基于SPA法的盾构隧道施工邻近桥梁安全评价*
2021-02-05顾伟红颉芳弟
翟 强，顾伟红，颉芳弟
(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)
0 引言
近年来，盾构法因其施工效率高、安全可靠、环保效益明显等优点，被广泛地应用到隧道施工中[1]。然而，在密集的城市地下空间往往会遇到地下既有结构和设施，如桩基础、市政管线和运行隧道，因此盾构隧道的开挖对既有结构的影响引起较多学者的关注。目前，新建隧道下穿既有桥梁的施工案例较多，由于盾构法施工会对周围的土体产生较大的波动，使土体发生变形和地表沉降，必然会引起桥梁墩台和基础的变位，进而影响桥梁的整体结构。因此，对隧道施工邻近桥梁进行安全评价，对保障桥梁结构物运营的安全性和稳定性具有重要意义。
针对隧道施工对邻近桥梁的影响，学者们进行大量研究：郅建国等[2]利用有限元软件对既有铁路桥梁结构物在加固防护措施下的影响位移进行对比分析；赵江涛等[3]为控制盾构隧道施工对周围桥梁的扰动程度，建立盾构隧道穿越既有桥梁精细化施工控制体系；郑扬等[4]采用FLAC数值模拟软件与现场施工监测相结合的方法，通过3维地质力学模型，对TBM隧道施工既有桥梁结构受力特征和变形规律进行研究；贾少春[5]采用有限元计算方法，从地表沉降、桥梁桩基位移、内力变化等方面研究盾构下穿黄河施工时，对银滩黄河大桥桩基的影响；孙雪兵[6]采用有限元软件ANSYS分析不同桩隧净距时盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律；陈洁金等[7]基于故障树、区间算法和模糊数学建立模糊故障树模型，定量地对城市隧道下穿桥梁施工风险进行评价；张天奇等[8]运用可拓理论对隧道下穿桥梁桥墩的稳定性进行评价；吴贤国等[9]构建盾构隧道邻近建筑物安全评价指标体系，基于物元理论和证据理论对邻近建筑进行评价，为盾构隧道施工邻近桥梁施工安全风险管理提供可靠依据。学者们针对隧道施工对邻近桥梁影响的研究取得较大成绩，但盾构隧道施工邻近桥梁安全评价是复杂的系统工程，受地质条件、水文条件、盾构施工参数和组织管理等多方面的因素影响，且因素之间互相约束和作用，具有较大的模糊性，因此，针对盾构隧道施工邻近桥梁安全风险评价，建立1套系统的评价指标体系和评价方法具有重要的意义。
本文分析盾构隧道施工对邻近桥梁的致因因素，并在选取评价指标体系的基础上，采用集对分析理论建立1套盾构隧道施工邻近桥梁安全评价方法，此理论擅长处理不确定性和模糊问题。通过集对分析法计算加权平均联系度从而确定桥梁的安全风险等级，并基于蒙特卡洛方法对因素进行敏感性分析，找到关键致因因素，为隧道施工中桥梁的防护工作提供理论依据。
1 盾构隧道邻近桥梁安全评价模型的构建
1.1 盾构隧道邻近桥梁施工风险评价体系
1.1.1 盾构隧道施工对邻近桥梁致因因素分析
盾构隧道开挖会使周围的应力发生重分布，改变原本的稳定形态，引起土体变形和地表沉降，进而引起桥梁基础和桥墩偏移，严重时会影响桥梁的上部结构，甚至影响桥梁的安全运营。因此，分析出盾构隧道下穿桥梁施工时引起地层变形的因素，对找出盾构隧道下穿桥梁施工的风险因素意义重大。地质水文条件和盾构施工参数直接影响施工的难易程度和安全性，盾构在复合地层条件下极易发生盾构姿态偏移和结泥饼现象，会对周围的土体造成极大的扰动；在富水地区，如果施工参数控制不当，会造成涌泥涌沙现象，严重时会造成隧道失稳或坍塌灾害；在断裂破碎带，如果施工参数控制不当，会导致盾构机前方的土体损失或者隆起，极易发生卡机故障；隧道工程条件也是盾构隧道下穿桥梁工程的重要风险源，隧道埋深、断面尺寸和路线选型等设计中存在的问题会影响盾构的适应性，如设计不合理将增加地表沉降的风险。因此在安全风险评价工作中应当充分考虑桥梁所处的位置和完整情况。此外，穿越桥梁工程是涉及多方单位的系统工程，方案是否合理、管理是否得当、执行是否到位均会直接影响施工的安全性，因此组织风险管理应给予足够的重视。
