復(fù)合地層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)評估

董宇

(中鐵十六局集團(tuán) 北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京101100)

隨著近年來城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，盾構(gòu)法成為地下空間開發(fā)的首選隧道施工方法。不同的地質(zhì)和水文條件構(gòu)成的復(fù)合地層給地下空間開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，經(jīng)常會出現(xiàn)地面坍塌，設(shè)備與刀盤、刀具磨損異常嚴(yán)重，突水突泥，盾尾尾刷失效等問題[1]。同時，由于對地下空間開發(fā)的需求增大，超大直徑的盾構(gòu)機(jī)被運用到地下空間開發(fā)中，盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中運行狀態(tài)的評估顯得尤其重要。準(zhǔn)確評估盾構(gòu)機(jī)在不同地層中運行狀態(tài)，有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在的施工風(fēng)險，降低盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的故障發(fā)生概率，有助于地下空間開發(fā)安全高效的推進(jìn)。為了保證盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)的安全和效率，很多專家學(xué)者提出了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的安全評估方法。宋克志等[2]運用模糊數(shù)學(xué)方法結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)的特點，對掘進(jìn)過程中的圍巖狀況進(jìn)行了評估與研究。李浩然等[3]基于層次-熵權(quán)組合法和隧道災(zāi)害因子分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了越江地鐵防水可靠性評估模型。劉宏志[4]總結(jié)了盾構(gòu)機(jī)等機(jī)械設(shè)備在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。夏潤禾[5]運用層次分析法對盾構(gòu)下穿河道的施工風(fēng)險進(jìn)行了評估。張棟梁等[6]對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的刀盤扭矩等掘進(jìn)參數(shù)對沉降的影響進(jìn)行了模擬分析，并進(jìn)行了基于可拓法的風(fēng)險評估。以上方法與地質(zhì)情況具有很大的關(guān)聯(lián)性，僅適用于特定地層條件，無法推廣至其他地層條件。本文基于證據(jù)理論，依托盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了適用于不同地質(zhì)條件的盾構(gòu)掘進(jìn)等級評估模型。該模型很好地將掘進(jìn)參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)融合起來，其評估結(jié)果更為客觀性，可靠度高。

1 工程概況

1.1 工程簡介

三灶隧道盾構(gòu)區(qū)間位于珠海市金灣區(qū)272 省道，前部接140 m 進(jìn)口明挖段，后接803 m 出口明挖段，線路左側(cè)臨海。盾構(gòu)隧道起迄里程：左線DK35+550.939～DK37+700.939，全長2 150 m，右 線 YDK35+550.862～YDK37+695.241， 全 長2 144.379 m。管片外徑8 800 mm；內(nèi)徑8 000 mm；管片寬度1 800 mm；管片厚度400 mm。襯砌環(huán)由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、4塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。管片環(huán)外側(cè)設(shè)有彈性密封墊槽，內(nèi)側(cè)設(shè)有嵌縫槽，整個環(huán)面布設(shè)凹凸槽。襯砌環(huán)的縱、環(huán)縫采用斜螺栓連接，包括19個M30縱向連接螺栓和14個M30環(huán)向連接螺栓。為滿足曲線模擬和施工糾偏的需要，采用通用環(huán)管片設(shè)計，楔形量為40 mm。設(shè)計混凝土強(qiáng)度C50，抗?jié)B等級不低于P12。

1.2 工程地質(zhì)條件

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section

1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)影響因素分析

盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)的評估是盾構(gòu)機(jī)保養(yǎng)、維修和是否安全掘進(jìn)的重要參考指標(biāo)。在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)評估尤其重要。對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的運行狀態(tài)進(jìn)行可靠性評估，有助于及時發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中潛在風(fēng)險事故，例如卡盾殼，特殊地質(zhì)體障礙物(孤石)，刀盤磨損嚴(yán)重等，進(jìn)而采取相應(yīng)措施降低事故的發(fā)生概率，提高盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中的掘進(jìn)效率。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的影響因素眾多。本文在盾構(gòu)施工參數(shù)中，選取8 個掘進(jìn)參數(shù)，分別是總推力，土壓力，刀盤扭矩，泡沫注入量，泡沫注入壓力，刀盤轉(zhuǎn)速，注漿壓力和注入量。圖2是影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，泡沫注入壓力，刀盤轉(zhuǎn)速和注漿量的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較小。而總推力、土壓力、刀盤扭矩與泡沫注入壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化波動較大。在100～150 環(huán)之間，總推力與泡沫注入量變化幅度最大。

圖2 三灶隧道盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Fig.2 Measured data of influential factors of SANZAO tunnel.

