的正常運(yùn)行，有必要在施工前對(duì)其開(kāi)展施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分析，以探明關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源。

3 基于層次分析法的盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 層次分析法的基本原理

層次分析法（AHP）是美國(guó)匹茲堡運(yùn)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(wèn)題上的實(shí)用性和有效性，很快在世界范圍內(nèi)得到重視?？傮w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(píng)價(jià)過(guò)程為：

（1）根據(jù)工程實(shí)際構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)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(duì)的判斷矩陣。設(shè)某層有n個(gè)因素X=｛x1，x2，…，xn｝，要比較它們對(duì)上一層某一準(zhǔn)則的影響程度，確定在該層中對(duì)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(lái)衡量?jī)蓚€(gè)因素之間的相對(duì)重要性，見(jiàn)表1。

進(jìn)一步用aij表示第i個(gè)因素相對(duì)于第j個(gè)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(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。由于判斷矩陣的構(gòu)造過(guò)程中存在人為的主觀因素，為了避免各指標(biāo)相對(duì)重要次序上出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，需要對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)判斷矩陣具有滿意一致性時(shí)，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(jī)一致性指標(biāo)RI，RI值由表2確定。當(dāng)隨機(jī)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(jī)一致性指標(biāo)

（4）層次單排序。

使用判斷矩陣計(jì)算被比較元素對(duì)于上一準(zhǔn)則的權(quán)重，若n個(gè)因素X=｛x1，x2，…，xn｝對(duì)于準(zhǔn)則C的判斷矩陣為A，則記n個(gè)因素x1，x2，…，xn對(duì)于準(zhǔn)則C的相對(duì)權(quán)重為W=｛w1，w2，…，wn｝。權(quán)重的計(jì)算方法有多種，較為常用的簡(jiǎn)化方法是和法，即將判斷矩陣A的n個(gè)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(jì)算組合權(quán)重，根據(jù)組合權(quán)重，選擇風(fēng)險(xiǎn)性比較大的因素。

表3 綜合權(quán)值計(jì)算

3.2 盾構(gòu)下穿既有京廣鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

（1）多級(jí)結(jié)構(gòu)模型的建立。

參考以往盾構(gòu)下穿施工風(fēng)險(xiǎn)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(jiàn)的基礎(chǔ)上，找出主要的、后果嚴(yán)重的9項(xiàng)基本風(fēng)險(xiǎn)，建立富水砂卵地層條件下盾構(gòu)隧道下穿京廣線風(fēng)險(xiǎn)多級(jí)結(jié)構(gòu)模型，如圖2。

（2）判斷矩陣。

對(duì)應(yīng)的判斷矩陣共有4個(gè)，分別為目標(biāo)層A對(duì)準(zhǔn)則層B記為A1；準(zhǔn)則層B層對(duì)指標(biāo)C層的3個(gè)分別記為B1、B2、B3，使用數(shù)值1～9作為比例標(biāo)度來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)因素之間的相對(duì)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(xiǎn)多級(jí)結(jié)構(gòu)模型

（3）一致性檢驗(yàn)。

得到上述判斷矩陣后，便可對(duì)所有判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

①通過(guò)|A-λI|=0來(lái)求解矩陣特征值，記最大λ值為λmax。

②代入式（2）計(jì)算得到一致性指標(biāo)CI；

③查表2-3得到平均隨機(jī)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(jì)算結(jié)果列于表4。從中可見(jiàn)，矩陣A1、B1、B2、B3均滿足隨機(jī)一致性比率CR＜0.1的條件，即認(rèn)為4個(gè)判斷矩陣均具有滿意一致性。

表4 判斷矩陣一致性計(jì)算

（4）權(quán)重向量計(jì)算及評(píng)價(jià)。

分別按照式（4）和表3計(jì)算每個(gè)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(duì)長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線下穿京廣鐵路區(qū)間工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素分別為卵石自穩(wěn)能力差沉降大、注漿不及時(shí)造成地層損失、土倉(cāng)壓力控制不當(dāng)造成地表沉降。

表5 綜合權(quán)值計(jì)算

4 結(jié)論

總結(jié)分析了盾構(gòu)近接施工條件下的常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)因子，進(jìn)而針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線鐵道學(xué)院站—涂家沖站區(qū)間下穿京廣鐵路段的實(shí)際情況，建立了層次分析法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析。結(jié)果表明：長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)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(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)源分別為因卵石自穩(wěn)能力差、盾構(gòu)施工注漿不及時(shí)和土倉(cāng)壓力控制不當(dāng)造成地表沉降。因此實(shí)際施工過(guò)程中需采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，方能保證施工安全以及降低對(duì)既有鐵路的運(yùn)營(yíng)影響，為后續(xù)施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施的制定提供了直接的依據(jù)。

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