基于模糊综合评估法的顶管施工沉降风险评估

常喜梅，李磊磊

（江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214072）



基于模糊综合评估法的顶管施工沉降风险评估

常喜梅，李磊磊

（江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214072）

摘要：文章以顶管施工沉降风险为评估目标，以土质条件、地下水情况等12项评价因素为评估指标，采用层次分析法，构建了对比判断矩阵，计算分析了各评估指标的权重；与模糊关系矩阵进行合成运算后，根据最大隶属度原则，确定了风险发生概率和风险发生后果的评价等级；依据评价矩阵，得到了风险评估最终结果，为风险控制决策提供依据。

关键词：顶管施工；风险评估；模糊综合评估法；层次分析法

顶管施工是通过顶管机采用不开挖地面的方式使管道从工作井穿过公路、铁路、河川、地面建筑物、地下建筑物以及各种地下管线直到接收井的施工工艺，是一种非开挖的施工方法。顶管施工的工作原理是利用工作井内顶管机及中继间等产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道逐节顶入土中，并将土方运走，直至接收井。顶管施工基本上可以做到不开挖地面、不拆迁、不影响交通、不破坏环境；同时，施工过程基本不受气候和环境的影响，因此，具有经济、高效、省时、安全及保护环境的优点。

1　顶管施工沉降机理分析

随着顶管的广泛应用，顶管管道直径也逐渐增大，最大可达4.4 m［1］，顶进距离超过2 000 m。顶进过程中会穿越更多的重要构造物，不可避免地会对周围土体产生扰动，引起土体的松动、沉陷，给邻近构造物带来极大的安全风险。顶管顶进施工对土体产生的影响可分为以下5个阶段［2］（见图1）。

（1）到达前（阶段Ⅰ）：当顶管机离测点较远（3~20 m）时，刀盘的切削搅拌振动会对土体产生一定的扰动，土颗粒间隙中的水和空气被排出，土颗粒相对移动，土体产生压缩固结，地面出现微小沉降。随着顶管机的靠近，土体受到千斤顶的挤压力作用，地面出现隆起，且顶管机越近，土体变形也越大、越快。

（2）到达时（阶段Ⅱ）：当顶管机离测点很近（0~3 m）时，顶管机前方土体受千斤顶推力的挤压、刀盘的切削剪切力和振动荷载的作用，应力状态十分复杂。顶管机的切削开挖会使土体松弛水平应力减小，顶进推力和平衡泥浆会使水平应力增加。当二者平衡时，顶进对周围土体的影响最小；当顶管机推力较小、出土量较大、减小的应力小于主动土压力时，土体会产生沉降；当顶管机推力较大、出土量较小、增大的应力大于被动土压力时，土体会产生隆起。

（3） 通过时（阶段Ⅲ）：顶管机通过时顶管机外壳和土体间产生剪切滑动面，附近的土体内产生剪应力，进而引起地面沉降。推进速度越快，顶进的长度越长，剪应力越大，周围土体位移越大。顶进过程中在纠正管道轴线偏差时，也会引起土层位移，导致地面沉降。

（4） 通过后（阶段Ⅳ）：顶管机通过后，为减小摩阻力需采取注浆措施。当注浆压力过小、注浆不足或不及时时，土体向内移动，产生地面沉降；反之，产生地面隆起。

（5） 后续沉降（阶段Ⅴ）：随时间的推移，触变泥浆中的水分会逐渐流失，周围土体会向空隙填充，发生次固结和时效蠕变变形，进而产生一定的沉降。

图1　顶管顶进施工地表位移分区

由以上对顶管施工沉降机理的分析可见，施工过程中地面沉降主要受土质情况、顶力与水土压力平衡情况、注浆情况及纠偏等因素的影响。另外，设计管径、埋深及与构造物的距离等也会对沉降产生一定影响。

