城市地面塌陷災(zāi)害風(fēng)險評估研究

余滿倉，呂敦玉，孟舒然，張建羽，劉松波，王翠玲

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢 430074；3.中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點實驗室，河北石家莊 050061）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和地下空間資源的開發(fā)利用，地質(zhì)環(huán)境愈發(fā)脆弱，嚴(yán)重制約了城市的安全和可持續(xù)性發(fā)展（呂敦玉等，2015；曾燦軍和陳衛(wèi)忠，2018；易榮和賈開國，2020；葛偉亞等，2021）。近年來，全國城市路面塌陷進(jìn)入了爆發(fā)期，范圍遍及全國各地大小省市（許曉瑩和陳斌，2021），尤為典型的事故有：2018年2月7日，佛山禪城路面塌陷事故，造成11人死亡；2020年1月13西寧塌陷事故，造成17人受傷；2021年5月西安地下通道塌陷事故，造成1人死亡?？梢?，地面塌陷的發(fā)生，對人民生命安全、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大威脅。地面塌陷，是指在人為因素或者自然因素影響下，地表巖土體整體失穩(wěn)向下陷落并形成塌陷坑的現(xiàn)象。由于其突發(fā)性的特點，這就決定了地面塌陷是很難預(yù)測和防治的（黎兵，2022；仙永凱和史婧，2022）。因此，對城市地面塌陷展開機(jī)理調(diào)查和風(fēng)險評估工作尤為重要。

目前，國內(nèi)外對于城市地面塌陷的機(jī)理研究已取得較多成果，主要集中在案例統(tǒng)計、理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬等方面（藍(lán)雄東，2023）。鐘世英和叢波日（2016）通過調(diào)查資料，對2014～2015年全國范圍內(nèi)的66起地面塌陷進(jìn)行了統(tǒng)計分析，按機(jī)理把地面塌陷分為潛蝕型塌陷、沖爆型塌陷、真空吸蝕型塌陷、松散土體型塌陷4類。趙延林等（2010）建立了基于突變理論的強(qiáng)度折減法，這為采空區(qū)重疊頂板穩(wěn)定性的研究提供了一種新的判據(jù)。Ali and Choi（2020）通過建立物理模型，分析了不同土壤剖面、水流類型和滲漏位置對土洞的影響，并認(rèn)為土層類型是塌陷發(fā)生的關(guān)鍵因素，而后建立回歸模型驗證了實驗結(jié)果，并以此來預(yù)測地面塌陷發(fā)生的風(fēng)險水平。Jung et al.（2023）等在研究管道破損誘發(fā)地面塌陷時采用數(shù)值模擬的方法建立了水土耦合模型，分析了重復(fù)性強(qiáng)降水對空洞擴(kuò)張的影響，進(jìn)而提出了切實可行的監(jiān)測策略。對塌陷機(jī)理研究透徹之后，其目的就是進(jìn)一步對風(fēng)險做出科學(xué)評估和預(yù)防，在這方面國內(nèi)外學(xué)者也做了很多工作。然而，不同學(xué)者在開展研究時往往自成體系，評估指標(biāo)選取、定制也存在較大個體差異（陳希和陳正，2023a）。對于具體的地面塌陷風(fēng)險評價工作而言，多屬性決策是一種主流方法，目前國內(nèi)外都將權(quán)重的確定作為災(zāi)害評價工作的重點，因為權(quán)重的精度直接決定評價模型的合理性和實用性（周子勇等，2023）。在塌陷災(zāi)害的評價中，由于致災(zāi)因子的復(fù)雜性，人們對于指標(biāo)因子權(quán)重的設(shè)置都是主觀設(shè)定，常用的方法有主觀經(jīng)驗法、專家調(diào)查法等（張必昌等，2019）。如葉遠(yuǎn)春和宋谷長（2012）調(diào)查了大量北京市地面塌陷事故，運用風(fēng)險控制理論，結(jié)合德爾菲法、層次分析法，建立了一套城市道路空洞風(fēng)險可能性和后果的評估體系。張昌新等（2014）以深圳地鐵某線的地面塌陷風(fēng)險為例，選取了導(dǎo)致地面塌陷的主要主要因素作為影響指標(biāo)，用半定量法對其進(jìn)行了風(fēng)險評估。

