基于SPA法的盾構隧道施工鄰近橋梁安全評價*

翟 強，顧偉紅，頡芳弟

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，盾構法因其施工效率高、安全可靠、環保效益明顯等優點，被廣泛地應用到隧道施工中[1]。然而，在密集的城市地下空間往往會遇到地下既有結構和設施，如樁基礎、市政管線和運行隧道，因此盾構隧道的開挖對既有結構的影響引起較多學者的關注。目前，新建隧道下穿既有橋梁的施工案例較多，由于盾構法施工會對周圍的土體產生較大的波動，使土體發生變形和地表沉降，必然會引起橋梁墩臺和基礎的變位，進而影響橋梁的整體結構。因此，對隧道施工鄰近橋梁進行安全評價，對保障橋梁結構物運營的安全性和穩定性具有重要意義。

針對隧道施工對鄰近橋梁的影響，學者們進行大量研究：郅建國等[2]利用有限元軟件對既有鐵路橋梁結構物在加固防護措施下的影響位移進行對比分析；趙江濤等[3]為控制盾構隧道施工對周圍橋梁的擾動程度，建立盾構隧道穿越既有橋梁精細化施工控制體系；鄭揚等[4]采用FLAC數值模擬軟件與現場施工監測相結合的方法，通過3維地質力學模型，對TBM隧道施工既有橋梁結構受力特征和變形規律進行研究；賈少春[5]采用有限元計算方法，從地表沉降、橋梁樁基位移、內力變化等方面研究盾構下穿黃河施工時，對銀灘黃河大橋樁基的影響；孫雪兵[6]采用有限元軟件ANSYS分析不同樁隧凈距時盾構施工對鐵路橋梁結構變形及地表沉降的影響規律；陳潔金等[7]基于故障樹、區間算法和模糊數學建立模糊故障樹模型，定量地對城市隧道下穿橋梁施工風險進行評價；張天奇等[8]運用可拓理論對隧道下穿橋梁橋墩的穩定性進行評價；吳賢國等[9]構建盾構隧道鄰近建筑物安全評價指標體系，基于物元理論和證據理論對鄰近建筑進行評價，為盾構隧道施工鄰近橋梁施工安全風險管理提供可靠依據。學者們針對隧道施工對鄰近橋梁影響的研究取得較大成績，但盾構隧道施工鄰近橋梁安全評價是復雜的系統工程，受地質條件、水文條件、盾構施工參數和組織管理等多方面的因素影響，且因素之間互相約束和作用，具有較大的模糊性，因此，針對盾構隧道施工鄰近橋梁安全風險評價，建立1套系統的評價指標體系和評價方法具有重要的意義。

本文分析盾構隧道施工對鄰近橋梁的致因因素，并在選取評價指標體系的基礎上，采用集對分析理論建立1套盾構隧道施工鄰近橋梁安全評價方法，此理論擅長處理不確定性和模糊問題。通過集對分析法計算加權平均聯系度從而確定橋梁的安全風險等級，并基于蒙特卡洛方法對因素進行敏感性分析，找到關鍵致因因素，為隧道施工中橋梁的防護工作提供理論依據。

1 盾構隧道鄰近橋梁安全評價模型的構建

1.1 盾構隧道鄰近橋梁施工風險評價體系

1.1.1 盾構隧道施工對鄰近橋梁致因因素分析

盾構隧道開挖會使周圍的應力發生重分布，改變原本的穩定形態，引起土體變形和地表沉降，進而引起橋梁基礎和橋墩偏移，嚴重時會影響橋梁的上部結構，甚至影響橋梁的安全運營。因此，分析出盾構隧道下穿橋梁施工時引起地層變形的因素，對找出盾構隧道下穿橋梁施工的風險因素意義重大。地質水文條件和盾構施工參數直接影響施工的難易程度和安全性，盾構在復合地層條件下極易發生盾構姿態偏移和結泥餅現象，會對周圍的土體造成極大的擾動；在富水地區，如果施工參數控制不當，會造成涌泥涌沙現象，嚴重時會造成隧道失穩或坍塌災害；在斷裂破碎帶，如果施工參數控制不當，會導致盾構機前方的土體損失或者隆起，極易發生卡機故障；隧道工程條件也是盾構隧道下穿橋梁工程的重要風險源，隧道埋深、斷面尺寸和路線選型等設計中存在的問題會影響盾構的適應性，如設計不合理將增加地表沉降的風險。因此在安全風險評價工作中應當充分考慮橋梁所處的位置和完整情況。此外，穿越橋梁工程是涉及多方單位的系統工程，方案是否合理、管理是否得當、執行是否到位均會直接影響施工的安全性，因此組織風險管理應給予足夠的重視。

