地铁暗挖车站施工对密集建筑群的影响和风险分析.pdf

收稿日期2012 －07 －24 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划项目 2012BAK24B01 ;教育部青年教师科研启动基金资助项目 N110301003 ． 作者简介赵文 1962 － ， 男， 辽宁沈阳人， 东北大学教授， 博士生导师． 第34卷第1期 2013 年 1 月 东北 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Journal of Northeastern University Natural Science Vo l． 34， No． 1 Jan．2 0 1 3 地铁暗挖车站施工对密集建筑群的影响和风险分析 赵文，韩利，关永平，李慎刚 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819 摘要为确保地铁车站施工期间周边建筑物的安全性和正常使用要求， 提出基于风险分析的施工安全 管理流程， 从既有建筑物安全风险评估、 风险控制措施及地层加固措施等几方面探讨了地面沉降、 既有建筑物 等关键施工节点出现风险事故的机制及其防范措施． 工程实践表明， 中街站主体结构施工结束后地表沉降及 邻近地面建筑物的沉降值均在合理范围以内， 验证了施工安全管理流程中规定的风险控制标准以及施工措 施的合理性， 有效降低了施工期间邻近建筑物面临的倾斜、 沉降过大等风险． 关键词浅埋暗挖法; 风险分析; 安全管理; 地表建筑物; 风险事故 中图分类号TU 473文献标志码A 文章编号1005 －3026 2013 01 －0140 －04 Risk Analysis of Existing Buildings During Excavation of Metro Station Using Shallow Tunneling ZHAO Wen，HAN Li，GUAN Yong- ping，LI Shen- gang School of Resources ＆ Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China． Corresponding authorZHAO Wen，E- mailwenneu163． com AbstractA construction safety management process was proposed based on the risk analysis theory，which is used to prevent building collapse and control the key risk factors during the metro station construction． The mechanism of the risk accidents and their prevention measures were studied based on the risk assessment of existing buildings，measures for risk control and ground consolidation．After the construction ofZhongjie Station， ground surface settlement and inclination of existing buildings were successfully controlled，which verified the reasonableness of the construction measures and the risk control standards set forth in the construction safety management process． The proposed ology was shown to be effective in managing the risks of over- inclination and excess- settlement． Key words shallow tunneling ;risk analysis;safety management;ground surface buildings;risk accident 由于地下工程施工的特殊性， 受地质条件的 不确定性、 施工方法和设计参数的变异性、 施工技 术水平和管理水平等多方面因素的影响， 使得浅 埋暗挖法地下工程的建设过程中， 很容易发生地 面沉降过大、 地面建筑物破坏以及管线破坏等许 多风险事故 ［1 －2 ］． 自 1965 年著名岩土工程专家 Casagrande 在 太沙基论坛上首次提出“计算风险” 以来， 风险理 论在岩土工程中已经取得较多的研究成果， 并且 逐渐发展成为用于考虑和评估工程实践中诸多不 确定性因素的技术手段， 用来减少工程施工中的 事故发生率及灾害损失 ［3 －4 ］． Minott 及 Einstein 等针对地质分布条件的不确定性对隧道建设费用 的影响建立了基于隧道建设费用的地质学概化模 型 ［5 －7 ］． 本文以洞桩法施工的沈阳地铁中街站为 工程背景， 提出基于风险分析的施工安全管理流 程， 从既有建筑物安全风险评估、 风险控制措施及 加固措施等几方面探讨了地面沉降、 既有建筑物 等关键施工节点出现风险事故的机制及其防范 措施． 