CN108520350A - 超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，综合考虑了建筑自身及土层条件的影响，属于岩土工程领域。本发明通过建立盾构穿越建筑的风险分级评价指标体系，以隧道埋深、建筑基础形式、建筑结构类型、隧道穿越方式、建筑结构现状、隧道线型以及地层条件等7项指标，对盾构穿越建筑的风险评估问题进行层次分析。在已建立的评价指标体系基础上，对7项指标各自设置3级风险等级评分及相对权重，并进行加权得到最终风险评估得分，以此确定建筑风险等级，为穿越过程中盾构施工参数的设置与加固保护措施的选取提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法。
背景技术
盾构法技术在我国的应用与发展始于20世纪50年代初，现已成为我国地下隧道开挖的主要施工方法。随着我国经济水平的不断提升，北京、上海、广州、深圳等城市开始大力开发地下空间以解决城市拥堵难题，促使了盾构隧道朝着大直径、长距离、深覆土的方向发展，盾构机也从11m级的中型直径突破至14m级的超大直径盾构。
目前，全世界使用14m级超大直径盾构建设的隧道已达38条。我国超大直径盾构的使用开始于2004年上海上中路越江隧道，此后在南京、杭州、扬州、珠海、武汉等城市的越江隧道工程中也得到了广泛使用。由于超大直径盾构隧道具有综合高效利用地下空间资源的优势，近年来也逐渐被投入到城市区域地下空间的开发之中，成为城市公路隧道和公铁合用隧道建设的新趋势。
城市区域的盾构掘进过程中，难免会遇到需要连续穿越建(构)筑物的特殊工况，由于超大直径盾构在掘进过程中不可避免地会对地层产生一定的扰动，导致穿越施工存在较大风险。穿越建筑施工面临的风险关键在于变形控制，其中主要的评价指标包括建筑自身对变形的抵抗能力、房屋与隧道的空间位置关系、隧道的线型条件以及所穿越土层的工程性质等，是一个多因素影响的综合性问题，需要根据具体风险程度采取对应的施工措施才能保证穿越施工的安全高效完成。而目前我国的盾构法施工主要依靠工程经验作为指导，无法有效合理地对新出现的复杂工况提出风险评估。因此有必要通过对诸多评价指标进行多水平的综合分析，确定盾构穿越建筑的风险程度，以此制定相应的应对措施，保证施工的安全与成功。
发明内容
针对现有技术方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种超大直径盾构连续穿越建筑的多因素多水平风险评估方法，可以综合考虑建筑结构及基础对变形的适应性、穿越隧道与建筑物间的几何关系，以及土层工程特性等因素，以评估盾构穿越建筑的风险程度，为盾构施工参数的设定提供参考。
为实现上述目的，本发明提供了一种超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，该风险评估方法包括步骤：
建立盾构穿越建筑的风险分级评价指标体系，包括选取评价指标，以选取的每项所述评价指标作为一个层次，绘制建筑风险评估层次结构图；
在已建立的所述风险分级评价指标体系基础上，将各项所述评价指标进行重要性排序，通过层次分析法计算出各项所述评价指标的相对权重；将所述风险分级评价指标体系中的每项所述评价指标划分为若干个等级，并对每个等级赋予一评分标准值，得到盾构穿越建筑的各项评价指标的评分标准；
针对任一确定的建筑进行风险评估得分计算：
式中，F为穿越该建筑的风险评估得分；Fi为该建筑单项评价指标的单项风险估值；αi为单项评价指标的相对权重，所有权重总和为1；n为评价指标的项数；
根据计算得到的风险评估得分，对建筑进行风险分级。
本发明一些实施例中，所述选取评价指标的步骤，包括：选取七个评价指标，分别为建筑结构类型、建筑基础形式、建筑结构现状、隧道穿越方式、隧道埋深、隧道线型和地层条件。
本发明一些实施例中，将各项所述评价指标进行重要性排序的排序结果由重至轻依次为：隧道埋深、建筑基础形式、建筑结构类型、隧道穿越方式、建筑结构现状、隧道线型及地层条件。
