下穿河流盾構(gòu)隧道的風(fēng)險評價體系研究

梁孝 漆泰岳 陳鵬濤 晉智毅 錢王蘋

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；3.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇南通 226019）

隧道施工過程中受地質(zhì)條件、技術(shù)及管理水平的限制，常常面臨不同程度的風(fēng)險。如日本的青函隧道在施工期間發(fā)生4 次較大的涌水事故，造成大量人員傷亡；上海黃浦江打浦路隧道出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏水、漏泥現(xiàn)象，影響隧道安全［1-2］。為保證隧道施工安全，進(jìn)行風(fēng)險評價是十分必要的。

文獻(xiàn)［3］指出新隧道技術(shù)實施前有必要進(jìn)行風(fēng)險評價，提出了DAT（Decision Aids for Tunneling）方法模擬隧道施工。文獻(xiàn)［4］提出隧道工程風(fēng)險的指標(biāo)并對經(jīng)濟風(fēng)險的最優(yōu)化進(jìn)行研究，應(yīng)用于荷蘭在建隧道。文獻(xiàn)［5］采用故障樹分析法和層次分析法對盾構(gòu)隧道中與機械相關(guān)的風(fēng)險水平進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)［6］建立了風(fēng)險分析與評價模型，并引入風(fēng)險值、風(fēng)險指標(biāo)概念。文獻(xiàn)［7］對海底隧道施工過程中的基本風(fēng)險因素進(jìn)行了辨識，并針對重要風(fēng)險因素給出相應(yīng)的控制措施。文獻(xiàn)［8］應(yīng)用模糊綜合評價法對下穿高速鐵路隧道進(jìn)行了風(fēng)險分析，結(jié)合風(fēng)險特點對合肥地鐵1 號線進(jìn)行了風(fēng)險評價。文獻(xiàn)［9］運用層次分析法與模糊決策確定塌方風(fēng)險事件的可能性，由專家判定定性指標(biāo)，建立塌方風(fēng)險評價體系，實現(xiàn)了對山嶺隧道塌方風(fēng)險的評估。文獻(xiàn)［10］對鄰近橋梁的隧道風(fēng)險因素進(jìn)行研究，確定了隧道風(fēng)險模型，并通過工程實例進(jìn)行驗證。

現(xiàn)有風(fēng)險評價研究定義了風(fēng)險指標(biāo)、風(fēng)險因素并提出了風(fēng)險評價方法，如故障樹分析法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，但其中包含大量定性指標(biāo)，主觀性強，且無法與工程實際緊密結(jié)合。

本文根據(jù)杭州地鐵5號線下穿河流區(qū)間隧道的實際風(fēng)險情況進(jìn)行風(fēng)險識別，確定風(fēng)險因素及指標(biāo)，利用數(shù)值模擬進(jìn)行定量研究，結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行分析，并通過工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證分析，建立下穿河流盾構(gòu)隧道的風(fēng)險評價體系。

1 工程背景及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

杭州地鐵5號線通惠路站—火車南站區(qū)間盾構(gòu)隧道始發(fā)40 m 后下穿山北河（圖1），其中左線下穿范圍為 39～74 環(huán)、98～185 環(huán)，右線下穿范圍為 34～160環(huán)。

圖1 下穿河流區(qū)間

下穿區(qū)間圍巖級別為V 級，隧道埋深17 m，覆水深度5 m。初始設(shè)計為同步開挖，同步注漿漿液為惰性漿液，注漿壓力0.2～0.3 MPa；無二次注漿；土倉壓力0.3～0.4 MPa。

1.2 數(shù)值模型

通過數(shù)值模擬為風(fēng)險評價提供數(shù)據(jù)樣本。結(jié)合工程實際，建立數(shù)值模型（圖2）。模型尺寸為200 m×200 m×60 m；隧道半徑 3.1 m，間距 10.8 m，管片厚0.35 m；土體采用實體單元模擬；同步注漿漿液與二次注漿漿液注漿層采用shell單元及l(fā)ine單元模擬［11］。