1工程概况 中街站设计范围包括自车站起点里程 DK17 880. 567 至车站终点里程 DK18 114. 267， 车站 有效站台中心里程为 DK17 982. 667． 车站全长 233. 7 m， 包括车站主体及通道、 出入口、 疏散通道、 直升电梯、 风道、 风井． 车站为双层单跨岛式车站． 站体外包尺寸 长度 224. 7 m， 标准段宽度 19. 7 m， 站台中心处覆土厚度约 8. 590 m， 底板底部埋深 24. 89 m． 本工点勘察深度范围内的地层结构由全 新统人工填筑层 Q4ml 、 全新统浑河新扇冲洪积 层 Q41al pl 、 上更新统浑河冲洪积层 Q32al pl 、 下更新统冰水沉积相地层 Q1fgl 组成． 2既有建筑物安全风险评估 2. 1既有地面建筑物 沈阳市地铁一号线中街站位于沈阳市沈河区 朝阳街与中街步行街交叉口， 周边重要建筑很多， 有老边饺子馆、 沈阳商业城、 女人世界、 光陆电影 院、 玫瑰大酒店、 沈阳北方贸易大厦等． 各建筑物 情况见图 1． 其中玫瑰大酒店年代较为久远， 并且楼层高 度达 70 m， 其西侧紧邻中街站 1 号临时施工通道 3 号出入口 ， 外墙边缘与开挖外边缘的距离为 2. 76 m． 玫瑰大酒店北侧 正门 紧邻中街站主体 南侧， 距离中街站开挖外边缘4. 0 m． 这在国内外 地铁施工中比较少见． 如何保证周围建筑物的安 全， 是整个工程施工的重点和难点． 图 1地面既有建筑物轮廓图 Fig. 1The layout of existing buildings 2. 2地铁施工地表沉降预测 借助 FLAC3D 有限差分软件， 建立洞桩法开 挖模型， 针对中街站的开挖工况以及洞桩法的施 工特点进行模拟， 着重分析隧道开挖各工况的地 表沉降变化规律． 洞桩法工序复杂， 数值计算中将 施工过程主要分为以下几步 ① 开挖小导洞; ② 施工围护桩及中柱; ③ 施工拱部结构; ④ 开挖并 施作主体结构; ⑤ 施作主体结构二衬． 数值模型几何尺寸的宽度为 90 m， 地层厚度 为 60 m． 视各土层为理想弹塑性材料， 计算中采 用摩尔库仑屈服准则［8 ］． 支护体系采用理想线弹 性模型， 考虑到混凝土的硬化过程及实际工程中 的支护延迟性， 对初期支护结构的弹性模量折减 至 3 GPa， 为实际值的 1/10 左右 ［9 －10 ］． 各土层及 支护结构力学参数见表 1． 表 1土层及支护结构的计算参数 Table 1Mechanical parameters of soil layer and retaining structure 土层及支护结构厚度/m弹性模量 E/MPa黏聚力 C/kPa内摩擦角 φ/ 重力密度 γ/ kN m －3 泊松比 杂填土6. 207. 9451320. 10. 45 中粗砂5. 8027. 421. 530. 718. 150. 26 砾砂2. 427. 421. 534. 718. 150. 26 圆砾6. 9981. 736. 720. 00. 23 初期支护0. 33 0002 5000. 25 围护桩0. 8 直径30 0002 5000. 25 由图2 可看出， 小导洞开挖引起的地表沉降占 总沉降值的 61.45 左右， 影响最大， 其特点为沉降 槽深度较大， 但是宽度较小， 说明影响范围有限; 其 次为扣拱施工引起的地表沉降较大， 占总沉降值的 21.34 ; 由于扣拱跨度大， 开挖过程中结构受力转换 复杂， 建筑物地基压力对边导洞一侧产生挤压， 引起 导洞一侧及土体水平位移， 使楼房基础产生不均匀 沉降， 从而影响建筑物安全， 存在较大的风险． 主体 开挖时， 由于竖向大框架支撑系统已经形成， 且作用 其上的荷载增加又不明显， 故此阶段引起的地层沉 降较小． 最终的施工后地表沉降云图如图3 所示， 地 表沉降最大值为112.7 mm， 位于地表中心点． 3建筑物风险控制措施 3. 1施工过程风险控制 由于中街站周边建筑物施工隔离桩基本没有 空间， 且隔离桩施工对中街环境、 商铺经营影响巨 141第 1 期赵文等地铁暗挖车站施工对密集建筑群的影响和风险分析 大， 隔离桩措施难以实施． 因此采用通过注浆改良 地层、 设置预应力锚索及超前支护等有利措施保 护周边建筑物及地下管线． 具体措施如下 图 2地表沉降随开挖步变化曲线 Fig. 2Ground surface settlement variation with construction step 图 3中街站主体施工后地表沉降云图 Fig. 3Contour of ground surface settlement 1地表袖阀管注浆改良拱顶上部地层及加固 建筑物基础． 采取袖阀管注浆改良的拱顶上部地层 深度范围为地面下3.0 m 处至拱顶上1.5 m 改良地 层厚度3.0 ～5.0 m ．注浆孔梅花型布置， 排距1.0 m． 注浆技术参数 浆液配比 mw∶ mc0.8∶1， 扩散半径 0.7 m， 注浆速度50 L/min， 注浆压力0.4 ～0.6 MPa． 2导洞内部侧向注浆加固建筑物基础， 导洞 外侧房屋基础加固． 在边导洞采用径向导管注浆 加固措施， 即在初期支护侧壁上破除表面， 布置 1. 0 m 1. 0 m梅花形注浆孔． 注浆采用前进式分 段注浆， 注浆液采用水灰质量比为 0. 8∶ 1 的水泥 浆， 注浆压力 0. 8 ～1. 0 MPa． 3导洞靠建筑物侧设预应力锚索． 