隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)判

范玉祥， 何亞伯， 汪 琴， 李 祺

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071)

近年來(lái)，全國(guó)各地鐵路、輕軌鐵路、磁懸浮鐵路、高速公路、城市高等級(jí)公路等建設(shè)掀起高潮。隧道施工是鐵路和公路建設(shè)施工中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，建立有效的隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是確保隧道施工安全的關(guān)鍵。針對(duì)隧道施工條件復(fù)雜、施工條件惡劣、不確定性因素較多等施工特征，本文提出了隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)判方法。

綜合評(píng)判是對(duì)多種屬性的事物，或者說(shuō)其總體優(yōu)劣受多種因素影響的事物，做出一個(gè)能合理地綜合這些屬性或因素的總體評(píng)判。模糊邏輯是通過(guò)使用模糊集合來(lái)工作的，是一種精確解決不精確不完全信息的方法，其最大特點(diǎn)就是可以比較自然地處理人類(lèi)思維的主動(dòng)性和模糊性。本文根據(jù)隧道工程施工的特點(diǎn)，確定隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊估計(jì)，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣，從而確定隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)。

1 工程概況

本項(xiàng)目屬于廈門(mén)市城市快速公路上的一座分離式車(chē)行隧道，總體呈南北走向，為雙向六車(chē)道特長(zhǎng)隧道，單洞凈寬13.5 m，凈高5.0 m，總長(zhǎng)1850 m。其中650 m采用淺埋暗挖法施工； 1200 m為明挖法施工。洞身段圍巖以殘積亞粘土、砂礫狀～碎塊狀全～強(qiáng)風(fēng)化正長(zhǎng)巖和花崗巖為主，地下水埋深2～4 m，地質(zhì)條件差；地面建筑物大部分為60～70年代建造的磚混結(jié)構(gòu)，極少數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且大部分房屋位于軍事管制區(qū)內(nèi)，不僅容易產(chǎn)生開(kāi)裂等事故，而且一旦發(fā)生事故較難協(xié)調(diào)處理。因此在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中要充分重視隧道工程對(duì)周邊地層變形的影響分析以及周邊地層變形的預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)工作，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情況。

淺埋暗挖段隧道工程地段大多屬第四系堆積區(qū)，由于建筑需要，地面已被改造，地表普遍堆積了厚 2～5 m的人工填土，地面高程 13～21 m，略向北西傾斜。本隧道段主要從強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)通過(guò)，K7+500～K7+810段隧道洞身主要從砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化帶通過(guò)，地基土容許承載力300 kPa左右，壓縮性中等偏低，圍巖水穩(wěn)性差，容易產(chǎn)生滲透變形破壞，K7+810～K8+000段，隧道主要從碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化中通過(guò)，地基承載力較高，低壓縮性，但圍巖較破碎且軟硬不均，存在較多弱～微風(fēng)化殘余體，容易出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，此外圍巖滲透性較強(qiáng)，水量較豐富。總體上講，本隧道段工程地質(zhì)條件不良，地面結(jié)構(gòu)物太復(fù)雜。

2 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

針對(duì)該隧道工程的施工特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，可以得出影響該隧道工程施工安全的主要風(fēng)險(xiǎn)因素如下：

(1)建筑物、地表、管線沉降。地表、建筑物和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等沉降是隧道基坑開(kāi)挖后圍巖土體擾動(dòng)的最直接反映，為了確保周邊環(huán)境安全，通過(guò)沉降量變化規(guī)律預(yù)測(cè)施工對(duì)環(huán)境安全的影響。

(2)建(構(gòu))筑物裂縫。建筑物破壞前具有一個(gè)開(kāi)裂過(guò)程，利用裂縫的開(kāi)展與變化，可有效地評(píng)價(jià)隧道施工過(guò)程中附近建筑物的安全。當(dāng)開(kāi)挖接近該建(構(gòu))筑物后，要進(jìn)行調(diào)查，與初始資料對(duì)比，并對(duì)裂縫的發(fā)展趨勢(shì)作觀測(cè)。利用建立的被監(jiān)測(cè)建(構(gòu))筑物的裂縫狀況檔案，為及時(shí)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)施工安全風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

