基于可變模糊集理論的盾構法施工對既有橋梁的安全評價研究

楊 曌

（內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

0 引言

近年來，學者們在盾構隧道施工近接穿越既有橋梁問題上的研究取得了很多的成果，他們通過研究盾構施工過程中土層變形對橋梁樁基位移和內(nèi)力的影響，總結(jié)出盾構施工近接穿越既有橋梁的變形規(guī)律。李松等[1]運用MIDAS 軟件，通過模擬盾構施工中橋樁所受到的影響，得到了橋樁水平及豎向位移的規(guī)律。蘇潔等[2]建立了包括工前檢測、工前安全評估、工中動態(tài)控制以及工后評估的隧道施工穿越既有橋梁的安全風險評估方法，實現(xiàn)了信息化管理既有橋梁在穿越全過程中的安全。包芮等[3]通過建立盾構隧道近接穿越的樁基的三維有限元模型，分析了穿越過程中樁基的變形情況及規(guī)律。肖昭然等[4]通過數(shù)值模擬軟件模擬在土層已加固的前提下的側(cè)穿施工過程，得到了施工前加固穿越土層可減緩盾構施工對橋樁影響的結(jié)論。蘇寶[5]采用ANSYS 軟件從盾構施工參數(shù)的角度出發(fā)，模擬了盾構施工過程中開挖步數(shù)、掌子面推力和注漿壓力對樁基變形的影響，得到了三者對樁基橫向位移和豎向位移的變化規(guī)律。

上述研究都借助了有限元軟件，然而盾構隧道施工過程中的風險因素很多，也存在著許多不確定性，建立合理的有限元模型并不容易，因此需要一套盡可能完善的安全評估方法。本文將可變模糊集理論的思想融入到此類工程的安全評估中，分析工程風險因素，對工程進行評分，可以科學合理地確定各個評估指標的相對隸屬關系，評價指標的打分原則清晰可靠，計算方法較數(shù)值模擬更加快捷簡便且易于程序化，具有很強的可信度，工程可依據(jù)計算評分決定是否需要選取一定的補強措施。

1 構建盾構隧道近接穿越既有橋梁安全評價模型

根據(jù)以往既有的研究理論[6]和學者的經(jīng)驗，本文將盾構近接穿越橋梁的風險因素定為地質(zhì)水文條件、盾構施工參數(shù)、隧道工程條件、既有橋梁狀況以及組織管理風險。綜合已有研究成果和專家指導意見，得到的評價指標評分依據(jù)見表1。

表1 評價指標數(shù)據(jù)評分依據(jù)

2 基于可變模糊集理論評價安全性的評價步驟

（1）確定評價對象的特征向量。假設評價對象[7-9]有n個評價指標，那么它的特征向量為：

式中：i=1,2,……n。

（2）確定等級評價區(qū)間矩陣。將待評價對象評價指標按等級劃分[9-11]，可以得到可變區(qū)間矩陣Icd：

（3）根據(jù)函數(shù)的差異度確定點值矩陣M：

（4）確定相對隸屬度矩陣。根據(jù)指標特征值x與M點的位置關系，函數(shù)歸一化后得到相對隸屬度矩陣U：

（5）確定綜合相對隸屬度。待評價對象對級別h的綜合相對隸屬度公式為[11-13]：

式中：h=1,2,3…c；

α——優(yōu)化標準參數(shù)；

w——指標權重；

p——距離參數(shù)。

α和p共有4 種組合方式：（1）α=1，p=1；（2）α=1，p=2；（3）α=2，p=1；（4）α=2，p=2。由4種參數(shù)組合得到的4個綜合相對隸屬度矩陣進行歸一化得到綜合相對隸屬度矩陣。

（6）綜合評價。待評價對象的級別特征H=(1,2,3…c)?UT，則最終的綜合評價結(jié)果為4 種結(jié)果的平均值，再根據(jù)級別判別準則判斷待評價對象的安全等級：

H∈[0.5,1],歸屬1級

H∈[1,1.5],歸屬2級,偏1級

H∈[1.5,1.75],歸屬2級,偏3級

H∈[1.75,2],歸屬3級,偏2級

H∈[2,2.5],歸屬3級,偏4級

H∈[2.5,3],歸屬4級

3 工程應用實例

呼和浩特地鐵一號線盾構隧道側(cè)穿的鼓樓立交B線橋為跨徑16m 的普通鋼筋混凝土連續(xù)梁橋，矩形板式橡膠支座，橋樁直徑1.2m，樁深30m，為摩擦樁，區(qū)間隧道與B 線橋樁基最小凈距約1.06m。與線路方向基本平行。

3.1 評價對象的指標值

首先確定待評價對象的特征值，本次評分來源于專家打分法，其中本工程各項評分情況見表2。

表2 各項指標評分結(jié)果

3.2 確定項目風險等級

將所獲得的各項評分帶入到第2節(jié)的計算步驟中，可以得到當前工程的級別特征值見表3。

表3 不同參數(shù)組合下的特征值

按照上述判斷步驟，最終得到評價結(jié)果值為2.05，根據(jù)級別判別準則，判斷待評價對象的安全等級處于3級，偏4 級，在施工過程中存在危險，必須采取一定的補強措施。實際工程中采取了樁基托換的補強形式，可大大提高工程的安全等級。工程人員需要根據(jù)現(xiàn)有的評估結(jié)果做出一系列的保護措施，例如補強結(jié)構，增加隔離樁等。

4 結(jié)束語

（1）本文將可變模糊集理論引入到盾構施工穿越既有橋梁評估模型中，優(yōu)化了一套安全評價體系，充分考慮了各方面的危險因素，并詳盡分析了每種因素存在的合理性和必要性。

（2）與傳統(tǒng)的安全評價模式相比，基于可變模糊集理論構建的安全評價模型計算過程相對簡單，評價結(jié)果清晰，易于實現(xiàn)程序化設計，適用性較好。

（3）在工程實例中，通過計算可得到本工程不加任何防護時，工程的風險等級很高，而這一結(jié)論與實際工程的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)高度吻合，證明了此套理論針對盾構施工近接穿越既有建筑物的工程有很強的適用性，值得進一步驗證及推廣。