基于上述研究，目前存在的方法大多是通過專家經(jīng)驗、主觀評價來確定權(quán)重，評價結(jié)果受主觀因素影響嚴(yán)重，存在一定局限性。因此，本文在對鄭州市大量地面塌陷案例調(diào)查基礎(chǔ)上，建立塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性指標(biāo)體系，嘗試把層次-熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)法應(yīng)用于復(fù)雜成因下的城市地面塌陷評價中，來解決主客觀權(quán)重分布不均問題，并驗證賦權(quán)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以此獲得一種能夠面向?qū)嶋H應(yīng)用的城市地面塌陷評估方法。

1 城市地面塌陷風(fēng)險評估

1.1 風(fēng)險發(fā)生可能性指標(biāo)選取

城市地面塌陷突發(fā)災(zāi)害是水文地質(zhì)、工程地質(zhì)活動和人類工程作用綜合產(chǎn)物，其形成具有明顯的時空突發(fā)性、隨機(jī)分布的特點（白凌燕等，2011），其規(guī)模變化、空間分布受多重因素的制約。根據(jù)相關(guān)資料調(diào)研，對鄭州近年來105處地面塌陷誘發(fā)因子進(jìn)行了統(tǒng)計分析，這些數(shù)據(jù)涵蓋了道路塌陷、基坑塌陷、小區(qū)地面等不同的位置范圍，因此更具有代表性，事故誘發(fā)原因占比如圖1所示?？梢姡叵鹿芫€破損滲漏、周邊地下施工擾動、降水入滲可能是引發(fā)鄭州城市地面塌陷的主要因素。

圖1 不同致災(zāi)原因占比圖Fig.1 Proportion chart of different causes of disasters

風(fēng)險評估是在對風(fēng)險基本了解的基礎(chǔ)上，綜合運用相關(guān)風(fēng)險評估專業(yè)理論和工程經(jīng)驗，對事故發(fā)生的可能性進(jìn)行研究。通過以上調(diào)研，并結(jié)合國內(nèi)流行的《城市地下病害體綜合探測與風(fēng)險評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》①和專家學(xué)者對地面塌陷原因和機(jī)理的分析（萬志清等，2003；侯超群，2018），本文從管線因素、病害體因素和環(huán)境因素中選取一定的評價指標(biāo)來建立地面塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性評價體系（陳希和陳正，2023b），并將評分標(biāo)定，見表1。

1.2 風(fēng)險發(fā)生可能性指標(biāo)權(quán)重計算

1.2.1 層次分析法

（1）層次分析法原理及步驟

層次分析（AHP）是用系統(tǒng)化、層次化的決策方法來解決無法定量描述的問題，其具體思路是將工程問題分解成不同層級且具有隸屬關(guān)系的目標(biāo)與字母表，之后構(gòu)建判斷矩陣且依據(jù)經(jīng)驗比較確定層級結(jié)構(gòu)中各目標(biāo)的重要性，最后求出方案層各個因素相對于總目標(biāo)層的相對重要權(quán)重（Saaty，1987）。具體步驟如下：

①構(gòu)建層次模型。深入分析所要解決的實際工程問題，確定系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)和各層下指標(biāo)因素，逐一分層，且層級內(nèi)指標(biāo)各自獨立。

