楊 均，阮永芬，陳趙慧，吳 龍，董發(fā)俊

(1.中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司, 云南 昆明 650031；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 云南 昆明 650500；3.中鐵十一局集團(tuán) 城市軌道工程有限公司， 湖北 武漢 430074；4.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650200)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市地鐵建設(shè)會(huì)越來(lái)越多。盾構(gòu)法因施工速度快、自動(dòng)化程度高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)，在地下工程施工中被大量應(yīng)用，施工技術(shù)也日益完善，但在城市施工有時(shí)也會(huì)存在很大的安全隱患。城市地鐵的盾構(gòu)施工不可避免的會(huì)穿越建(構(gòu))筑物密集地段，若地層土質(zhì)條件較差，周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)施工必然會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，這不僅會(huì)影響到隧道結(jié)構(gòu)自身的安全，產(chǎn)生隧道管片上浮、開裂、漏水等系列病害；還會(huì)引起房屋不均勻沉降，從而產(chǎn)生變形破壞；導(dǎo)致河床坍塌，河底透水等，危及到鄰近建構(gòu)筑物、河道及地下管線的正常使用[1]。特別是場(chǎng)地土質(zhì)特殊及雨季，潛在風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更大，所以對(duì)其設(shè)計(jì)及施工中存在的安全隱患進(jìn)行事前安全等級(jí)評(píng)判分級(jí)，針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采用相應(yīng)的工程措施進(jìn)行防范就顯得非常重要。

評(píng)價(jià)安全等級(jí)的方法有很多，如距離判別分析法[2-3]、可拓理論[4-5]、模糊數(shù)學(xué)法[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、灰色理論法[8]等評(píng)價(jià)方法。但上述方法難以同時(shí)顧及模糊性、隨機(jī)性和評(píng)價(jià)權(quán)重三者對(duì)盾構(gòu)施工安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，實(shí)際應(yīng)用中都存在一定缺陷?，F(xiàn)采用云模型作為評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)從定性到定量的相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)兼顧模糊性與隨機(jī)性問(wèn)題。并采用主客觀綜合賦權(quán)法對(duì)相對(duì)影響大的指標(biāo)賦予更多權(quán)重，克服了單一賦權(quán)法不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，能夠充分挖掘原始數(shù)據(jù)中隱含的信息，減少人為因素引起的誤差，使各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)更加合理，評(píng)價(jià)結(jié)果更加有效。

1 云模型原理

云模型是李德毅等[9]基于定性概念和定量值的不確定提出的變換模型。云模型是建立在概率論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，主要研究事物的模糊性和隨機(jī)性之間的關(guān)聯(lián)性。其定義如下：假設(shè)A為一普通集合，稱之為論域，C是與A相關(guān)的定性概念，若定量值x∈A，且x可以由C隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，就能得到x與C的關(guān)聯(lián)程度μ(x)∈[0,1]，其中μ是個(gè)隨機(jī)數(shù)，而x在論域A中稱為云滴。頂部的分布稱為云，即μ：A→[0,1]?x∈Ax→μ(x)。

云模型用三個(gè)云數(shù)字特征值來(lái)表示，它們具體的物理意義如下：期望Ex是云在論域空間分布中的期望值，是最典型的數(shù)值。熵En代表定性概念的可度量粒度，也是定性概念隨機(jī)性的度量。超熵He是度量熵的不確定性，可以反映云滴凝聚程度。

云數(shù)字特征值的計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

He=β

(3)

云發(fā)生器為云模型建立定性與定量間關(guān)系的工具。將云模型的三個(gè)云數(shù)字特征值及云滴數(shù)目N輸入正向云發(fā)生器中，從而可以計(jì)算得到云滴，具體算法程序如下：

(1) 首先計(jì)算得到正態(tài)隨機(jī)數(shù)yi，均值為En，標(biāo)準(zhǔn)差為Ex。

(2) 然后根據(jù)上一步驟得到一個(gè)均值為Ex，標(biāo)準(zhǔn)差為yi的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi。

(3)xi為定性概念的具體量化值，稱為云滴。

(4) 根據(jù)式(4)來(lái)計(jì)算隨機(jī)數(shù)的確定度。

(4)

(5) 得到其中一個(gè)云滴為(xi，μi)。

(6) 重復(fù)上述步驟(1)—步驟(5)，生成所需要的N個(gè)云滴為止，從而N個(gè)云滴可組成這個(gè)云。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重的合理確定直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果，權(quán)重確定方法主要有主觀和客觀權(quán)重法兩種，各自存在優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 層次分析法

層次分析法是一種主觀權(quán)重確定法，由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出，它是在深入分析復(fù)雜決策問(wèn)題的性質(zhì)，影響因素和內(nèi)部關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析了定量信息較少的決策者決策數(shù)學(xué)思維過(guò)程[10]。本研究采用改進(jìn)AHP法生成判斷矩陣，優(yōu)點(diǎn)是減少矩陣元素比較時(shí)誤判的概率，省略判斷矩陣一致性的步驟，提高計(jì)算效率。具體計(jì)算步驟如下：

