浅埋暗挖隧道诱发地表建筑物损伤风险评估

李洪江

【摘要】本文建立了城市浅埋暗挖隧道诱发地表建筑损伤风险评估体系，运用层次分析法和模糊数学对重庆轨道交通十号线对越秀饭店的影响进行了风险评估。在评估过程中，综合考虑了建筑物与隧道相对位置、隧道开挖以及建筑自身抗影响力等因素。运用层次分析法，将风险评估问题分为了目标层、准则层和指标层，计算得到了各个风险因素权重向量，基于R=P×C模型与模糊综合法建立了综合风险评估模型。并以重庆轨道交通十号线为例，计算得到其邻近建筑越秀饭店的损伤风险等级。通过实例分析，表明该评估体系为城市浅埋暗挖隧道诱发地表建筑风险控制提供了新方法。

【关键词】地铁；风险评估；层次分析；模糊数学；浅埋暗挖；建筑损伤

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

作为城市市政地下工程发展中的重要一环，城市浅埋隧道开挖穿越软土层必将引发周边地表的沉降，而建于隧道周边的地表建筑物必然会由于隧道的开挖引发的土体沉降而产生挠曲、扭转、甚至是破坏，隧道开挖所诱发的地表建筑物风险已成为重点讨论对象[1]。层次分析（AHP）是一种分析方法，它通过划分相互关系的有序级别来划分复杂系统问题的因素。它根据对某一客观现实的判断定量地表达每个层次的相对重要性，并用数学方法表达每个层次上所有元素的相对重要性顺序的权重，进而对各影响因素引发风险的概率的程度进行定量分析[2]。本文作者将层次分析法和模糊数学理论结合应用于城市浅埋暗挖隧道引发地表建筑损伤风险评估中，首先建立模糊层次风险评估体系，确定各影响因素权重，再依据模糊数学理论进行综合评判，從而确定浅埋暗挖隧道对地表建筑的损伤风险。

1、诱发地表建筑物风险的定义

风险的基本含义是损失的不确定性。本文将施工期间的风险定义为隧道工程正常施工过程中的风险。特定的“活动”是指存在各种风险因素的可能性。在直接或间接损失给被保险系统的情况下，认为该活动处于风险之中，而该活动在进行过程中发生了损失的后果称为风险事故。本文中的风险含有两个基本要素：风险发生导致损失的概率大小和风险发生后造成损失的严重性。浅埋隧道开挖施工过程中的风险可以以下函数解释：

其中，R为隧道开挖施工中地表建筑物面临的风险，P为地表建筑风险发生的概率，C是该风险发生后对不同对象造成的损失。

2、模糊层次综合评估体系的构建

2.1 建筑物损伤风险评价指标权重计算

2.1.1确定建筑物损伤风险评价指标体系

本文将隧道开挖诱发建筑物损伤风险因素做如下考虑：1）本文研究主体为城市市政地下工程中的浅埋暗挖隧道，其上的上覆土层一般较浅，于是可以把地层条件近似的看作单一地层；2）仅当隧道开挖影响区域内地面上的建筑物产生损坏的风险时，隧道与建筑物之间的相对位置关系也被视为独立因素；3）隧道开挖速度被认为是影响隧道施工方法的因素。

2.1.2层次分析法判定风险评价指标权重

1）根据层次分析（AHP）模型，每一层的索引的元素是基于先前的层上，并且两者是根据比较规模以上构建的，根据比较构造比较判断矩阵E，按定义有：

解特征根问题：EW=λmaxW，将向量W正规化，得出影响因子的排序权重。同样可以证明得出：对于正定互反矩阵A，其最大特征根λmax存在且惟一，W是由正分量组成，除了相差1个常数倍数以外，W是惟一的[3]。

城市地下空间建设中，在隧道采用分步开挖工序的条件下，根据用于评价和分析地面建筑物风险的指标和体系。可以得到构造准则层B对目标层A的判别矩阵。

从而可以通过计算得到特征向量W，如下所示：W=[1.23，0.315，0.274]T

同理，之后可通过计算求出最大特征值λmax= 3.004。

为了方便区分，将构造指标层C对准则层B的判断矩阵定义为A1、A2和A3。3个矩阵的具体表达形式在表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，经验证满足一致性要求。