②構(gòu)建判斷矩陣。將每一層級中第i個元素與第j個元素相對于上一層及重要程度兩兩對比，并依據(jù)1～9標(biāo)度法表示其重要程度，如表2。

表2 對比分析標(biāo)度及含義Table 2 Comparative analysis scales and meanings

③各因素指標(biāo)權(quán)重計算并做一致性檢驗。計算各因素指標(biāo)權(quán)重常用的方法有方根法和和積法，本次擬采用方根法，求解如下。

a.求解判斷矩陣的特征向量

b.特征向量的歸一化處理

c.計算判斷矩陣的最大特征根

d.判斷矩陣的一致性檢驗：

第一步，求解判斷矩陣的偏離一致性指標(biāo)CI=

第二步，根據(jù)判斷矩陣階數(shù)n選取平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如下表（表3）（許樹柏，1988）。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 3 Mean randomized consistency indicators

第三步，求解判斷矩陣的一致性比率CR=當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性檢驗，若CR＞0.1時，判斷矩陣不滿足一致性檢驗。

（2）層次分析法指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

針對上文對鄭州市城市地面塌陷風(fēng)險因素識別的基礎(chǔ)上，并咨詢專家比較不同因素指標(biāo)之間的重要性，從管線因素、病害體因素和環(huán)境因三個方面素分析計算權(quán)重。地面塌陷（A）為目標(biāo)層，其中評價體系包括管線因素（B1）、病害體因素（B2）、環(huán)境因素（B3），稱為準(zhǔn)則層。管線因素（B1）包括管線類型（C11）、管線脆弱性（C12）、服役年限（C13）、管線埋設(shè)方式（C14）、管線直徑（C15）；病害體因素（B2）包括地下病害體跨徑（C21）、病害體上覆土層厚度（C22）；環(huán)境因素（B3）包括巖土條件（C31）、道路現(xiàn)狀（C32）、施工干擾（C33）、水環(huán)境條件（C34）、地表荷載（C35）。城市地面塌陷可能性風(fēng)險評價層次遞階結(jié)構(gòu)模型如下圖2所示。

圖2 地面塌陷風(fēng)險評價層次遞階結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Hierarchical structure model for ground collapse risk evaluation

①準(zhǔn)則層B對目標(biāo)層A的權(quán)重計算及一致性檢 驗（表4）

表4 城市地面塌陷可能性風(fēng)險評價指標(biāo)各權(quán)重情況及檢驗結(jié)果Table 4 Weights and test results of the indicators for evaluating the risk of urban ground collapse possibility

②子準(zhǔn)則層Cii對準(zhǔn)則層Bi的權(quán)重計算及一致性檢驗

以管線因素指標(biāo)權(quán)重計算為例，見下表（表5）。同理，可計算病害體因素和環(huán)境因素，此處不再贅述。

表5 管線因素指標(biāo)權(quán)重計算及檢驗結(jié)果Table 5 Calculation of pipeline factor indicator weights and test results

③復(fù)合權(quán)重（表6）

表6 城市地面塌陷風(fēng)險評價組合權(quán)重-層次分析法Table 6 Weights of urban ground collapse risk evaluation combinations - hierarchical analysis method

1.2.2 熵權(quán)法

（1）熵權(quán)法原理及步驟

熵權(quán)法是依據(jù)信息熵來判斷指標(biāo)離散程度的一種決策方法，其在分析指標(biāo)信息分布規(guī)律和指標(biāo)關(guān)系基礎(chǔ)上，對權(quán)重進(jìn)行客觀評估（楊木易，2023）。通常信息熵值越小，指標(biāo)離散程度越大，該指標(biāo)對評價的影響即權(quán)重就越大。具體求解步驟如下：

①通過查找資料或咨詢專家建立各評價指標(biāo)的判斷矩陣

②歸一化處理以消除指標(biāo)量綱不同或負(fù)值指標(biāo)產(chǎn)生的影響

正向指標(biāo)歸一化：

負(fù)向指標(biāo)歸一化：

③確定指標(biāo)在評價對象中的比重

④計算指標(biāo)熵值

⑤計算指標(biāo)差異度

⑥確定各指標(biāo)權(quán)重

（2）熵權(quán)法指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

熵權(quán)法的優(yōu)勢就是能較為準(zhǔn)確的反映客觀事，此處定性指標(biāo)以上文層次分析法中專家打分構(gòu)建的判斷矩陣為準(zhǔn)，結(jié)果如下（表7）。

