常喜梅，李磊磊

（江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

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基于模糊綜合評估法的頂管施工沉降風險評估

常喜梅，李磊磊

（江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

摘要：文章以頂管施工沉降風險為評估目標，以土質條件、地下水情況等12項評價因素為評估指標，采用層次分析法，構建了對比判斷矩陣，計算分析了各評估指標的權重；與模糊關系矩陣進行合成運算后，根據(jù)最大隸屬度原則，確定了風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果的評價等級；依據(jù)評價矩陣，得到了風險評估最終結果，為風險控制決策提供依據(jù)。

關鍵詞：頂管施工；風險評估；模糊綜合評估法；層次分析法

頂管施工是通過頂管機采用不開挖地面的方式使管道從工作井穿過公路、鐵路、河川、地面建筑物、地下建筑物以及各種地下管線直到接收井的施工工藝，是一種非開挖的施工方法。頂管施工的工作原理是利用工作井內(nèi)頂管機及中繼間等產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將管道逐節(jié)頂入土中，并將土方運走，直至接收井。頂管施工基本上可以做到不開挖地面、不拆遷、不影響交通、不破壞環(huán)境；同時，施工過程基本不受氣候和環(huán)境的影響，因此，具有經(jīng)濟、高效、省時、安全及保護環(huán)境的優(yōu)點。

1　頂管施工沉降機理分析

隨著頂管的廣泛應用，頂管管道直徑也逐漸增大，最大可達4.4 m［1］，頂進距離超過2 000 m。頂進過程中會穿越更多的重要構造物，不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，引起土體的松動、沉陷，給鄰近構造物帶來極大的安全風險。頂管頂進施工對土體產(chǎn)生的影響可分為以下5個階段［2］（見圖1）。

（1）到達前（階段Ⅰ）：當頂管機離測點較遠（3~20 m）時，刀盤的切削攪拌振動會對土體產(chǎn)生一定的擾動，土顆粒間隙中的水和空氣被排出，土顆粒相對移動，土體產(chǎn)生壓縮固結，地面出現(xiàn)微小沉降。隨著頂管機的靠近，土體受到千斤頂?shù)臄D壓力作用，地面出現(xiàn)隆起，且頂管機越近，土體變形也越大、越快。

（2）到達時（階段Ⅱ）：當頂管機離測點很近（0~3 m）時，頂管機前方土體受千斤頂推力的擠壓、刀盤的切削剪切力和振動荷載的作用，應力狀態(tài)十分復雜。頂管機的切削開挖會使土體松弛水平應力減小，頂進推力和平衡泥漿會使水平應力增加。當二者平衡時，頂進對周圍土體的影響最小；當頂管機推力較小、出土量較大、減小的應力小于主動土壓力時，土體會產(chǎn)生沉降；當頂管機推力較大、出土量較小、增大的應力大于被動土壓力時，土體會產(chǎn)生隆起。

（3） 通過時（階段Ⅲ）：頂管機通過時頂管機外殼和土體間產(chǎn)生剪切滑動面，附近的土體內(nèi)產(chǎn)生剪應力，進而引起地面沉降。推進速度越快，頂進的長度越長，剪應力越大，周圍土體位移越大。頂進過程中在糾正管道軸線偏差時，也會引起土層位移，導致地面沉降。

（4） 通過后（階段Ⅳ）：頂管機通過后，為減小摩阻力需采取注漿措施。當注漿壓力過小、注漿不足或不及時時，土體向內(nèi)移動，產(chǎn)生地面沉降；反之，產(chǎn)生地面隆起。

（5） 后續(xù)沉降（階段Ⅴ）：隨時間的推移，觸變泥漿中的水分會逐漸流失，周圍土體會向空隙填充，發(fā)生次固結和時效蠕變變形，進而產(chǎn)生一定的沉降。

圖1　頂管頂進施工地表位移分區(qū)

由以上對頂管施工沉降機理的分析可見，施工過程中地面沉降主要受土質情況、頂力與水土壓力平衡情況、注漿情況及糾偏等因素的影響。另外，設計管徑、埋深及與構造物的距離等也會對沉降產(chǎn)生一定影響。

