盾构隧道施工临近建筑物风险等级评估方法

黎春林, 张际鑫

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000; 2.中交第三航务工程局有限公司，上海 201900)

城市地铁隧道往往需要穿越繁华的商业区、火车站和居民区，盾构隧道沿线邻近建筑物较多。盾构机施工推进时一般伴随着周围地基的扰动，引起土体变形，土体变形形成沉降槽，进而对建筑物地基产生影响，并由地基传递给基础，最后传至上部结构，引起结构的次生内力和变形，严重时可能导致建筑物倾斜甚至倾覆。特别是沿线有许多年代较久的砖混结构多层居民楼，对变形非常敏感，为保护建筑物和保证施工的正常进行，必须对邻近建筑物的盾构施工风险进行分析，根据分析结果采取相应保护措施，以降低盾构掘进对周围建筑物的影响。

地铁隧道施工的风险为当前研究的热点问题之一，EINSTEIN H H首先在地铁工程领域引入风险分析评估理念[1]； REILLY J J提出将风险管理和风险分析应用于具有复杂地层环境的隧道工程[2]；宋浩然等[3]采用风险判断矩阵和专家调查的方法对海底隧道施工进行了风险评估；苗栋[4]运用地质学和模糊数学理论对隧道进行灾害风险评价；陈韶光[5]采用模糊层次评估模型对隧道进行塌方风险评估；陈自海等[6]采用模糊层次分析法，对地铁盾构隧道施工进行风险识别和风险估计，并进一步采用模糊综合评判法进行风险评价；刘祖容等[7]采用层次分析法对盾构法施工中的风险情况进行评估,根据分析结果预判各施工段风险大小。

在盾构施工对临近建筑物影响方面也有一些研究成果。魏纲等[8]利用模糊层次分析法对邻近盾构隧道的建筑物进行安全风险评估，采用专家打分法确定层次分析中各风险评价指标的权重，建立邻近盾构隧道的建筑物风险模糊层次评估模型。任建喜等[9]采用综合模糊层次分析法建立邻近建筑物条件下盾构施工风险评估体系，并以某具体工程为例评估盾构隧道施工风险等级。

综上可以看出，当前盾构施工风险评估主要采用层次分析法和模糊层次分析法建立风险评估体系，其可靠性取决于专家水平，并且需要较多的专家和技术人员参与，评价过程比较复杂，影响最终评价结果的因素较多。为此，本文以层次分析理论为基础，将量化分析和专家经验相结合，提出盾构施工对邻近建筑物影响的风险评估简化算法；在充分考虑盾构隧道沿线地质条件、工程环境、建筑物位置、建筑物建设年代、基础形式等因素的基础上，对盾构隧道施工过程中临近建筑物的风险进行评估，并做出等级划分。

1 建筑物风险性评价系统

1.1 多风险因素影响下的风险评价

首先进行风险单元构成识别，之后，考虑影响风险单元安全的各种因素，对其风险性进行综合评价，并在此基础上确定风险单元的风险等级。地铁盾构隧道施工时，地面建筑物的稳定性主要由以下因素决定：建筑物和隧道相关距离，地质、水文条件，建筑物的基础形式、基础类型及埋深，隧道覆土厚度，施工环境，建筑物等级等。为了量化各建筑物的风险等级，可以引入一个风险值S作为评定依据。风险值S是将以上各要素综合考虑，根据各种影响因素对建筑物稳定性影响程度的不同，确定不同影响因素在风险等级划分时的权重，从而为建筑物的加固处理措施提供具体依据。

影响建筑物安全性的因素很多，在建筑物风险等级评定时要综合各方面因素做出判断，确定建筑物在盾构施工时的状态及安全等级。对于一个单独的风险因素，其风险值Ri可以表述为：

Ri=PiCi。

(1)

式中：Pi为权重；Ci为风险因素分值。

在风险评价过程中，将每个建筑物确定为一个风险点。对于某一风险点，其中包含有多个风险因素，根据每一单独风险因素的风险值累加后得出风险点的风险值S,

(2)

不同影响因素的权重是影响风险评估结果的关键因素，文中的权重采用层次分析法计算。

1.2 基于层次分析法的建筑物风险等级评价

建筑物风险等级评价AHP(层次分析法)的基本方法和步骤如下：构造风险等级评价层次结构，计算各判断矩阵最大特征值及一致性检验，确定组合权重集，建立评价因素集，进行建筑物风险等级综合评判。

1.2.1 构造风险等级评价层次结构

假设某层有n个因子，采用1—9标度来表达各个因子之间的关系，标度越大，则表示两个因子的重要程度差距越大。例如：标度1表示两个因子同等重要；而标度为9则表示一个因子相比另一个因子来说极端重要。

表1 建筑物风险等级评价层次结构

1.2.2 计算各判断矩阵最大特征值及一致性检验

判断矩阵最大特征值可采用和积法或方根法进行计算，这里以方根法为例对其计算步骤作一下介绍。

首先，计算判断矩阵每行的乘积：

(3)

然后，计算Mi的n次方根：

(4)

(5)

W=[ω1，ω2，…，ωn]T。

(6)

进一步求取判断矩阵最大特征值λmax，

(7)