2　风险评估理论与方法

美国CooperD F和ChapmanC B提出：风险是由于从事某项特定活动过程中存在的不确定性而产生的经济（或财务）损失，自然破坏（或损伤）的可能性。风险评估就是对风险进行分析量测，确定风险大小，为进一步的风险控制提供指导信息［3］。风险评估包括风险识别、风险估计和风险评价等3个方面［4］。对于风险评估的结果，并不是越小越好，因为减少风险是以人力、资金、技术、工期等的投入作为代价的。通常的做法是通过研究影响风险的各种因素，将风险限定在一个合理的可接受的水平上。

目前风险的评估方法很多，如专家调查打分法、风险矩阵法、风险树分析法、层次分析法、模糊综合评估法、蒙特卡洛法及模糊神经网络法等。模糊综合评估法是多指标综合评价实践中应用最广泛的方法之一，可与层次分析法结合起来评估工程项目的安全性。

模糊综合评估一般包括指标体系的建立、评价等级的确定、各因素权重的确定、评价隶属度的确定、合成算子的选择、综合指标隶属度的计算等。建立模糊综合评估模型的基本步骤如下［5-6］：

（1）确定评价因素集U=｛u1，u2，…，um｝，其中ui（i=1，2，…，m）即为风险评价因素。风险因素是指能增加或产生损失频率、损失程度的要素，它是风险事故发生的潜在原因。

（2）确定评价因素等级集V=｛v1，v2，v3，v4，v5｝，vi为由高到低的各级评价标准，一般可用模糊语言描述。风险评估包括风险发生概率和风险发生后果两个方面，风险发生概率等级集为｛频繁发生，可能发生，偶尔发生，很少发生，几乎不发生｝，风险发生后果等级集为｛灾难性的，非常严重，严重的，较大的，轻微的｝。

目前我国建设部和交通运输部分别制定了地下工程、地铁及隧道的风险评价等级标准，均将风险发生概率和风险发生后果分为5个等级，见表1和表2。

表1　风险发生概率等级标准

表2　风险发生后果等级标准

沉降风险发生后果标准可根据具体地面建筑物的安全要求确定地面沉降控制标准。国内一些城市通常以30 mm作为地面沉降控制标准，也是地下工程施工对地面环境造成影响的最小控制值［7］。针对高风险后果比较严重的构造物，可将附加变形施加于构造物，分析沉降对其安全影响。根据构造物所能承受的最大沉降分析结果，并考虑一定的安全系数，同时参考现有规范对建筑物的控制标准，确定不同安全风险等级构造物的沉降风险后果等级标准［8］。

（3）确定各评价因素对各评价因素等级的隶属度，建立模糊关系矩阵R

式中：rij表示ui对vj的隶属程度。

在模糊集理论中模糊语言用［0，1］间取值的模糊隶属度函数量化，模糊隶属度函数一般有3种建立方法：主观经验法、模糊统计法和指派法。对于工程上不便分级的因素，Karwowski等提出的模糊隶属度评价矩阵法被广泛应用［9］。

各评价因素权重的确定是否恰当直接影响着模糊综合评估的效果，是模糊综合评估法的关键技术。确立各因素权重的方法很多，层次分析法是其中应用最广泛和有效的方法。

（5）将评价因素权重集A和模糊关系矩阵R相乘，得到模糊综合评价结果向量B

（6）根据最大隶属度原则，对模糊综合评价结果向量进行分析，可分别得到对象风险发生概率和风险发生后果的评价等级。最后根据风险发生概率和风险发生后果评价结果组成的评价矩阵，可将风险分为4级，见表3。

表3　风险等级标准

3　模糊综合评估权重确定

模糊综合评价中各评价因素权重的确定采用层次分析法，可把复杂问题分解为按支配关系分组，形成有序递进层次结构中的不同因素，通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性，然后对结果综合判断、比较，以决定各个因素相对重要性的总顺序。层次分析法一般分为以下3个步骤：

