王晉超　袁長豐　黃海濱　袁子晉

摘要：隧道工程穩(wěn)定性評價是確保隧道安全的一項重要工作，該評價涉及影響因素復(fù)雜眾多。結(jié)合建筑基坑開挖對臨近隧道穩(wěn)定性影響的工程實際，首先對隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，在此基礎(chǔ)上，采用層次分析法進(jìn)一步分析建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化并采用乘積標(biāo)度法重新確定隸屬度，對隧道穩(wěn)定性進(jìn)一步定性評價。結(jié)果表明：采用層次分析法與乘積標(biāo)度法相結(jié)合可以全面的反映隧道在建設(shè)和后期受周圍環(huán)境變化所引起的自身穩(wěn)定性的變化情況；基坑開挖會對臨近隧道周圍環(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，從而使得隧道周邊情況發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道的穩(wěn)定性發(fā)生變化；針對青島地區(qū)特有的地質(zhì)條件，該方法能很好地反映基坑開挖對已建隧道的穩(wěn)定性情況，使評估結(jié)果更具有科學(xué)性和合理性。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；臨近隧道；穩(wěn)定性；遞進(jìn)；模糊評價

引言

近年來，中國已經(jīng)成為世界最大的地下空間開發(fā)和隧道建設(shè)市場的國家，隨著地下空間的開發(fā)，越來越多的基坑工程不可避免的與既有運營隧道鄰近或相交，二者相互影響，環(huán)境負(fù)效應(yīng)是不可避免的，比如臺北市某處地鐵附近開挖深基坑導(dǎo)致臨線隧道管壁破壞，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對基坑開挖情況下地鐵隧道的穩(wěn)定性研究具有很重要的工程實際意義。

目前，許多學(xué)者已經(jīng)在基坑工程對隧道的影響上作了很多研究，取得了很多成果。這些成果，主要針對北京砂石與土的互層、上海的松散土體等地質(zhì)條件下開展的研究，對青島地區(qū)特有的“上軟下硬”地質(zhì)條件，研究較少，且主要研究方法是通過建立力學(xué)理論或軟件模型進(jìn)行分析，定量的對主要影響因素進(jìn)行分析計算。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，針對青島地區(qū)特有的地質(zhì)條件，采用另外一種研究思路，即運用層次分析法和乘積標(biāo)度法相結(jié)合的評價方法，定性和定量相結(jié)合的去分析基坑開挖對已建隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生何種影響。該方法可以為類似臨近隧道基坑工程設(shè)計、施工提供技術(shù)支持和新研究思路。

1.隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有很多，但總的來說主要有自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計因素四類。工程地質(zhì)因素和水文地質(zhì)因素主要反映巖土體的質(zhì)量好壞，是影響圍巖穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，主要考慮的因素有圍巖級別、巖石風(fēng)化程度、巖石的堅硬程度、巖體的完整程度、地下水狀況和地下水類別等：施工設(shè)計因素是影響圍巖穩(wěn)定性的外部因素，主要考慮開挖工法、隧道埋深、偏壓情況、開挖斷面、超前支護(hù)和超前注漿等。然而，對這些影響因素的影響程度去定量是很困難的，且由于隧道巖土體的復(fù)雜性，對于某一具體工程，評價圍巖的好壞，評價各因素的影響程度只能是一種經(jīng)驗性的判斷，為此要確定各種影響因素的隸屬度情況。這里將圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)劃分為4個等級：安全級、較安全級、較危險級、危險級。

某些主要因素依據(jù)專家經(jīng)驗對不同穩(wěn)定狀態(tài)的影響用一些模糊語言變量表示，如表1所示。

2.層次分析模型的建立

層次分析模型的步驟是首先對隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化，然后根據(jù)影響因素的變化重新確定隸屬度，繼而對隧道穩(wěn)定性進(jìn)行定性評價。

