地铁隧道下穿建筑物安全风险等级模糊综合评价*

吴 涛孟 丹

（1.青岛理工大学新校区建设指挥部，266033，青岛；2.青岛农业大学建筑工程学院，266109，青岛∥第一作者，工程师）

地铁隧道下穿建筑物安全风险等级模糊综合评价*

吴 涛1孟 丹2

（1.青岛理工大学新校区建设指挥部，266033，青岛；2.青岛农业大学建筑工程学院，266109，青岛∥第一作者，工程师）

地质条件复杂的青岛地铁一期工程隧道在下穿质量状况各异、结构基础形式多样的建筑群时，建筑物的安全成为决定隧道施工进度和环境安全的关键。在分析建筑物安全风险作用因素的基础上，依据地铁隧道的相关资料和下穿的20栋建筑物现场检测鉴定结果，引入模糊数学综合评判方法，总结了两大类9种主要作用因素；分别建立隶属函数并选取相应权重，对不同程度的建筑物风险予以模糊综合评价，划分了其风险等级，以供工程施工作参考。

地铁隧道；下穿建筑物；风险等级；模糊综合评价

First-author'saddressNew Campus Construction Headquarters，Qingdao Technological University，266033，Qingdao，China

地铁隧道开挖引起的既有结构（尤其是地表建筑物）的变形破坏等环境安全问题越来越受到人们的广泛关注。浅埋暗挖法下穿建筑物的地铁隧道施工一直是地铁施工的重点和难点。如何根据建筑物的自身特点、建筑物和隧道的相对位置关系及隧道施工条件等因素来确定建筑物的安全风险状态，对隧道下穿施工时制定建筑物的各项控制标准至关重要［1-2］。

青岛地铁一期工程（3号线）主要集中在老城区，出现以浅埋暗挖隧道下穿大量建设年代较早、基础形式和结构形式各异的建筑物，再加上青岛地区独特的地质条件，最终导致隧道下穿建筑物时的施工风险较大。对建筑物的质量状况进行评估并科学划分建筑物的安全风险等级，将有利于地铁隧道施工的顺利进行。本文针对青岛地铁3号线下穿需重点保护的20栋建筑物的安全控制为目标，在对建筑物进行调查、检测和安全性鉴定的基础上，结合地铁隧道设计相关资料，利用模糊数学方法，对建筑物的风险等级进行综合评判，为青岛地铁一期工程下穿建筑物的工程施工提供参考和指导。

1 建筑物安全风险的影响因素分析

建筑物安全风险的影响因素主要包括：

1）建筑物与地铁隧道的相对位置关系：根据以往的研究经验，二者的位置关系可以通过邻近等级的概念进行定性的划分，以便应用模糊综合评判的方法。一般情况下，邻近等级越高，建筑物受隧道施工的影响越严重。本文将建筑物与隧道的邻近程度划分为极邻近、邻近、较邻近、非邻近四个等级［1］。

2）邻近建筑物安全现状：建筑物的质量状况直接影响隧道下穿时的风险等级；除此之外，建筑物的结构和基础形式等条件会对安全风险等级产生不同

3）地层条件（隧道的围岩等级）：地铁隧道开挖产生的变形通过地层变形传递到建筑物，不同的地层条件将产生不同的影响范围和变形量。

4）其他：如隧道开挖与支护方式，隧道埋深，建筑物体型，长高比及基础和结构形式等，也会对隧道下穿施工时建筑物的安全风险等级产生影响。

2 邻近建筑物的安全风险等级评价

2.1 安全风险等级划分

根据现有的安全风险等级划分方法［3-5］，并考虑施工过程中便于控制和现场操作等因素，将青岛地铁隧道3号线下穿的重点建筑物按风险大小划分为5个等级：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级（其安全风险依次为很大、较大、一般、较小和很小）。

