淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑物損傷風險評估

李洪江

【摘要】本文建立了城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑損傷風險評估體系，運用層次分析法和模糊數(shù)學對重慶軌道交通十號線對越秀飯店的影響進行了風險評估。在評估過程中，綜合考慮了建筑物與隧道相對位置、隧道開挖以及建筑自身抗影響力等因素。運用層次分析法，將風險評估問題分為了目標層、準則層和指標層，計算得到了各個風險因素權重向量，基于R=P×C模型與模糊綜合法建立了綜合風險評估模型。并以重慶軌道交通十號線為例，計算得到其鄰近建筑越秀飯店的損傷風險等級。通過實例分析，表明該評估體系為城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑風險控制提供了新方法。

【關鍵詞】地鐵；風險評估；層次分析；模糊數(shù)學；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由于隧道的開挖引發(fā)的土體沉降而產生撓曲、扭轉、甚至是破壞，隧道開挖所誘發(fā)的地表建筑物風險已成為重點討論對象[1]。層次分析（AHP）是一種分析方法，它通過劃分相互關系的有序級別來劃分復雜系統(tǒng)問題的因素。它根據(jù)對某一客觀現(xiàn)實的判斷定量地表達每個層次的相對重要性，并用數(shù)學方法表達每個層次上所有元素的相對重要性順序的權重，進而對各影響因素引發(fā)風險的概率的程度進行定量分析[2]。本文作者將層次分析法和模糊數(shù)學理論結合應用于城市淺埋暗挖隧道引發(fā)地表建筑損傷風險評估中，首先建立模糊層次風險評估體系，確定各影響因素權重，再依據(jù)模糊數(shù)學理論進行綜合評判，從而確定淺埋暗挖隧道對地表建筑的損傷風險。

1、誘發(fā)地表建筑物風險的定義

風險的基本含義是損失的不確定性。本文將施工期間的風險定義為隧道工程正常施工過程中的風險。特定的“活動”是指存在各種風險因素的可能性。在直接或間接損失給被保險系統(tǒng)的情況下，認為該活動處于風險之中，而該活動在進行過程中發(fā)生了損失的后果稱為風險事故。本文中的風險含有兩個基本要素：風險發(fā)生導致?lián)p失的概率大小和風險發(fā)生后造成損失的嚴重性。淺埋隧道開挖施工過程中的風險可以以下函數(shù)解釋：

其中，R為隧道開挖施工中地表建筑物面臨的風險，P為地表建筑風險發(fā)生的概率，C是該風險發(fā)生后對不同對象造成的損失。

2、模糊層次綜合評估體系的構建

2.1 建筑物損傷風險評價指標權重計算

2.1.1確定建筑物損傷風險評價指標體系

本文將隧道開挖誘發(fā)建筑物損傷風險因素做如下考慮：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）僅當隧道開挖影響區(qū)域內地面上的建筑物產生損壞的風險時，隧道與建筑物之間的相對位置關系也被視為獨立因素；3）隧道開挖速度被認為是影響隧道施工方法的因素。

2.1.2層次分析法判定風險評價指標權重

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)模以上構建的，根據(jù)比較構造比較判斷矩陣E，按定義有：

解特征根問題：EW=λmaxW，將向量W正規(guī)化，得出影響因子的排序權重。同樣可以證明得出：對于正定互反矩陣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個常數(shù)倍數(shù)以外，W是惟一的[3]。

城市地下空間建設中，在隧道采用分步開挖工序的條件下，根據(jù)用于評價和分析地面建筑物風險的指標和體系。可以得到構造準則層B對目標層A的判別矩陣。

從而可以通過計算得到特征向量W，如下所示：W=[1.23，0.315，0.274]T

同理，之后可通過計算求出最大特征值λmax= 3.004。

為了方便區(qū)分，將構造指標層C對準則層B的判斷矩陣定義為A1、A2和A3。3個矩陣的具體表達形式在表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，經驗證滿足一致性要求。

可以求得特征向量W2=[1]T，λmax=1，經過驗證可以知道該結果滿足一致性要求。

見表3。

計算得出特征向量W3=[0.90，0.38，0.24]T，λmax=3.05，經過驗證可以知道該結果滿足一致性要求。

2.2 隧道開挖條件下建筑物損傷風險等級評估

2.2.1建筑物損傷風險概率估計

1）建立隧道開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險評價指標體系，根據(jù)該評價體系，結合淺埋暗挖隧道分步開挖條件，可以得出地表建筑物損傷風險因素集合，如下所示：

本文參考模型試驗[4]中測得的建筑物損傷風險因素對于建筑物損傷的影響進行風險因素等級劃分，同時參考類似城市淺埋暗挖隧道實例，劃分出其余風險因素的風險等級。

2）構建評價級集合

在此風險評價集中，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，構建等級評價矩陣

在模糊數(shù)學中，隸屬度是非常重要的組成部分，評估結果的有效性[9]直接取決于隸屬度的客觀性。在本文中，定量指標之間的隸屬關系由定性指標函數(shù)確定，通過模糊隸屬度函數(shù)明確該項索引。

①定量指標隸屬度

建筑物損傷風險因素中定量指標的隸屬度函數(shù)[10]可從模糊數(shù)學相關理論得到，本文以嶺型分布函數(shù)作為隸屬度的分布函數(shù)。

②定性指標隸屬度

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

2.2.2風險損傷模糊估計

1）城市地下隧道開挖對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險而有破壞的可能時才考慮建筑物變形的風險因素。

2）構建因素集

損壞風險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系，根據(jù)損壞風險因素建立一個因素集。如下所示。

在本文中，我們使用層次分析法來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。

經驗證滿足一致性要求。

3）構建評價集

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

4）確定隸屬度，建立等級評價矩陣

在建筑物損傷易損分析領域，主要靠專家經驗評估。本文引入模糊隸屬度函數(shù)，通過模糊隸屬度函數(shù)對地表建筑物進行損傷易損性分析，表10為模糊隸屬度函數(shù)。

結論：

（1）確定了風險評價指標，運用層次分析法，將風險評估問題分為了目標層、準則層和指標層，計算得到了各個風險因素權重向量，建立了誘發(fā)地表建筑風險評估體系。

（2）運用層次分析法和模糊數(shù)學理論，建立模糊綜合評價模型，對具體工程案例進行分析評價，進而獲得重慶軌道交通十號線引起的越秀飯店的風險等級。

（3）在對城市淺埋暗挖隧道誘發(fā)地表建筑風險的研究中，引入層次分析法和模糊數(shù)學理論進行綜合評估，避免了單一指標易造成主觀錯誤以及定性指標難以量化的缺陷，可以有效控制隧道開挖過程中的風險，降低施工成本。

參考文獻：

[1]王巍.分析淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷及控制[J].建材與裝飾，2020（06）：264-265.

[2]雷剛，華福才，鄭廣亮.層次分析法（AHP）在地鐵隧道工程中的應用[J].地下空間與工程學報，2012，8（S2）：1782-1787.

[3]沈陽，武珂縵，張新龍.基于模糊綜合法的水底隧道運營風險評估方法[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（01）：293-298.

[4]王元清.基于模型試驗的淺埋暗挖隧道施工過程中地表建筑物變形規(guī)律研究[J].隧道建設（中英文），2019，39（06）：934-939.