表7 城市地面塌陷風(fēng)險評價組合權(quán)重-熵權(quán)法Table 7 Weights of urban ground collapse risk evaluation combinations - entropy weight method

1.2.3 組合賦權(quán)

在傳統(tǒng)的城市地面塌陷可能性風(fēng)險評價中，決策人員和專家打分往往對評價結(jié)果起著重要作用，即單一的層次分析法主觀性較強(qiáng)，導(dǎo)致評價結(jié)果往往與客觀事實有較大沖突（孫曉永，2020；Gro?elj and Zadnik，2018）。熵權(quán)法雖然能減少主觀性對決策結(jié)果的影響，但對于指標(biāo)間的組合效應(yīng)缺乏考慮，仍存在一定局限性。為了充分考慮專家經(jīng)驗和客觀環(huán)境的影響，結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法綜合賦權(quán)以期得到良好的評價結(jié)果。

在確定評價指標(biāo)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重后，由于評價指標(biāo)個數(shù)較多，采用乘數(shù)歸一法計算綜合權(quán)重（李剛等，2017），計算公式為：

其中，wi為層次分析法所計算各指標(biāo)權(quán)重；vi是熵權(quán)法所計算各指標(biāo)權(quán)重。依據(jù)經(jīng)驗，α取0.5。計算結(jié)果如下（表8）：

表8 城市地面塌陷風(fēng)險因子權(quán)重Table 8 Urban ground collapse risk factor weights

最后，對層次分析法（主觀權(quán)重）、熵權(quán)法（客觀權(quán)重）以及組合權(quán)重結(jié)果進(jìn)行分析比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 權(quán)重結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of weight results

由權(quán)重結(jié)果分布圖可知，層次分析法受到判斷水平和個人偏好等主觀因素的影響，在很大程度上突出了巖土條件的重要性，部分學(xué)者通過調(diào)查認(rèn)為不良地質(zhì)條件是誘發(fā)地面塌陷的主要因素，因而具有一定的合理性。熵權(quán)法主要依靠較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論，計算結(jié)果顯示地下病害體跨徑和上覆土層厚度是影響地面塌陷的主導(dǎo)因素，這是由于病害體因素是地面塌陷產(chǎn)生的先決條件。盡管熵權(quán)法在一定程度上避免了主觀因素的干擾，但是缺乏決策者的意愿，因此二者均存在一定局限性，使得賦權(quán)結(jié)果也呈現(xiàn)較大差異。本文提出的主客觀結(jié)合的方法能充分體現(xiàn)二者的優(yōu)越性，克服單一賦權(quán)法的不足，使賦權(quán)結(jié)果更具有權(quán)威性。另外，Jiang et al.（2023）通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）對影響城市地面塌陷的眾多因素也做了相關(guān)分析，其認(rèn)為施工規(guī)模（占比：0.144）和施工現(xiàn)場的距離（占比：0.132）是導(dǎo)致道路坍塌的最顯著因素；陳希和陳正（2023a）利用線性加權(quán)主客觀權(quán)重的方法得到管線因素占據(jù)最大比重；冉星星（2023）利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法研究得出深圳市域中地面塌陷災(zāi)害風(fēng)險貢獻(xiàn)率最大的是基坑施工密度，均與本文結(jié)果存在一定差異。盡管如此，由于學(xué)者們對指標(biāo)體系選取和權(quán)重確定方法不一致，結(jié)果不同也無可厚非，都存在一定的合理性，但AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)具有更強(qiáng)的可操作性，為城市地面塌陷防治起到了積極的指導(dǎo)作用。

1.3 風(fēng)險發(fā)生可能性評估模型

在2.1中已經(jīng)對城市地面塌陷風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)，并通過專家評分的方法對各指標(biāo)進(jìn)行了量化處理，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

