基坑开挖对临近隧道稳定性影响的层次分析与乘积标度相结合式的模糊评价

王晋超　袁长丰　黄海滨　袁子晋

摘要：隧道工程稳定性评价是确保隧道安全的一项重要工作，该评价涉及影响因素复杂众多。结合建筑基坑开挖对临近隧道稳定性影响的工程实际，首先对隧道建成后的稳定性进行评价，在此基础上，采用层次分析法进一步分析建筑基坑开挖对临近隧道的影响因素的变化并采用乘积标度法重新确定隶属度，对隧道稳定性进一步定性评价。结果表明：采用层次分析法与乘积标度法相结合可以全面的反映隧道在建设和后期受周围环境变化所引起的自身稳定性的变化情况；基坑开挖会对临近隧道周围环境造成负效应，从而使得隧道周边情况发生改变，导致隧道的稳定性发生变化；针对青岛地区特有的地质条件，该方法能很好地反映基坑开挖对已建隧道的稳定性情况，使评估结果更具有科学性和合理性。

关键词：基坑开挖；临近隧道；稳定性；递进；模糊评价

引言

近年来，中国已经成为世界最大的地下空间开发和隧道建设市场的国家，随着地下空间的开发，越来越多的基坑工程不可避免的与既有运营隧道邻近或相交，二者相互影响，环境负效应是不可避免的，比如台北市某处地铁附近开挖深基坑导致临线隧道管壁破坏，造成了巨大经济损失。因此，针对基坑开挖情况下地铁隧道的稳定性研究具有很重要的工程实际意义。

目前，许多学者已经在基坑工程对隧道的影响上作了很多研究，取得了很多成果。这些成果，主要针对北京砂石与土的互层、上海的松散土体等地质条件下开展的研究，对青岛地区特有的“上软下硬”地质条件，研究较少，且主要研究方法是通过建立力学理论或软件模型进行分析，定量的对主要影响因素进行分析计算。本文在这些研究的基础上，针对青岛地区特有的地质条件，采用另外一种研究思路，即运用层次分析法和乘积标度法相结合的评价方法，定性和定量相结合的去分析基坑开挖对已建隧道稳定性产生何种影响。该方法可以为类似临近隧道基坑工程设计、施工提供技术支持和新研究思路。

1.隧道围岩稳定性的影响因素

影响隧道围岩稳定性的因素有很多，但总的来说主要有自然因素、工程地质因素、水文地质因素和施工设计因素四类。工程地质因素和水文地质因素主要反映岩土体的质量好坏，是影响围岩稳定性的内在因素，主要考虑的因素有围岩级别、岩石风化程度、岩石的坚硬程度、岩体的完整程度、地下水状况和地下水类别等：施工设计因素是影响围岩稳定性的外部因素，主要考虑开挖工法、隧道埋深、偏压情况、开挖断面、超前支护和超前注浆等。然而，对这些影响因素的影响程度去定量是很困难的，且由于隧道岩土体的复杂性，对于某一具体工程，评价围岩的好坏，评价各因素的影响程度只能是一种经验性的判断，为此要确定各种影响因素的隶属度情况。这里将围岩稳定性状态划分为4个等级：安全级、较安全级、较危险级、危险级。

某些主要因素依据专家经验对不同稳定状态的影响用一些模糊语言变量表示，如表1所示。

2.层次分析模型的建立

层次分析模型的步骤是首先对隧道建成后的稳定性进行评价，在此基础上，进一步考虑建筑基坑开挖对临近隧道的影响因素的变化，然后根据影响因素的变化重新确定隶属度，继而对隧道稳定性进行定性评价。

2.1层次分析评价的基本内容如下

2.1.1隧道建成后的稳定性评价

（1）建立评价因素集U

隧道围岩稳定性评价是一个受很多因素互相制约、互相影响的复杂问题，这些因素具有很大的模糊性，在很多情况下难以明确哪个因素更加重要，因此，可以采用层次分析法来处理这些难于完全定量分析的复杂问题。

模糊关联因素集合可用u表示为

U={U_A，U_B，U_C，U_D} （1）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分别表示自然因素、工程地质因素、水文地质因素和施工设计因素。其中U_A、U_B、U_C、U_D中又分别包含若干个如图1所示的子关联因素u_i。

（2）初级评判

①评判集是评价者对评价对象可能作出的各种评价结果组成的集合。对于隧道围岩稳定性分类，评判集合可用隧道围岩稳定性等级表示为

V={U_A，U_B，U_C，U_D} （2）

式中：U_A、U_B、U_C、U_D分别表示自然因素、工程地质因素、水文地质因素和施工设计因素的评价结果。其中各评价结果分别包括若干个如图1所示的子评价结果v_j。

