淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李洪江

【摘要】本文建立了城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)對(duì)重慶軌道交通十號(hào)線(xiàn)對(duì)越秀飯店的影響進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在評(píng)估過(guò)程中，綜合考慮了建筑物與隧道相對(duì)位置、隧道開(kāi)挖以及建筑自身抗影響力等因素。運(yùn)用層次分析法，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題分為了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，計(jì)算得到了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重向量，基于R=P×C模型與模糊綜合法建立了綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。并以重慶軌道交通十號(hào)線(xiàn)為例，計(jì)算得到其鄰近建筑越秀飯店的損傷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過(guò)實(shí)例分析，表明該評(píng)估體系為城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑風(fēng)險(xiǎn)控制提供了新方法。

【關(guān)鍵詞】地鐵；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；層次分析；模糊數(shù)學(xué)；淺埋暗挖；建筑損傷

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.088

作為城市市政地下工程發(fā)展中的重要一環(huán)，城市淺埋隧道開(kāi)挖穿越軟土層必將引發(fā)周邊地表的沉降，而建于隧道周邊的地表建筑物必然會(huì)由于隧道的開(kāi)挖引發(fā)的土體沉降而產(chǎn)生撓曲、扭轉(zhuǎn)、甚至是破壞，隧道開(kāi)挖所誘發(fā)的地表建筑物風(fēng)險(xiǎn)已成為重點(diǎn)討論對(duì)象[1]。層次分析（AHP）是一種分析方法，它通過(guò)劃分相互關(guān)系的有序級(jí)別來(lái)劃分復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的因素。它根據(jù)對(duì)某一客觀(guān)現(xiàn)實(shí)的判斷定量地表達(dá)每個(gè)層次的相對(duì)重要性，并用數(shù)學(xué)方法表達(dá)每個(gè)層次上所有元素的相對(duì)重要性順序的權(quán)重，進(jìn)而對(duì)各影響因素引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的概率的程度進(jìn)行定量分析[2]。本文作者將層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論結(jié)合應(yīng)用于城市淺埋暗挖隧道引發(fā)地表建筑損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，首先建立模糊層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，確定各影響因素權(quán)重，再依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行綜合評(píng)判，從而確定淺埋暗挖隧道對(duì)地表建筑的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

1、誘發(fā)地表建筑物風(fēng)險(xiǎn)的定義

風(fēng)險(xiǎn)的基本含義是損失的不確定性。本文將施工期間的風(fēng)險(xiǎn)定義為隧道工程正常施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。特定的“活動(dòng)”是指存在各種風(fēng)險(xiǎn)因素的可能性。在直接或間接損失給被保險(xiǎn)系統(tǒng)的情況下，認(rèn)為該活動(dòng)處于風(fēng)險(xiǎn)之中，而該活動(dòng)在進(jìn)行過(guò)程中發(fā)生了損失的后果稱(chēng)為風(fēng)險(xiǎn)事故。本文中的風(fēng)險(xiǎn)含有兩個(gè)基本要素：風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生導(dǎo)致?lián)p失的概率大小和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后造成損失的嚴(yán)重性。淺埋隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)可以以下函數(shù)解釋?zhuān)?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/11/25/zfzx202109zfzx20210988-1-l.jpg"/>

其中，R為隧道開(kāi)挖施工中地表建筑物面臨的風(fēng)險(xiǎn)，P為地表建筑風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，C是該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后對(duì)不同對(duì)象造成的損失。

2、模糊層次綜合評(píng)估體系的構(gòu)建

2.1 建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.1.1確定建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文將隧道開(kāi)挖誘發(fā)建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)因素做如下考慮：1）本文研究主體為城市市政地下工程中的淺埋暗挖隧道，其上的上覆土層一般較淺，于是可以把地層條件近似的看作單一地層；2）僅當(dāng)隧道開(kāi)挖影響區(qū)域內(nèi)地面上的建筑物產(chǎn)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，隧道與建筑物之間的相對(duì)位置關(guān)系也被視為獨(dú)立因素；3）隧道開(kāi)挖速度被認(rèn)為是影響隧道施工方法的因素。

2.1.2層次分析法判定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

1）根據(jù)層次分析（AHP）模型，每一層的索引的元素是基于先前的層上，并且兩者是根據(jù)比較規(guī)模以上構(gòu)建的，根據(jù)比較構(gòu)造比較判斷矩陣E，按定義有：

解特征根問(wèn)題：EW=λmaxW，將向量W正規(guī)化，得出影響因子的排序權(quán)重。同樣可以證明得出：對(duì)于正定互反矩陣A，其最大特征根λmax存在且惟一，W是由正分量組成，除了相差1個(gè)常數(shù)倍數(shù)以外，W是惟一的[3]。

城市地下空間建設(shè)中，在隧道采用分步開(kāi)挖工序的條件下，根據(jù)用于評(píng)價(jià)和分析地面建筑物風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)和體系。可以得到構(gòu)造準(zhǔn)則層B對(duì)目標(biāo)層A的判別矩陣。