可以求得特征向量W2=[1]T，λmax=1，经过验证可以知道该结果满足一致性要求。

见表3。

计算得出特征向量W3=[0.90，0.38，0.24]T，λmax=3.05，经过验证可以知道该结果满足一致性要求。

2.2 隧道开挖条件下建筑物损伤风险等级评估

2.2.1建筑物损伤风险概率估计

1）建立隧道开挖条件下地表建筑物损伤因素集合

在上文中，得出了地表建筑物损伤风险评价指标体系，根据该评价体系，结合浅埋暗挖隧道分步开挖条件，可以得出地表建筑物损伤风险因素集合，如下所示：

本文参考模型试验[4]中测得的建筑物损伤风险因素对于建筑物损伤的影响进行风险因素等级划分，同时参考类似城市浅埋暗挖隧道实例，划分出其余风险因素的风险等级。

2）构建评价级集合

在此风险评价集中，p1代表很可能发生，p2代表可能发生，p3代表偶然发生，p4代表不能发生，p5代表极不可能发生。

3）确定隶属度，构建等级评价矩阵

在模糊数学中，隶属度是非常重要的组成部分，评估结果的有效性[9]直接取决于隶属度的客观性。在本文中，定量指标之间的隶属关系由定性指标函数确定，通过模糊隶属度函数明确该项索引。

①定量指标隶属度

建筑物损伤风险因素中定量指标的隶属度函数[10]可从模糊数学相关理论得到，本文以岭型分布函数作为隶属度的分布函数。

②定性指标隶属度

在本文中，根据实际工程案例中常用的模糊隶属度函数确定定性指标隶属度。

2.2.2风险损伤模糊估计

1）城市地下隧道开挖对建筑物造成的破坏的影响因素只有建筑物防止变形的能力，于是只在地表建筑因风险而有破坏的可能时才考虑建筑物变形的风险因素。

2）构建因素集

损坏风险因素包括建筑物的几何尺寸、损坏情况以及建筑物与地面上隧道之间的位置关系，根据损坏风险因素建立一个因素集。如下所示。

在本文中，我们使用层次分析法来建立用于建筑物易碎性的表面建筑物防变形能力系数的判别矩阵。

经验证满足一致性要求。

3）构建评价集

本文根据在隧道开挖条件下诱发地表建筑物损伤产生的损伤极限应变对建筑物的损伤程度进行判别，并将城市地下隧道开挖诱发地表建筑物损伤分为五级，具体如表2所示。

4）确定隶属度，建立等级评价矩阵

在建筑物损伤易损分析领域，主要靠专家经验评估。本文引入模糊隶属度函数，通过模糊隶属度函数对地表建筑物进行损伤易损性分析，表10为模糊隶属度函数。

结论：

（1）确定了风险评价指标，运用层次分析法，将风险评估问题分为了目标层、准则层和指标层，计算得到了各个风险因素权重向量，建立了诱发地表建筑风险评估体系。

（2）运用层次分析法和模糊数学理论，建立模糊综合评价模型，对具体工程案例进行分析评价，进而获得重庆轨道交通十号线引起的越秀饭店的风险等级。

（3）在对城市浅埋暗挖隧道诱发地表建筑风险的研究中，引入层次分析法和模糊数学理论进行综合评估，避免了单一指标易造成主观错误以及定性指标难以量化的缺陷，可以有效控制隧道开挖过程中的风险，降低施工成本。

参考文献：

[1]王巍.分析浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷及控制[J].建材与装饰，2020（06）：264-265.

[2]雷刚，华福才，郑广亮.层次分析法（AHP）在地铁隧道工程中的应用[J].地下空间与工程学报，2012，8（S2）：1782-1787.

[3]沈阳，武珂缦，张新龙.基于模糊综合法的水底隧道運营风险评估方法[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（01）：293-298.

[4]王元清.基于模型试验的浅埋暗挖隧道施工过程中地表建筑物变形规律研究[J].隧道建设（中英文），2019，39（06）：934-939.