本发明一些实施例中，所述将每项评价指标划分为若干个等级的步骤，包括：
对于隧道埋深，以1倍隧道直径、1.5倍隧道直径作为界限，将隧道埋深情况划分为浅埋、正常和深埋三个等级；
对于建筑基础形式，以建筑基础深度作为划分依据，将各种建筑基础形式分为无基础、浅基础、深基础三个等级；
对于建筑结构类型，依据建筑层数对建筑构类型进行划分，分为砖混砌体结构、混凝土框架结构和剪力墙或核心筒结构三个等级；
对于隧道穿越方式，依据建筑在Peck公式计算的横向沉降槽内所处位置进行划分，分为下穿、侧穿和无影响三个等级；
对于建筑结构现状，依据房龄、倾斜度及表观裂缝数量进行划分，分为风险高、风险中等和风险低三个等级；
对于隧道线型，以隧道轴线平面曲率600m和1000m为界限，将隧道线型分为急曲线、平缓曲线和直线三个等级；
对于地层条件，针对土体的工程性质分为软弱土、一般土和硬岩三个等级。
本发明一些实施例中，所述通过层次分析法计算出各项评价指标的相对权重的步骤，包括：
将各项评价指标的重要程度进行排序，并根据排序构造判断矩阵；
求出判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量，并将特征向量正规化，得到各项评价指标的相对权重。
本发明一些实施例中，计算所述相对权重的步骤，还包括：
对判断矩阵进行一致性检验，判断由判断矩阵计算所得的相对权重是否可以使用。
本发明一些实施例中，所述风险评估方法还包括：对建筑进行风险分级，作为施工过程中对盾构参数进行调整的依据。
本发明通过建立盾构穿越建筑的风险分级评价指标体系，以隧道埋深、建筑基础形式、建筑结构类型、隧道穿越方式、建筑结构现状、隧道线型以及地层条件等7项指标，对盾构穿越建筑的风险评估问题进行层次分析。在已建立的评价指标体系基础上，对7项指标各自设置3级风险等级评分及相对权重，并进行加权得到最终风险评估得分，以此确定建筑风险等级，为穿越过程中盾构施工参数的设置与加固保护措施的选取提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法中建筑风险评估层次结构图的示意图。
图2为本发明实施例的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法中评价指标重要性排序的示意图。
图3为本发明实施例的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法中Peck公式沉降槽的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明的目的在于提供一种超大直径盾构连续穿越建筑的多因素多水平风险评估方法，可以综合考虑建筑结构及基础对变形的适应性、穿越隧道与建筑物间的几何关系，以及土层工程特性等因素，以评估盾构穿越建筑的风险程度，为盾构施工参数的设定提供参考。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
首先，建立盾构穿越建筑的风险分级评价指标体系，选取建筑结构类型、建筑基础形式、建筑结构现状、隧道穿越方式、隧道埋深、隧道线型以及地层条件等7项指标，绘制建筑风险评估层次结构示意图，如图1所示。
其次，在已建立的层次关系基础上，将7项指标进行重要性排序，如图2所示，并通过层次分析法计算出各指标的相对权重，所有权重总和为1；将体系中每个指标均划分为3个等级，评分情况分别为10、5、1，其中得分越高风险越大，则可得到穿越建筑评价指标评分标准，如表1所示。
表1评价指标评分标准
最后，针对某一确定的建筑物进行最终风险评估得分计算
其中，F—为穿越某建筑的风险总估值；
Fi—为某建筑某项评价指标的单项风险估值，设置10、5、1三级分数；
αi—为某项评价指标的相对权重，所有权重总和为1。