2　風險評估理論與方法

美國CooperD F和ChapmanC B提出：風險是由于從事某項特定活動過程中存在的不確定性而產(chǎn)生的經(jīng)濟（或財務）損失，自然破壞（或損傷）的可能性。風險評估就是對風險進行分析量測，確定風險大小，為進一步的風險控制提供指導信息［3］。風險評估包括風險識別、風險估計和風險評價等3個方面［4］。對于風險評估的結果，并不是越小越好，因為減少風險是以人力、資金、技術、工期等的投入作為代價的。通常的做法是通過研究影響風險的各種因素，將風險限定在一個合理的可接受的水平上。

目前風險的評估方法很多，如專家調查打分法、風險矩陣法、風險樹分析法、層次分析法、模糊綜合評估法、蒙特卡洛法及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡法等。模糊綜合評估法是多指標綜合評價實踐中應用最廣泛的方法之一，可與層次分析法結合起來評估工程項目的安全性。

模糊綜合評估一般包括指標體系的建立、評價等級的確定、各因素權重的確定、評價隸屬度的確定、合成算子的選擇、綜合指標隸屬度的計算等。建立模糊綜合評估模型的基本步驟如下［5-6］：

（1）確定評價因素集U=｛u1，u2，…，um｝，其中ui（i=1，2，…，m）即為風險評價因素。風險因素是指能增加或產(chǎn)生損失頻率、損失程度的要素，它是風險事故發(fā)生的潛在原因。

（2）確定評價因素等級集V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，vi為由高到低的各級評價標準，一般可用模糊語言描述。風險評估包括風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果兩個方面，風險發(fā)生概率等級集為｛頻繁發(fā)生，可能發(fā)生，偶爾發(fā)生，很少發(fā)生，幾乎不發(fā)生｝，風險發(fā)生后果等級集為｛災難性的，非常嚴重，嚴重的，較大的，輕微的｝。

目前我國建設部和交通運輸部分別制定了地下工程、地鐵及隧道的風險評價等級標準，均將風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果分為5個等級，見表1和表2。

表1　風險發(fā)生概率等級標準

表2　風險發(fā)生后果等級標準

沉降風險發(fā)生后果標準可根據(jù)具體地面建筑物的安全要求確定地面沉降控制標準。國內(nèi)一些城市通常以30 mm作為地面沉降控制標準，也是地下工程施工對地面環(huán)境造成影響的最小控制值［7］。針對高風險后果比較嚴重的構造物，可將附加變形施加于構造物，分析沉降對其安全影響。根據(jù)構造物所能承受的最大沉降分析結果，并考慮一定的安全系數(shù)，同時參考現(xiàn)有規(guī)范對建筑物的控制標準，確定不同安全風險等級構造物的沉降風險后果等級標準［8］。

（3）確定各評價因素對各評價因素等級的隸屬度，建立模糊關系矩陣R

式中：rij表示ui對vj的隸屬程度。

在模糊集理論中模糊語言用［0，1］間取值的模糊隸屬度函數(shù)量化，模糊隸屬度函數(shù)一般有3種建立方法：主觀經(jīng)驗法、模糊統(tǒng)計法和指派法。對于工程上不便分級的因素，Karwowski等提出的模糊隸屬度評價矩陣法被廣泛應用［9］。

各評價因素權重的確定是否恰當直接影響著模糊綜合評估的效果，是模糊綜合評估法的關鍵技術。確立各因素權重的方法很多，層次分析法是其中應用最廣泛和有效的方法。

（5）將評價因素權重集A和模糊關系矩陣R相乘，得到模糊綜合評價結果向量B

（6）根據(jù)最大隸屬度原則，對模糊綜合評價結果向量進行分析，可分別得到對象風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果的評價等級。最后根據(jù)風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果評價結果組成的評價矩陣，可將風險分為4級，見表3。

表3　風險等級標準

3　模糊綜合評估權重確定

模糊綜合評價中各評價因素權重的確定采用層次分析法，可把復雜問題分解為按支配關系分組，形成有序遞進層次結構中的不同因素，通過兩兩比較的方式確定層次中各因素的相對重要性，然后對結果綜合判斷、比較，以決定各個因素相對重要性的總順序。層次分析法一般分為以下3個步驟：

（1）建立遞階層次結構

將評價的問題分解成3個層次，最上層為目標層，其次準則層、指標層，最下層為等級層。層次分析法模型具體見圖2。

（2）構建判斷矩陣

建立遞階層次結構后，根據(jù)該層次下屬層次各因素之間兩兩比較的相對重要程度，給判斷矩陣中各元素賦予一定的分值，確定該層次的判斷矩陣。一般采用9級標度法，比例標度的含義見表4。經(jīng)多位專家的評定，參考相關文獻得出的判斷矩陣，可客觀公正，切實地反映各因素的重要性。

