基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道穩(wěn)定性影響的層次分析與乘積標(biāo)度相結(jié)合式的模糊評(píng)價(jià)

王晉超　袁長(zhǎng)豐　黃海濱　袁子晉

摘要：隧道工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是確保隧道安全的一項(xiàng)重要工作，該評(píng)價(jià)涉及影響因素復(fù)雜眾多。結(jié)合建筑基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道穩(wěn)定性影響的工程實(shí)際，首先對(duì)隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，采用層次分析法進(jìn)一步分析建筑基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道的影響因素的變化并采用乘積標(biāo)度法重新確定隸屬度，對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)一步定性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：采用層次分析法與乘積標(biāo)度法相結(jié)合可以全面的反映隧道在建設(shè)和后期受周?chē)h(huán)境變化所引起的自身穩(wěn)定性的變化情況；基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)臨近隧道周?chē)h(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，從而使得隧道周邊情況發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道的穩(wěn)定性發(fā)生變化；針對(duì)青島地區(qū)特有的地質(zhì)條件，該方法能很好地反映基坑開(kāi)挖對(duì)已建隧道的穩(wěn)定性情況，使評(píng)估結(jié)果更具有科學(xué)性和合理性。

關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖；臨近隧道；穩(wěn)定性；遞進(jìn)；模糊評(píng)價(jià)

引言

近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)成為世界最大的地下空間開(kāi)發(fā)和隧道建設(shè)市場(chǎng)的國(guó)家，隨著地下空間的開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的基坑工程不可避免的與既有運(yùn)營(yíng)隧道鄰近或相交，二者相互影響，環(huán)境負(fù)效應(yīng)是不可避免的，比如臺(tái)北市某處地鐵附近開(kāi)挖深基坑導(dǎo)致臨線(xiàn)隧道管壁破壞，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)基坑開(kāi)挖情況下地鐵隧道的穩(wěn)定性研究具有很重要的工程實(shí)際意義。

目前，許多學(xué)者已經(jīng)在基坑工程對(duì)隧道的影響上作了很多研究，取得了很多成果。這些成果，主要針對(duì)北京砂石與土的互層、上海的松散土體等地質(zhì)條件下開(kāi)展的研究，對(duì)青島地區(qū)特有的“上軟下硬”地質(zhì)條件，研究較少，且主要研究方法是通過(guò)建立力學(xué)理論或軟件模型進(jìn)行分析，定量的對(duì)主要影響因素進(jìn)行分析計(jì)算。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)青島地區(qū)特有的地質(zhì)條件，采用另外一種研究思路，即運(yùn)用層次分析法和乘積標(biāo)度法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，定性和定量相結(jié)合的去分析基坑開(kāi)挖對(duì)已建隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生何種影響。該方法可以為類(lèi)似臨近隧道基坑工程設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支持和新研究思路。

1.隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有很多，但總的來(lái)說(shuō)主要有自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計(jì)因素四類(lèi)。工程地質(zhì)因素和水文地質(zhì)因素主要反映巖土體的質(zhì)量好壞，是影響圍巖穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，主要考慮的因素有圍巖級(jí)別、巖石風(fēng)化程度、巖石的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度、地下水狀況和地下水類(lèi)別等：施工設(shè)計(jì)因素是影響圍巖穩(wěn)定性的外部因素，主要考慮開(kāi)挖工法、隧道埋深、偏壓情況、開(kāi)挖斷面、超前支護(hù)和超前注漿等。然而，對(duì)這些影響因素的影響程度去定量是很困難的，且由于隧道巖土體的復(fù)雜性，對(duì)于某一具體工程，評(píng)價(jià)圍巖的好壞，評(píng)價(jià)各因素的影響程度只能是一種經(jīng)驗(yàn)性的判斷，為此要確定各種影響因素的隸屬度情況。這里將圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)劃分為4個(gè)等級(jí)：安全級(jí)、較安全級(jí)、較危險(xiǎn)級(jí)、危險(xiǎn)級(jí)。

某些主要因素依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同穩(wěn)定狀態(tài)的影響用一些模糊語(yǔ)言變量表示，如表1所示。

2.層次分析模型的建立

層次分析模型的步驟是首先對(duì)隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮建筑基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道的影響因素的變化，然后根據(jù)影響因素的變化重新確定隸屬度，繼而對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