依據(jù)城市地面塌陷隱患風(fēng)險發(fā)生的可能性指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)以及上文運用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)得到的各個評價指標(biāo)權(quán)重，采用有序加權(quán)法計算風(fēng)險發(fā)生的可能性分值P，如式（11）所示。

式中：P——地面塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性分值；

K——風(fēng)險系數(shù)，通常取1.0，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等偶然因素影響或道路長期未開展養(yǎng)護(hù)時，可取1.1～1.2（陳希和陳正，2023a）；

P1——管線因素分值；

P2——地下病害體因素分值；

P3——環(huán)境因素分值；

WA——管線因素權(quán)重；

WB——地下病害體因素權(quán)重；

WC——環(huán)境因素權(quán)重。

其中Pi分值算法以地下管線P1分值算法為例，按下式計算。

式中：P11——地下管線類型分值；

P12——管線脆弱性分值；

P13——管線服役年限分值；

P14——管線埋設(shè)方式分值；

P15——管線直徑；

WA1——地下管線類型權(quán)重；

W12——管線脆弱性權(quán)重；

W13——管線服役年限權(quán)重；

W14——管線埋設(shè)方式權(quán)重；

W15——管線權(quán)重。

根據(jù)計算得到的可能性分值，結(jié)合現(xiàn)場狀況，將城市地面塌陷可能性風(fēng)險等級分為以下五級，見下表（表9）。

表9 城市地面塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性等級劃分Table 9 Classification of the likelihood of occurrence of urban ground collapse risk

2 典型評價指標(biāo)的靈敏度分析

上文通過案例調(diào)研和專家經(jīng)驗列舉了城市地面塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性評價指標(biāo)，并以主客觀結(jié)合的方法計算出了各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重。為了驗證結(jié)果的有效性，本文運用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件模型，研究典型指標(biāo)對地面塌陷的不同影響程度，其中主要涉及地下空洞尺寸（包括地下空洞跨徑和上覆土層厚度）、力學(xué)性質(zhì)（包括內(nèi)摩擦角和楊氏模量）、路面荷載三個方面。現(xiàn)基于數(shù)值模擬結(jié)果，采用灰色關(guān)聯(lián)法對風(fēng)險指標(biāo)靈敏度進(jìn)行分析計算。

2.1 數(shù)值模擬分析

2.1.1 有限元模型構(gòu)建

采用“Rhion 6.0”軟件建立模型并劃分網(wǎng)格，主要通過點、線、面、體，建立所研究對象的幾何形態(tài)，再運用軟件內(nèi)部的網(wǎng)格劃分功能，然后通過一定的接口程序?qū)С鲞m用于 FLAC 3D 的網(wǎng)格節(jié)點和單元信息，導(dǎo)入 FLAC3D 之后即可得到所研究對象的網(wǎng)格模型。尺寸為30 m×30 m×30 m，節(jié)點數(shù)量為25806個，共建立了142883個單元空間，此處為了使計算結(jié)果更符合實際，調(diào)整為較小的網(wǎng)格尺寸。文獻(xiàn)顯示，地下空洞形狀多為橢球形（王帥超，2017），在空洞未挖除之前獲得該地的初始應(yīng)力，然后挖出空洞并在側(cè)面和底部設(shè)置零位移邊界進(jìn)行模擬。另外在進(jìn)行的模擬計算中，瀝青路面結(jié)構(gòu)層以往在分析其應(yīng)力、應(yīng)變和位移關(guān)系時，通常采用彈性層狀體系。而對地層土體采用彈塑性理論計算，強(qiáng)度準(zhǔn)測采用摩爾庫倫模型（Lee et al.，2018）。構(gòu)建模型如下（圖4）：

圖4 模型示意圖Fig.4 Model schematic diagrams

為研究典型指標(biāo)對地面塌陷的不同影響程度，由此隨機(jī)建立6個模型，各模型空洞幾何尺寸和路面荷載及路面結(jié)構(gòu)層下土體參數(shù)如下（表10）：

表10 地下空洞幾何尺寸、路面荷載和地層土體參數(shù)取值Table 10 Underground cavity geometry， pavement loading and ground soil parameter values taken