（1）建立递阶层次结构

将评价的问题分解成3个层次，最上层为目标层，其次准则层、指标层，最下层为等级层。层次分析法模型具体见图2。

（2）构建判断矩阵

建立递阶层次结构后，根据该层次下属层次各因素之间两两比较的相对重要程度，给判断矩阵中各元素赋予一定的分值，确定该层次的判断矩阵。一般采用9级标度法，比例标度的含义见表4。经多位专家的评定，参考相关文献得出的判断矩阵，可客观公正，切实地反映各因素的重要性。

图2　层次分析法模型

表4　比例标度的含义

（3）计算各指标权重

根据判断矩阵求出最大特征根所对应的特性向量，并通过一致性检验后即为各指标的对应权重。计算得到的特征向量经归一化后即得元素排序权向量，为避免出现“甲比乙重要，乙比丙重要，丙比甲重要”的反常现象，有必要进行一致性检验。步骤如下：

① 计算一致性指标CI

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵的阶数。

当CI=0时，完全一致；当CI接近于0时，满意的一致；CI越大，不一致越严重。

② 平均随机一致性指标RI

平均随机一致性指标是多次（500次以上）进行随机判断特征值的计算后取算数平均数得到的，平均随机一致性指标的取值见表5。

表5　平均随机一致性指标RI

③ 计算一致性比例CR

当CR＜0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受；当CR≥0.1时，应该对判断矩阵进行适当的修正，重新计算。

④ 计算指标层各因素对目标的合成权重

在计算各层次因素对上一级的相对重要度以后，即可从最上层开始，自上而下地求出各层要素关于系统总目标的综合重要度，对所有风险因素进行优化排序。

4　工程实例应用及分析

4.1工程概况

本项目位于无锡市，属于长江三角洲太湖冲积平原区，地形平坦，无全新活动断裂存在，未发现不良地质作用，区域上处于稳定区，特殊性岩土主要为软土，分布于沿线河塘底部地段。该地域河网密布，每年雨季较长，主要集中在夏季梅雨季，地下水位与地表水补给条件密切相关，地下水位可按埋深0.5 m设计，常见的气象灾害有台风、暴风、连阴雨和高温等。顶管位于粉土层中，中密，中等压缩性，含水量较高。其上有一层厚0.5~3.7 m的淤泥质粉土层，软塑，高压缩性，工程性质差。

本项目为电力管廊，全线新建5座顶管井，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的直线顶管，共长568.1 m。4#工作井到3#接收井采用DN3 000 mm双线曲线顶管，共长1 217.4 m；5#工作井到4#井采用DN3 000 mm直线顶管，长420.4 m。顶管管节均采用钢筋混凝土结构，埋深10 m左右，DN2 400 mm管节壁厚240 mm，DN3 000 mm管节壁厚300 mm，管节接头采用钢承口接头。顶管施工采用泥水平衡式顶管机，管壁采用触变泥浆减阻。

顶管线位处的邻近构造物分布如下：顶管在1#~2#井区之间需穿越城市道路，并下穿1座220 kV高压杆塔的重力式基础；在2#~3#之间需下穿1处河塘，1处河道，1座16 m简支空心板梁桥的桥台重力式基础及3座110 kV高压铁塔的基础（重力式基础和桩基础）；在3#~4#之间需下穿两条城市道路，1处地下综合管沟，1座13 m简支空心板梁桥的桥台重力式基础及5座110 kV高压杆塔的桩基础；在4#~5#之间穿越1处河道，1条城市主干道。同时，在管道周围附近还有多条雨水、污水、上水管道。

由此可见，本项目顶管直径较大，还有平行曲线顶管，容易引起周围地面产生较大的沉降。在施工过程中需穿越的构造物非常复杂，有道路、桥梁、高压铁塔、地下管沟及各种地下管道，而高压铁塔的安全性要求又比较高。地面沉降给周围构造物的安全带来极大的风险，因此，有必要对顶管施工引起的沉降对周围构造物的安全风险进行评估。