扣拱施工 过程中， 建筑物地基压力将对边导洞外侧产生挤 压， 引起导洞侧向位移， 加大地层沉降， 使建筑物产 生差异沉降． 为确保周边建筑物的安全， 导洞靠建 筑物侧设预应力锚索， 通过施加锚索预应力， 确保 扣拱施工结构受力转换过程中， 导洞外侧壁不会因 为建筑物地基侧压而发生位移， 控制地层沉降． 4双层导管注浆超前支护． 为最大限度地发 挥扣拱顶部土体承载拱的承载能力， 控制地表沉 降， 保护周边建筑物及管线， 采用双层导管超前预 注浆的方式来加固土体． 上层注浆管注浆采用水 泥浆液， 下层注浆管注浆采用固沙剂浆液， 注浆压 力 0. 8 ～1. 0 MPa， 施工时注浆压力需严格控制， 防止出现压力过大造成地面隆起危及管线． 3. 2监控量测风险控制 本工程中监测基准值的管理标准分三级， 即 预警值、 报警值和极限值， 分阶段进行控制． 预警 值为管理基准值的 0. 7 倍， 报警值为管理基准值 的 0. 85 倍， 极限值为管理基准值的 1. 0 倍． 专家 组给出的监控量测基准管理值各项指标中建筑物 绝对沉降值为 40 mm， 差异沉降值为 0. 002 L L 为建筑物在垂直于地铁车站开挖方向的长度 ， 地表沉降的控制值为 140 mm． 国内外很多工程表 明， 地表沉降允许值控制在 30 mm 以内是不合理 的． 实际的建筑物沉降曲线如图 4 所示． 由图 4 可 看出， 玫瑰大酒店的最终沉降量为 19. 3 mm， 说明 施工过程中采取的地层注浆、 预应力锚索、 超前支 护等有利措施具有显著的控制地层移动的效果， 使 得距离中街站开挖外边缘仅 4. 0 m 的玫瑰大酒店 沉降量不足20 mm， 完全避免了风险事故的发生． 图 4玫瑰大酒店沉降曲线图 Fig. 4Settlement curves of Meigui Hotel 下转第 148 页 241东北大学学报 自然科学版第 34 卷 6结论 本文提出了能反映利润与风险相互关系的条 件乐观期望利润的概念， 并利用其研究了强强合 作供应链的优化与协调问题． 建立了随机需求下 强强合作供应链的条件乐观期望利润模型、 基于 条件乐观期望利润最大的订购量模型及协调供应 链的最优收入共享契约模型． 分析了零售商和供 应商的抗风险能力及决策者的风险偏爱程度对供 应链的优化与协调的影响． 参考文献 ［1］Gan X H， Sethi S P， Yan H M．Channel coordination with a risk- neutral supplierandadownside- risk- averseretailer ［J］ ． Production and Operations Management， 2005， 14 1 80 －89． ［2］Agrawal V，Seshadri S． Impact ofuncertaintyandrisk aversion on price and order quantity in the newsvendor problem［J］ ． Manufacturing Service Operation Management， 2000， 2 4 410 －413． ［3］Chen F， Xu M H， Zhang G． A risk- averse newsvendor model under the CVaR criterion［J］ ． Operations Research， 2009， 57 4 1040 －1044． ［4］Yang L， Xu M H， Yu G， et al． Supply chain coordination with CVaR criterion［ J］ ． Asia- Pacific Journal of Operational Research， 2009， 26 1 135 －160． ［5］Buzacott J，YanHM，ZhangHQ． Riskanalysisof commitment- option contracts with forecast updates［J］． IIE Transactions， 2011， 43 415 －431 ［6］Mortimer J H． The effects ofrevenue- sharingcontracts on welfare in vertically separated markets evidence from the video rental industry［ R］ ． Cambridge Harvard University， 2000． ［7］Gerchak Y， Cho R， Ray S． Coordination and dynamic shelf- space management of video movie rentals［R］． Waterloo University of Waterloo， 2001． ［8］Cachon G P， LariviereM A． Supply chain coordination with revenue- sharing contractsstrengths and limitations ［J］． Management Science， 2005， 51 1 30 －44． ［9］Giannoccaro I， Pontrandolfo P． Supply chain coordination by revenue sharingcontracts ［J］． International Journal of Production Economics， 2004， 89 1 131 －139． ［ 10］ Rockafellar R T，UryasevS． Optimizationofconditional value- at- risk［J］． Journal of Risk， 2000， 2 21 －42 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼 ． 