翟 強(qiáng)，顧偉紅，頡芳弟

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，盾構(gòu)法因其施工效率高、安全可靠、環(huán)保效益明顯等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到隧道施工中[1]。然而，在密集的城市地下空間往往會(huì)遇到地下既有結(jié)構(gòu)和設(shè)施，如樁基礎(chǔ)、市政管線和運(yùn)行隧道，因此盾構(gòu)隧道的開挖對既有結(jié)構(gòu)的影響引起較多學(xué)者的關(guān)注。目前，新建隧道下穿既有橋梁的施工案例較多，由于盾構(gòu)法施工會(huì)對周圍的土體產(chǎn)生較大的波動(dòng)，使土體發(fā)生變形和地表沉降，必然會(huì)引起橋梁墩臺(tái)和基礎(chǔ)的變位，進(jìn)而影響橋梁的整體結(jié)構(gòu)。因此，對隧道施工鄰近橋梁進(jìn)行安全評價(jià)，對保障橋梁結(jié)構(gòu)物運(yùn)營的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。

針對隧道施工對鄰近橋梁的影響，學(xué)者們進(jìn)行大量研究：郅建國等[2]利用有限元軟件對既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)物在加固防護(hù)措施下的影響位移進(jìn)行對比分析；趙江濤等[3]為控制盾構(gòu)隧道施工對周圍橋梁的擾動(dòng)程度，建立盾構(gòu)隧道穿越既有橋梁精細(xì)化施工控制體系；鄭揚(yáng)等[4]采用FLAC數(shù)值模擬軟件與現(xiàn)場施工監(jiān)測相結(jié)合的方法，通過3維地質(zhì)力學(xué)模型，對TBM隧道施工既有橋梁結(jié)構(gòu)受力特征和變形規(guī)律進(jìn)行研究；賈少春[5]采用有限元計(jì)算方法，從地表沉降、橋梁樁基位移、內(nèi)力變化等方面研究盾構(gòu)下穿黃河施工時(shí)，對銀灘黃河大橋樁基的影響；孫雪兵[6]采用有限元軟件ANSYS分析不同樁隧凈距時(shí)盾構(gòu)施工對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的影響規(guī)律；陳潔金等[7]基于故障樹、區(qū)間算法和模糊數(shù)學(xué)建立模糊故障樹模型，定量地對城市隧道下穿橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)；張?zhí)炱娴萚8]運(yùn)用可拓理論對隧道下穿橋梁橋墩的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)；吳賢國等[9]構(gòu)建盾構(gòu)隧道鄰近建筑物安全評價(jià)指標(biāo)體系，基于物元理論和證據(jù)理論對鄰近建筑進(jìn)行評價(jià)，為盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供可靠依據(jù)。學(xué)者們針對隧道施工對鄰近橋梁影響的研究取得較大成績，但盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁安全評價(jià)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受地質(zhì)條件、水文條件、盾構(gòu)施工參數(shù)和組織管理等多方面的因素影響，且因素之間互相約束和作用，具有較大的模糊性，因此，針對盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，建立1套系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法具有重要的意義。

本文分析盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋梁的致因因素，并在選取評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用集對分析理論建立1套盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁安全評價(jià)方法，此理論擅長處理不確定性和模糊問題。通過集對分析法計(jì)算加權(quán)平均聯(lián)系度從而確定橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)等級，并基于蒙特卡洛方法對因素進(jìn)行敏感性分析，找到關(guān)鍵致因因素，為隧道施工中橋梁的防護(hù)工作提供理論依據(jù)。