(1) 構(gòu)造判斷矩陣R：

R=(rij)n×n

(5)

式中，如果第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)相比第i個(gè)更重要，就取rij=1；假如第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)相比同等重要，取rij=0；假如第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)相比，第j個(gè)指標(biāo)更重要，取rij=-1。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是客觀權(quán)重確定法，它由實(shí)測(cè)指標(biāo)值所提供的信息量大小來(lái)確定各指標(biāo)權(quán)重的方法[11]。假設(shè)有m個(gè)待測(cè)事物樣本和n個(gè)評(píng)價(jià)因子，其中樣本數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)的矩陣為Xij=(xij)m×n，Xij的值越大，在最終評(píng)價(jià)中這個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的確定度也就越大，客觀權(quán)重向量Wj的主要計(jì)算如下:

(1) 計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第j個(gè)樣本的比重：

(6)

(2) 計(jì)算信息熵值：

(7)

式中k=1/ln(m)與樣本數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

(3) 計(jì)算信息熵的冗余度：

gi=1-Ei

(8)

(4) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重：

(9)

采用公式(9)計(jì)算客觀權(quán)重時(shí)，當(dāng)指標(biāo)信息熵值Ei趨近于1時(shí)，不同指標(biāo)產(chǎn)生的微小差異可能導(dǎo)致諸如熵權(quán)較大變化之類的問(wèn)題。為了克服此類問(wèn)題，對(duì)式(9)進(jìn)行改進(jìn)，得到改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算公式如下：

(10)

2.3 距離函數(shù)

為了使兩個(gè)權(quán)重wi1與wi2之間的差異程度及其相應(yīng)的分配系數(shù)差異一致，采用距離函數(shù)來(lái)確定主、客觀權(quán)重間的分配系數(shù)γ和β。設(shè)距離函數(shù)為d(wi1，wi2)，則

(11)

d(wi1，wi2)2=(γ-β)2

(12)

求出γ與β，利用線性加權(quán)方法，則可得到第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重為

wi=γwi1+βwi2

(13)

式中：wi為綜合權(quán)重向量W的第i個(gè)分量。

2.4 綜合確定度的確定

評(píng)價(jià)樣本的安全性與評(píng)價(jià)指標(biāo)息息相關(guān)，在地鐵盾構(gòu)施工的影響下研究其安全性，選擇指標(biāo)，并賦予相應(yīng)權(quán)重，根據(jù)云模型正向云發(fā)生器的算法，計(jì)算出相應(yīng)確定度，綜合各指標(biāo)的權(quán)重，得到綜合確定度的公式如下：

(14)

式中：Up,j為j事物對(duì)應(yīng)p個(gè)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值；μp,ij為j事物的第i評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的第p等級(jí)的確定度；其中wi為綜合權(quán)重。計(jì)算得到的綜合確定度根據(jù)隸屬度最大的原則，確定對(duì)應(yīng)指標(biāo)的等級(jí)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

昆明地鐵5號(hào)線金海新區(qū)站至福保站隧道區(qū)間線路出金海新區(qū)站后，在履善巷環(huán)湖東路路口下穿環(huán)湖東路，而后線路延環(huán)湖東路西側(cè)敷設(shè)，先后下穿盤龍江、大清河、正大河及海河后進(jìn)入福保站。起點(diǎn)里程DK21+355.965，終點(diǎn)里程DK23+117.872，線路全長(zhǎng)1 761.907 m。采用盾構(gòu)法施工，隧道埋深約在13.9 m～28.30 m。在里程DK22+267.00、DK22+518.000處各設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道及泵房一座，擬采用礦山法施工。

本場(chǎng)地的不良地質(zhì)為砂土液化，軟土為人工填土和泥炭質(zhì)土。擬建工程為地下區(qū)間和各類通道，也是5號(hào)線下穿泥炭土的首期工程，工程意義和社會(huì)影響重大，破壞后果很嚴(yán)重，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]，擬建工程地復(fù)雜程度等級(jí)為一級(jí)場(chǎng)地(復(fù)雜場(chǎng)地)、周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)、重要性等級(jí)為一級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)勘察期間于鉆孔內(nèi)測(cè)得穩(wěn)定水位為地表下1.20 m～6.50 m，高程1 884.79 m～1 888.39 m。受含水層層面起伏影響，具微承壓性?？辈旆秶鷥?nèi)，自上而下可分為第四系人工填土層(Q4ml)及第四系全新統(tǒng)沖湖積層(Q4al+l)二個(gè)地層單元，該層主要由黏質(zhì)粉土、泥炭質(zhì)土及黏土組成。土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

為合理準(zhǔn)確評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象的安全等級(jí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇尤為重要，僅選擇單指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果具有局限性，為保證地鐵隧道施工安全，采用系統(tǒng)科學(xué)方法對(duì)工程影響范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物安全性進(jìn)行多因素綜合評(píng)判更為客觀合理[13]，所以應(yīng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇進(jìn)行認(rèn)真分析。