1.1.2 指标体系的构建
根据大量的工程实践和众多学者的研究，本文将盾构施工影响邻近桥梁的风险因素主要分为地质水文条件、盾构施工参数、隧道工程条件、桥梁自身条件和组织管理5类风险，即1级指标，并根据此5类风险进一步细化指标，最终构建盾构隧道邻近桥梁施工风险指标体系，并参考《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[10]、《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[11]和文献[9,12-13]划分为16个2级指标的等级区间，其中定量指标采用实测值，定性指标采用打分制进行量化，最终确定的评价指标体系见表1。
1.2 集对分析法确定安全等级
集对分析(SPA)是较早提出的处理不确定信息的系统分析方法[14]。该方法将2个相互联系的集合放在一起形成集对，然后从“同”“异”“反”3个方面建立2个集合的联系度表达式，如式(1)所示：
(1)
式中：μ为2个集合的联系度；N为特征总数；S为同一特征数；F为相异特征数；P为对立特征数；a，b，c为同异反隶属度，a+b+c=1；i为差异度系数，取值为-1～1；j为对立度系数，取值为-1。
基于集对分析模型构建盾构隧道邻近桥梁安全评价模型，具体步骤如下：
1)基于表1各指标的评价标准，根据(2)～(6)式计算样本xj的5元联系数。
表1 盾构隧道施工邻近桥梁评价指标等级划分标准Table 1 Classification standard for evaluation indexes of adjacent bridges in shield tunnel construction
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中：xj为第j项指标的量化值；μj(k)为第j项指标与第k级评价指标的联系度，k=1,2,3,4,5；ej(k)为第j项评价指标的第k级评价标准的阈值，对于越小越优型指标，符合ej(1)
2)计算指标的组合权重wj。
3)将组合权重和联系度相乘并累加获得加权平均联系度。具体计算如式(7)所示：
(7)
式中：μk为各评价样本与第k类评价等级的加权平均联系度；wj为各评价指标的综合权重。
4)求评价样本的最大加权平均联系度。根据最大隶属度原则，得出其对应的等级，即为最大加权平均联系度。
1.3 组合权重的确定
传统层次分析法由于指标较多、专家主观意见不同导致一致性检验较难通过且过于主观[15]，而序关系法(G1)可以通过对指标重要性进行排序，进而对相邻指标重要性赋值；指标相关性法(CRITIC)可以根据真实数据的标准差来反应指标的差异性，进而判断数据提供信息量的大小[16]。故本文采取G1-CRITIC法对指标进行组合赋权。G1法和CRITIC法的具体计算步骤可参考文献[17];采用线性组合方式计算组合权重，如式(8)所示：
(8)
1.4 蒙特卡洛模拟确定敏感因素
蒙特卡罗法又称随机抽样法[18]。该方法基于概率论和数理统计，模拟实验结果可作为问题的近似解。该方法的主要步骤为：1)定义评价指标的概率分布函数，并得出已知概率分布的随机变量；2)将桥梁安全状态设置为预测值；3)采用集对分析计算规则进行模拟分析，定义实验次数之后，得到问题的近似解。
2 应用分析
2.1 工程概况
为验证集对分析理论在盾构隧道邻近桥梁安全评价过程中的有效性，选择国内5座下穿桥梁盾构隧道施工项目作为研究对象，其基本工程概况见表2。其中定量评价指标以现场施工数据为准，定性指标邀请10位有5 a以上工作经验的学者对其进行打分，最终确定各评价对象的指标数据值，并计算出各指标的综合权重，最终结果见表3。
表2 研究区域工程概况Table 2 Project overview of study area