圖2　層次分析法模型

表4　比例標度的含義

（3）計算各指標權重

根據(jù)判斷矩陣求出最大特征根所對應的特性向量，并通過一致性檢驗后即為各指標的對應權重。計算得到的特征向量經(jīng)歸一化后即得元素排序權向量，為避免出現(xiàn)“甲比乙重要，乙比丙重要，丙比甲重要”的反?，F(xiàn)象，有必要進行一致性檢驗。步驟如下：

① 計算一致性指標CI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數(shù)。

當CI=0時，完全一致；當CI接近于0時，滿意的一致；CI越大，不一致越嚴重。

② 平均隨機一致性指標RI

平均隨機一致性指標是多次（500次以上）進行隨機判斷特征值的計算后取算數(shù)平均數(shù)得到的，平均隨機一致性指標的取值見表5。

表5　平均隨機一致性指標RI

③ 計算一致性比例CR

當CR＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受；當CR≥0.1時，應該對判斷矩陣進行適當?shù)男拚?，重新計算?/p>

④ 計算指標層各因素對目標的合成權重

在計算各層次因素對上一級的相對重要度以后，即可從最上層開始，自上而下地求出各層要素關于系統(tǒng)總目標的綜合重要度，對所有風險因素進行優(yōu)化排序。

4　工程實例應用及分析

4.1工程概況

本項目位于無錫市，屬于長江三角洲太湖沖積平原區(qū)，地形平坦，無全新活動斷裂存在，未發(fā)現(xiàn)不良地質作用，區(qū)域上處于穩(wěn)定區(qū)，特殊性巖土主要為軟土，分布于沿線河塘底部地段。該地域河網(wǎng)密布，每年雨季較長，主要集中在夏季梅雨季，地下水位與地表水補給條件密切相關，地下水位可按埋深0.5 m設計，常見的氣象災害有臺風、暴風、連陰雨和高溫等。頂管位于粉土層中，中密，中等壓縮性，含水量較高。其上有一層厚0.5~3.7 m的淤泥質粉土層，軟塑，高壓縮性，工程性質差。

本項目為電力管廊，全線新建5座頂管井，均采用沉井施工，2#工作井到1#接收井和3#接收井均采用DN2 400 mm的直線頂管，共長568.1 m。4#工作井到3#接收井采用DN3 000 mm雙線曲線頂管，共長1 217.4 m；5#工作井到4#井采用DN3 000 mm直線頂管，長420.4 m。頂管管節(jié)均采用鋼筋混凝土結構，埋深10 m左右，DN2 400 mm管節(jié)壁厚240 mm，DN3 000 mm管節(jié)壁厚300 mm，管節(jié)接頭采用鋼承口接頭。頂管施工采用泥水平衡式頂管機，管壁采用觸變泥漿減阻。

頂管線位處的鄰近構造物分布如下：頂管在1#~2#井區(qū)之間需穿越城市道路，并下穿1座220 kV高壓桿塔的重力式基礎；在2#~3#之間需下穿1處河塘，1處河道，1座16 m簡支空心板梁橋的橋臺重力式基礎及3座110 kV高壓鐵塔的基礎（重力式基礎和樁基礎）；在3#~4#之間需下穿兩條城市道路，1處地下綜合管溝，1座13 m簡支空心板梁橋的橋臺重力式基礎及5座110 kV高壓桿塔的樁基礎；在4#~5#之間穿越1處河道，1條城市主干道。同時，在管道周圍附近還有多條雨水、污水、上水管道。

由此可見，本項目頂管直徑較大，還有平行曲線頂管，容易引起周圍地面產(chǎn)生較大的沉降。在施工過程中需穿越的構造物非常復雜，有道路、橋梁、高壓鐵塔、地下管溝及各種地下管道，而高壓鐵塔的安全性要求又比較高。地面沉降給周圍構造物的安全帶來極大的風險，因此，有必要對頂管施工引起的沉降對周圍構造物的安全風險進行評估。

