地鐵隧道下穿建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)等級模糊綜合評價(jià)*

吳 濤孟 丹

（1.青島理工大學(xué)新校區(qū)建設(shè)指揮部，266033，青島；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，266109，青島∥第一作者，工程師）

地鐵隧道下穿建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)等級模糊綜合評價(jià)*

吳 濤1孟 丹2

（1.青島理工大學(xué)新校區(qū)建設(shè)指揮部，266033，青島；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，266109，青島∥第一作者，工程師）

地質(zhì)條件復(fù)雜的青島地鐵一期工程隧道在下穿質(zhì)量狀況各異、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式多樣的建筑群時(shí)，建筑物的安全成為決定隧道施工進(jìn)度和環(huán)境安全的關(guān)鍵。在分析建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)作用因素的基礎(chǔ)上，依據(jù)地鐵隧道的相關(guān)資料和下穿的20棟建筑物現(xiàn)場檢測鑒定結(jié)果，引入模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法，總結(jié)了兩大類9種主要作用因素；分別建立隸屬函數(shù)并選取相應(yīng)權(quán)重，對不同程度的建筑物風(fēng)險(xiǎn)予以模糊綜合評價(jià)，劃分了其風(fēng)險(xiǎn)等級，以供工程施工作參考。

地鐵隧道；下穿建筑物；風(fēng)險(xiǎn)等級；模糊綜合評價(jià)

First-author'saddressNew Campus Construction Headquarters，Qingdao Technological University，266033，Qingdao，China

地鐵隧道開挖引起的既有結(jié)構(gòu)（尤其是地表建筑物）的變形破壞等環(huán)境安全問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。淺埋暗挖法下穿建筑物的地鐵隧道施工一直是地鐵施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何根據(jù)建筑物的自身特點(diǎn)、建筑物和隧道的相對位置關(guān)系及隧道施工條件等因素來確定建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對隧道下穿施工時(shí)制定建筑物的各項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要［1-2］。

青島地鐵一期工程（3號線）主要集中在老城區(qū)，出現(xiàn)以淺埋暗挖隧道下穿大量建設(shè)年代較早、基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式各異的建筑物，再加上青島地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)條件，最終導(dǎo)致隧道下穿建筑物時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)較大。對建筑物的質(zhì)量狀況進(jìn)行評估并科學(xué)劃分建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)等級，將有利于地鐵隧道施工的順利進(jìn)行。本文針對青島地鐵3號線下穿需重點(diǎn)保護(hù)的20棟建筑物的安全控制為目標(biāo)，在對建筑物進(jìn)行調(diào)查、檢測和安全性鑒定的基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵隧道設(shè)計(jì)相關(guān)資料，利用模糊數(shù)學(xué)方法，對建筑物的風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行綜合評判，為青島地鐵一期工程下穿建筑物的工程施工提供參考和指導(dǎo)。

1 建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素分析

建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素主要包括：

1）建筑物與地鐵隧道的相對位置關(guān)系：根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，二者的位置關(guān)系可以通過鄰近等級的概念進(jìn)行定性的劃分，以便應(yīng)用模糊綜合評判的方法。一般情況下，鄰近等級越高，建筑物受隧道施工的影響越嚴(yán)重。本文將建筑物與隧道的鄰近程度劃分為極鄰近、鄰近、較鄰近、非鄰近四個(gè)等級［1］。

2）鄰近建筑物安全現(xiàn)狀：建筑物的質(zhì)量狀況直接影響隧道下穿時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)等級；除此之外，建筑物的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式等條件會對安全風(fēng)險(xiǎn)等級產(chǎn)生不同

3）地層條件（隧道的圍巖等級）：地鐵隧道開挖產(chǎn)生的變形通過地層變形傳遞到建筑物，不同的地層條件將產(chǎn)生不同的影響范圍和變形量。

4）其他：如隧道開挖與支護(hù)方式，隧道埋深，建筑物體型，長高比及基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)形式等，也會對隧道下穿施工時(shí)建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)等級產(chǎn)生影響。

2 鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

根據(jù)現(xiàn)有的安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分方法［3-5］，并考慮施工過程中便于控制和現(xiàn)場操作等因素，將青島地鐵隧道3號線下穿的重點(diǎn)建筑物按風(fēng)險(xiǎn)大小劃分為5個(gè)等級：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級（其安全風(fēng)險(xiǎn)依次為很大、較大、一般、較小和很小）。

2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)因素

本文在對鄰近建筑物進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)時(shí)綜合考慮了9個(gè)主要影響因素（見表1）。其主要包括建筑物自身影響因素（表1的影響因素1～5）和地鐵隧道施工影響因素（表1的影響因素6～9）。理論上表1中所選取的影響因素又可以分為定量指標(biāo)（表1的影響因素4、8）和定性指標(biāo)（表1的影響因素1、2、3、5、6、7、9）兩大類。對于定量指標(biāo)，模糊綜合評價(jià)就是選取合理的隸屬函數(shù)，判別其相應(yīng)于不同等級的隸屬度；對于定性指標(biāo)，則是利用模糊數(shù)學(xué)的方法將其轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)。

