基坑開挖對臨近隧道穩定性影響的層次分析與乘積標度相結合式的模糊評價

王晉超　袁長豐　黃海濱　袁子晉

摘要：隧道工程穩定性評價是確保隧道安全的一項重要工作，該評價涉及影響因素復雜眾多。結合建筑基坑開挖對臨近隧道穩定性影響的工程實際，首先對隧道建成后的穩定性進行評價，在此基礎上，采用層次分析法進一步分析建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化并采用乘積標度法重新確定隸屬度，對隧道穩定性進一步定性評價。結果表明：采用層次分析法與乘積標度法相結合可以全面的反映隧道在建設和后期受周圍環境變化所引起的自身穩定性的變化情況；基坑開挖會對臨近隧道周圍環境造成負效應，從而使得隧道周邊情況發生改變，導致隧道的穩定性發生變化；針對青島地區特有的地質條件，該方法能很好地反映基坑開挖對已建隧道的穩定性情況，使評估結果更具有科學性和合理性。

關鍵詞：基坑開挖；臨近隧道；穩定性；遞進；模糊評價

引言

近年來，中國已經成為世界最大的地下空間開發和隧道建設市場的國家，隨著地下空間的開發，越來越多的基坑工程不可避免的與既有運營隧道鄰近或相交，二者相互影響，環境負效應是不可避免的，比如臺北市某處地鐵附近開挖深基坑導致臨線隧道管壁破壞，造成了巨大經濟損失。因此，針對基坑開挖情況下地鐵隧道的穩定性研究具有很重要的工程實際意義。

目前，許多學者已經在基坑工程對隧道的影響上作了很多研究，取得了很多成果。這些成果，主要針對北京砂石與土的互層、上海的松散土體等地質條件下開展的研究，對青島地區特有的“上軟下硬”地質條件，研究較少，且主要研究方法是通過建立力學理論或軟件模型進行分析，定量的對主要影響因素進行分析計算。本文在這些研究的基礎上，針對青島地區特有的地質條件，采用另外一種研究思路，即運用層次分析法和乘積標度法相結合的評價方法，定性和定量相結合的去分析基坑開挖對已建隧道穩定性產生何種影響。該方法可以為類似臨近隧道基坑工程設計、施工提供技術支持和新研究思路。

1.隧道圍巖穩定性的影響因素

影響隧道圍巖穩定性的因素有很多，但總的來說主要有自然因素、工程地質因素、水文地質因素和施工設計因素四類。工程地質因素和水文地質因素主要反映巖土體的質量好壞，是影響圍巖穩定性的內在因素，主要考慮的因素有圍巖級別、巖石風化程度、巖石的堅硬程度、巖體的完整程度、地下水狀況和地下水類別等：施工設計因素是影響圍巖穩定性的外部因素，主要考慮開挖工法、隧道埋深、偏壓情況、開挖斷面、超前支護和超前注漿等。然而，對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雜性，對于某一具體工程，評價圍巖的好壞，評價各因素的影響程度只能是一種經驗性的判斷，為此要確定各種影響因素的隸屬度情況。這里將圍巖穩定性狀態劃分為4個等級：安全級、較安全級、較危險級、危險級。

某些主要因素依據專家經驗對不同穩定狀態的影響用一些模糊語言變量表示，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隧道建成后的穩定性進行評價，在此基礎上，進一步考慮建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化，然后根據影響因素的變化重新確定隸屬度，繼而對隧道穩定性進行定性評價。

2.1層次分析評價的基本內容如下

2.1.1隧道建成后的穩定性評價

（1）建立評價因素集U

隧道圍巖穩定性評價是一個受很多因素互相制約、互相影響的復雜問題，這些因素具有很大的模糊性，在很多情況下難以明確哪個因素更加重要，因此，可以采用層次分析法來處理這些難于完全定量分析的復雜問題。

模糊關聯因素集合可用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、工程地質因素、水文地質因素和施工設計因素。其中U_A、U_B、U_C、U_D中又分別包含若干個如圖1所示的子關聯因素u_i。

（2）初級評判

①評判集是評價者對評價對象可能作出的各種評價結果組成的集合。對于隧道圍巖穩定性分類，評判集合可用隧道圍巖穩定性等級表示為

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、工程地質因素、水文地質因素和施工設計因素的評價結果。其中各評價結果分別包括若干個如圖1所示的子評價結果v_j。

②找出模糊評價矩陣

m個關聯因素的評價子集構成總的評判矩陣R_i為

式中：0≤r_ij≤1，1≤i≤n，1≤j≤m表示因素u_i屬于評判等級v_j的隸屬程度；r_ij為各評分值分別帶入對應的隸屬函數求得。

③建立因素權重集

由于各關聯因素對評判對象的影響程度不同，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A_i的隸屬程度，表示單因素u_i在總評價中的影響程度的度量。

