采動區建筑物損害綜合評價技術研究

劉瀟鵬，郭廣禮，徐良驥，黨亞鵬

(1.中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116； 3.安徽理工大學測繪學院，安徽 淮南 232000； 4.中鋁礦業有限公司，河南 鄭州 450041)

煤炭的地下開采，必然會導致其影響范圍內建筑物不同程度的損壞[1]。這不但關系到煤炭資源是否能安全回收，還會影響到企業與地方和諧環境的構建。目前采空區影響范圍內建筑物損害的評價主要參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(下文簡稱《規范》)中所描述的受損程度來對受損建筑物進行分級評價[2]，對僅有采礦因素作用下的建筑損害評價。盡管這種方法切實可行，但在采空區周圍，尤其是地表移動盆地的邊緣地區，開采沉陷往往不是造成建筑物受損的唯一因素，這給建筑損害評價工作帶來了困難。

國內外許多學者都對采動區建筑評價進行了大量研究，如胡炳南[3]利用模糊綜合評判的方法，確定建筑物的受損程度；王正帥等[4]利用熵權模糊識別模型進行建筑物受損的評價。MALINOWSKA[5]對國際上6種主要的建筑物損害評價方法進行了研究，并對評價結果進行了對比分析。本文結合國內外學者的研究經驗，從多個方面對造成建筑物受損的因素進行識別，對造成建筑物受損的原因進行了全面分析，然后建立了建筑物損壞的分級評價模型，并分析不同條件下各影響因素對建筑物受損程度的貢獻，提高分級評價的準確性。

1 采動區建筑物受損影響因素分析

影響采動區地表建筑物損壞的因素有很多，如果把所有的影響因素都考慮在內，一方面評價體系過于復雜，增加處理的難度;另一方面許多因素對建筑物損壞的貢獻很小，對評價結果不會造成影響。因此，結合采動區的條件和建筑物受損的形式，將影響建筑物受損的因素分為三個主要方面：采礦因素、地質因素和建筑物自身因素。

1.1 采礦因素

采動引起的地表移動變形是造成建筑物損壞的主要原因之一。煤礦的地下開采對地表的影響主要有垂直方向的移動變形(下沉、傾斜變形、曲率變形等)和水平方向的移動變形(水平拉伸變形、水平壓縮變形等)，不同的變形方式對地表建筑物損壞的影響程度不盡相同。《規范》中主要以傾斜變形、曲率變形和水平變形的大小作為依據，來判斷采動對建筑物的影響程度。

1) 傾斜變形。當地表發生傾斜變形以后，在地表附著的建筑物也會隨著地表發生傾斜變形。在建筑物傾斜以后，其內部的結構內力也會隨之重新分布，在重力的作用下，建筑物會產生一定的彎矩；同時在傾覆力矩的作用下，建筑物構件與地基的應力狀態發生變化，使得建筑物的重心偏移，導致承重結構變形導致建筑物的破壞，對高建筑物的影響尤為明顯。

2) 曲率變形。建筑物受地表正負曲率的影響，其平行于變形方向的豎直墻面會受到附加的彎矩和剪力的作用，當附加的作用力大于建筑物的極限強度，建筑物就會出現裂縫。當建筑物受到正曲率變形的影響時，會在墻面出現倒八字形態的裂縫，受到負曲率變形的影響時會出現正八字形態的裂縫。

3) 水平變形。開采引起的土地變形使建筑物的基礎底面與地基土之間產生摩擦力，該摩擦力不但會阻止土體的移動，由此產生的拉應力、壓應力還會導致建筑物的移動變形。我國大部分的建筑物都采用砌體結構，建筑物抗拉伸的能力遠小于抗壓縮的能力，所以受到拉伸變形損壞的房屋占比較大。一般來說大于1 mm/m的拉伸變形就能在磚石結構的房屋上產生裂縫；對于超過建筑物極限強度的壓縮變形往往會給建筑物造成更嚴重的破壞。

1.2 地質因素

除了開采沉陷引起的地表移動變形以外，采動區建筑物地基土體自身的因素，也會造成地表的移動變形，如地下水位的變化、膨脹土災害和地基的承載能力等。

1) 地下水位的變化。隨著時節的變化，一個地區的降水量和蒸發量往往在比較大的范圍內進行變化，再加上農村灌溉用水和生活用水的消耗，這些因素往往會導致地下水位發生比較大的變化，從而使地基土體的物理力學性質發生變化，致使土體發生移動變形，進而傳遞到建筑物，引起建筑物的破壞[6]。尤其對于房屋建構簡單、建筑質量有所欠缺的建筑物損害最為明顯。