1 盾構(gòu)隧道鄰近橋梁安全評價(jià)模型的構(gòu)建

1.1 盾構(gòu)隧道鄰近橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系

1.1.1 盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋梁致因因素分析

盾構(gòu)隧道開挖會(huì)使周圍的應(yīng)力發(fā)生重分布，改變原本的穩(wěn)定形態(tài)，引起土體變形和地表沉降，進(jìn)而引起橋梁基礎(chǔ)和橋墩偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響橋梁的上部結(jié)構(gòu)，甚至影響橋梁的安全運(yùn)營。因此，分析出盾構(gòu)隧道下穿橋梁施工時(shí)引起地層變形的因素，對找出盾構(gòu)隧道下穿橋梁施工的風(fēng)險(xiǎn)因素意義重大。地質(zhì)水文條件和盾構(gòu)施工參數(shù)直接影響施工的難易程度和安全性，盾構(gòu)在復(fù)合地層條件下極易發(fā)生盾構(gòu)姿態(tài)偏移和結(jié)泥餅現(xiàn)象，會(huì)對周圍的土體造成極大的擾動(dòng)；在富水地區(qū)，如果施工參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)造成涌泥涌沙現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成隧道失穩(wěn)或坍塌災(zāi)害；在斷裂破碎帶，如果施工參數(shù)控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)前方的土體損失或者隆起，極易發(fā)生卡機(jī)故障；隧道工程條件也是盾構(gòu)隧道下穿橋梁工程的重要風(fēng)險(xiǎn)源，隧道埋深、斷面尺寸和路線選型等設(shè)計(jì)中存在的問題會(huì)影響盾構(gòu)的適應(yīng)性，如設(shè)計(jì)不合理將增加地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)。因此在安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作中應(yīng)當(dāng)充分考慮橋梁所處的位置和完整情況。此外，穿越橋梁工程是涉及多方單位的系統(tǒng)工程，方案是否合理、管理是否得當(dāng)、執(zhí)行是否到位均會(huì)直接影響施工的安全性，因此組織風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)給予足夠的重視。

1.1.2 指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)大量的工程實(shí)踐和眾多學(xué)者的研究，本文將盾構(gòu)施工影響鄰近橋梁的風(fēng)險(xiǎn)因素主要分為地質(zhì)水文條件、盾構(gòu)施工參數(shù)、隧道工程條件、橋梁自身?xiàng)l件和組織管理5類風(fēng)險(xiǎn)，即1級指標(biāo)，并根據(jù)此5類風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步細(xì)化指標(biāo)，最終構(gòu)建盾構(gòu)隧道鄰近橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，并參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[10]、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[11]和文獻(xiàn)[9,12-13]劃分為16個(gè)2級指標(biāo)的等級區(qū)間，其中定量指標(biāo)采用實(shí)測值，定性指標(biāo)采用打分制進(jìn)行量化，最終確定的評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

1.2 集對分析法確定安全等級

集對分析(SPA)是較早提出的處理不確定信息的系統(tǒng)分析方法[14]。該方法將2個(gè)相互聯(lián)系的集合放在一起形成集對，然后從“同”“異”“反”3個(gè)方面建立2個(gè)集合的聯(lián)系度表達(dá)式，如式(1)所示：

(1)

式中：μ為2個(gè)集合的聯(lián)系度；N為特征總數(shù)；S為同一特征數(shù)；F為相異特征數(shù)；P為對立特征數(shù)；a，b，c為同異反隸屬度，a+b+c=1；i為差異度系數(shù)，取值為-1～1；j為對立度系數(shù)，取值為-1。

基于集對分析模型構(gòu)建盾構(gòu)隧道鄰近橋梁安全評價(jià)模型，具體步驟如下：

1)基于表1各指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)(2)～(6)式計(jì)算樣本xj的5元聯(lián)系數(shù)。

表1 盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁評價(jià)指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard for evaluation indexes of adjacent bridges in shield tunnel construction

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：xj為第j項(xiàng)指標(biāo)的量化值；μj(k)為第j項(xiàng)指標(biāo)與第k級評價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度，k=1,2,3,4,5；ej(k)為第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的第k級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的閾值，對于越小越優(yōu)型指標(biāo)，符合ej(1)ej(2)>ej(3)>ej(4)>ej(5)，且只需將式(2)～(6)xj兩端的區(qū)間號反向即可。

2)計(jì)算指標(biāo)的組合權(quán)重wj。

3)將組合權(quán)重和聯(lián)系度相乘并累加獲得加權(quán)平均聯(lián)系度。具體計(jì)算如式(7)所示：

(7)

式中：μk為各評價(jià)樣本與第k類評價(jià)等級的加權(quán)平均聯(lián)系度；wj為各評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