上接第 142 页 4结论 1针对地表密集的建筑群， 沈阳地铁中街站 在施工过程中成功实施了以既有建筑物安全风险 评估、 施工过程数值模拟预测、 施工过程风险控制 及监控量测为主的地铁施工安全管理流程． 2采用洞桩法施工的中街站主体结构施工 结束后， 距开挖外边缘仅 4. 0 m 的玫瑰大酒店沉 降量为 19. 3 mm; 说明洞桩法施工工艺及采取的 地层注浆、 预应力锚索、 超前支护等有利加固措施 具有显著的控制地层移动的效果． 参考文献 ［1］Casagrande A． The role of‘calculated risk’in earthwork and foundation engineering ［J］ ． Journal of Soil Mechanical Devision， ASCE， 1965， 91 4 1 －40． ［2］Burland J B． Measurement of ground displacement around deep excavation［C］/ /Symposiums on Field Instrument in Geotechnical Engineering． London Halsted Press， 1974 70 － 84． ［3］You K， Park Y， Lee J S． Risk analysis for determination of a tunnel support pattern［J］． Tunnelling and Underground Space Technology， 2005， 20 5 479 －486． ［4］边亦海． 基于风险分析的软土地区深基坑支护方案选择 ［ D］． 上海 同济大学， 2006． Bian Yi- hai． Design of support scheme in soft soil zone based on the risk analysis［D］ ． Shanghai Tongji University， 2006． ［5］Minott C H． The probabilistic estimation ofconstruction perance in hard rock tunnels［R］． Washington D C National Science Foundation， Research Applied to National Needs RANNProgram， 1974． ［6］Einstein H H．Tunnellingindifficultground- swelling behavior and identification of swelling rocks［J］ ． Rock Mechanics and Rock Engineering， 1996， 27 3 113 －124． ［7］Einstein H H． Risk and risk analysis in rock engineering［J］． Tunnelling and Underground Space Technology， 1996， 11 2 141 －155． ［8］房倩， 张顶立， 侯永兵， 等． 浅埋暗挖地铁车站的安全风险 控制技术［J］． 北京交通大学学报， 2010， 34 4 16 －21． Fang Qian， Zhang Ding- li， Hou Yong- bing， et al． Safety risk control technology of urban subway with shallow tunnel construction ［J］． JournalofBeijingJiaotong University， 2010， 34 4 16 －21． ［9］Fang Q， Zhang D L，Wong L N Y． Environmental risk managementforacrossinterchangesubwaystation construction in China［J］． Tunnelling and Underground Space Technology， 2011， 26 6 750 －763． ［ 10］ 王晶， 谭跃虎， 王鹏飞， 等． 地铁隧道施工过程中风险分析 与控制［ J］ ． 解放军理工大学学报， 2009， 10 4 379 －383． Wang Jing， Tan Yue- hu， Wang Peng- fei， et al． Risk assessment on subway tunnel engineering during construction process［ J］ ． Journal of PLA University of Science and Technology， 2009， 10 4 379 －383． 841东北大学学报 自然科学版第 34 卷