在建立盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)評估模型之前，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。根據(jù)施工經(jīng)驗與實際工程概況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分為4個等級，如表1所示。

表1 影響因素等級劃分Table 1 Classification of influential factors

2 盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)評估模型

本文基于現(xiàn)場實際隧道工程項目，結(jié)合證據(jù)理論與隸屬度函數(shù)，提出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)評估模型。

2.1 證據(jù)信息融合方法

在證據(jù)信息融合方法中，信息被認(rèn)為是一種證據(jù)。在實際工程中，為確保評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，決策者使用更多的信息或數(shù)據(jù)建立模型。為高效融合這些多源信息，證據(jù)理論建立并合成了一系列置信度函數(shù)。2 個置信度函數(shù)的合成規(guī)則如下[7?10]：

其中：m1(Ai)與m2(Aj)是2 個置信度函數(shù)；m(A)是2個置信度函數(shù)合成后的聯(lián)合置信度函數(shù)。

傳統(tǒng)的合成規(guī)則只適用于2個置信度函數(shù)，剩余的證據(jù)信息仍需逐步地合成。為了減少重復(fù)的操作，現(xiàn)有研究提出了一個標(biāo)準(zhǔn)化的多證據(jù)信息(置信度函數(shù))合成規(guī)則[10-14]：

2.2 影響因素歸一化與隸屬度

盾構(gòu)機(jī)的運行系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不同的影響因素(評價指標(biāo))從不同方面反映了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)，不同的影響因素的單位各不相同。因此，需要對不同影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)變得無量綱，便于后面的運算操作。本文采用的歸一化公式如下：

其中：xi為歸一化后的值；xm為影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)；umax與umin是各個影響因素在不同區(qū)間閾值的最大值與最小值。

影響因素的隸屬度，本文利用隸屬度函數(shù)來確定各個指標(biāo)在相應(yīng)等級的隸屬度，從而構(gòu)建置信度函數(shù)。本文使用的隸屬度函數(shù)如下，每個影響因素的等級對應(yīng)一個隸屬度函數(shù)。每個評價指標(biāo)有4 個等級，因此有4 個隸屬度函數(shù)[14]。隸屬度函數(shù)圖如圖3 所示，不同等級用不同的顏色表示，其中等級Ⅱ的隸屬度函數(shù)表示如式(4)所示。

圖3 隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership functions.

式中：xi為歸一化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)值。在本文中，用a1～a6表示為不同等級的隸屬度函數(shù)邊界值，取值設(shè)置為0.1,0.3,0.4,0.6,0.7,0.9。4 個區(qū)間等級為0～0.3,0.1～0.6,0.4～0.9,0.7～1.0。

2.3 盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)評估

根據(jù)現(xiàn)場隧道工程的實際情況與施工經(jīng)驗，本文提出的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)評估模型確定了8項影響因素。根據(jù)這8項影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)劃分為4項等級。評估等級越高，說明盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)越差，越容易出現(xiàn)事故，而評估等級越低，則盾構(gòu)掘進(jìn)越順利。在隧道工程中，每一環(huán)管片對應(yīng)一組數(shù)據(jù)集，每組數(shù)據(jù)集包含8 個監(jiān)測數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)集中的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照式(3)進(jìn)行歸一化。求得每個影響因素的隸屬度值。從而構(gòu)建評估矩陣，如式(5)所示。

為了區(qū)分影響因素在各個等級的重要性程度，由公式(6)得到各個等級的權(quán)重。

其中，ωj為第j個等級的權(quán)重；f(xi)為影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化后的隸屬度值。

在本文中，證據(jù)理論的置信度函數(shù)定義為每個等級的權(quán)重與監(jiān)測數(shù)據(jù)隸屬度值的乘積。

其中，mi(Θ)為不確定分配的置信度函數(shù)值。盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)的等級確定根據(jù)下式：