4)求評價(jià)樣本的最大加權(quán)平均聯(lián)系度。根據(jù)最大隸屬度原則，得出其對應(yīng)的等級，即為最大加權(quán)平均聯(lián)系度。

1.3 組合權(quán)重的確定

傳統(tǒng)層次分析法由于指標(biāo)較多、專家主觀意見不同導(dǎo)致一致性檢驗(yàn)較難通過且過于主觀[15]，而序關(guān)系法(G1)可以通過對指標(biāo)重要性進(jìn)行排序，進(jìn)而對相鄰指標(biāo)重要性賦值；指標(biāo)相關(guān)性法(CRITIC)可以根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差來反應(yīng)指標(biāo)的差異性，進(jìn)而判斷數(shù)據(jù)提供信息量的大小[16]。故本文采取G1-CRITIC法對指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)。G1法和CRITIC法的具體計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)[17];采用線性組合方式計(jì)算組合權(quán)重，如式(8)所示：

(8)

1.4 蒙特卡洛模擬確定敏感因素

蒙特卡羅法又稱隨機(jī)抽樣法[18]。該方法基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作為問題的近似解。該方法的主要步驟為：1)定義評價(jià)指標(biāo)的概率分布函數(shù)，并得出已知概率分布的隨機(jī)變量；2)將橋梁安全狀態(tài)設(shè)置為預(yù)測值；3)采用集對分析計(jì)算規(guī)則進(jìn)行模擬分析，定義實(shí)驗(yàn)次數(shù)之后，得到問題的近似解。

2 應(yīng)用分析

2.1 工程概況

為驗(yàn)證集對分析理論在盾構(gòu)隧道鄰近橋梁安全評價(jià)過程中的有效性，選擇國內(nèi)5座下穿橋梁盾構(gòu)隧道施工項(xiàng)目作為研究對象，其基本工程概況見表2。其中定量評價(jià)指標(biāo)以現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，定性指標(biāo)邀請10位有5 a以上工作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者對其進(jìn)行打分，最終確定各評價(jià)對象的指標(biāo)數(shù)據(jù)值，并計(jì)算出各指標(biāo)的綜合權(quán)重，最終結(jié)果見表3。

表2 研究區(qū)域工程概況Table 2 Project overview of study area

2.2 確定施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級

根據(jù)表1的各指標(biāo)等級值劃分標(biāo)準(zhǔn)，以樣本1(三元橋)為例，利用式(2)～(6)確定各項(xiàng)指標(biāo)與5種評價(jià)等級的聯(lián)系度，見表4。將表4各指標(biāo)的單項(xiàng)聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果和表3各指標(biāo)的綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果代入式(7)，求得樣本1(三元橋)的加權(quán)平均聯(lián)系度結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則，得出其等級為低風(fēng)險(xiǎn)(Ⅱ)。同理，可求出其他4個(gè)樣本的平均聯(lián)系度和施工風(fēng)險(xiǎn)等級，見表5。

表5 加權(quán)平均聯(lián)系度及安全等級Table 5 Weighted average connection degree and safety grades

表3 評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)值Table 3 Data values of evaluation indexes

表4 三元橋各評價(jià)等級聯(lián)系度Table 4 Connection degree of evaluation grades of Sanyuan Bridge

2.3 蒙特卡洛敏感性分析

根據(jù)蒙特卡洛原理，基于Crystal軟件對本文研究的橋梁安全狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真，具體步驟如下：1)將16個(gè)2級評價(jià)指標(biāo)設(shè)定為假設(shè)單位，因工程現(xiàn)象、自然現(xiàn)象隨機(jī)變量的分布函數(shù)常用正態(tài)分布表征，故設(shè)定其評價(jià)指標(biāo)值服從正態(tài)分布；2)將橋梁的最終安全評價(jià)狀態(tài)定義為預(yù)測單元，并假設(shè)單元和預(yù)測單元符合集對分析計(jì)算規(guī)則，將實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)定為1 000次；3)對每個(gè)橋梁進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 敏感性分析結(jié)果Fig.1 Results of sensitivity analysis