圖2 數(shù)值模型

通過數(shù)值模擬計算，得出拱頂沉降云圖、地表及河床沉降云圖、塑性區(qū)范圍云圖，見圖3。

圖3 沉降及塑性區(qū)范圍云圖

將數(shù)值模擬值與監(jiān)測值進(jìn)行對比，見表1。可知，各指標(biāo)模擬值的誤差均較小，能夠滿足精度要求。

表1 數(shù)值模擬值與監(jiān)測值對比

2 風(fēng)險評價體系

2.1 風(fēng)險識別

風(fēng)險識別包括對風(fēng)險因素和風(fēng)險指標(biāo)的確定。風(fēng)險因素包括環(huán)境風(fēng)險因素、技術(shù)風(fēng)險因素。

下穿河流隧道的環(huán)境因素包括圍巖級別、隧道埋深、覆水深度；技術(shù)因素包括開挖間隔、同步漿液強度、二次注漿漿液強度、注漿壓力、土倉壓力［9-10，12］。數(shù)值模型中對風(fēng)險因素的模擬方法見表2。

表2 數(shù)值模型對風(fēng)險因素的模擬方法

下穿河流隧道風(fēng)險事件包括塌方風(fēng)險、涌水風(fēng)險，因此以塌方、涌水作為綜合風(fēng)險指標(biāo)。以引發(fā)綜合風(fēng)險的拱頂沉降、地表沉降、河床沉降、塑性區(qū)范圍作為單項風(fēng)險指標(biāo)，建立對應(yīng)的2 級評價指標(biāo)體系。

2.2 建立評估樣本

各風(fēng)險因素的單位量綱不同且數(shù)值分布范圍變化較大，無法直接進(jìn)行計算，須進(jìn)行量化及歸一化處理，見表3。量化是將一些不具體、模糊的因素用具體的數(shù)據(jù)來表示，從而達(dá)到分析比較的目的；歸一化是一種無量綱處理手段，使系統(tǒng)中各因素數(shù)值的絕對值變成某種相對值關(guān)系。

表3 風(fēng)險因素量化表

建立數(shù)據(jù)樣本集，為風(fēng)險評價體系提供數(shù)據(jù)支撐。設(shè)計了25種不同風(fēng)險因素組合，模擬不同條件下的隧道施工工況，通過數(shù)值計算獲取對應(yīng)工況下的風(fēng)險指標(biāo)變形值，見表4。

表4 評估樣本集

2.3 風(fēng)險評價方法

通過模糊綜合評價和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行計算，確定風(fēng)險指標(biāo)變形值與風(fēng)險因素的對應(yīng)關(guān)系。

2.3.1 模糊綜合評價

模糊綜合評價將回歸方法與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合，既能適應(yīng)模型參數(shù)的模糊性，又可進(jìn)行定量分析評估。模糊回歸模型由風(fēng)險因素與指標(biāo)的關(guān)系確定。根據(jù)樣本集數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)險因素-指標(biāo)關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 風(fēng)險因素-指標(biāo)關(guān)系曲線

由圖4 可知：圍巖級別的影響曲線可近似看作二次函數(shù)曲線，其他因素的影響線可近似看作直線；漿液強度、注漿壓力、土倉壓力是影響隧道及地表沉降的主要技術(shù)因素，提高漿液強度能有效控制隧道、河床沉降，其中注漿壓力、土倉壓力對地表沉降控制效果更好。

結(jié)合圖4，建立風(fēng)險指標(biāo)對應(yīng)的模糊回歸模型

式中：Yi為風(fēng)險指標(biāo)變形值，i=1～4；A1—A8為風(fēng)險因素對應(yīng)的模糊系數(shù)；B0為常數(shù)。

根據(jù)模糊理論基本方法求解模糊系數(shù)后，模型可等價為求解一定約束條件下的線性規(guī)劃問題，求解可得到風(fēng)險指標(biāo)-風(fēng)險因素的關(guān)系如式（2）—式（5）。

2.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對包含輸入值-輸出值的樣本集進(jìn)行學(xué)習(xí)，反映樣本中的映射關(guān)系。學(xué)習(xí)過程包括正向傳播和反向傳播2個過程。正向傳播就是將樣本中的輸入值傳入隱含層，按照一定訓(xùn)練方法進(jìn)行處理，再傳至輸出層得到輸出值，計算與實際值的誤差。反向傳播就是根據(jù)誤差修正權(quán)值，反復(fù)學(xué)習(xí)，減小網(wǎng)絡(luò)全局的誤差。