根据以上风险评估得分，结合表2对建筑进行风险分级，作为施工过程中对盾构参数进行调整的依据，进一步提出加固保护措施。
表2风险等级划分表
下面结合附图对本发明的使用作进一步说明。
超大直径盾构穿越房屋建筑是典型的多因素影响问题，评价指标可以分为设备、地质、房屋状况、隧道线型等。本发明拟采用“七因素”进行风险评估，依次为隧道埋深、建筑基础形式、建筑结构类型、穿越方式、建筑结构现状、隧道线型、地层条件。根据以上7个评价指标绘制成建筑风险评估层次结构示意图，如图1。
1、相对权重的确定
本发明参考层次分析法计算各评价指标相对权重。层次分析法是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序和总排序，以作为多目标优化决策的系统方法。
确定权重的基本步骤为：
(1)将7个评价指标的重要程度进行排序，如图2，并根据排序构造判断矩阵；
(2)求出判断矩阵最大特征值及对应的特征向量，并将特征向量正规化后即可得到各评价指标的权重，计算结果见表3；
表3权重计算结果
(3)对判断矩阵进行一致性检验。经过鉴别认为判断矩阵可以接受，因此由判断矩阵计算所得的权重可以使用。
2、评价指标分级
本发明对各评价指标分别设置了3个风险等级作为单项风险的评估。各单项风险等级的具体划分情况如下：
(1)隧道埋深
在覆土不够的情况下，成环隧道普遍容易产生上浮现象，超大直径盾构相较其他盾构而言更加敏感，因此隧道埋深对本工程影响最为显著。当埋深小于1倍隧道直径时，掘进过程造成的土体扰动将非常容易发展至地表形成隆起或塌陷，从而严重影响建筑物的正常使用，这种情况下进行盾构施工的风险非常大；当埋深超过1倍直径后，对地表的影响将随埋深增大而逐渐减小。因此，隧道埋深是盾构掘进过程中对变形控制影响最大的因素之一。参考以往施工经验并结合超大直径盾构的特性，以1倍隧道直径、1.5倍隧道直径作为界限，将隧道埋深情况划分为浅埋、正常和深埋3个等级。其中埋深小于1倍直径为浅埋，埋深介于1～1.5倍直径之间为正常，埋深超过1.5倍直径为深埋。
(2)基础形式
基础形式主要反映建筑物基础抵抗土体变形的能力。常见的基础形式包括无基础、独立基础、条形基础、桩基础等。其中桩基础由于嵌固至深层土体，对于盾构施工引起的土体变形有较好的抵抗能力，即对于桩基础建筑而言，穿越开挖的施工风险较小；而对于独立基础甚至无基础的建筑而言，土体产生的地表位移直接作用在建筑本身，容易引起不均匀沉降，因此施工风险较大。考虑到建筑基础形式较为多样，主要以基础深度作为划分依据，将各种基础形式分为无基础、浅基础、深基础3个等级。其中无基础包括独立柱基础，浅基础包括条形、片筏等大部分浅基础并考虑地下室的情况，深基础则主要包括各类桩基础。
(3)结构类型
结构类型主要反映建筑物自身抵抗变形的能力。常见的结构类型主要有砖混结构、框架结构、框剪结构、核心筒结构等。其中砖混结构对变形的抵抗能力较差，整体延性较小，发生不均匀沉降时容易导致裂缝发展甚至倒塌，穿越施工时风险较大；引入框架、剪力墙、核心筒等构件后，对建筑物的变形抵抗能力及延性都有所提高，施工风险也相应减小。一般而言，建筑结构类型较为多样且直观上不易判断，但由于常见结构类型与建筑物层数关联性较大，因此主要依据层数对结构类型进行划分，分为砖混砌体结构、混凝土框架结构和剪力墙或核心筒结构3个等级。其中砖混、砌体结构主要为多层，混凝土框架结构主要为大部分高层，剪力墙或核心筒结构主要为部分高层及超高层。
(4)穿越方式
穿越方式主要指建筑物与盾构的空间相对位置，是反映盾构施工对建筑物影响程度的主要因素之一。根据位置的远近，穿越方式又可以分为侧穿和下穿两种方式。当建筑物位于盾构上方时，定义为下穿，当建筑物位于盾构施工影响范围内但不在其上方时，定义为侧穿。工程中常用Peck公式对盾构施工引起的地面沉降进行描述，且能够达到较为精确的程度。
Peck公式具体表达式如下：
其中，S—为地面沉降；
Vi—为地层损失率，取决于盾构机施工特性，一般可取为0.004；