其中，Q為盾構(gòu)盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)等級；m(Aj)為多因素置信函數(shù)合成后的各個等級的置信函數(shù)值。取最大值對應(yīng)的等級為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)等級。

3 評估結(jié)果分析

為了驗證模型的有效性，本文選取盾構(gòu)隧道第20 環(huán)管片為研究對象。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行第20 環(huán)管片的安裝與拼接時，相應(yīng)影響因素的監(jiān)測數(shù)據(jù)為{總推力，刀盤扭矩，刀盤轉(zhuǎn)速，土壓力，泡沫注入量，泡沫注入壓力，注漿壓力，注漿量}={25 000,4 100,1.5,174,66,2.5,2.8,14}。將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后得到={0.75, 0.68, 0.75, 0.62, 0.17,0.42,0.60,0.70}。表2 為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到第20環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與與隸屬度。基于公式(5)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的隸屬度構(gòu)建評估矩陣。由式(6)得到影響因素在各個等級的權(quán)重。表3 為求得的權(quán)重值。通過各個等級的權(quán)重與監(jiān)測數(shù)據(jù)隸屬度值的乘積得到影響因素的置信度函數(shù)值。影響因素在置信度函數(shù)值如表4所示。

表2 盾構(gòu)隧道一環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與隸屬度Table 2 Measured data and membership degree of one segment of tunnel

表3 影響因素在各個等級的權(quán)重值Table 3 Weights of influential factors

表4 影響因素的置信函數(shù)值Table 4 Value of mass function on influential factors

在證據(jù)理論中，每個影響因素的置信度函數(shù)值被看作是一條證據(jù)。通過式(2)將每條證據(jù)進(jìn)行合成。表5為證據(jù)合成后的置信度函數(shù)值。由于證據(jù)合成后的置信度函數(shù)值中，m(A3)的值最大，根據(jù)式(8)，此時盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)為3級。

表5 證據(jù)合成后的置信度函數(shù)值Table 5 Value of mass function after evident fusion

掘進(jìn)狀態(tài)是評估當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)過程中是否安全的一個綜合指標(biāo)。在本文中，盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)指標(biāo)一共分為4級。每一等級對應(yīng)不同的掘進(jìn)狀態(tài)與采取的相應(yīng)施工措施，見表6。

表6 盾構(gòu)掘進(jìn)安全狀態(tài)等級與相應(yīng)的施工狀態(tài)Table 6 Safety status of shield machine and its corresponding construction states

通過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)等級評估模型，本文得到了盾構(gòu)機(jī)在安裝前300 環(huán)管片的狀態(tài)等級。圖4為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)等級的評估結(jié)構(gòu)。從圖4 可知，盾構(gòu)機(jī)在安裝前130環(huán)管片時，掘進(jìn)狀態(tài)等級集中在3 級與4 級。而在130 環(huán)后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)等級主要集中在2 級與3 級。這與實際情況相符，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)初始階段，掘進(jìn)的地層較為復(fù)雜，孤石比較多，遇到的施工風(fēng)險較大，需要停止施工與采取相應(yīng)的措施，例如清除孤石等；在掘進(jìn)后期，由于地質(zhì)情況比較簡單，主要為砂土，黏土，掘進(jìn)狀態(tài)等級較低，說明盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中比較安全，存在的施工風(fēng)險較低。

圖4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)等級評估結(jié)果Fig.4 Status evaluation result of shield machine

4 結(jié)論

1) 該盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)評估模型集合了證據(jù)理論與隸屬度函數(shù)。該模型的提出基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，使評估結(jié)果具有客觀性，克服了以往專家評估帶來的缺點。

2) 根據(jù)現(xiàn)場隧道工程實際情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分為4 個等級和確定了8 個影響因素。本文基于珠海市三灶隧道工程300環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)評估等級模型。在評估模型中，證據(jù)理論有效地融合了現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的評估結(jié)果更加可靠與明確。

3) 該模型原理清晰具有可操作性的特點。模型評估結(jié)果可為盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)過程中是否需要維修和保養(yǎng)提供指導(dǎo)，具有一定參考價值，能夠減少盾構(gòu)風(fēng)險事故。