2.1層次分析評價的基本內(nèi)容如下

2.1.1隧道建成后的穩(wěn)定性評價

（1）建立評價因素集U

隧道圍巖穩(wěn)定性評價是一個受很多因素互相制約、互相影響的復(fù)雜問題，這些因素具有很大的模糊性，在很多情況下難以明確哪個因素更加重要，因此，可以采用層次分析法來處理這些難于完全定量分析的復(fù)雜問題。

模糊關(guān)聯(lián)因素集合可用u表示為

U={U_A，U_B，U_C，U_D} （1）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分別表示自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計因素。其中U_A、U_B、U_C、U_D中又分別包含若干個如圖1所示的子關(guān)聯(lián)因素u_i。

（2）初級評判

①評判集是評價者對評價對象可能作出的各種評價結(jié)果組成的集合。對于隧道圍巖穩(wěn)定性分類，評判集合可用隧道圍巖穩(wěn)定性等級表示為

V={U_A，U_B，U_C，U_D} （2）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分別表示自然因素、工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和施工設(shè)計因素的評價結(jié)果。其中各評價結(jié)果分別包括若干個如圖1所示的子評價結(jié)果v_j。

②找出模糊評價矩陣

m個關(guān)聯(lián)因素的評價子集構(gòu)成總的評判矩陣R_i為

式中：0≤r_ij≤1，1≤i≤n，1≤j≤m表示因素u_i屬于評判等級v_j的隸屬程度；r_ij為各評分值分別帶入對應(yīng)的隸屬函數(shù)求得。

③建立因素權(quán)重集

由于各關(guān)聯(lián)因素對評判對象的影響程度不同，可用上的模糊子集表示：

A_i={a₁，a₂，…，a_n} （4）

式中：a_i為u_i對A_i的隸屬程度，表示單因素u_i在總評價中的影響程度的度量。

④建立模糊綜合評判模型

在確定權(quán)重向量A_i后即可進(jìn)行綜合評判。模糊綜合評判模型表示為

B_i=A_i×R_i （5）

（3）二級評判

設(shè)U的模糊子集為A，且A=（A₁，A₂，A₃，A₄），則得U的總評價矩陣為：

則得出總的綜合評判結(jié)果為：

B=A×R （7）

（4）模糊向量單值化，得出評價值

（5）得出模糊評價及處理措施

依據(jù)專家經(jīng)驗m通過評價值，判斷接受程度，從而得出評價和處理措施，進(jìn)而得出考慮基坑因素時對隧道的附加影響。

2.1.2基坑開挖對隧道的穩(wěn)定性評價

（1）在隧道建成后穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上分析基坑開挖導(dǎo)致的隧道影響因素變化。

（2）重新確定隸屬度。

（3）通過初級評判和二級評判得出基坑開挖對隧道穩(wěn)定性影響評價值。

（4）得出基坑開挖對隧道穩(wěn)定性的模糊評價及處理措施，如表2所示。

2.2定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)的形式有多種，如半梯形分布和梯形分布、正態(tài)分布、嶺形分布等，此處不妨用三角形法進(jìn)行隸屬函數(shù)的確定。

2.3影響因素權(quán)重的確定

本文采用乘積標(biāo)度法，在指標(biāo)重要性的兩兩比較時，不先劃分過多的等級，而只設(shè)置兩個等級，即指標(biāo)A和指標(biāo)B的重要性“相同”或“稍微大”，然后以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行遞進(jìn)乘積分析，對不同情況的評比給出數(shù)量標(biāo)度。

（1）根據(jù)經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)資料，對m個指標(biāo)進(jìn)行重要性排序。