1.1.2 指標體系的構建

根據大量的工程實踐和眾多學者的研究，本文將盾構施工影響鄰近橋梁的風險因素主要分為地質水文條件、盾構施工參數、隧道工程條件、橋梁自身條件和組織管理5類風險，即1級指標，并根據此5類風險進一步細化指標，最終構建盾構隧道鄰近橋梁施工風險指標體系，并參考《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2016)[10]、《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[11]和文獻[9,12-13]劃分為16個2級指標的等級區間，其中定量指標采用實測值，定性指標采用打分制進行量化，最終確定的評價指標體系見表1。

1.2 集對分析法確定安全等級

集對分析(SPA)是較早提出的處理不確定信息的系統分析方法[14]。該方法將2個相互聯系的集合放在一起形成集對，然后從“同”“異”“反”3個方面建立2個集合的聯系度表達式，如式(1)所示：

(1)

式中：μ為2個集合的聯系度；N為特征總數；S為同一特征數；F為相異特征數；P為對立特征數；a，b，c為同異反隸屬度，a+b+c=1；i為差異度系數，取值為-1～1；j為對立度系數，取值為-1。

基于集對分析模型構建盾構隧道鄰近橋梁安全評價模型，具體步驟如下：

1)基于表1各指標的評價標準，根據(2)～(6)式計算樣本xj的5元聯系數。

表1 盾構隧道施工鄰近橋梁評價指標等級劃分標準Table 1 Classification standard for evaluation indexes of adjacent bridges in shield tunnel construction

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：xj為第j項指標的量化值；μj(k)為第j項指標與第k級評價指標的聯系度，k=1,2,3,4,5；ej(k)為第j項評價指標的第k級評價標準的閾值，對于越小越優型指標，符合ej(1)ej(2)>ej(3)>ej(4)>ej(5)，且只需將式(2)～(6)xj兩端的區間號反向即可。

2)計算指標的組合權重wj。

3)將組合權重和聯系度相乘并累加獲得加權平均聯系度。具體計算如式(7)所示：

(7)

式中：μk為各評價樣本與第k類評價等級的加權平均聯系度；wj為各評價指標的綜合權重。

4)求評價樣本的最大加權平均聯系度。根據最大隸屬度原則，得出其對應的等級，即為最大加權平均聯系度。

1.3 組合權重的確定

傳統層次分析法由于指標較多、專家主觀意見不同導致一致性檢驗較難通過且過于主觀[15]，而序關系法(G1)可以通過對指標重要性進行排序，進而對相鄰指標重要性賦值；指標相關性法(CRITIC)可以根據真實數據的標準差來反應指標的差異性，進而判斷數據提供信息量的大小[16]。故本文采取G1-CRITIC法對指標進行組合賦權。G1法和CRITIC法的具體計算步驟可參考文獻[17];采用線性組合方式計算組合權重，如式(8)所示：

(8)

1.4 蒙特卡洛模擬確定敏感因素

蒙特卡羅法又稱隨機抽樣法[18]。該方法基于概率論和數理統計，模擬實驗結果可作為問題的近似解。該方法的主要步驟為：1)定義評價指標的概率分布函數，并得出已知概率分布的隨機變量；2)將橋梁安全狀態設置為預測值；3)采用集對分析計算規則進行模擬分析，定義實驗次數之后，得到問題的近似解。

2 應用分析

2.1 工程概況

為驗證集對分析理論在盾構隧道鄰近橋梁安全評價過程中的有效性，選擇國內5座下穿橋梁盾構隧道施工項目作為研究對象，其基本工程概況見表2。其中定量評價指標以現場施工數據為準，定性指標邀請10位有5 a以上工作經驗的學者對其進行打分，最終確定各評價對象的指標數據值，并計算出各指標的綜合權重，最終結果見表3。