2.2 安全风险等级评价因素

本文在对邻近建筑物进行安全风险等级评价时综合考虑了9个主要影响因素（见表1）。其主要包括建筑物自身影响因素（表1的影响因素1～5）和地铁隧道施工影响因素（表1的影响因素6～9）。理论上表1中所选取的影响因素又可以分为定量指标（表1的影响因素4、8）和定性指标（表1的影响因素1、2、3、5、6、7、9）两大类。对于定量指标，模糊综合评价就是选取合理的隶属函数，判别其相应于不同等级的隶属度；对于定性指标，则是利用模糊数学的方法将其转化为定量指标。

对于定性指标与安全风险等级对应的分类（界限划分）情况如表2所示。

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表1 安全风险等级评价的主要影响因素及建筑物风险等级

表2 各定性影响因素的分类

2.3 隶属函数和权重的确定

根据隶属函数的选取方法，本文采用岭形隶属函数对定量指标进行描述［6-7］。例如，对隧道埋深，根据青岛地铁的实际埋深情况定义为5个区间——（0，10］、（10，15］、（15，20］、（25，30］、（30，+∞），其对应的评语为很严重（v1）、严重（v2）、一般（v3）、轻微（v4）和无影响（v5）共5个档次。隶属函数分布如下：

对于定性指标，本文采用分级法评定其模糊矩阵，以此达到对定性指标进行量化处理的目的。即，将影响因素分成5个等级：优（0.9分）、良（0.7分）、中（0.5分）、差（0.3分）、劣（0.1分）。定性指标的梯形隶属函数为

建筑物风险等级评价系统设计了多个影响因素，而各个影响因素在评判的过程中所占的分量也不尽相同。即，不同的影响因素对建筑物安全风险的影响程度不同。采用有效的方法就是给不同的影响因素赋予不同权重：权重的集合A=﹛a1，a2，…，ai，…，an﹜，其中，ai为所有因素中第i个因素所对应的权重，0≤ai≤1，且∑ai=1。本文利用层次分析法（AHP）［8］，并依据现有工程经验及本工程实际特点，计算确定相应于表1中的9个影响因素的权值分别为0.150、0.165、0.125、0.050、0.010、0.210、0.150、0.015、0.125。

2.4 评价模型

根据模糊数学的概念以及表1所示的2大类影响因素和5个风险等级，可得［9-10］

式中：

U——影响因素的论域；

u1（5个子因素）——建筑物自身的影响因素；u2（4个子因素）——地铁隧道施工影响因素。

评判集即等级论域为

根据相应的模糊子集可以组成模糊矩阵

式中各项为第i项影响因素指标对第j等级的隶属度。

将权重向量引入到模糊矩阵中进行模糊综合评判：由B=A·R，最终得到评判集V的模糊子集B=﹛b1，b2，b3，b4，b5﹜，其中b1、…、b5为各风险等级评价结果。遵循最大隶属原则，即可得建筑物风险的评判等级。

3 实例分析

本文的研究对象为青岛市地铁一期工程（3号

线）的3个土建标段下（侧）穿的20栋建筑物。

1）3标段的大平角公园站—延吉路站区间全长1 286.4 m，隧道采用矿山法施工，下穿房屋段隧道采用单洞单线方式，开挖宽度约6.2 m，高度约为6.8 m，主要施工方法为CD（中隔墙）法、台阶法；该区间分别下穿伊美尔整形医院、湛山路3号民房、济南军区第一疗养院口腔科。

2）6标段的错埠岭站—清江路站区间隧道下（侧）穿市北区中医院分院、青岛卷烟厂住宅（1#、2#、3#楼）、错埠岭五小区（1#、4#、5#、6#、7#楼）、东莞一路5号等10栋建筑物。

3）11标万年泉路站—李村站区间全长1 085.65 m，区间隧道均采用钻爆法施工，穿岩层段采用全断面开挖，靠近李村站穿砂层段采用台阶法开挖，断面形式均为马蹄形；该区间从万年泉路站出发，下穿滨河路商业街J区、李村河北侧沿街房、万隆商厦、崂山区房产处的F1楼、李村劳改队职工宿舍、中国电信京口路营业厅、中国银行李村支行等7栋建筑物后到达李村站。