城市路面結(jié)構(gòu)一般為瀝青路面，其中包括面層和基層②，此處以鄭州市路面材料參數(shù)為準(zhǔn)，見下表（表11）。

表11 路面材料參數(shù)Table 11 Pavement material parameters

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件計算，各模型沉降位移云圖如圖5所示?？梢?，在空洞正上方產(chǎn)生的路面沉降位移最大，向兩側(cè)沉降量逐漸以扇形形式展開，逐步減??；空洞下方土體受影響較小，且隨著距離的增加，沉降逐漸縮小，直至穩(wěn)定。

圖5 沉降位移云圖Fig.5 Settlement displacement cloud map

2.2 基于灰色關(guān)聯(lián)法的靈敏度分析

2.2.1 灰色關(guān)聯(lián)法原理及計算步驟

灰色關(guān)聯(lián)度法是灰色系統(tǒng)分析方法中一項重要內(nèi)容，其運用“曲線相似程度判斷關(guān)系”的原理，通過樣本數(shù)據(jù)來衡量因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，非常適合動態(tài)歷程分析。如果曲線越接近，則證明比較序列和參考序列之間相關(guān)程度越高，反之，相關(guān)性越低。灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析的具體計算步驟如下：

（1）確定反應(yīng)系統(tǒng)特征的參考數(shù)列和分析數(shù)列

參考序列：

分析序列：

x’m={x’

m(1)、x’

m(2)、x’

m(3)...x’m(n)}，m表示序列個數(shù)。

（2）對參考數(shù)列和比較數(shù)列即母序列和子序列進(jìn)行無量綱化處理，常見的無量綱化處理方法有四種，即：①初值化方法；②均值化方法；③區(qū)間值化方法；④倒數(shù)化方法（崔孝飛，2019）。

（3）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中，ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5；

Δij= |xi(j)-x0(j)|，x0(j)、xi(j)為消除量綱后的母序列和子序列；

（4）計算關(guān)聯(lián)度

以平均值來展現(xiàn)不同序列因素之間的相對變化情況，即

2.2.2 靈敏度計算

以數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，選取城市地面塌陷引起的路面最大沉降位移作為參考序列：x’0=選取各相關(guān)影響地面塌陷的典型因子作為分析序列，即子序列x’m。令地下空洞跨徑為x’1、上覆土層厚度為x’2、內(nèi)摩擦角為x’3、楊氏模量為x’4、路面荷載為x’5，取值見表12。采用初值化方法進(jìn)行無量綱處理后根據(jù)式（14）計算關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表13和14。

表12 母序列 x’0和子序列 x’iTable 12 Parent sequence x’0 and subsequence x’i

表13 無量綱化處理后母序列 x0和子序列 xiTable 13 Dimensionless processing of the parent sequence x0 and sub sequence xi

表14 關(guān)聯(lián)度計算Table 14 Calculation of correlation degree

根據(jù)式（15）求得各個影響因子的關(guān)聯(lián)度為［0.485、0.366、0.477、0.475、0.356］。根據(jù)計算結(jié)果，不同因子對路面塌陷沉降位移的影響靈敏度為：地下空洞跨徑為x’1＞內(nèi)摩擦角為x’3＞楊氏模量為x’4＞上覆土層厚度為x’2＞路面荷載為x’5。地下空洞跨徑作為地下病害體規(guī)模因素，影響最大；內(nèi)摩擦角和楊氏模量表征土體力學(xué)性質(zhì)，作為巖土條件因素，影響次之；路面荷載影響最小，但是對地下空洞的擴(kuò)張和塌陷的發(fā)生仍有不可或缺的作用。以上典型因素與地面塌陷風(fēng)險評價體系指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果一致，進(jìn)而證明了層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)結(jié)果的合理性、有效性。