表2 研究區域工程概況Table 2 Project overview of study area

2.2 確定施工風險評價等級

根據表1的各指標等級值劃分標準，以樣本1(三元橋)為例，利用式(2)～(6)確定各項指標與5種評價等級的聯系度，見表4。將表4各指標的單項聯系度計算結果和表3各指標的綜合權重計算結果代入式(7)，求得樣本1(三元橋)的加權平均聯系度結果，根據最大隸屬度原則，得出其等級為低風險(Ⅱ)。同理，可求出其他4個樣本的平均聯系度和施工風險等級，見表5。

表5 加權平均聯系度及安全等級Table 5 Weighted average connection degree and safety grades

表3 評價指標數據值Table 3 Data values of evaluation indexes

表4 三元橋各評價等級聯系度Table 4 Connection degree of evaluation grades of Sanyuan Bridge

2.3 蒙特卡洛敏感性分析

根據蒙特卡洛原理，基于Crystal軟件對本文研究的橋梁安全狀態進行模擬仿真，具體步驟如下：1)將16個2級評價指標設定為假設單位，因工程現象、自然現象隨機變量的分布函數常用正態分布表征，故設定其評價指標值服從正態分布；2)將橋梁的最終安全評價狀態定義為預測單元，并假設單元和預測單元符合集對分析計算規則，將實驗次數設定為1 000次；3)對每個橋梁進行敏感性分析，結果如圖1所示。

圖1 敏感性分析結果Fig.1 Results of sensitivity analysis

2.4 評價結果分析

由表5和圖1可知，三元橋屬于低風險(Ⅱ級)，較為關鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、地質復雜情況和橋梁損傷情況，施工中應做好正常的實時監測，并對橋梁的損傷部分做好一般性修補；京秦鐵路橋為中等風險(Ⅲ級)，較為關鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、涌水量和地質復雜情況，施工中應對不良地質段進行土壤改良和減排水措施，縮小監測的時間間隔；劉家碾橋屬于中等風險(Ⅲ級)，較為關鍵的致因因素為管理水平和施工技術條件，施工中應縮小監測的時間間隔，應針對性地做好施工方案優化和管理人員培訓工作；北苑橋屬于極低風險(Ⅰ級)，較為關鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、地質復雜情況和盾構下穿橋梁時間，應關注掌子面前的地質情況，做好超前地質預測；萬豐橋屬于極低風險(Ⅰ級)，較為關鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、橋梁損傷情況和基礎損傷情況，正常施工前期對橋梁損傷部分做好一般性修復。另外多數工程對平曲線半徑和地質復雜情況較為敏感，這是因為盾構法施工對隧道的平曲線和地質情況極為敏感，平曲線過小或地質較為復雜，會造成機體的顫動，使掌子面前方土體隆起，嚴重時會發生坍塌和卡機現象，因此，針對此類下穿橋梁盾構隧道施工項目，做好前期的盾構選型和地質適應性研究尤為重要。

3 結論

1)通過致因因素分析，并參考相關規范和文獻，確定地質水文條件、盾構施工參數、隧道工程條件、橋梁自身條件和組織管理風險5個1級指標，以及包括斷裂破碎帶和涌水量在內的16個2級指標，并按照相關等級劃分標準進行劃分。將主觀權重法G1法和客觀權重法CRITIC法進行耦合確定綜合權重，既避免人為因素的主觀性，又充分考慮數據本身的客觀性。

2)基于集對分析理論，構建各指標分級標準的聯系度隸屬函數，并計算出各樣本的最大加權聯系度，確定其安全風險等級，較好地處理這一不確定和模糊問題?；诿商乜宸ù_定盾構隧道下穿橋梁工程的關鍵致因因素，可為相應的解決措施提供理論依據。

3)通過權重計算和蒙特卡洛敏感性整體來看，隧道平曲線半徑、地質復雜情況、橋體損傷情況、基礎損傷情況對下穿橋梁工程的影響較大。因此，施工前期的超前地質預測、盾構適應性研究和橋梁損傷評估尤為重要。

4)基于簡單易行、操作方便的原則確定盾構隧道施工鄰近橋梁安全評價模型，具有一定的工程應用價值，但忽略了土體類型、摩擦角、泊松比等土質條件因素，可進一步從土質條件方面完善評價指標體系。