基于FAHP法和区间数改进TOPSIS法的盾构隧道下穿建筑物风险评估

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.018

摘要/Abstract

摘要：

为评估盾构隧道施工对邻近建筑物的影响,提出一种基于模糊层次分析法(FAHP)和区间数改进优劣解距离(TOPSIS)法相结合的风险评估方法.通过调研建立基于土体性质、建筑物因素、隧道因素、盾构掘进参数等影响因素为主的风险评估体系,基于专家打分利用FAHP判断因素权重.利用传统TOPSIS法,根据因素分级标准选取6个典型样本,确定非等分风险等级判断标准.首次将区间数改进TOPSIS法运用到盾构隧道下穿建筑物的风险评估中,采用区间数描述工程情况.该评估过程均采用量化方式,比传统风险评估方法的准确性更高,受主观因素影响较少,客观性更强.利用该方法对某砌体建筑物进行风险评估,结果与实际情况相符,证明了该方法的有效性,可为类似工程风险评估提供参考.

关键词: 盾构隧道, 模糊层次分析法, TOPSIS法, 风险评估

Abstract:

In order to evaluate the impact of shield tunnel construction on adjacent buildings, a method based on the fuzzy analytic hierarchy process (FAHP) and the interval number improvement technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) is proposed. A risk assessment system based on soil properties, building factors, tunnel factors, shield tunneling parameters, and other factors is established after investigation. The FAHP is used to determine the weight of factors based on expert scoring. Based on the traditional TOPSIS method, 6 typical samples are selected according to the factor grading standard to determine the non-uniform risk rating criteria. For the first time, the interval improved TOPSIS method is applied to the risk assessment of shield tunneling beneath buildings. The engineering situation can be better represented by the interval number. Compared with traditional risk assessment methods, this method is more accurate, less affected by subjective factors, and more objective. The proposed method has been used to evaluate the risk of a certain masonry building, and the result is consistent with the actual situation, which proves its effectiveness of. Thus, the proposed method can provide reference for risk assessment of similar projects.

Key words: shield tunnel, fuzzy analytic hierarchy process (FAHP), technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS), risk assessment

中图分类号:

TU91

陈仁朋, 王志腾, 吴怀娜, 刘源, 孟凡衍. 基于FAHP法和区间数改进TOPSIS法的盾构隧道下穿建筑物风险评估[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(12): 1710-1719.

CHEN Renpeng, WANG Zhiteng, WU Huaina, LIU Yuan, MENG Fanyan. Risk Assessment for Shield Tunneling Beneath Buildings Based on Interval Improved TOPSIS Method and FAHP Method[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2022, 56(12): 1710-1719.

图/表 8

表1

因素重要性评判标准

语言描述	a	l	m	u
同等重要	$1 ~$	1	1	1
稍微重要	$3 ~$	1	3	5
明显重要	$5 ~$	3	5	7
强烈重要	$7 ~$	5	7	9
极端重要	$9 ~$	7	9	9
稍微不重要	$3 ~ - 1$	$15$	$13$	1
明显不重要	$5 ~ - 1$	$17$	$15$	$13$
强烈不重要	$7 ~ - 1$	$19$	$17$	$15$
极端不重要	$9 ~ - 1$	$19$	$19$	$17$

