复杂条件盾构近距离侧穿施工风险控制方法研究_郭旭东.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.018作者简介：郭旭东（1989-），男，本科学士，工程师，主要从事轨道交通结构设计工作。E-mail：0引言随着我国城市化的快速推进，地下空间的开发及对应工程数量、规模都在迅速增加。在我国大城市及部分城市核心地区，新建地下工程所需面临的周边环境限制也愈发严苛。盾构隧道工法因在施工时处于地下暗挖状态，施工技术机械化程度较高，且具备自动化及同步推拼等技术发展前景，现已成为修建城市轨道交通等工程时的首选工法1。在城市核心区采用盾构法修建轨道交通时，隧道施工对临近既有建筑物的影响一直是城市化进程中需要面临的难题。出于既有地下构筑物限制或是为其他工程项目留出空间等目的，隧道不可避免地需要近距离侧穿既有构筑物如建筑或桥梁基础、地铁隧道等。施工过程中新建盾构隧道将对周边地层产生扰动，进而对既有构筑物造成不利影响，导致较高的工程风险2。故而在复杂地层及近距离侧穿周边构筑物条件下，盾构隧道施工对环境保护的要求及对既有构筑物扰动的要求就格外严格。为控制施工风险以满足工程要求，往往需要对工程进行施工风险评估，选择合适的施工控制措施，使盾构隧道施工对周边环境造成的影响处于可接受范围。针对盾构隧道施工时对周边环境的影响这一难题，不少学者和工程师都开展了创新性研究和实践。胡云龙等人3基于有限元方法，分析了盾构隧道施工对既有隧道及管线的影响，得到了地表和既有隧道、管线位移规律；NEJAD 等人4建立了三维有限元模型，分析了盾构隧道施工侧穿时对大桥基础的影响，提出施工控制指标。相比使用数值分析手段，现场监测依托于实际工程，更容易有效且直观地获得实际隧道施工时对周边建筑物的影响，并能与数值分析结果相互对比印证。如魏纲等人5在双线盾构隧道施工全过程对近距离建筑物和地表的沉降进行了监测，研究了盾构隧道掘进过程中不同位置和类型建筑物的沉降规律，并给出了相应施工控制措施。数值分析及现场监测能具体揭示盾构隧道施工时的影响效果，但实际施工时的条件往往存在诸多变异性、复杂性和不确定性，故而隧道施工对周边环境影响问题同样应开展施工风险评估，如黄宏伟等人6利用专家调查法和城市信息模型（CIM）对上海长江盾构隧道施工风险进行了定量计算和评估。既有的研究及工程实践主要针对盾构隧道施工过程周边既有建筑物及环境所受影响开展了数值模复杂条件盾构近距离侧穿施工风险控制方法研究郭旭东（广州地铁设计研究院股份有限公司广州510010）摘 要：为控制盾构隧道在城市复杂环境下近距离侧穿既有建筑物的施工风险，提出了一种施工风险控制方法。方法基于专家建议，采用模糊层次分析法对风险因素进行识别和评价，结合施工过程三维数值模拟得到关键控制指标，进一步形成施工方案和联合应急预案。将该方法实践应用于某盾构隧道近距离侧穿既有变电站工程，有效通过风险因素评价与分析形成了施工方案，并采用试验段施工优化和信息化监控平台等技术实时调整施工参数与控制指标。研究为相近项目提供了设计、施工、风险管理经验和应用参考。关键词：盾构隧道；近距离侧穿；风险评价；指标分析；信息化监控中图分类号：TU714文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-077-06Research on Risk Control Method of Shield Construction Adjacent to Existing BuildingResearch on Risk Control Method of Shield Construction Adjacent to Existing Buildingin Complex Surrounding Environmentin Complex Surrounding EnvironmentGUO Xudong（Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.Guangzhou 510010，China）AbstractAbstract：In order to control the risk of shield tunnel construction adjacent to existing buildings in complex urban environment，a construction risk control method is proposed.Based on expert advice，FAHP（fuzzy analytic hierarchy process）is conducted to identify and evaluate risk factors.Combined with 3D numerical analysis，key construction control indicators are obtained.Construction and joint emergencyplans are proposed at last.This method was applied to a shield tunnel construction adjacent to an existing substation.The construction planwas successfully proposed through the evaluation and analysis of risk factors.The construction parameters and control indicators were optimized in real time by test section construction and information monitoring platform.The research also provides experiences for design，construction，and risk management of subsequent similar projects.Key wordsKey words：shield tunnel；adjacent construction；risk evaluation；indicator analysis；information monitoring77郭旭东：复杂条件盾构近距离侧穿施工风险控制方法研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期型分析、现场监测试验和施工风险评估及管理研究。