最后，进行一致性检验：

①计算一致性指标CI，

(8)

②计算一致性比例CR，

(9)

式中，RI为平均随机一致性指标，是1 000个根据随机发生的判断矩阵计算的一致性指标的平均值，可通过表2查取。

当CR≤0.1时，可以认为判断矩阵的一致性良好[10]。

表2 随机性指标的数值表

1.2.3 确定组合权重集A

在各层次判断矩阵的基础上，由层次分析法确定指标体系中各因素的组合权重集A。

1.2.4 建立评价因素集R

根据专家意见及地区工程经验建立评价因素集R，各种影响因素下的分值评价标准详见表3。表3中水文地质条件分类的具体标准见表4。

表3 盾构施工临近建筑物风险等级影响因素及评价标准

续表

表4 水文地质条件分类

1.2.5 进行建筑物风险等级综合评判

盾构隧道施工临近建筑物风险是一个模糊概念，它没有明显的风险界限，因此本文采用定性与定量相结合的层次分析方法对风险等级进行评定。从最低层开始进行分析，将低层的评价结果作为高一层的单因素评价集，再对高一层进行评价，直到目标层，风险评估流程如图1所示。

图1 风险评估流程图

其原理是采用层次分析法得到组合权重集A，并根据单因素的评价结果构造评价因素集R，再由评价因素集R和组合权重集A得到风险值S，

S=A·R。

(10)

本文根据盾构隧道施工对周边建筑物影响的实际情况，将风险等级分为4个级别，分别为特级、一级、二级、三级。在4个等级中建筑物的风险性依次递减，各个风险等级是决策加固措施时的重要依据，见表5。

表5 目标层风险等级评定标准

2 案例分析

某城市地铁1号线，结合该地区地质条件及隧道埋深，根据地铁盾构隧道施工的影响范围初步确定隧道边线左、右各20 m 范围内的建筑物为评估对象。下面以盾构隧道下穿南洋花园7号楼为例对本文提出方法的实施方式进行阐述。

该地区南洋花园7号楼共8层，混凝土框架结构，独立基础；与地铁相交，其最远端与隧道中心的距离为33.21 m；房龄13 a，三级建筑物，基础底面与隧道顶面距离7.52 m；水文地质条件简单，施工环境一般。经现场实测，建筑物倾斜度0.3‰，结构完好。建筑物与隧道的相对关系如图2所示。

图2 南洋花园7号楼位置图

2.1 第一层指标评分

根据专家经验，第一层指标评分见表6。

表6 第一层指标评分

建立第一层指标判断矩阵A1，

首先，由式(6)计算得到判断矩阵A1的特征向量:

然后，由式(7)计算得到该判断矩阵的最大特征值：

λmax=4.010 4。

随后，进行一致性指标CI的计算，

查表得平均随机一致性指标RI=0.9。

最后，进行一致性检验，

因此，该矩阵具有良好的一致性，通过一致性检验。

2.2 第二层指标评分

1)建筑物历史资料判断矩阵B1，

首先，由式(6)计算得到判断矩阵B1的特征向量:

然后，由式(7)计算得到该判断矩阵的最大特征值λmax=3.053 6。

随后，进行一致性指标CI的计算，

查表得平均随机一致性指标RI=0.58。

最后，进行一致性检验:

因此，该矩阵具有良好的一致性，通过一致性检验。

2)建筑物与隧道距离判断矩阵B2，

由式(6)解得判断矩阵B2的特征向量：

3)建筑物现状判断矩阵B3，

由式(6)解得判断矩阵B3的特征向量：

再由式(7)求得其最大特征值λmax=3.065，则得一致性指标:

查表得平均随机一致性指标RI=0.58。

进行一致性检验，

因此，该矩阵具有良好的一致性，通过一致性检验。

4)施工条件判断矩阵B4，

由式(6)解得判断矩阵B4的特征向量：

由以上第一层和第二层的指标评分来构建风险评判矩阵，见表7。

表7 风险评判矩阵

由表7可知，各因素的组合权重集A为：

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

根据工程资料，由表3建立评价因素集R，

R=(90 80 60 40 80 90 80 90 80 100)T。

则由公式(10)得到其风险值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。

根据其风险值74.92，查表5可知风险等级为一级，施工时有非常大的风险，必须在盾构隧道施工前对该楼进行相应的预防加固，并制订风险处置措施。

3 结论

1)本文利用层次分析法结合专家经验对盾构隧道施工临近建筑物风险等级进行评估。该方法充分考虑了盾构隧道沿线建筑物等级、建筑结构形式、基础形式、建筑物与隧道轴线水平距离、基础底面与隧道顶面垂直距离、建筑年代、建筑物倾斜、建筑物变形开裂、施工环境复杂情况、沿线水文地质条件等10个因素。

2)本文提出的风险评价指标体系，致力于对盾构隧道施工过程中临近建筑物的风险进行分析，将模糊的风险概念进行量化，根据建筑物风险评估的量化得分确定建筑风险等级，最大限度地消除了专家主观因素对最终评价结果的影响。评价结果可为盾构隧道施工引起的周边临近建筑物安全问题的评估及需采取的加固措施提供理论依据。