表1

图1

表2

表3

风险指标因素分级

评价指标		指标取值
评价指标		1级	2级	3级	4级	5级
土体性质	内摩擦角/(°)	[25, 45]	[15, 25)	[10, 15)	[5, 10)	[0, 5)
	黏聚力/kPa	[20, 25]	[15, 20)	[10, 15)	[5, 10)	[0, 5)
	压缩模量/MPa	[40, 60]	[20, 40)	[10, 20)	[5, 10)	[0, 5)
	地下水深度/m	[30, 50]	[20, 30)	[10, 20)	[5, 10)	[0, 5)
	复合地层专家评分	[80, 100] 不存在复合地层	[60, 80) 间断存在复合地层	[40, 60) 水平方向存在复合地层	[20, 40) 垂直方向存在复合地层	[0, 20) 垂直水平方向均存在复合地层
	软硬交界专家评分	[80, 100] 不存在软硬交界	[60, 80) 间断存在其他形式软硬交界地层	[40, 60) 间断存在上软下硬地层	[20, 40) 存在其他形式软硬交界地层	[0, 20) 存在上软下硬地层
	特殊地质专家评分	[80, 100] 不存在特殊地质	[60, 80) 间断存在特殊地质	[40, 60) 存在其他种类特殊地质	[20, 40) 存在断裂构造地质	[0, 20) 存在岩溶地质
建筑物因素	基础形式专家评分	[80, 100] 桩基础	[60, 80) 箱型或筏板基础	[40, 60) 条形基础	[20, 40) 混合基础或毛石基础	[0, 20) 无基础或形式不详
	上部结构形式专家评分	[80, 100] 框剪结构	[60, 80) 现浇式框架结构	[40, 60) 装配式框架结构	[20, 40) 砖混结构	[0, 20) 木结构
	重要性程度专家评分	[0, 20) 简易、临时建筑物	[20, 40) 普通建筑物	[40, 60) 比较重要的公共建筑和居住建筑	[60, 80) 重要的公共建筑物	[80, 100] 具有历史性、代表性的重要建筑物
	完损现状专家评分	[80, 100] 完好	[60, 80) 基本完好	[40, 60) 一般损坏	[20, 40) 严重损坏	[0, 20) 危险
隧道因素	隧道直径/m	[0, 5)	[5, 8)	[8, 12)	[12, 16)	[16, 20]
	隧道埋深/m	[30, 40]	[20, 30)	[15, 20)	[10, 15)	[0, 10)
	隧道与建筑物水平距离/m	[30, 40]	[20, 30)	[10, 20)	[5, 10)	[0, 5)
盾构掘进参数	掘进速度/ (mm·min^-1)	[0, 15)	[15, 30)	[30, 45)	[45, 60)	[60, 75]
	推力/MN	[0, 10)	[10, 15)	[15, 20)	[20, 25)	[25, 35]
	转矩/(MN·m)	[0, 1)	[1, 2)	[2, 3)	[3, 4)	[4, 5]
	注浆量/m³	[0, 7)	[7, 10)	[10, 12)	[12, 15)	[15, 25]
	土仓压力×10^-5/Pa	[0, 0.9)	[0.9, 1.8)	[1.8, 2.7)	[2.7, 3.6)	[3.6, 4.5]

表3

图2

图3

表4

表5

参考文献 10

[1]	CLARKE J A, LAEFER D F. Evaluation of risk assessment procedures for buildings adjacent to tunnelling works[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40: 333-342. doi: 10.1016/j.tust.2013.10.014 URL
[2]	于丹丹, 双晴. 地铁隧道施工邻近建筑物安全风险评价[J]. 城市轨道交通研究, 2013, 16(4): 32-37.
	YU Dandan, SHUANG Qing. Safety risk evaluation of adjacent buildings during metro tunneling construction[J]. Urban Mass Transit, 2013, 16(4): 32-37.
[3]	魏纲, 周琰. 邻近盾构隧道的建筑物安全风险模糊层次分析[J]. 地下空间与工程学报, 2014, 10(4): 956-961.
	WEI Gang, ZHOU Yan. Fuzzy assessment method combining AHP for safety risk of buildings caused by adjacent shield tunnel construction[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(4): 956-961.
[4]	王烨晟, 陈文华. 受地铁工程影响建筑物安全风险等级评定研究[J]. 路基工程, 2015(3): 42-46.
	WANG Yesheng, CHEN Wenhua. Study on security risk grade evaluation standard of buildings influnced by metro tunneling construction[J]. Subgrade Engineering, 2015(3): 42-46.
[5]	彭道刚, 卫涛, 赵慧荣, 等. 基于D-AHP和TOPSIS的火电厂控制系统信息安全风险评估[J]. 控制与决策, 2019, 34(11): 2445-2451.
	PENG Daogang, WEI Tao, ZHAO Huirong, et al. Cyber security risk assessment of power plant control system based on D-AHP and TOPSIS[J]. Control and Decision, 2019, 34(11): 2445-2451.
[6]	TAYLAN O, BAFAIL A O, ABDULAAL R M S, et al. Construction projects selection and risk assessment by fuzzy AHP and fuzzy TOPSIS methodologies[J]. Applied Soft Computing, 2014, 17: 105-116. doi: 10.1016/j.asoc.2014.01.003 URL
[7]	ZHANG L M, WU X G, DING L Y, et al. Decision support analysis for safety control in complex project environments based on Bayesian networks[J]. Expert Systems With Applications, 2013, 40(11): 4273-4282. doi: 10.1016/j.eswa.2012.11.022 URL
[8]	ZHANG L M, DING L Y, WU X G, et al. An improved Dempster-Shafer approach to construction safety risk perception[J]. Knowledge-Based Systems, 2017, 132: 30-46. doi: 10.1016/j.knosys.2017.06.014 URL
[9]	中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 城市轨道交通地下工程建设风险管理规范: GB 50652—2011[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
	Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Qua-rantine of the People’s Republic of China. Code for risk management of underground works in urban rail transit: GB 50652—2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.
[10]	陈仁朋, 曾巍, 吴怀娜, 等. 盾构隧道下穿引起砌体结构建筑沉降损伤实例研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(12): 2301-2307.
	CHEN Renpeng, ZENG Wei, WU Huaina, et al. Case study of tunneling-induced settlement and da-mage of masonry buildings[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(12): 2301-2307.