④建立模糊綜合評判模型

在確定權重向量A_i后即可進行綜合評判。模糊綜合評判模型表示為

B_i=A_i×R_i （5）

（3）二級評判

設U的模糊子集為A，且A=（A₁，A₂，A₃，A₄），則得U的總評價矩陣為：

則得出總的綜合評判結果為：

B=A×R （7）

（4）模糊向量單值化，得出評價值

（5）得出模糊評價及處理措施

依據專家經驗m通過評價值，判斷接受程度，從而得出評價和處理措施，進而得出考慮基坑因素時對隧道的附加影響。

2.1.2基坑開挖對隧道的穩定性評價

（1）在隧道建成后穩定性評價的基礎上分析基坑開挖導致的隧道影響因素變化。

（2）重新確定隸屬度。

（3）通過初級評判和二級評判得出基坑開挖對隧道穩定性影響評價值。

（4）得出基坑開挖對隧道穩定性的模糊評價及處理措施，如表2所示。

2.2定量指標的隸屬函數的確定

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

2.3影響因素權重的確定

本文采用乘積標度法，在指標重要性的兩兩比較時，不先劃分過多的等級，而只設置兩個等級，即指標A和指標B的重要性“相同”或“稍微大”，然后以此作為基礎進行遞進乘積分析，對不同情況的評比給出數量標度。

（1）根據經驗或實測數據資料，對m個指標進行重要性排序。

根據經驗認為各因素排序為：施工設計因素d>工程地質因素b=水文地質因素c>自然因素a。

（2）對指標進行兩兩對比，確定指標之間的重要性差異。

在對指標A和指標B進行兩兩比較時，取乘積標度法中“相同”的標度值為：

ω_A：ω_B=1：1

認為“稍微大”是指指標A和指標B之間存在的差別不應大于1.5，依此類推?。?/p>

（4）將同層的指標進行兩兩比較，并對結果進行統一綜合，進行歸一化分析。

（5）則權重為

3.工程應用

3.1隧道建成后穩定性評價

青島市膠州灣海底隧道青島接線端區間公路隧道YK1+760～YK1+860段，接線端區間隧道總體呈南北走向，全長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，洞身以微風化花崗巖為主，整體較為完整，透水性較弱，圍巖類型為Ⅱ-Ⅳ，設計采用了Ⅳ-Ⅱ型襯砌，采用上下臺階法開挖隧道，隧道支護形式為錨噴支護，年平均降水量約為800mm，地下水資源不大，類型為基巖裂隙水。

按照ω×R=R進行一級評價，得：按照B=ω_U×R對系統綜合評價，如下：

可知隧道的規模等級為較安全級，

圍巖變形較大，但都在安全值內，圍巖局部破碎可能會發生坍塌。

3.2基坑開挖對隧道穩定性的影響

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

隨著基坑的開挖，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，從而隧道兩側壓力發生變化，形成一定偏壓，致使施工設計因素的評判矩陣發生改變，導致隧道穩定性發生變化；伴隨著基坑的降水和排水等使得周圍局部地下水位下降，從而影響隧道周邊的地下水狀況，致使水文地質因素的評判矩陣發生改變，影響隧道穩定性。

（1）通過現場實測數據和基坑開挖引起影響因素分析，結合各一級因素的隸屬函數，計算出隸屬度，得到個單元素的模糊評判矩陣如下：

經計算隧道的規模等級為較安全級，與無基坑因素影響相比，當隧道附近有基坑工程時，因為挖切土體和降水排水等過程會對基坑周圍環境造成負效應，這種負效應具有連續傳遞性，使得隧道周邊地下水狀況、偏壓情況發生改變，從而導致隧道穩定評價值F變大0.144，得出基坑開挖對隧道的穩定性造成一定影響，但影響不明顯。

4.結論

本文采用層次分析與乘積標度相結合的評價方法，在分析隧道建成后的穩定性進行評價基礎上，進一步分析建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化，運用乘積標度法重新確定隸屬度，并進一步評價隧道穩定性。結合基坑開挖對青島城市隧道穩定性影響具體實例進行了評價，主要獲得以下結論：

（1）采用層次分析與乘積標度法相結合的評價方法可以全面反映隧道在建設和后期受周圍環境變化所引起的自身穩定性的變化情況，結合實際工程，認為這種方法是可行的。

（2）基坑開挖對臨近隧道周圍環境造成負效應，從而使得隧道周邊情況發生改變，導致隧道穩定性評價值變大，對隧道的穩定性造成一定影響。