2.2 确定施工风险评价等级
根据表1的各指标等级值划分标准，以样本1(三元桥)为例，利用式(2)～(6)确定各项指标与5种评价等级的联系度，见表4。将表4各指标的单项联系度计算结果和表3各指标的综合权重计算结果代入式(7)，求得样本1(三元桥)的加权平均联系度结果，根据最大隶属度原则，得出其等级为低风险(Ⅱ)。同理，可求出其他4个样本的平均联系度和施工风险等级，见表5。
表5 加权平均联系度及安全等级Table 5 Weighted average connection degree and safety grades
表3 评价指标数据值Table 3 Data values of evaluation indexes
表4 三元桥各评价等级联系度Table 4 Connection degree of evaluation grades of Sanyuan Bridge
2.3 蒙特卡洛敏感性分析
根据蒙特卡洛原理，基于Crystal软件对本文研究的桥梁安全状态进行模拟仿真，具体步骤如下：1)将16个2级评价指标设定为假设单位，因工程现象、自然现象随机变量的分布函数常用正态分布表征，故设定其评价指标值服从正态分布；2)将桥梁的最终安全评价状态定义为预测单元，并假设单元和预测单元符合集对分析计算规则，将实验次数设定为1 000次；3)对每个桥梁进行敏感性分析，结果如图1所示。
图1 敏感性分析结果Fig.1 Results of sensitivity analysis
2.4 评价结果分析
由表5和图1可知，三元桥属于低风险(Ⅱ级)，较为关键的致因因素为隧道平曲线半径、地质复杂情况和桥梁损伤情况，施工中应做好正常的实时监测，并对桥梁的损伤部分做好一般性修补；京秦铁路桥为中等风险(Ⅲ级)，较为关键的致因因素为隧道平曲线半径、涌水量和地质复杂情况，施工中应对不良地质段进行土壤改良和减排水措施，缩小监测的时间间隔；刘家碾桥属于中等风险(Ⅲ级)，较为关键的致因因素为管理水平和施工技术条件，施工中应缩小监测的时间间隔，应针对性地做好施工方案优化和管理人员培训工作；北苑桥属于极低风险(Ⅰ级)，较为关键的致因因素为隧道平曲线半径、地质复杂情况和盾构下穿桥梁时间，应关注掌子面前的地质情况，做好超前地质预测；万丰桥属于极低风险(Ⅰ级)，较为关键的致因因素为隧道平曲线半径、桥梁损伤情况和基础损伤情况，正常施工前期对桥梁损伤部分做好一般性修复。另外多数工程对平曲线半径和地质复杂情况较为敏感，这是因为盾构法施工对隧道的平曲线和地质情况极为敏感，平曲线过小或地质较为复杂，会造成机体的颤动，使掌子面前方土体隆起，严重时会发生坍塌和卡机现象，因此，针对此类下穿桥梁盾构隧道施工项目，做好前期的盾构选型和地质适应性研究尤为重要。
3 结论
1)通过致因因素分析，并参考相关规范和文献，确定地质水文条件、盾构施工参数、隧道工程条件、桥梁自身条件和组织管理风险5个1级指标，以及包括断裂破碎带和涌水量在内的16个2级指标，并按照相关等级划分标准进行划分。将主观权重法G1法和客观权重法CRITIC法进行耦合确定综合权重，既避免人为因素的主观性，又充分考虑数据本身的客观性。
2)基于集对分析理论，构建各指标分级标准的联系度隶属函数，并计算出各样本的最大加权联系度，确定其安全风险等级，较好地处理这一不确定和模糊问题。基于蒙特卡洛法确定盾构隧道下穿桥梁工程的关键致因因素，可为相应的解决措施提供理论依据。
3)通过权重计算和蒙特卡洛敏感性整体来看，隧道平曲线半径、地质复杂情况、桥体损伤情况、基础损伤情况对下穿桥梁工程的影响较大。因此，施工前期的超前地质预测、盾构适应性研究和桥梁损伤评估尤为重要。
4)基于简单易行、操作方便的原则确定盾构隧道施工邻近桥梁安全评价模型，具有一定的工程应用价值，但忽略了土体类型、摩擦角、泊松比等土质条件因素，可进一步从土质条件方面完善评价指标体系。