D—为隧道直径；
K—为沉降槽宽度系数，取决于地层类型，参考上海地层特性取为0.5；
z0—为隧道埋深；
Kz0—为沉降槽宽度，即沉降槽反弯点；
y—为计算点到隧道中线水平距离。
根据Peck公式，盾构开挖引起的横向地面沉降槽大致以正态曲线的形式分布，盾构正上方沉降量最大，向两侧递减，在1倍沉降槽宽度之内的受到盾构施工影响的程度较大，如图3。因此穿越方式主要依据建筑物在Peck横向沉降槽内所处位置进行划分，分为下穿、侧穿和无影响3个等级。当建筑物位于1倍沉降槽宽度之内时，定义为下穿；当建筑物位于1倍到2倍沉降槽宽度之间时，定义为侧穿；当建筑物位于2倍沉降槽宽度之外时，定义为无影响。
(5)结构现状
即使某建筑的结构和基础形式都对于施工保护有利，如果该建筑具有较大房龄并且已经出现了明显的裂缝与倾斜，施工过程造成的轻微扰动也有可能导致该建筑产生剧烈反应。因此对于结构现状，主要依据房龄、倾斜度及表观裂缝数量进行划分，分为风险高、风险中等和风险低3个等级。房龄大于30年，倾斜度较大，表观裂缝较多的建筑存在安全隐患，为风险高；房龄介于10年到30年之间，倾斜度较小，表观裂缝数量一般的建筑为风险中等；房龄小于10年，倾斜度较小，表观裂缝较少的建筑为风险低。
(6)隧道线型
隧道线型指的是盾构隧道轴线的平面形状，主要涉及施工难度。最常见的线型是直线型，也是最容易施工的线型。但对于需要穿过城市区域的隧道工程，为了尽可能地避开建筑基础及地下管线等已有的建构筑物，个别区段必须采用曲线型进行施工。隧道平面曲率越小，转弯越急，越容易出现曲线偏移等问题，进而影响地表建筑物的安全。因此以隧道轴线平面曲率600m和1000m为界限，将隧道线型分为急曲线、平缓曲线和直线3个等级。其中平面曲率小于600m为急曲线，平面曲率介于600m与1000m之间为平缓曲线，平面曲率大于1000m为直线段。
(7)地层条件
本发明考虑的地层条件是指盾构所穿越部分土体对应的地层条件，是与盾构隧道发生最直接接触的地层，其性质的好坏强弱直接关系到盾构扰动向其他土体及地表的传递。针对该部分土体的工程性质分为软弱土、一般土和硬岩3个等级。一般认为，软弱土具有天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小等特点，可以认为除去软弱土和硬岩后，大部分土体性质接近，属于一般土。
具体考虑以上7个评价指标对穿越风险的影响程度之后，将每个因素都划分为危险、一般和安全3个等级，并将3个等级的单项风险估值设为10、5、1以区分某建筑在各单项因素中的风险程度，其中10分为危险、5分为一般、1分为安全。获取某一幢建筑的具体信息之后，根据以上标准确定单项风险估值，并与对应权重相乘后累加，即可得到该建筑的总风险估值，估值越高风险越大。根据这一估值及表2，可以对该建筑评以风险等级，作为施工参数调整以及安全加固措施设置的参考。
3、实例
某3层建筑，结构类型为砖混结构，基础形式为条形基础，与隧道边线平面净距为2.7m，经测量发现该建筑最大倾斜率向北为17.7‰，向东9.2‰；隧道直径为15m，覆土厚度为15.5m，隧道平面曲线半径为500m，所穿越地层主要为淤泥质及粉质粘土。
如表1所示，对该建筑进行逐项评价指标风险评分如下：
(1)覆土厚度大于1倍隧道直径，隧道埋深一项评分为5；
(2)基础形式为条形基础，基础形式一项评分为5；
(3)结构类型为砖混结构，结构类型一项评分为10；
(4)根据Peck公式(沉降槽计算公式)可知，该建筑位置对应沉降槽宽度为7.75m，而建筑平面净距为2.7m，小于沉降槽宽度，穿越方式一项评分为10；
(5)建筑向北最大倾斜率为17.7‰，超过10‰，结构现状一项评分为10；
(6)隧道平面曲线半径为500m，属于急曲线情况，隧道线型一项评分为10；
(7)盾构穿越地层主要为软弱土，地层条件一项评分为10。
综上可得该建筑风险评估总分为