②找出模糊评价矩阵

m个关联因素的评价子集构成总的评判矩阵R_i为

式中：0≤r_ij≤1，1≤i≤n，1≤j≤m表示因素u_i属于评判等级v_j的隶属程度；r_ij为各评分值分别带入对应的隶属函数求得。

③建立因素权重集

由于各关联因素对评判对象的影响程度不同，可用上的模糊子集表示：

A_i={a₁，a₂，…，a_n} （4）

式中：a_i为u_i对A_i的隶属程度，表示单因素u_i在总评价中的影响程度的度量。

④建立模糊综合评判模型

在确定权重向量A_i后即可进行综合评判。模糊综合评判模型表示为

B_i=A_i×R_i （5）

（3）二级评判

设U的模糊子集为A，且A=（A₁，A₂，A₃，A₄），则得U的总评价矩阵为：

则得出总的综合评判结果为：

B=A×R （7）

（4）模糊向量单值化，得出评价值

（5）得出模糊评价及处理措施

依据专家经验m通过评价值，判断接受程度，从而得出评价和处理措施，进而得出考虑基坑因素时对隧道的附加影响。

2.1.2基坑开挖对隧道的稳定性评价

（1）在隧道建成后稳定性评价的基础上分析基坑开挖导致的隧道影响因素变化。

（2）重新确定隶属度。

（3）通过初级评判和二级评判得出基坑开挖对隧道稳定性影响评价值。

（4）得出基坑开挖对隧道稳定性的模糊评价及处理措施，如表2所示。

2.2定量指标的隶属函数的确定

隶属函数的形式有多种，如半梯形分布和梯形分布、正态分布、岭形分布等，此处不妨用三角形法进行隶属函数的确定。

2.3影响因素权重的确定

本文采用乘积标度法，在指标重要性的两两比较时，不先划分过多的等级，而只设置两个等级，即指标A和指标B的重要性“相同”或“稍微大”，然后以此作为基础进行递进乘积分析，对不同情况的评比给出数量标度。

（1）根据经验或实测数据资料，对m个指标进行重要性排序。

根据经验认为各因素排序为：施工设计因素d>工程地质因素b=水文地质因素c>自然因素a。

（2）对指标进行两两对比，确定指标之间的重要性差异。

在对指标A和指标B进行两两比较时，取乘积标度法中“相同”的标度值为：

ω_A：ω_B=1：1

认为“稍微大”是指指标A和指标B之间存在的差别不应大于1.5，依此类推取：

（4）将同层的指标进行两两比较，并对结果进行统一综合，进行归一化分析。

（5）则权重为

3.工程应用

3.1隧道建成后稳定性评价

青岛市胶州湾海底隧道青岛接线端区间公路隧道YK1+760～YK1+860段，接线端区间隧道总体呈南北走向，全长25.1千米，隧道几何尺寸高9.65m，跨度15.926m，横断面面积为146.28m2，隧道埋深约16m，洞身以微风化花岗岩为主，整体较为完整，透水性较弱，围岩类型为Ⅱ-Ⅳ，设计采用了Ⅳ-Ⅱ型衬砌，采用上下台阶法开挖隧道，隧道支护形式为锚喷支护，年平均降水量约为800mm，地下水资源不大，类型为基岩裂隙水。

按照ω×R=R进行一级评价，得：按照B=ω_U×R对系统综合评价，如下：

可知隧道的规模等级为较安全级，

围岩变形较大，但都在安全值内，围岩局部破碎可能会发生坍塌。

3.2基坑开挖对隧道稳定性的影响

胶州湾海底隧道青岛接线端区间公路隧道YK1+760～YK1+860段西侧13m处有一基坑工程。基坑南北长约130m，宽约100m，开挖深度约为6m，基坑和隧道相对位置剖面图如图2所示。

随着基坑的开挖，挖切土体，使得土体荷载变小，且隧道距基坑在18m受影响范围内，从而隧道两侧压力发生变化，形成一定偏压，致使施工设计因素的评判矩阵发生改变，导致隧道稳定性发生变化；伴随着基坑的降水和排水等使得周围局部地下水位下降，从而影响隧道周边的地下水状况，致使水文地质因素的评判矩阵发生改变，影响隧道稳定性。

（1）通过现场实测数据和基坑开挖引起影响因素分析，结合各一级因素的隶属函数，计算出隶属度，得到个单元素的模糊评判矩阵如下：

经计算隧道的规模等级为较安全级，与无基坑因素影响相比，当隧道附近有基坑工程时，因为挖切土体和降水排水等过程会对基坑周围环境造成负效应，这种负效应具有连续传递性，使得隧道周边地下水状况、偏压情况发生改变，从而导致隧道稳定评价值F变大0.144，得出基坑开挖对隧道的稳定性造成一定影响，但影响不明显。

4.结论

本文采用层次分析与乘积标度相结合的评价方法，在分析隧道建成后的稳定性进行评价基础上，进一步分析建筑基坑开挖对临近隧道的影响因素的变化，运用乘积标度法重新确定隶属度，并进一步评价隧道稳定性。结合基坑开挖对青岛城市隧道稳定性影响具体实例进行了评价，主要获得以下结论：

（1）采用层次分析与乘积标度法相结合的评价方法可以全面反映隧道在建设和后期受周围环境变化所引起的自身稳定性的变化情况，结合实际工程，认为这种方法是可行的。

（2）基坑开挖对临近隧道周围环境造成负效应，从而使得隧道周边情况发生改变，导致隧道稳定性评价值变大，对隧道的稳定性造成一定影响。