为了保证隧道下穿时的建筑物安全，通过模糊综合评判对其进行安全风险等级划分，为各项安全控制标准的制定提供理论依据。例如：11标段下穿的7栋建筑物之一——万隆商厦为9层框架结构，混凝土条形基础，平面布置为矩形，南北长54.77 m，东西宽40.05 m，层高3.9 m；于1992年建成，与区间隧道的相对位置关系见图1。地铁隧道的断面尺寸为6.35 m×5.9 m，围岩等级Ⅵ级。则其具体的评判矩阵为：

图1 建筑物与地铁区间隧道的相对位置关系

针对该建筑物进行模糊综合评判所得评判集的模糊子集为：B=﹛0.36，0.13，0.01，0.45，0.05﹜。遵循最大隶属度原则，可知该建筑物的安全风险等级为Ⅳ级。类似地，采用该种评判方法对青岛地铁3号线下穿的其余重点建筑物进行安全风险等级划分。其余19栋建筑物相关参数及风险等级见表3。

4 结 语

本文在工程现有勘察资料基础上，对青岛地铁3号线下穿的20栋重点建筑物进行了详细的现场检测鉴定，对建筑物进行科学的安全性评价，并引入模糊综合评判法对建筑物的安全风险进行了等级划分，所得结果已为青岛地铁一期工程的施工提供了现场施工指导，并得出如下结论：

1）对受多种因素影响的建筑物进行安全风险评价，采用模糊综合评判法可避免只考虑一种因素和少量因素的局限性，可以为地铁隧道施工中遇到的下穿建筑物问题提供较为科学的参考建议。

2）遇到具体的工程问题须充分考虑其工程特点，如建筑物与隧道的相对位置关系及自身质量状况、隧道工程条件及其施工技术措施等；更重要的是要合理解决如何考虑各种影响因素、如何对影响因素的影响程度进行界定及如何分配各影响因素的权重，以保证理论分析的结果能够更加贴近工程实际，使研究结果能更可靠、更实用。

表3 建筑物相关参数及风险等级

［1］ 侯艳娟，张顶立.浅埋大跨隧道穿越复杂建筑物安全风险分析及评估［J］.岩石力学与工程学报，2007（增刊2）：3718.

［2］ 侯艳娟，张顶立，张丙印.城市隧道施工穿越建（构）筑物风险管理体系［J］.地下空间与工程学报，2011（5）：989.

［3］ Stuzk R，Olsson L，Johansson J.Risk and decision analysis for large underground projects，as applied to the Stockholm ring road tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）：157.

［4］ 陈龙.城市软土盾构隧道施工期风险分析与评估研究［D］.上海：同济大学，2004.

［5］ 毛儒.有效的风险管理［J］.都市快轨交通，2004（3）：4.

［6］ 贺仲雄.模糊数学及其应用［M］.天津：天津科技出版社，1981.

［7］ 赵晓冬，赵静一.模糊思维与广义设计［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［8］ 张俊英.采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法［J］.北京科技大学学报，2009（11）：1368.

［9］ 王之汉，李卧东，李启光，等.岩爆预测的模糊数学综合评判方法［J］.岩石力学与工程学报，1998（5）：493.

［10］ 刘端伶，谭国焕，李启光，等.岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法［J］.岩石力学与工程学报，1999（2）：170.

Fuzzy Comprehensive Evaluation for the Risk Level of Subway Tunnel Crossing under Buildings

Wu Tao，Meng Dan

The 1st phase of Qingdao subway project features complex geological conditions，it crosses under buildings of different quality status，structural forms and bases，thus the building protection is very crucial for environment safety and tunnel engineering.Based on the analysis of risk contributing factors on buildings'safety，and according to the related materials of subway tunnel and the survey result of 20 on-site buildings，fuzzy comprehensive evaluation method is introduced in risk assessment and rating，2categories of 9 key affecting factors are summarized，the membership function and the correspounding weight of these factors are determined respectively，which are used for the fussy comprehensive evaluation of the anticipated buildings safety，in order to classify the risk levels for tunnel engineering.

subway tunnel；crossingunder buildings；risk level；fuzzy comprehensive evaluation

U 458

2014-03-17）

*国家自然科学基金项目（51179080），山东省博士后创新项目专项资助（201202014）