3 工程應(yīng)用-以鄭州市地面塌陷為例

3.1 工程概況

由地質(zhì)雷達(dá)探測的建設(shè)路地下空洞位于河南省鄭州市中原區(qū)，建設(shè)路與銀行路交叉口附近。區(qū)內(nèi)眾多主干道路交叉縱橫，車流量大，且地鐵3號線與5號線在此交匯，地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由此推測其形成與地鐵盾構(gòu)施工有關(guān)。周圍建筑不僅包括機(jī)電大廈家屬院45號、46號居民樓，而且眾多商業(yè)大廈坐落于此，人員密集程度較大，具體見圖6交通平面位置圖所示。

圖6 交通平面位置圖Fig.6 Traffic plan location map

由勘察資料及文獻(xiàn)顯示，建設(shè)路地下空洞風(fēng)險區(qū)淺層空間地層巖性為砂土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)（Zhao et al.，2020；張 建 羽 等，2023；Zhuo et al.，2023），遇強(qiáng)降雨時飽和松散砂土在地上地下交通動荷載作用下可能會喪失強(qiáng)度造成砂土液化現(xiàn)象，使地基失穩(wěn)，空洞垮塌。該區(qū)地下空洞平面尺寸為1.0 m×2.8 m，其影響深度在地下0.41～0.73 m之間，凈空0.32 m。周圍分布有給排水管線、燃?xì)夤芫€、通信管線，隱患眾多。

3.2 風(fēng)險發(fā)生可能性評估

根據(jù)式（13）計算地下管線因素分值P1為：

同理，計算病害體因素分值P2和環(huán)境因素分值P3分別為87.07、66.48。

依據(jù)式（11），計算建設(shè)路地面塌陷發(fā)生的可能性P為：

通過有序加權(quán)法計算得鄭州市建設(shè)路地面塌陷風(fēng)險發(fā)生的可能性分值P為77.08，由表9城市地面塌陷風(fēng)險發(fā)生可能性等級劃分結(jié)果可知，該區(qū)風(fēng)險等級為D級，近期發(fā)生可能性較大，應(yīng)采取有效預(yù)防措施并定期巡查以及時掌握潛伏空洞變化情況（李斯等，2023）。另外，風(fēng)險評價結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)實測結(jié)果吻合度較高，可見評價模型具有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

本文以城市地面塌陷為研究對象，為避免塌陷發(fā)生造成的危害，以期建立一種合理且科學(xué)的風(fēng)險評估方法，主要得到以下結(jié)論：

（1）在對鄭州市近年來105處地面塌陷誘發(fā)因子進(jìn)行了統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，綜合了國內(nèi)外專家對地面塌陷機(jī)理的分析，建立了以管線因素、病害體因素和環(huán)境因素為主的可能性風(fēng)險評價體系。

（2）通過層次分析法和熵權(quán)法分別對風(fēng)險體系各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了計算并依據(jù)乘數(shù)歸一法進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)，結(jié)果顯示病害體因素在城市地面塌陷中占據(jù)主導(dǎo)作用，其中地下病害體跨徑占比為0.161、上覆土層厚度占比為0.113。

（3）為了驗證主客觀組合賦權(quán)的有效性，通過有限元軟件數(shù)值模擬模擬與灰色關(guān)聯(lián)度分析方法研究了五種典型因素對地下空洞塌陷引起路面沉降位移的影響程度。研究表明，影響因子靈敏度為：地下空洞跨徑＞內(nèi)摩擦角＞楊氏模量＞上覆土層厚度＞路面荷載，與可能性指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果一致。

（4）依據(jù)有序加權(quán)法建立城市地面塌陷風(fēng)險評估模型，并選取鄭州市典型地下空洞案例進(jìn)行風(fēng)險評估分析，結(jié)果顯示中原區(qū)建設(shè)路地面塌陷風(fēng)險等級為D級，危害程度較高，應(yīng)及時采取治理措施并定期巡查，預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

［注 釋］

① 北京市勘察設(shè)計研究院有限公司.2018.城市地下病害體綜合探測與風(fēng)險評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)： JGJ/T 437-2018［S］.

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