4.2沉降风险评估

采用模糊综合评估法对本项目顶管施工引起的周围构造物沉降风险进行评估。限于篇幅，本文此处仅以道路沉降为例进行分析，步骤如下：

（1）确定评价因素集

U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7，u8，u9，u10，u11， u12｝=｛土质条件，地下水情况，顶管管径，顶管埋深，顶管与构造物位置关系，顶进压力控制，注浆压力控制，注浆及时性，纠偏，施工工序合理性，进度安排合理性，量测监测准确性｝。

（2）确定评价等级集

风险发生概率等级集为V1=｛频繁发生，可能发生，偶尔发生，很少发生，几乎不发生｝，风险发生后果等级集为V2=｛灾难性的，非常严重，严重的，较大的，轻微的｝。

（3）确定隶属度，建立模糊关系矩阵

根据本项目的现场情况，利用Karwowski等提出的模糊隶属度评价矩阵建立相应等级的风险发生概率和风险发生后果模糊关系矩阵R1和R2。

（4）确定各评价指标权重集

根据本文建立的层次分析法模型，构建目标层P对准则层Q的判断矩阵、准则层Q1、Q2、Q3、Q4对指标层U的判断矩阵，各评价指标权重的计算结果分别见表6~表10。

表6　判断矩阵P-Q

表7　判断矩阵Q1-U

表8　判断矩阵Q2-U

表9　判断矩阵Q3-U

表10　判断矩阵Q4-U

用方根法计算且经过检验的准则层对目标层权重向量p=（0.158 0.295 0.417 0.129），指标层对准则层权重向量为 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），则指标层各因素对目标的权重向量为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）风险发生概率和后果评价结果向量B1=B2=A×R=（0.162，0.329，0.832，0.518，0.478），经归一化处理后B1=B2=（0.070，0.142，0.359，0.223，0.206）。根据最大隶属度原则，风险发生概率和后果评定等级均为Ⅲ级。参照表3可知，本项目顶管施工引起邻近构造物的沉降风险等级为Ⅲ级。

5　结论

本项目在实施过程中1#井~2#井、4#井~5#穿越道路时沉降均在20 mm以内，在4#井~3#井之间穿越道路时，出现较大的地面沉降。究其原因与施工顶进力没有根据土质变化及时调整有关。同时，为保证附近铁塔安全，在穿越高压铁塔时分别采取了高压喷射注浆和压密注浆的土体加固措施。加固后效果较好，地面沉降得到有效控制，保证了项目的顺利实施。

本文仅以顶管施工引起的道路沉降为例进行了分析，高压铁塔和桥梁等构造物对地面沉降更为敏感，事故发生后果也更为严重，因此建议对风险概率和风险后果标准分级等进行专门分析研究，对评估结果根据相关单位的要求采取合理的控制措施。

参考文献

［1］葛春辉．顶管工程设计与施工［M］．北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］魏纲，魏新江，徐日庆．顶管工程技术［M］．北京：化学工业出版社，2011．

［3］袁龙．基于模糊层次综合评估法的隧道洞口段塌方风险评估［D］．西安：长安大学，2010.

［4］阮欣．桥梁工程风险评估体系及关键问题研究［D］．上海：同济大学，2006.

［5］李玉琳，高志刚，韩延玲．模糊综合评价中权值确定和合成算子选［J］．计算机工程与应用，2006（23）：38-43.

［6］ 臧秀平，李萍，张建，等．改进的模糊综合评判法在评标中的应用［J］．江苏科技大学学报，2007，21（6）：9-12.

［7］王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［M］．合肥：安徽教育出版社，2004.

［8］滕红军．城市隧道穿越地面建筑物的安全风险控制［D］．北京：北京交通大学，2007.

［9］袁龙．基于模糊层次综合评估法的隧道洞口段塌方风险评估［D］．西安：长安大学，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

中图分类号：U449

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0065–05

收稿日期：（2015-07-30）

作者简介：常喜梅（1967-），女，河南汲县人，高级工程师，主要从事桥梁及地下复杂结构工程设计工作。