第一层次因素	权重	第二层次因素	权重	最终权重
土体性质	0.43	内摩擦角	0.14	0.060
		黏聚力	0.06	0.026
		压缩模量	0.14	0.060
		地下水深度	0.16	0.069
		复合地层	0.13	0.056
		软硬交界	0.19	0.082
		特殊地质	0.18	0.077
建筑物因素	0.23	基础形式	0.30	0.069
		上部结构形式	0.22	0.051
		重要性程度	0.27	0.062
		完损现状	0.21	0.048
隧道因素	0.23	隧道直径	0.20	0.046
		隧道埋深	0.47	0.108
		隧道与建筑物水平距离	0.33	0.076
盾构掘进参数	0.11	掘进速度	0.25	0.028
		推力	0.01	0.001
		转矩	0.02	0.002
		注浆量	0.39	0.043
		土仓压力	0.33	0.036

[1]	张硕, 李薇, 李英姿, 刘强, 曾鸣. 面向新型电力系统的可再生能源绿色电力证书差异化配置模型[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(12): 1561-1571.
[2]	王晓军, 管宇锋. 基于TOPSIS法和仿真法的反集群无人机装备体系贡献率研究[J]. 空天防御, 2021, 4(1): 33-40.
[3]	张子新，肖时辉，刘曈葳，黄昕，何人. 新型盾构隧道防水体系工程试验及数值分析[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(6): 688-695.
[4]	杨俊龙，门燕青，廖少明，高东奇，苏逢彬. 大直径盾构浅覆土下穿铁路桥涵的影响分析及施工控制[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(3): 297-304.
[5]	王威, 陈国民, 陈琦, 鲁瑜, 张宗超. 海底腐蚀缺陷管道可靠性分析及风险评估[J]. 海洋工程装备与技术, 2018, 5(6): 390-395.
[6]	胡忠前, 吕松松, 李忠涛, 王红红. 量化风险评估技术在南海深水气田开发工程中的应用[J]. 海洋工程装备与技术, 2017, 4(4): 193-198.
[7]	任瑛楠, 陈锦剑, 黄忠辉, 王建华. 隧道工程基于实测环境变形的土体参数确定方法[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(01): 17-21,29.
[8]	李磊1,2，张孟喜1，吴惠明2. 地铁列车荷载计算方法对盾构隧道动力响应的影响[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(07): 1030-1034.
[9]	张晓清1，张孟喜1，吴应明2，李磊1，王有成1. 多线叠交盾构隧道近接施工模型试验[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(07): 1040-1045.
[10]	王建1，庞永杰1，杨卓懿1，胡中慧2. 改进模糊层次分析法在AUV总体性能评价中的应用[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(02): 275-280.
[11]	周子鹏, 孙国民, 何宁. 海底油气管道稳定性风险评估技术研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2014, 1(3): 195-199.
[12]	王肖霞，杨风暴，吉琳娜，蔺素珍，史冬梅. 基于柔性相似度量和可能性歪度的尾矿坝风险评估方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(10): 1440-1445.
[13]	胡欣雨1，张子新2. 基于开挖面实际破坏模式的盾构隧道稳定性分析模型[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(09): 1469-1476.
[14]	刘一杰, 陈锦剑, 王建华, 朱雁飞. 深基坑施工风险的多参数评估方法[J]. 上海交通大学学报, 2012, 46(10): 1594-1598.
[15]	黄永杰1, 柳献1, 袁勇1, 刘朝明2, 王秀志2. 盾构隧道渗漏水的自动检测技术[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2012, 46(01): 73-78.