基于可变模糊集理论的盾构法施工对既有桥梁的安全评价研究

杨 曌

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014000）

0 引言

近年来，学者们在盾构隧道施工近接穿越既有桥梁问题上的研究取得了很多的成果，他们通过研究盾构施工过程中土层变形对桥梁桩基位移和内力的影响，总结出盾构施工近接穿越既有桥梁的变形规律。李松等[1]运用MIDAS 软件，通过模拟盾构施工中桥桩所受到的影响，得到了桥桩水平及竖向位移的规律。苏洁等[2]建立了包括工前检测、工前安全评估、工中动态控制以及工后评估的隧道施工穿越既有桥梁的安全风险评估方法，实现了信息化管理既有桥梁在穿越全过程中的安全。包芮等[3]通过建立盾构隧道近接穿越的桩基的三维有限元模型，分析了穿越过程中桩基的变形情况及规律。肖昭然等[4]通过数值模拟软件模拟在土层已加固的前提下的侧穿施工过程，得到了施工前加固穿越土层可减缓盾构施工对桥桩影响的结论。苏宝[5]采用ANSYS 软件从盾构施工参数的角度出发，模拟了盾构施工过程中开挖步数、掌子面推力和注浆压力对桩基变形的影响，得到了三者对桩基横向位移和竖向位移的变化规律。

上述研究都借助了有限元软件，然而盾构隧道施工过程中的风险因素很多，也存在着许多不确定性，建立合理的有限元模型并不容易，因此需要一套尽可能完善的安全评估方法。本文将可变模糊集理论的思想融入到此类工程的安全评估中，分析工程风险因素，对工程进行评分，可以科学合理地确定各个评估指标的相对隶属关系，评价指标的打分原则清晰可靠，计算方法较数值模拟更加快捷简便且易于程序化，具有很强的可信度，工程可依据计算评分决定是否需要选取一定的补强措施。

1 构建盾构隧道近接穿越既有桥梁安全评价模型

根据以往既有的研究理论[6]和学者的经验，本文将盾构近接穿越桥梁的风险因素定为地质水文条件、盾构施工参数、隧道工程条件、既有桥梁状况以及组织管理风险。综合已有研究成果和专家指导意见，得到的评价指标评分依据见表1。

表1 评价指标数据评分依据

2 基于可变模糊集理论评价安全性的评价步骤

（1）确定评价对象的特征向量。假设评价对象[7-9]有n个评价指标，那么它的特征向量为：

式中：i=1,2,……n。

（2）确定等级评价区间矩阵。将待评价对象评价指标按等级划分[9-11]，可以得到可变区间矩阵Icd：

（3）根据函数的差异度确定点值矩阵M：

（4）确定相对隶属度矩阵。根据指标特征值x与M点的位置关系，函数归一化后得到相对隶属度矩阵U：

（5）确定综合相对隶属度。待评价对象对级别h的综合相对隶属度公式为[11-13]：

式中：h=1,2,3…c；

α——优化标准参数；

w——指标权重；

p——距离参数。

α和p共有4 种组合方式：（1）α=1，p=1；（2）α=1，p=2；（3）α=2，p=1；（4）α=2，p=2。由4种参数组合得到的4个综合相对隶属度矩阵进行归一化得到综合相对隶属度矩阵。

（6）综合评价。待评价对象的级别特征H=(1,2,3…c)⋅UT，则最终的综合评价结果为4 种结果的平均值，再根据级别判别准则判断待评价对象的安全等级：

H∈[0.5,1],归属1级

H∈[1,1.5],归属2级,偏1级

H∈[1.5,1.75],归属2级,偏3级

H∈[1.75,2],归属3级,偏2级

H∈[2,2.5],归属3级,偏4级

H∈[2.5,3],归属4级

3 工程应用实例

呼和浩特地铁一号线盾构隧道侧穿的鼓楼立交B线桥为跨径16m 的普通钢筋混凝土连续梁桥，矩形板式橡胶支座，桥桩直径1.2m，桩深30m，为摩擦桩，区间隧道与B 线桥桩基最小净距约1.06m。与线路方向基本平行。

3.1 评价对象的指标值

首先确定待评价对象的特征值，本次评分来源于专家打分法，其中本工程各项评分情况见表2。

表2 各项指标评分结果

3.2 确定项目风险等级

将所获得的各项评分带入到第2节的计算步骤中，可以得到当前工程的级别特征值见表3。

表3 不同参数组合下的特征值

按照上述判断步骤，最终得到评价结果值为2.05，根据级别判别准则，判断待评价对象的安全等级处于3级，偏4 级，在施工过程中存在危险，必须采取一定的补强措施。实际工程中采取了桩基托换的补强形式，可大大提高工程的安全等级。工程人员需要根据现有的评估结果做出一系列的保护措施，例如补强结构，增加隔离桩等。

4 结束语

（1）本文将可变模糊集理论引入到盾构施工穿越既有桥梁评估模型中，优化了一套安全评价体系，充分考虑了各方面的危险因素，并详尽分析了每种因素存在的合理性和必要性。

（2）与传统的安全评价模式相比，基于可变模糊集理论构建的安全评价模型计算过程相对简单，评价结果清晰，易于实现程序化设计，适用性较好。

（3）在工程实例中，通过计算可得到本工程不加任何防护时，工程的风险等级很高，而这一结论与实际工程的现场实测数据高度吻合，证明了此套理论针对盾构施工近接穿越既有建筑物的工程有很强的适用性，值得进一步验证及推广。