選擇風(fēng)險因素量化值X1—X8作為輸入值，風(fēng)險指標(biāo)變形值Y1—Y4作為輸出值，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中包含1 個隱含層和1 個輸出層。選取貝葉斯正則化算法作為訓(xùn)練方法，通過調(diào)整權(quán)值和截距修正隱含層和輸出層的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在25 組數(shù)據(jù)中選取21 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，對樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練；另外4組作為測試集，對結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，評價學(xué)習(xí)效果。通過MATLAB 2016a 對4 個評估指標(biāo)對應(yīng)的樣本集分別進(jìn)行學(xué)習(xí)測試，結(jié)果見圖6。

圖6 訓(xùn)練效果

由圖6 可知：①訓(xùn)練集的訓(xùn)練效果較好，擬合度高，整體滿足要求。其中拱頂沉降的學(xué)習(xí)效果最好，擬合度為1；塑性區(qū)范圍效果最差，為0.95。②各指標(biāo)的測試集預(yù)測效果基本一致，均在0.98 以上，能滿足要求。整體來看，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和預(yù)測性能均能滿足風(fēng)險評價的要求。

2.4 風(fēng)險值計算

根據(jù)風(fēng)險指標(biāo)的變形值計算風(fēng)險值，判斷病害發(fā)生的概率。通過比較變形值與規(guī)范限定值［13］，得到單一風(fēng)險指標(biāo)風(fēng)險值Rj（j=1～4）

式中：Cj為各單一風(fēng)險指標(biāo)對應(yīng)的調(diào)整系數(shù)，采用現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)時取值為1。

根據(jù)單一風(fēng)險指標(biāo)可算出塌方風(fēng)險值RA

式中：Ka為塌方系數(shù)；Rmax= max(Rj)。

根據(jù)水壓風(fēng)險值Rb1及現(xiàn)場探測的涌水量風(fēng)險值Rb2可得出涌水風(fēng)險值RB，見式（8）—式（10）。

式中：Kb1，Kb2分別為涌水系數(shù)、水壓系數(shù)，一般可取1。

3 風(fēng)險對策

結(jié)合風(fēng)險指標(biāo)體系，參照隧道監(jiān)控量測及相關(guān)規(guī)范［13］，根據(jù)風(fēng)險值大小劃分風(fēng)險等級并提出相應(yīng)處理措施，見表5。

表5 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)處理措施

將杭州地鐵5號線下穿河流區(qū)間隧道的環(huán)境參數(shù)及技術(shù)參數(shù)分別導(dǎo)入模糊綜合評價體系和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價體系，算出風(fēng)險值并進(jìn)行評級，提出應(yīng)對措施。評估結(jié)果見表6。

表6 評估結(jié)果

由表6可知，模糊綜合評價的評分略低于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評分，但風(fēng)險等級的判斷是一致的，即按原設(shè)計施工地表沉降及拱頂沉降變形較大，塌方及滲漏水風(fēng)險較大。

根據(jù)評估結(jié)果對施工方案加以調(diào)整，具體包括：將雙線隧道開挖間隔調(diào)整為30 m；惰性漿液改為水泥活性漿液以提高同步注漿漿液強度；同步注漿后進(jìn)行雙液漿補強；將注漿壓力調(diào)整為0.6 MPa；將土倉壓力調(diào)整為0.5 MPa；加強監(jiān)測。

采取上述措施后有效控制了沉降變形，且掘進(jìn)過程中管片未出現(xiàn)滲漏水情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7?？梢?，通過調(diào)整技術(shù)參數(shù)保證了盾構(gòu)隧道下穿河流區(qū)間施工的安全。

圖7 盾構(gòu)隧道現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬初步判斷風(fēng)險因素與風(fēng)險指標(biāo)的關(guān)系，證明提高漿液強度、注漿壓力及土倉壓力能有效控制沉降，降低施工風(fēng)險。

2）對杭州地鐵5號線下穿河流區(qū)間的隧道進(jìn)行風(fēng)險評價，模糊綜合評估風(fēng)險值略小于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估風(fēng)險值，但風(fēng)險等級一致，為高度風(fēng)險，存在塌方及滲漏水風(fēng)險。通過調(diào)整技術(shù)參數(shù)，有效降低了工程風(fēng)險，保證了施工安全。