(3)建(構(gòu))筑物傾斜。當(dāng)建筑物差異沉降變形較大時(shí)，建筑物產(chǎn)生傾斜。當(dāng)建筑物傾斜超過(guò)一定數(shù)值后，影響建筑的安全與使用。建(構(gòu))筑物傾斜可以通過(guò)測(cè)得的基礎(chǔ)相對(duì)沉降值計(jì)算出傾斜值。

(4)土體測(cè)斜。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)、《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-99)的規(guī)定及本工程的特點(diǎn)，采用測(cè)斜儀對(duì)土體位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)有明顯位移的部位，繪制該深度的位移與時(shí)間關(guān)系曲線，變形發(fā)展與施工的關(guān)系曲線，當(dāng)變形達(dá)到控制值時(shí)及時(shí)報(bào)警。

(5)地下水位。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)規(guī)程》(CJJ/T76-98)的規(guī)定及本工程的特點(diǎn)，用水位沉降儀對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并作為施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(6)周邊位移收斂。收斂位移直觀明確，是圍巖穩(wěn)定情況的重要標(biāo)志。可用來(lái)推算最終位移值，確定二次支護(hù)最佳時(shí)機(jī)。因此，應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、施工方法及圍巖的時(shí)間和空間效應(yīng)等因素，按一定的間距選擇觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)位置，并以此作為施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

(7)隧道拱頂下沉量。拱頂下沉監(jiān)測(cè)的作用是判斷圍巖穩(wěn)定性及進(jìn)行位移反分析，為二次襯砌的施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)，還可作為用計(jì)算收斂監(jiān)測(cè)各點(diǎn)絕對(duì)位移量的驗(yàn)證之用。拱頂下沉量測(cè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在收斂量測(cè)同一斷面的拱頂中心及兩側(cè)適當(dāng)位置，測(cè)點(diǎn)布置要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，在各導(dǎo)坑/中導(dǎo)洞開(kāi)挖完畢，具備條件后及時(shí)布置。

(8)爆破振動(dòng)。對(duì)于可能用到爆破開(kāi)挖的區(qū)間，在進(jìn)行爆破施工時(shí)，有必要對(duì)周?chē)湫徒?構(gòu))筑物進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)，采用爆破振動(dòng)自記儀進(jìn)行爆破影響監(jiān)測(cè)，主要測(cè)試受監(jiān)測(cè)處的質(zhì)點(diǎn)速度、加速度。其目的是了解爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)湫徒ㄖ镉绊懗潭?，及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，為完善爆破設(shè)計(jì)、控制爆破規(guī)模、指導(dǎo)爆破施工提供可靠依據(jù)，從而使周?chē)湫徒?構(gòu))筑物受到的影響降低到可接受的范圍內(nèi)。

3 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)判

3.1 建立施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素集

建立因素集U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)={建(構(gòu))筑物、地表、管線下沉，建(構(gòu))筑物裂縫，建(構(gòu))筑物傾斜，土體測(cè)斜，地下水位，周邊位移收斂，隧道拱頂下沉量，爆破振動(dòng)}。

3.2 建立施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判集

確定該隧道工程施工安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，劃分4個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，建立評(píng)判集為V=(v1，v2，v3，v4)=(重度異常，輕度異常，基本正常，正常)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重集

評(píng)判因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重采用層次分析法求得。根據(jù)各因素對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)影響程度所得出的判斷矩陣如下表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)施工安全影響的判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算，施工安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素U=(u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,u8)的權(quán)重向量為：

W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8)

=(0.039,0.100,0.100,0.064,0.084,0.256,0.256,0.100)

n=8查表有R.I.=1.41

相應(yīng)最大特征根λmax=8.556，判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負(fù)平均值C.I.為0.079；判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.為1.41；隨機(jī)一致性比率C.R.等于0.056<0.1。說(shuō)明判斷矩陣具有滿意的一致性，其權(quán)重關(guān)系基本合理。

3.4 單因素模糊評(píng)判

3.4.1風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊估計(jì)