4.2沉降風險評估

采用模糊綜合評估法對本項目頂管施工引起的周圍構造物沉降風險進行評估。限于篇幅，本文此處僅以道路沉降為例進行分析，步驟如下：

（1）確定評價因素集

U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9，u10，u11， u12｝=｛土質條件，地下水情況，頂管管徑，頂管埋深，頂管與構造物位置關系，頂進壓力控制，注漿壓力控制，注漿及時性，糾偏，施工工序合理性，進度安排合理性，量測監(jiān)測準確性｝。

（2）確定評價等級集

風險發(fā)生概率等級集為V1=｛頻繁發(fā)生，可能發(fā)生，偶爾發(fā)生，很少發(fā)生，幾乎不發(fā)生｝，風險發(fā)生后果等級集為V2=｛災難性的，非常嚴重，嚴重的，較大的，輕微的｝。

（3）確定隸屬度，建立模糊關系矩陣

根據(jù)本項目的現(xiàn)場情況，利用Karwowski等提出的模糊隸屬度評價矩陣建立相應等級的風險發(fā)生概率和風險發(fā)生后果模糊關系矩陣R1和R2。

（4）確定各評價指標權重集

根據(jù)本文建立的層次分析法模型，構建目標層P對準則層Q的判斷矩陣、準則層Q1、Q2、Q3、Q4對指標層U的判斷矩陣，各評價指標權重的計算結果分別見表6~表10。

表6　判斷矩陣P-Q

表7　判斷矩陣Q1-U

表8　判斷矩陣Q2-U

表9　判斷矩陣Q3-U

表10　判斷矩陣Q4-U

用方根法計算且經(jīng)過檢驗的準則層對目標層權重向量p=（0.158 0.295 0.417 0.129），指標層對準則層權重向量為 q1=（0.8 0.2），q2=（0.2 0.2 0.6)，q3= （0.444 0.222 0.222 0.111），q4=（0.210 0.240 0.550），則指標層各因素對目標的權重向量為A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，a10，a11，a12）=（0.127，0.127，0.059，0.059，0.177，0.185，0.093，0.093，0.046，0.027，0.031，0.071）。

（5）風險發(fā)生概率和后果評價結果向量B1=B2=A×R=（0.162，0.329，0.832，0.518，0.478），經(jīng)歸一化處理后B1=B2=（0.070，0.142，0.359，0.223，0.206）。根據(jù)最大隸屬度原則，風險發(fā)生概率和后果評定等級均為Ⅲ級。參照表3可知，本項目頂管施工引起鄰近構造物的沉降風險等級為Ⅲ級。

5　結論

本項目在實施過程中1#井~2#井、4#井~5#穿越道路時沉降均在20 mm以內(nèi)，在4#井~3#井之間穿越道路時，出現(xiàn)較大的地面沉降。究其原因與施工頂進力沒有根據(jù)土質變化及時調整有關。同時，為保證附近鐵塔安全，在穿越高壓鐵塔時分別采取了高壓噴射注漿和壓密注漿的土體加固措施。加固后效果較好，地面沉降得到有效控制，保證了項目的順利實施。

本文僅以頂管施工引起的道路沉降為例進行了分析，高壓鐵塔和橋梁等構造物對地面沉降更為敏感，事故發(fā)生后果也更為嚴重，因此建議對風險概率和風險后果標準分級等進行專門分析研究，對評估結果根據(jù)相關單位的要求采取合理的控制措施。

參考文獻

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［9］袁龍．基于模糊層次綜合評估法的隧道洞口段塌方風險評估［D］．西安：長安大學，2010.

Risk Assessment for Pipe Jacking Construction Settlement Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

Chang Ximei， Li Leilei
（Jiangsu Zhongshe Group Co.， Ltd.， Wuxi 214072， China）

Abstract:Taking the risk of pipe jacking construction settlement as evaluation goal， 12 evaluation factors such as soil condition，groundwater condition， etc. as evaluation indices， the weight of each evaluation index is calculated， the comparative judgment matrix is constructed using analytic hierarchy process. According to the maximum membership degree principle， the evaluation classes of the risk probability and the risk consequence are identified after composite operation with the fuzzy relationship matrix. In terms of the evaluation matrix the risk assessment result is confirmed to provide the basis for risk control decision-making.

Key words:pipe-jacking construction； risk assessment； fuzzy comprehensive evaluation method； analytic hierarchy process

中圖分類號：U449

文獻標識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0065–05

收稿日期：（2015-07-30）

作者簡介：常喜梅（1967-），女，河南汲縣人，高級工程師，主要從事橋梁及地下復雜結構工程設計工作。