對于定性指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級對應(yīng)的分類（界限劃分）情況如表2所示。

《教師法》的制定和實(shí)施在社會上強(qiáng)調(diào)的教師的作用和地位，規(guī)范的教師與學(xué)生之間的關(guān)系，在全社會形成尊重教師尊重教育的風(fēng)氣。教育是民族振興和社會進(jìn)步的基礎(chǔ)。《教師法》的貫徹執(zhí)行重視是重視教育的表現(xiàn)，促進(jìn)了教育事業(yè)的發(fā)展。

表1 安全風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)的主要影響因素及建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級

表2 各定性影響因素的分類

2.3 隸屬函數(shù)和權(quán)重的確定

根據(jù)隸屬函數(shù)的選取方法，本文采用嶺形隸屬函數(shù)對定量指標(biāo)進(jìn)行描述［6-7］。例如，對隧道埋深，根據(jù)青島地鐵的實(shí)際埋深情況定義為5個(gè)區(qū)間——（0，10］、（10，15］、（15，20］、（25，30］、（30，+∞），其對應(yīng)的評語為很嚴(yán)重（v1）、嚴(yán)重（v2）、一般（v3）、輕微（v4）和無影響（v5）共5個(gè)檔次。隸屬函數(shù)分布如下：

對于定性指標(biāo)，本文采用分級法評定其模糊矩陣，以此達(dá)到對定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理的目的。即，將影響因素分成5個(gè)等級：優(yōu)（0.9分）、良（0.7分）、中（0.5分）、差（0.3分）、劣（0.1分）。定性指標(biāo)的梯形隸屬函數(shù)為

建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)影響因素，而各個(gè)影響因素在評判的過程中所占的分量也不盡相同。即，不同的影響因素對建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度不同。采用有效的方法就是給不同的影響因素賦予不同權(quán)重：權(quán)重的集合A=﹛a1，a2，…，ai，…，an﹜，其中，ai為所有因素中第i個(gè)因素所對應(yīng)的權(quán)重，0≤ai≤1，且∑ai=1。本文利用層次分析法（AHP）［8］，并依據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際特點(diǎn)，計(jì)算確定相應(yīng)于表1中的9個(gè)影響因素的權(quán)值分別為0.150、0.165、0.125、0.050、0.010、0.210、0.150、0.015、0.125。

2.4 評價(jià)模型

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的概念以及表1所示的2大類影響因素和5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級，可得［9-10］

式中：

U——影響因素的論域；

u1（5個(gè)子因素）——建筑物自身的影響因素；u2（4個(gè)子因素）——地鐵隧道施工影響因素。

評判集即等級論域?yàn)?/p>

根據(jù)相應(yīng)的模糊子集可以組成模糊矩陣

式中各項(xiàng)為第i項(xiàng)影響因素指標(biāo)對第j等級的隸屬度。

將權(quán)重向量引入到模糊矩陣中進(jìn)行模糊綜合評判：由B=A·R，最終得到評判集V的模糊子集B=﹛b1，b2，b3，b4，b5﹜，其中b1、…、b5為各風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果。遵循最大隸屬原則，即可得建筑物風(fēng)險(xiǎn)的評判等級。

3 實(shí)例分析

本文的研究對象為青島市地鐵一期工程（3號

線）的3個(gè)土建標(biāo)段下（側(cè)）穿的20棟建筑物。

1）3標(biāo)段的大平角公園站—延吉路站區(qū)間全長1 286.4 m，隧道采用礦山法施工，下穿房屋段隧道采用單洞單線方式，開挖寬度約6.2 m，高度約為6.8 m，主要施工方法為CD（中隔墻）法、臺階法；該區(qū)間分別下穿伊美爾整形醫(yī)院、湛山路3號民房、濟(jì)南軍區(qū)第一療養(yǎng)院口腔科。

2）6標(biāo)段的錯(cuò)埠嶺站—清江路站區(qū)間隧道下（側(cè)）穿市北區(qū)中醫(yī)院分院、青島卷煙廠住宅（1#、2#、3#樓）、錯(cuò)埠嶺五小區(qū)（1#、4#、5#、6#、7#樓）、東莞一路5號等10棟建筑物。

3）11標(biāo)萬年泉路站—李村站區(qū)間全長1 085.65 m，區(qū)間隧道均采用鉆爆法施工，穿巖層段采用全斷面開挖，靠近李村站穿砂層段采用臺階法開挖，斷面形式均為馬蹄形；該區(qū)間從萬年泉路站出發(fā)，下穿濱河路商業(yè)街J區(qū)、李村河北側(cè)沿街房、萬隆商廈、嶗山區(qū)房產(chǎn)處的F1樓、李村勞改隊(duì)職工宿舍、中國電信京口路營業(yè)廳、中國銀行李村支行等7棟建筑物后到達(dá)李村站。