根据表2，该建筑风险评估得分处于4.5至8.0之间，属于II级(较危险)风险建筑，穿越过程中盾构施工参数应尽可能保守，且需要对该建筑采取通用措施进行保护加固，例如在衬砌上增设注浆孔与剪力销以严格控制施工过程中隧道的位移、对隧道内部及地面房屋位移变化进行实时采集等。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法包括步骤：
建立盾构穿越建筑的风险分级评价指标体系，包括选取评价指标，以选取的每项所述评价指标作为一个层次，绘制建筑风险评估层次结构图；
在已建立的所述风险分级评价指标体系基础上，将各项所述评价指标进行重要性排序，通过层次分析法计算出各项所述评价指标的相对权重；将所述风险分级评价指标体系中的每项所述评价指标划分为若干个等级，并对每个等级赋予一评分标准值，得到盾构穿越建筑的各项评价指标的评分标准；
针对任一确定的建筑进行风险评估得分计算：
式中，F为穿越该建筑的风险评估得分；Fi为该建筑单项评价指标的单项风险估值；αi为单项评价指标的相对权重，所有权重总和为1；n为评价指标的项数；
根据计算得到的风险评估得分，对建筑进行风险分级。
2.如权利要求1所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，所述选取评价指标的步骤，包括：选取七个评价指标，分别为建筑结构类型、建筑基础形式、建筑结构现状、隧道穿越方式、隧道埋深、隧道线型和地层条件。
3.如权利要求2所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，将各项所述评价指标进行重要性排序的排序结果由重至轻依次为：隧道埋深、建筑基础形式、建筑结构类型、隧道穿越方式、建筑结构现状、隧道线型及地层条件。
4.如权利要求2所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，所述将每项评价指标划分为若干个等级的步骤，包括：
对于隧道埋深，以1倍隧道直径、1.5倍隧道直径作为界限，将隧道埋深情况划分为浅埋、正常和深埋三个等级；
对于建筑基础形式，以建筑基础深度作为划分依据，将各种建筑基础形式分为无基础、浅基础、深基础三个等级；
对于建筑结构类型，依据建筑层数对建筑构类型进行划分，分为砖混砌体结构、混凝土框架结构和剪力墙或核心筒结构三个等级；
对于隧道穿越方式，依据建筑在Peck公式沉降槽内所处位置进行划分，分为下穿、侧穿和无影响三个等级；
对于建筑结构现状，依据房龄、倾斜度及表观裂缝数量进行划分，分为风险高、风险中等和风险低三个等级；
对于隧道线型，以隧道轴线平面曲率600m和1000m为界限，将隧道线型分为急曲线、平缓曲线和直线三个等级；
对于地层条件，针对土体的工程性质分为软弱土、一般土和硬岩三个等级。
5.如权利要求1所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，所述通过层次分析法计算出各项评价指标的相对权重的步骤，包括：
将各项评价指标的重要程度进行排序，并根据排序构造判断矩阵；
求出判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量，并将特征向量正规化，得到各项评价指标的相对权重。
6.如权利要求5所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，计算所述相对权重的步骤，还包括：
对判断矩阵进行一致性检验，判断由判断矩阵计算所得的相对权重是否可以使用。
7.如权利要求1所述的超大直径盾构连续穿越建筑的风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法还包括：对建筑进行风险分级，作为施工过程中对盾构参数进行调整的依据。
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