但是，面对不同的复杂环境和盾构隧道施工要求，仅依靠施工风险评估的控制措施并不完善，风险识别、风险评估、具体模型分析并未充分结合。本文在文献综述和工程实践的基础上，提出了一种城市核心区复杂环境下盾构隧道侧穿既有建筑物的施工过程的风险控制方法。结合项目本身特点、建设单位以往风险管理经验、专家建议等，识别了主要风险因素，利用模糊层次分析法（FAHP）对不同的施工安全风险因素进行评价，建立数值模拟分析模型，得到主要风险控制指标。最后提出针对性施工风险控制措施，建立联合应急响应机制。建议在施工时，设立试验段，结合实时监控反馈分析对施工参数进行实时调整和优化，确保施工安全。1施工风险控制方法1.1主要流程基于现有文献调研及工程经验，针对盾构法隧道在复杂条件下侧穿既有建筑物的施工风险控制问题，本文提出一种施工风险控制方法，主要步骤如下：基于工程条件、工程经验及专家建议的施工风险因素识别；基于模糊层次分析法（FAHP）的风险因素评价；基于三维数值模拟分析的风险控制指标计算及分析；针对性施工控制措施制定与工程实践。1.2风险控制过程详述1.2.1施工风险因素识别施工风险具有不确定性和变异性，尤其是项目设计阶段，受勘测水平及各方面条件限制，往往无法准确地预知每一个施工过程中可能出现的未知因素，而这类意外风险因素将极有可能导致风险事故的发生，并进而造成安全、经济危害，造成广泛的社会影响。一般而言，在进行施工过程风险因素识别时，应充分借鉴施工单位既有施工经验以及相近环境条件下的施工经验。但需要注意的是，不同工程面临的周边环境及周边建筑物条件也不尽相同，故而不同工程的风险识别及分析过程也会有所区别。施工风险因素识别时，应根据盾构隧道所处环境及侧穿构筑物特点，参考相关文献、以往经验、专家建议，筛选并分析主要施工风险因素。1.2.2FAHP风险因素评价基于识别风险，采用模糊层次分析法（FAHP）对不同风险因素进行风险评价7，步骤如下：风险因素集建立以施工风险作为总目标，建立一级因素层和二级因素层，形成下级因素两两比较相对上级因素重要性的模糊一致矩阵，求得对应权重值，进一步计算得到二级因素相对于施工风险总目标的权重；风险等级评价将风险等级评价分为5个等级，分别是C1、C2、C3、C4和C5，分别表示非常危险、危险、一般、相对安全和安全。基于专家打分结果，对风险的发生概率和风险发生后果进行组合，得到风险的对应等级评价向量；施工风险总目标风险评价计算施工风险总目标评价向量，并根据最大隶属度得到施工安全风险等级，最后对评估结果进行有效性检验。根据风险分析确定施工安全风险等级，得出主要风险因素，为相应的施工控制措施和施工全过程的风险控制奠定基础。1.2.3数值模型指标计算在具体工程条件和风险分析的基础上，建立三维数值模拟分析模型，对盾构隧道侧穿既有建筑物的施工全过程进行模拟，分析施工过程的风险控制指标，评价施工过程的安全性。1.2.4施工措施与实践前序步骤采用模糊层次分析法对施工风险因素进行了定量评价分析，采用数值模型定量分析了施工关键控制指标，为施工的风险控制方案提供了重要依据。基于分析结果，编制施工控制方案和联合应急反馈机制，在施工初期设置试验段以积累施工经验，施工时通过信息监控系统实时对施工参数及控制指标进行实时监测和动态优化，保证施工的安全性，控制施工风险。2风险控制方法实践2.1工程概况作为实践案例的某地铁盾构隧道将侧穿某已建变电站，隧道含左右两线，左线施工较早，晚施工的右线侧穿变电站距离更近。变电站采用管桩基础，桩径为0.4 m，桩长约8.317.0 m，桩端支承于强风化粉砂岩层。盾构隧道埋深约为23.8 m，隧道外径6.4 m。盾构隧道侧穿变电站平面位置关系如图1所示，其中隧道距变电站外墙的最小水平净距约为2.0 m，盾构隧道与变电站桩基础的最小水平净距约为1.5 m，与变电站桩基础的最小竖向净距约为5.4 m。图1盾构隧道与被侧穿变电站位置关系Fig.1The Positional Relationship between ShieldTunnel and Existing Substation盾构掘进方向左线（先施工）右线（后施工）变电站19.7m外墙2.0m（基础1.5m）78广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期该项目中，隧道与变电站桩基水平和竖向距离均较近，两次穿越彼此之前亦相互影响，从工程复杂度、施工困难度角度，均存在一定工程风险。故需采用针对性施工风险控制措施，保证待建隧道、已建结构和周边环境安全。2.2施工风险因素识别充分考虑项目特点，基于专家评价将识别风险一级因素和二级因素汇总于表1（本实例仅关注盾构在穿越变电站影响范围内的施工风险）。经分析识别，施工风险主要存在于工程地质及周边环境、变电站条件、施工穿越阶段和隧道条件等4个方面，一级因素的上一层为施工总目标，即隧道近距离侧穿变电站施工风险。2.3风险因素评价一 级 因 素 层 代 表 不 同 方 面 的 风 险，记 录 为M1M4，如表1所示。每个一级因素下都包含不同的二级风险因素，如变电站条件M2包含基础形式、建筑结构类型等5个二级因素，标记为M21M25。根据两两比较重要性构