從而可以通過(guò)計(jì)算得到特征向量W，如下所示：W=[1.23，0.315，0.274]T

同理，之后可通過(guò)計(jì)算求出最大特征值λmax= 3.004。

為了方便區(qū)分，將構(gòu)造指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B的判斷矩陣定義為A1、A2和A3。3個(gè)矩陣的具體表達(dá)形式在表1、表2和表3中所示：

可以求得特征向量W1=[0.89，0.45]T，λmax=2，經(jīng)驗(yàn)證滿(mǎn)足一致性要求。

可以求得特征向量W2=[1]T，λmax=1，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以知道該結(jié)果滿(mǎn)足一致性要求。

見(jiàn)表3。

計(jì)算得出特征向量W3=[0.90，0.38，0.24]T，λmax=3.05，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以知道該結(jié)果滿(mǎn)足一致性要求。

2.2 隧道開(kāi)挖條件下建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

2.2.1建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)概率估計(jì)

1）建立隧道開(kāi)挖條件下地表建筑物損傷因素集合

在上文中，得出了地表建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)該評(píng)價(jià)體系，結(jié)合淺埋暗挖隧道分步開(kāi)挖條件，可以得出地表建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)因素集合，如下所示：

本文參考模型試驗(yàn)[4]中測(cè)得的建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)于建筑物損傷的影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)劃分，同時(shí)參考類(lèi)似城市淺埋暗挖隧道實(shí)例，劃分出其余風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2）構(gòu)建評(píng)價(jià)級(jí)集合

在此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集中，p1代表很可能發(fā)生，p2代表可能發(fā)生，p3代表偶然發(fā)生，p4代表不能發(fā)生，p5代表極不可能發(fā)生。

3）確定隸屬度，構(gòu)建等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣

在模糊數(shù)學(xué)中，隸屬度是非常重要的組成部分，評(píng)估結(jié)果的有效性[9]直接取決于隸屬度的客觀(guān)性。在本文中，定量指標(biāo)之間的隸屬關(guān)系由定性指標(biāo)函數(shù)確定，通過(guò)模糊隸屬度函數(shù)明確該項(xiàng)索引。

①定量指標(biāo)隸屬度

建筑物損傷風(fēng)險(xiǎn)因素中定量指標(biāo)的隸屬度函數(shù)[10]可從模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論得到，本文以嶺型分布函數(shù)作為隸屬度的分布函數(shù)。

②定性指標(biāo)隸屬度

在本文中，根據(jù)實(shí)際工程案例中常用的模糊隸屬度函數(shù)確定定性指標(biāo)隸屬度。

2.2.2風(fēng)險(xiǎn)損傷模糊估計(jì)

1）城市地下隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物造成的破壞的影響因素只有建筑物防止變形的能力，于是只在地表建筑因風(fēng)險(xiǎn)而有破壞的可能時(shí)才考慮建筑物變形的風(fēng)險(xiǎn)因素。

2）構(gòu)建因素集

損壞風(fēng)險(xiǎn)因素包括建筑物的幾何尺寸、損壞情況以及建筑物與地面上隧道之間的位置關(guān)系，根據(jù)損壞風(fēng)險(xiǎn)因素建立一個(gè)因素集。如下所示。

在本文中，我們使用層次分析法來(lái)建立用于建筑物易碎性的表面建筑物防變形能力系數(shù)的判別矩陣。

經(jīng)驗(yàn)證滿(mǎn)足一致性要求。

3）構(gòu)建評(píng)價(jià)集

本文根據(jù)在隧道開(kāi)挖條件下誘發(fā)地表建筑物損傷產(chǎn)生的損傷極限應(yīng)變對(duì)建筑物的損傷程度進(jìn)行判別，并將城市地下隧道開(kāi)挖誘發(fā)地表建筑物損傷分為五級(jí)，具體如表2所示。

4）確定隸屬度，建立等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣

在建筑物損傷易損分析領(lǐng)域，主要靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)評(píng)估。本文引入模糊隸屬度函數(shù)，通過(guò)模糊隸屬度函數(shù)對(duì)地表建筑物進(jìn)行損傷易損性分析，表10為模糊隸屬度函數(shù)。

結(jié)論：

（1）確定了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用層次分析法，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題分為了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，計(jì)算得到了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重向量，建立了誘發(fā)地表建筑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

（2）運(yùn)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)具體工程案例進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)而獲得重慶軌道交通十號(hào)線(xiàn)引起的越秀飯店的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（3）在對(duì)城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑風(fēng)險(xiǎn)的研究中，引入層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行綜合評(píng)估，避免了單一指標(biāo)易造成主觀(guān)錯(cuò)誤以及定性指標(biāo)難以量化的缺陷，可以有效控制隧道開(kāi)挖過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，降低施工成本。

參考文獻(xiàn)：

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