2.1層次分析評(píng)價(jià)的基本內(nèi)容如下

2.1.1隧道建成后的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）建立評(píng)價(jià)因素集U

隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一個(gè)受很多因素互相制約、互相影響的復(fù)雜問(wèn)題，這些因素具有很大的模糊性，在很多情況下難以明確哪個(gè)因素更加重要，因此，可以采用層次分析法來(lái)處理這些難于完全定量分析的復(fù)雜問(wèn)題。

模糊關(guān)聯(lián)因素集合可用u表示為

U={U_A，U_B，U_C，U_D} （1）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分別表示自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計(jì)因素。其中U_A、U_B、U_C、U_D中又分別包含若干個(gè)如圖1所示的子關(guān)聯(lián)因素u_i。

（2）初級(jí)評(píng)判

①評(píng)判集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能作出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合。對(duì)于隧道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)，評(píng)判集合可用隧道圍巖穩(wěn)定性等級(jí)表示為

V={U_A，U_B，U_C，U_D} （2）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分別表示自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計(jì)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果。其中各評(píng)價(jià)結(jié)果分別包括若干個(gè)如圖1所示的子評(píng)價(jià)結(jié)果v_j。

②找出模糊評(píng)價(jià)矩陣

m個(gè)關(guān)聯(lián)因素的評(píng)價(jià)子集構(gòu)成總的評(píng)判矩陣R_i為

式中：0≤r_ij≤1，1≤i≤n，1≤j≤m表示因素u_i屬于評(píng)判等級(jí)v_j的隸屬程度；r_ij為各評(píng)分值分別帶入對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)求得。

③建立因素權(quán)重集

由于各關(guān)聯(lián)因素對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響程度不同，可用上的模糊子集表示：

A_i={a₁，a₂，…，a_n} （4）

式中：a_i為u_i對(duì)A_i的隸屬程度，表示單因素u_i在總評(píng)價(jià)中的影響程度的度量。

④建立模糊綜合評(píng)判模型

在確定權(quán)重向量A_i后即可進(jìn)行綜合評(píng)判。模糊綜合評(píng)判模型表示為

B_i=A_i×R_i （5）

（3）二級(jí)評(píng)判

設(shè)U的模糊子集為A，且A=（A₁，A₂，A₃，A₄），則得U的總評(píng)價(jià)矩陣為：

則得出總的綜合評(píng)判結(jié)果為：

B=A×R （7）

（4）模糊向量單值化，得出評(píng)價(jià)值

（5）得出模糊評(píng)價(jià)及處理措施

依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)m通過(guò)評(píng)價(jià)值，判斷接受程度，從而得出評(píng)價(jià)和處理措施，進(jìn)而得出考慮基坑因素時(shí)對(duì)隧道的附加影響。

2.1.2基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）在隧道建成后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上分析基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的隧道影響因素變化。

（2）重新確定隸屬度。

（3）通過(guò)初級(jí)評(píng)判和二級(jí)評(píng)判得出基坑開(kāi)挖對(duì)隧道穩(wěn)定性影響評(píng)價(jià)值。

（4）得出基坑開(kāi)挖對(duì)隧道穩(wěn)定性的模糊評(píng)價(jià)及處理措施，如表2所示。

2.2定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)的形式有多種，如半梯形分布和梯形分布、正態(tài)分布、嶺形分布等，此處不妨用三角形法進(jìn)行隸屬函數(shù)的確定。

2.3影響因素權(quán)重的確定

本文采用乘積標(biāo)度法，在指標(biāo)重要性的兩兩比較時(shí)，不先劃分過(guò)多的等級(jí)，而只設(shè)置兩個(gè)等級(jí)，即指標(biāo)A和指標(biāo)B的重要性“相同”或“稍微大”，然后以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行遞進(jìn)乘積分析，對(duì)不同情況的評(píng)比給出數(shù)量標(biāo)度。

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)資料，對(duì)m個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重要性排序。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為各因素排序?yàn)椋菏┕ぴO(shè)計(jì)因素d>工程地質(zhì)因素b=水文地質(zhì)因素c>自然因素a。