根據(jù)經(jīng)驗認(rèn)為各因素排序為：施工設(shè)計因素d>工程地質(zhì)因素b=水文地質(zhì)因素c>自然因素a。

（2）對指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比，確定指標(biāo)之間的重要性差異。

在對指標(biāo)A和指標(biāo)B進(jìn)行兩兩比較時，取乘積標(biāo)度法中“相同”的標(biāo)度值為：

ω_A：ω_B=1：1

認(rèn)為“稍微大”是指指標(biāo)A和指標(biāo)B之間存在的差別不應(yīng)大于1.5，依此類推?。?/p>

（4）將同層的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一綜合，進(jìn)行歸一化分析。

（5）則權(quán)重為

3.工程應(yīng)用

3.1隧道建成后穩(wěn)定性評價

青島市膠州灣海底隧道青島接線端區(qū)間公路隧道YK1+760～YK1+860段，接線端區(qū)間隧道總體呈南北走向，全長25.1千米，隧道幾何尺寸高9.65m，跨度15.926m，橫斷面面積為146.28m2，隧道埋深約16m，洞身以微風(fēng)化花崗巖為主，整體較為完整，透水性較弱，圍巖類型為Ⅱ-Ⅳ，設(shè)計采用了Ⅳ-Ⅱ型襯砌，采用上下臺階法開挖隧道，隧道支護(hù)形式為錨噴支護(hù)，年平均降水量約為800mm，地下水資源不大，類型為基巖裂隙水。

按照ω×R=R進(jìn)行一級評價，得：按照B=ω_U×R對系統(tǒng)綜合評價，如下：

可知隧道的規(guī)模等級為較安全級，

圍巖變形較大，但都在安全值內(nèi)，圍巖局部破碎可能會發(fā)生坍塌。

3.2基坑開挖對隧道穩(wěn)定性的影響

膠州灣海底隧道青島接線端區(qū)間公路隧道YK1+760～YK1+860段西側(cè)13m處有一基坑工程?；幽媳遍L約130m，寬約100m，開挖深度約為6m，基坑和隧道相對位置剖面圖如圖2所示。

隨著基坑的開挖，挖切土體，使得土體荷載變小，且隧道距基坑在18m受影響范圍內(nèi)，從而隧道兩側(cè)壓力發(fā)生變化，形成一定偏壓，致使施工設(shè)計因素的評判矩陣發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性發(fā)生變化；伴隨著基坑的降水和排水等使得周圍局部地下水位下降，從而影響隧道周邊的地下水狀況，致使水文地質(zhì)因素的評判矩陣發(fā)生改變，影響隧道穩(wěn)定性。

（1）通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和基坑開挖引起影響因素分析，結(jié)合各一級因素的隸屬函數(shù)，計算出隸屬度，得到個單元素的模糊評判矩陣如下：

經(jīng)計算隧道的規(guī)模等級為較安全級，與無基坑因素影響相比，當(dāng)隧道附近有基坑工程時，因為挖切土體和降水排水等過程會對基坑周圍環(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，這種負(fù)效應(yīng)具有連續(xù)傳遞性，使得隧道周邊地下水狀況、偏壓情況發(fā)生改變，從而導(dǎo)致隧道穩(wěn)定評價值F變大0.144，得出基坑開挖對隧道的穩(wěn)定性造成一定影響，但影響不明顯。

4.結(jié)論

本文采用層次分析與乘積標(biāo)度相結(jié)合的評價方法，在分析隧道建成后的穩(wěn)定性進(jìn)行評價基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析建筑基坑開挖對臨近隧道的影響因素的變化，運用乘積標(biāo)度法重新確定隸屬度，并進(jìn)一步評價隧道穩(wěn)定性。結(jié)合基坑開挖對青島城市隧道穩(wěn)定性影響具體實例進(jìn)行了評價，主要獲得以下結(jié)論：

（1）采用層次分析與乘積標(biāo)度法相結(jié)合的評價方法可以全面反映隧道在建設(shè)和后期受周圍環(huán)境變化所引起的自身穩(wěn)定性的變化情況，結(jié)合實際工程，認(rèn)為這種方法是可行的。

（2）基坑開挖對臨近隧道周圍環(huán)境造成負(fù)效應(yīng)，從而使得隧道周邊情況發(fā)生改變，導(dǎo)致隧道穩(wěn)定性評價值變大，對隧道的穩(wěn)定性造成一定影響。