為了保證隧道下穿時(shí)的建筑物安全，通過模糊綜合評判對其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分，為各項(xiàng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。例如：11標(biāo)段下穿的7棟建筑物之一——萬隆商廈為9層框架結(jié)構(gòu)，混凝土條形基礎(chǔ)，平面布置為矩形，南北長54.77 m，東西寬40.05 m，層高3.9 m；于1992年建成，與區(qū)間隧道的相對位置關(guān)系見圖1。地鐵隧道的斷面尺寸為6.35 m×5.9 m，圍巖等級Ⅵ級。則其具體的評判矩陣為：

圖1 建筑物與地鐵區(qū)間隧道的相對位置關(guān)系

針對該建筑物進(jìn)行模糊綜合評判所得評判集的模糊子集為：B=﹛0.36，0.13，0.01，0.45，0.05﹜。遵循最大隸屬度原則，可知該建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅳ級。類似地，采用該種評判方法對青島地鐵3號線下穿的其余重點(diǎn)建筑物進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分。其余19棟建筑物相關(guān)參數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)等級見表3。

4 結(jié) 語

本文在工程現(xiàn)有勘察資料基礎(chǔ)上，對青島地鐵3號線下穿的20棟重點(diǎn)建筑物進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場檢測鑒定，對建筑物進(jìn)行科學(xué)的安全性評價(jià)，并引入模糊綜合評判法對建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了等級劃分，所得結(jié)果已為青島地鐵一期工程的施工提供了現(xiàn)場施工指導(dǎo)，并得出如下結(jié)論：

1）對受多種因素影響的建筑物進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，采用模糊綜合評判法可避免只考慮一種因素和少量因素的局限性，可以為地鐵隧道施工中遇到的下穿建筑物問題提供較為科學(xué)的參考建議。

2）遇到具體的工程問題須充分考慮其工程特點(diǎn)，如建筑物與隧道的相對位置關(guān)系及自身質(zhì)量狀況、隧道工程條件及其施工技術(shù)措施等；更重要的是要合理解決如何考慮各種影響因素、如何對影響因素的影響程度進(jìn)行界定及如何分配各影響因素的權(quán)重，以保證理論分析的結(jié)果能夠更加貼近工程實(shí)際，使研究結(jié)果能更可靠、更實(shí)用。

表3 建筑物相關(guān)參數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)等級

［1］ 侯艷娟，張頂立.淺埋大跨隧道穿越復(fù)雜建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)分析及評估［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（增刊2）：3718.

［2］ 侯艷娟，張頂立，張丙印.城市隧道施工穿越建（構(gòu)）筑物風(fēng)險(xiǎn)管理體系［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（5）：989.

［3］ Stuzk R，Olsson L，Johansson J.Risk and decision analysis for large underground projects，as applied to the Stockholm ring road tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）：157.

［4］ 陳龍.城市軟土盾構(gòu)隧道施工期風(fēng)險(xiǎn)分析與評估研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

［5］ 毛儒.有效的風(fēng)險(xiǎn)管理［J］.都市快軌交通，2004（3）：4.

［6］ 賀仲雄.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用［M］.天津：天津科技出版社，1981.

［7］ 趙曉冬，趙靜一.模糊思維與廣義設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［8］ 張俊英.采空區(qū)地表建筑地基穩(wěn)定性模糊綜合評價(jià)方法［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（11）：1368.

［9］ 王之漢，李臥東，李啟光，等.巖爆預(yù)測的模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998（5）：493.

［10］ 劉端伶，譚國煥，李啟光，等.巖石邊坡穩(wěn)定性和Fuzzy綜合評判法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999（2）：170.

Fuzzy Comprehensive Evaluation for the Risk Level of Subway Tunnel Crossing under Buildings

Wu Tao，Meng Dan

The 1st phase of Qingdao subway project features complex geological conditions，it crosses under buildings of different quality status，structural forms and bases，thus the building protection is very crucial for environment safety and tunnel engineering.Based on the analysis of risk contributing factors on buildings'safety，and according to the related materials of subway tunnel and the survey result of 20 on-site buildings，fuzzy comprehensive evaluation method is introduced in risk assessment and rating，2categories of 9 key affecting factors are summarized，the membership function and the correspounding weight of these factors are determined respectively，which are used for the fussy comprehensive evaluation of the anticipated buildings safety，in order to classify the risk levels for tunnel engineering.

subway tunnel；crossingunder buildings；risk level；fuzzy comprehensive evaluation

U 458

2014-03-17）

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179080），山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)資助（201202014）