（2）對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，確定指標(biāo)之間的重要性差異。

在對(duì)指標(biāo)A和指標(biāo)B進(jìn)行兩兩比較時(shí)，取乘積標(biāo)度法中“相同”的標(biāo)度值為：

ω_A：ω_B=1：1

認(rèn)為“稍微大”是指指標(biāo)A和指標(biāo)B之間存在的差別不應(yīng)大于1.5，依此類(lèi)推?。?/p>

（4）將同層的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一綜合，進(jìn)行歸一化分析。

（5）則權(quán)重為

3.工程應(yīng)用

3.1隧道建成后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

青島市膠州灣海底隧道青島接線(xiàn)端區(qū)間公路隧道YK1+760～YK1+860段，接線(xiàn)端區(qū)間隧道總體呈南北走向，全長(zhǎng)25.1千米，隧道幾何尺寸高9.65m，跨度15.926m，橫斷面面積為146.28m2，隧道埋深約16m，洞身以微風(fēng)化花崗巖為主，整體較為完整，透水性較弱，圍巖類(lèi)型為Ⅱ-Ⅳ，設(shè)計(jì)采用了Ⅳ-Ⅱ型襯砌，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖隧道，隧道支護(hù)形式為錨噴支護(hù)，年平均降水量約為800mm，地下水資源不大，類(lèi)型為基巖裂隙水。

按照ω×R=R進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)，得：按照B=ω_U×R對(duì)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)，如下：

可知隧道的規(guī)模等級(jí)為較安全級(jí)，

圍巖變形較大，但都在安全值內(nèi)，圍巖局部破碎可能會(huì)發(fā)生坍塌。

3.2基坑開(kāi)挖對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

膠州灣海底隧道青島接線(xiàn)端區(qū)間公路隧道YK1+760～YK1+860段西側(cè)13m處有一基坑工程?；幽媳遍L(zhǎng)約130m，寬約100m，開(kāi)挖深度約為6m，基坑和隧道相對(duì)位置剖面圖如圖2所示。

隨著基坑的開(kāi)挖，挖切土體，使得土體荷載變小，且隧道距基坑在18m受影響范圍內(nèi)，從而隧道兩側(cè)壓力發(fā)生變化，形成一定偏壓，致使施工設(shè)計(jì)因素的評(píng)判矩陣發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性發(fā)生變化；伴隨著基坑的降水和排水等使得周?chē)植康叵滤幌陆?，從而影響隧道周邊的地下水狀況，致使水文地質(zhì)因素的評(píng)判矩陣發(fā)生改變，影響隧道穩(wěn)定性。

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和基坑開(kāi)挖引起影響因素分析，結(jié)合各一級(jí)因素的隸屬函數(shù)，計(jì)算出隸屬度，得到個(gè)單元素的模糊評(píng)判矩陣如下：

經(jīng)計(jì)算隧道的規(guī)模等級(jí)為較安全級(jí)，與無(wú)基坑因素影響相比，當(dāng)隧道附近有基坑工程時(shí)，因?yàn)橥谇型馏w和降水排水等過(guò)程會(huì)對(duì)基坑周?chē)h(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，這種負(fù)效應(yīng)具有連續(xù)傳遞性，使得隧道周邊地下水狀況、偏壓情況發(fā)生改變，從而導(dǎo)致隧道穩(wěn)定評(píng)價(jià)值F變大0.144，得出基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的穩(wěn)定性造成一定影響，但影響不明顯。

4.結(jié)論

本文采用層次分析與乘積標(biāo)度相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，在分析隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析建筑基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道的影響因素的變化，運(yùn)用乘積標(biāo)度法重新確定隸屬度，并進(jìn)一步評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性。結(jié)合基坑開(kāi)挖對(duì)青島城市隧道穩(wěn)定性影響具體實(shí)例進(jìn)行了評(píng)價(jià)，主要獲得以下結(jié)論：

（1）采用層次分析與乘積標(biāo)度法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法可以全面反映隧道在建設(shè)和后期受周?chē)h(huán)境變化所引起的自身穩(wěn)定性的變化情況，結(jié)合實(shí)際工程，認(rèn)為這種方法是可行的。

（2）基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道周?chē)h(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，從而使得隧道周邊情況發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值變大，對(duì)隧道的穩(wěn)定性造成一定影響。