風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊估計(jì)就是確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度。針對(duì)該隧道工程特點(diǎn)，進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判時(shí)首先通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法確定4個(gè)安全等級(jí)上的閥值(η1,η2,η3,η4,η5)。當(dāng)實(shí)測(cè)值位于(η1,η2)之間，說(shuō)明該風(fēng)險(xiǎn)因素處于重度異常；實(shí)測(cè)值位于(η2,η3)之間，說(shuō)明該風(fēng)險(xiǎn)因素處于輕度異常；實(shí)測(cè)值位于(η3,η4)之間，說(shuō)明該風(fēng)險(xiǎn)因素處于基本正常；實(shí)測(cè)值位于(η4,η5)之間，說(shuō)明該風(fēng)險(xiǎn)因素處于正常。該隧道工程綜合監(jiān)測(cè)控制值如表2所示。以控制值為極限，設(shè)置不同階段的分界點(diǎn)見(jiàn)表3。

表2 各類(lèi)監(jiān)測(cè)控制值

表3 隸屬度函數(shù)計(jì)算邊界控制值

建立各個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬度函數(shù)。第i個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素ui在安全等級(jí)“重度異?！?、“輕度異常”、“基本正?！薄ⅰ罢！鄙系碾`屬度函數(shù)分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

η1～η5的取值參見(jiàn)表1，c1～c4為分別為區(qū)間(η1,η2)、(η2,η3)、(η3,η4)、(η4,η5)的中點(diǎn)值，即：

(5)

圖1 隸屬函數(shù)

3.4.2計(jì)算各安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素的隸屬度

該工程2007年5月份一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果、表3隸屬度函數(shù)計(jì)算邊界控制值規(guī)定，以及式(1)～式(5)，各安全風(fēng)險(xiǎn)因素ui在安全等級(jí)“重度異?！?、“輕度異常”、“基本正?！?、“正常”上的隸屬度分別為：

建(構(gòu))筑下沉u1：μ(u1)=(0,0,0,1)

建(構(gòu))筑傾斜u2：μ(u2)=(0,0,0,1)

建(構(gòu))筑裂縫u3：μ(u3)=(0,0,0,1)

土體測(cè)斜u4：μ(u4)=(0,0,0,1)

表4 安全監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

地下水位u5：μ(u5)=(0,1,1,0)

爆破振動(dòng)u6：μ(u6)=(0,1,0.67,0)

拱頂下沉u7：μ(u7)=(0,0,0,1)

隧道收斂u8：μ(u8)=(0,0,0,1)

3.4.3建立模糊判斷矩陣

將各基本因素評(píng)價(jià)集的隸屬度為行組成的模糊判斷矩陣為

3.5 模糊綜合評(píng)判

=(b1,b2,…,bn)

=(0.039,0.100,0.100,0.064,0.084,0.256,0.256,0.100)

因此，模糊綜合評(píng)判計(jì)算如下：

進(jìn)行歸一化則可以得到(0，0.241，0.181，0.578)，則bj取得最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)為正常。從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，目前隧道施工處于安全狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)廈門(mén)市某隧道工程地質(zhì)條件不良，地面結(jié)構(gòu)物極為復(fù)雜。為了對(duì)該工程進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以確保隧道施工安全，對(duì)其進(jìn)行深入的施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，確定了建(構(gòu))筑物、地表、管線下沉，建(構(gòu))筑物裂縫，建(構(gòu))筑物傾斜，土體測(cè)斜，地下水位，周邊位移收斂，隧道拱頂下沉量，爆破振動(dòng)這八個(gè)主要的施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素。

(2)運(yùn)用層次分析方法對(duì)影響隧道安全的因素進(jìn)行了分析與排序。從理論上確定了隧道周邊位移和隧道拱頂下沉量?jī)蓚€(gè)參數(shù)在眾多因素(如周邊建筑物、地面設(shè)施等的沉降；建筑物傾斜等)中重要地位，排序結(jié)果合理，具有較好的參考價(jià)值。

(3)基于模糊數(shù)學(xué)的基本理論，對(duì)該隧道工程建立的隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)判模型能夠?qū)υ擁?xiàng)目的施工安全狀況進(jìn)行較為客觀、科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)，為項(xiàng)目的安全實(shí)施提供可靠的決策信息。

(4)本文的不足之處在于隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素的選取還不夠完善，應(yīng)采用專(zhuān)家調(diào)查法、統(tǒng)計(jì)方法等多種方法建立全面的影響因子及權(quán)重，以提高隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)判方法的可靠性和適用性。

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