2.4 評價(jià)結(jié)果分析

由表5和圖1可知，三元橋?qū)儆诘惋L(fēng)險(xiǎn)(Ⅱ級)，較為關(guān)鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、地質(zhì)復(fù)雜情況和橋梁損傷情況，施工中應(yīng)做好正常的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對橋梁的損傷部分做好一般性修補(bǔ)；京秦鐵路橋?yàn)橹械蕊L(fēng)險(xiǎn)(Ⅲ級)，較為關(guān)鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、涌水量和地質(zhì)復(fù)雜情況，施工中應(yīng)對不良地質(zhì)段進(jìn)行土壤改良和減排水措施，縮小監(jiān)測的時(shí)間間隔；劉家碾橋?qū)儆谥械蕊L(fēng)險(xiǎn)(Ⅲ級)，較為關(guān)鍵的致因因素為管理水平和施工技術(shù)條件，施工中應(yīng)縮小監(jiān)測的時(shí)間間隔，應(yīng)針對性地做好施工方案優(yōu)化和管理人員培訓(xùn)工作；北苑橋?qū)儆跇O低風(fēng)險(xiǎn)(Ⅰ級)，較為關(guān)鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、地質(zhì)復(fù)雜情況和盾構(gòu)下穿橋梁時(shí)間，應(yīng)關(guān)注掌子面前的地質(zhì)情況，做好超前地質(zhì)預(yù)測；萬豐橋?qū)儆跇O低風(fēng)險(xiǎn)(Ⅰ級)，較為關(guān)鍵的致因因素為隧道平曲線半徑、橋梁損傷情況和基礎(chǔ)損傷情況，正常施工前期對橋梁損傷部分做好一般性修復(fù)。另外多數(shù)工程對平曲線半徑和地質(zhì)復(fù)雜情況較為敏感，這是因?yàn)槎軜?gòu)法施工對隧道的平曲線和地質(zhì)情況極為敏感，平曲線過小或地質(zhì)較為復(fù)雜，會(huì)造成機(jī)體的顫動(dòng)，使掌子面前方土體隆起，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生坍塌和卡機(jī)現(xiàn)象，因此，針對此類下穿橋梁盾構(gòu)隧道施工項(xiàng)目，做好前期的盾構(gòu)選型和地質(zhì)適應(yīng)性研究尤為重要。

3 結(jié)論

1)通過致因因素分析，并參考相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，確定地質(zhì)水文條件、盾構(gòu)施工參數(shù)、隧道工程條件、橋梁自身?xiàng)l件和組織管理風(fēng)險(xiǎn)5個(gè)1級指標(biāo)，以及包括斷裂破碎帶和涌水量在內(nèi)的16個(gè)2級指標(biāo)，并按照相關(guān)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。將主觀權(quán)重法G1法和客觀權(quán)重法CRITIC法進(jìn)行耦合確定綜合權(quán)重，既避免人為因素的主觀性，又充分考慮數(shù)據(jù)本身的客觀性。

2)基于集對分析理論，構(gòu)建各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度隸屬函數(shù)，并計(jì)算出各樣本的最大加權(quán)聯(lián)系度，確定其安全風(fēng)險(xiǎn)等級，較好地處理這一不確定和模糊問題?；诿商乜宸ù_定盾構(gòu)隧道下穿橋梁工程的關(guān)鍵致因因素，可為相應(yīng)的解決措施提供理論依據(jù)。

3)通過權(quán)重計(jì)算和蒙特卡洛敏感性整體來看，隧道平曲線半徑、地質(zhì)復(fù)雜情況、橋體損傷情況、基礎(chǔ)損傷情況對下穿橋梁工程的影響較大。因此，施工前期的超前地質(zhì)預(yù)測、盾構(gòu)適應(yīng)性研究和橋梁損傷評估尤為重要。

4)基于簡單易行、操作方便的原則確定盾構(gòu)隧道施工鄰近橋梁安全評價(jià)模型，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，但忽略了土體類型、摩擦角、泊松比等土質(zhì)條件因素，可進(jìn)一步從土質(zhì)條件方面完善評價(jià)指標(biāo)體系。