昆明地鐵5號(hào)線20多個(gè)站點(diǎn)間的盾構(gòu)區(qū)間就有10多個(gè)必須穿越湖相沉積的泥炭質(zhì)土層，該土層性質(zhì)特殊[14]，靈敏度較高，擾動(dòng)后強(qiáng)度大幅度下降，蠕變量也大，土體的變形將造成區(qū)間隧道沉降增大，另外此層土還和涌水量或大降水時(shí)易產(chǎn)生潛蝕、流砂的黏質(zhì)粉土及粉土互層出現(xiàn)，其存在也增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。研究盾構(gòu)區(qū)間段的上方有4條河流穿過(guò)，河流對(duì)地下水有補(bǔ)給作用，所以河流流經(jīng)面積及河道坡度對(duì)于河流來(lái)說(shuō)是重要指標(biāo)；地下水位埋深對(duì)工程施工影響也非常大，同時(shí)也能間接反映河流間的水力聯(lián)系。昆明最近幾年雨量密集，單點(diǎn)暴雨量大，雨季長(zhǎng)，從4月—10月，對(duì)河流、地下水位埋深及工程施工安全的影響非常大。通過(guò)以上分析，結(jié)合場(chǎng)地勘測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、隧道設(shè)計(jì)、盾構(gòu)施工等資料，與施工單位共同探討，選擇泥炭質(zhì)土層厚度、盾構(gòu)埋深、河道坡降、大雨天數(shù)、河流流經(jīng)面積和地下水位埋深6個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，6個(gè)指標(biāo)的安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。4條河流的相關(guān)信息及分析指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定度函數(shù)

據(jù)表2給出的安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用MATLAB編程軟件對(duì)云模型進(jìn)行編程繪圖，得到不同指標(biāo)確定度函數(shù)。研究表明云滴度函數(shù)呈正態(tài)分布，并且在兩個(gè)相鄰云滴之間存在交叉區(qū)域，交叉區(qū)域也充分體現(xiàn)了云模型的模糊性和隨機(jī)性。

根據(jù)式(5)模擬第i個(gè)指標(biāo)，從而得到屬于第p個(gè)等級(jí)的2 000個(gè)云滴，即可構(gòu)成第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)第p個(gè)等級(jí)的可云模型數(shù)據(jù)歸一化處理后如表4所示。權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸一化值

表5 權(quán)重計(jì)算表

基于以上計(jì)算與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)式(13)計(jì)算得到綜合權(quán)重系數(shù)，根據(jù)式(14)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。根據(jù)表6的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，海河與正大河的風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，屬于風(fēng)險(xiǎn)性高的河流，高于其它河。海河河底離盾構(gòu)頂僅有5.6 m，其它河流10 m以上，河底標(biāo)高1 885.5 m，是幾條河中最淺的，但流域面積又相對(duì)較大；不經(jīng)計(jì)算分析，可能會(huì)認(rèn)為大清河的風(fēng)險(xiǎn)高于正大河，因大清河底與盾構(gòu)間距離更近，河底軟土層較厚，河道徑流面積及河道坡度和正大河相差不大，所以應(yīng)該大清河風(fēng)險(xiǎn)排名第二，風(fēng)險(xiǎn)也很高。可通過(guò)本文分析正大河風(fēng)險(xiǎn)高于大清河，在大清河下盾構(gòu)施工時(shí)，確實(shí)涌水量及地面變形大，但因事前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判結(jié)果有了認(rèn)識(shí)，事前做好了應(yīng)對(duì)措施。盤龍江下盾構(gòu)埋深較深，水位也相對(duì)較深，所以風(fēng)險(xiǎn)一般?，F(xiàn)已安全完成了金—福區(qū)間的盾構(gòu)施工，評(píng)判結(jié)果和實(shí)際情況較吻合。

表6 河流安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

選擇5號(hào)線下穿特殊區(qū)域軟土泥炭質(zhì)土、地下水豐富及風(fēng)險(xiǎn)較高的4條河道的首期金福盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)施工段進(jìn)行分析。運(yùn)用云模型與綜合賦權(quán)法評(píng)價(jià)盾構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的風(fēng)險(xiǎn)源及進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)判，有一定的創(chuàng)新性。

通過(guò)分析評(píng)判劃分出不同的潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為設(shè)計(jì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)以及安全措施的制定提供理論依據(jù)，也為設(shè)計(jì)的提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施提供分析依據(jù)。針對(duì)施工存在的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，設(shè)計(jì)中根據(jù)分析等級(jí)的不同提出加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的頻次，視監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行二次注漿及跟蹤注漿的處理措施，同時(shí)施工中制定必要的應(yīng)急方案，以確保施工期間沿線的幾條河在施工期間能夠正常使用及運(yùn)營(yíng)安全。評(píng)價(jià)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)及施工都有很好的參考價(jià)值，實(shí)際意義突出。