基于可變模糊集理論的盾構(gòu)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(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

0 引言

近年來，學(xué)者們在盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)施工近接穿越既有橋梁的變形規(guī)律。李松等[1]運(yùn)用MIDAS 軟件，通過模擬盾構(gòu)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(fēng)險評估方法，實(shí)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(gòu)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(gòu)施工對橋樁影響的結(jié)論。蘇寶[5]采用ANSYS 軟件從盾構(gòu)施工參數(shù)的角度出發(fā)，模擬了盾構(gòu)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(gòu)隧道施工過程中的風(fēng)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(fēng)險因素，對工程進(jìn)行評分，可以科學(xué)合理地確定各個評估指標(biāo)的相對隸屬關(guān)系，評價指標(biāo)的打分原則清晰可靠，計(jì)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(qiáng)的可信度，工程可依據(jù)計(jì)算評分決定是否需要選取一定的補(bǔ)強(qiáng)措施。

1 構(gòu)建盾構(gòu)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(xué)者的經(jīng)驗(yàn)，本文將盾構(gòu)近接穿越橋梁的風(fēng)險因素定為地質(zhì)水文條件、盾構(gòu)施工參數(shù)、隧道工程條件、既有橋梁狀況以及組織管理風(fēng)險。綜合已有研究成果和專家指導(dǎo)意見，得到的評價指標(biāo)評分依據(jù)見表1。

表1 評價指標(biāo)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(shè)評價對象[7-9]有n個評價指標(biāo)，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(biāo)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(diǎn)值矩陣M：

（4）確定相對隸屬度矩陣。根據(jù)指標(biāo)特征值x與M點(diǎn)的位置關(guān)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(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；

w——指標(biāo)權(quán)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(jìn)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(zhǔn)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(yīng)用實(shí)例

呼和浩特地鐵一號線盾構(gòu)隧道側(cè)穿的鼓樓立交B線橋?yàn)榭鐝?6m 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(biāo)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(xiàng)評分情況見表2。

表2 各項(xiàng)指標(biāo)評分結(jié)果

3.2 確定項(xiàng)目風(fēng)險等級

將所獲得的各項(xiàng)評分帶入到第2節(jié)的計(jì)算步驟中，可以得到當(dāng)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(zhǔn)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(bǔ)強(qiáng)措施。實(shí)際工程中采取了樁基托換的補(bǔ)強(qiáng)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(hù)措施，例如補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)建的安全評價模型計(jì)算過程相對簡單，評價結(jié)果清晰，易于實(shí)現(xiàn)程序化設(shè)計(jì)，適用性較好。

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