2) 膨脹土災害因素。膨脹土地基與一般地基上的建筑物危害不同，膨脹土的危害在于它有很大的脹縮變形，造成上部建筑物的升降運動，若變形差異過大，則造成建筑物開裂變形。建筑物開裂具有地區性成群出現的特點，建筑物裂縫隨氣候變化不停的張開和閉合，而且以低層、磚混結構損壞較為嚴重[7]。房屋在垂直和水平方向受到彎曲和扭曲的影響，在房屋轉角處首先開裂，墻上呈現對稱或不對稱的八字形和X形裂縫。縱墻基礎由于受到地基在膨脹過程中產生的豎向切力和側向水平推力的作用，造成基礎移動產生水平裂縫和位移，室內地坪和樓板發生縱向隆起和開裂。

3) 地基土軟弱。當地基土體較為軟弱時，建筑物的荷載會造成土體的壓縮，由于建筑物基礎各處所承受的荷載不同，以及在軟弱地基上地基土層的不均勻分布，會造成基地的不均勻沉降。當建筑物兩端的沉降量大于中間的沉降量時，建筑物會受到正曲率變形的影響。當其兩端的沉降量小于中間的沉降量時會受到負曲率變形的影響[8]。

1.3 建筑物自身抗變形能力

建筑物抗變形能力的大小決定著外部損害因素對建筑物的損害程度。在同樣程度的外部損害能力下，建筑物的抗變形能力強，建筑物最終的損害程度小;建筑物的抗變形能力弱，其最終的損害程度就大。影響建筑物抗變形能力的主要因素有建筑物的長度、建筑物的高度、建筑物的材料類型和建筑物的修建年限等[9]。

1) 建筑物的長度。建筑物的長度是影響建筑物抗變形能力的重要因素之一，當建筑物長度增大時，建筑物受到地表水平變形和曲率影響的程度會增大，并逐漸增大到與地表的變形值一致。

2) 建筑物的高度。建筑物高度越大,其剛度越大,建筑物越不易隨地表彎曲而彎曲,使建筑物不易受到地表變形的破壞。

3) 建筑物材料。不同的建筑材料建造的建筑物其抗變形能力有很大的差別，建筑物材料強度越大，建筑物的抗變形能力越強，反之建筑物就越容易遭受破壞。

4) 建筑物結構的影響。不同的建筑結構對建筑物抵抗變形的能力相差很大，由于采動區一般處于農村，其建筑物結構主要有以下幾種類型：①沒有地基梁的磚木結構的一層房屋；②具有地基梁的磚石結構的一層房屋；③具有鋼筋夾層的地基梁結構的房屋，這種建筑物結構一般出現在兩層或多層建筑物上。

2 采動區建筑物損害綜合評價

根據上文的分析可知，造成采動區建筑物損害的原因是復雜多樣的，以往對采動區建筑物受損程度進行評價往往使用模糊綜合評價的方法。這種方法克服了以往使用單因素對建筑物損害進行評價的缺陷，也避免了評價因子在兩級交界處附近取值時，雖然兩數值相差甚微,卻出現歸屬于不同的采動破壞等級的不足。但這種方法也有一定的缺陷:①由于這種方法對每個評價指標都進行分級評價，造成評判矩陣形式復雜，計算量大；②無法直接計算在最終的評價結果中每種評價因子在建筑物受損中的貢獻程度；③最終的評分依賴每個級別所對應的數值集，不同的劃分方法對應的結果不同。為了解決以上問題，本文采用了對單個評價因素直接進行評分的方法，對建筑物的受損程度進行評價。

2.1 建筑物損害評價指標體系的建立

根據上文所分析的采動區建筑物損害的原因特征和各個指標之間的關系，從采礦、地質、建筑物的抗變形能力三個方面考慮建筑物損害評價指標，建立了采動區建筑物損害的評價體系(圖1)。

圖1 采動區建筑物損害評價體系Fig.1 Damage assessment system of mining area building

2.2 評價指標的評分確定

當確定了采動區建筑物損害的評價指標后，為了對評價指標進行統一量化處理，采用直接評分的方法對各評價指標進行評價，在對每一個評價指標進行評分時，其得分的分值隨著對建筑物損害程度的增加而增大，對評價指標在0～10分內打分。

對于可量化分析的指標，建立評分函數，進行指標評分的確定，見式(1)。

(1)

式中：B為評價指標得分；Smax為單一指標造成建筑物嚴重破壞的極值；Smin為對建筑物不產生影響的單一指標極小值；Si為各指標測量數值。

對于不能進行定量分析的指標，可采用專家打分的方式，邀請n個專家對某個指標對建筑物影響的程度進行打分，分值在0～10分內確定，取這n個專家打分的平均值作為這個指標的最終得分,見式(2)。

(2)

式中：n為專家個數；Ni為各專家打分值；其他變量意義同上。

2.3 權重的確定

對既有定量指標又有定性指標的評價對象進行綜合評價時，一般采用層次分析法。但層次分析法的權重確定需要建立判斷矩陣，計算其特征值和特征向量，并且要通過一致性檢驗，對于評價指標較多的評價對象來說，計算十分繁瑣，并且一致性檢驗很難通過。故本文采用G-1法確定評價指標的權重[10]。

表1 rk取值說明Table 1 Value specification of rk

3) 權重的計算。在給出ri后可根據式(3)計算第n個指標的權重，剩下的指標權重可用式(4)求得。

(3)

wk-1=rkwkk=n,n-1,…,2

(4)

式中,Wk-1為排序在第k-1個指標的權重。

4) 評價目標權重計算。依照步驟1～3分別計算準則層相對與評價目標的權重Mi以及指標層相對于準則層的權重Nj，則指標層相對值評價目標權重Aij的計算見式(5)。

Aij=MiNj

(5)

2.4 評價分值計算及評價等級的建立

通過由G-1法計算得出指標權重Aij和各個指標的得分Bij后，可計算出各個評價項目的得分Ci，見式(6)。

(6)

式中：Ci為第i個評價項目的得分；Aij為第i個評價項目中的第j個指標的權重；Bij為第i個評價項目中第j個指標的得分。

然后，根據各個評價項目的得分可計算出最終評價得分Z，見式(7)。

(7)

在計算出最終評價結果的得分后，可以此為依據判斷采動區建筑物的受損程度，參考《規范》可將建筑物損害分為四個等級，見表2。

表2 建筑物受損綜合評價等級表Table 2 Comprehensive evaluation level of building damage

在總評分、各項目得分和各指標得分的基礎上，可以根據指標權重判斷其在建筑物受損中的貢獻程度，依據以上結果可以找出在不同條件下造成建筑物損害的主要因素，從而為建筑物損壞的修復和補償提供參考意見。

3 案例分析

淮南某采動區內某村莊的建筑物發生開裂變形現象，經過對當地的建筑物受損情況和采礦情況進行調查，發現開采沉陷對村莊的建筑物有一定的影響，對照《規范》中地表移動變形值對應的建筑物受損的程度，發現建筑物的受損程度與其描述的不一致。本文在詳細調查建筑物受損原因的基礎上，對建筑物受損的程度進行綜合評價。

為對研究區域受損建筑物進行綜合評價，筆者對研究區域的地質采礦條件及建筑物自身條件和受損狀況進行了調查：研究區域位于淮南礦區某礦開采工作面地表下沉影響范圍內，開采區域底面標高20～40 m，開采煤層為13煤，工作面標高-400～-600 m，煤厚3～6 m，松散層厚度為300 m左右。工作面開采工藝為全部垮落法，經過多年地表實測資料發現，該地區地表移動變形規律符合概率積分法模型，可用概率積分法預計該區域地表移動變形。研究區域表土層屬中-弱性膨脹土，對地表建構筑物有一定影響。采動區建筑物多為單層或兩層，磚瓦或磚混結構建筑物，易受地表變形影響。

根據《規范》中地表移動變形量對建筑物的影響程度及采動區建筑的基本情況，利用公式(1)對各評價指標的影響進行打分，各可量化分析的指標對建筑物影響的極小值及極大值，見表3。

對研究區域內比較有代表性的建筑物(Ⅰ號、Ⅱ號)進行損害因素調查，兩處建筑物相鄰，所受到的采礦影響相近(表4)。

表3 各評價指標極大、極小值選取Table 3 The maximum and minimum values of evaluation index

表4 受損建筑物評價體系表Table 4 Damaged building evaluation system

經過計算發現，Ⅰ號建筑物、Ⅱ號建筑物最終得分為2.8分、3.9分，Ⅰ號建筑物屬于輕微及以下損害，Ⅱ號屬于輕度損害。這與《規范》中根據損害特征判斷損害程度的結果基本一致。

Ⅰ號建筑物、Ⅱ號建筑物位置相近但評價結果不同，根據對評價指標的打分和權重可知，其差異主要體現在建筑物自身的因素上。

對損害程度較重的Ⅱ號建筑物分析可知：造成輕度損害的因素中，36.1%為采礦因素，30.5%為地質因素，33.4%為建筑物自身的原因。

4 結 論

1) 采動區建筑物的損害是由多方面因素綜合引起的，可根據各個采動區的特征進行判斷。

2) 本文建立的采動區建筑物損害綜合評價方法，可真實地反映建筑物的受損程度，并可計算不同條件下各評價指標對建筑物受損的貢獻程度，為開采沉陷影響區域建筑物損害前期的預防保護與后期的鑒定賠償工作提供了一定的參考。