采用粗糙集與集對(duì)分析的 盾構(gòu)下穿既有鐵路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王洪德，管釗禾

（1. 大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2. 大連交通大學(xué) 隧道與地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116028）

0 引言

隨著城軌建設(shè)進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展的新時(shí)期，大量既有構(gòu)筑物與新建的地鐵隧道交叉現(xiàn)象頻出，必然產(chǎn)生諸多區(qū)間隧道下穿已建鐵道工程的現(xiàn)象.盾構(gòu)施工易對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起路基沉降及地面塌陷，進(jìn)而造成軌道不平順，影響既有鐵路運(yùn)營.盾構(gòu)下穿安全問題不容忽視，開展盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，提出科學(xué)有效的措施，已成為目前急需解決的問題.

國內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者取得了相關(guān)成果.黃震[1]等基于模糊數(shù)學(xué)與證據(jù)理論相結(jié)合的方法對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)作了綜合評(píng)價(jià).林大涌[2]等運(yùn)用三角模糊理論和隸屬度函數(shù)就盾構(gòu)下穿運(yùn)營鐵路進(jìn)行了深入地探討分析.HAMIDI J K[3]等基于模糊層次分析法分析不良地質(zhì)條件的全斷面隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn).HYUN K C[4]等運(yùn)用層次分析法和事故樹從盾構(gòu)機(jī)選型掘進(jìn)方面進(jìn)行研究.地鐵盾構(gòu)隧道施工及下穿鐵路的風(fēng)險(xiǎn)分析研究較多，多以數(shù)值仿真分析其影響為主，從盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營鐵路，建立以盾構(gòu)下穿鐵路為評(píng)價(jià)目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型方面的研究較少.已有研究中，層次分析法（AHP）權(quán)重的確定具有人為主觀性，而模糊數(shù)學(xué)的模糊性體現(xiàn)在評(píng)價(jià)上，權(quán)重計(jì)算也沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，更無法對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的趨勢(shì)做出預(yù)測(cè).本文以粗糙集與集對(duì)分析法相結(jié)合的方法，將基于五元聯(lián)系數(shù)的集對(duì)分析理論引入到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，構(gòu)建基于五元聯(lián)系數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用于某地鐵盾構(gòu)下穿鐵路工程實(shí)例.該模型采用粗糙集理論中的決策表系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀賦權(quán)，有效地降低評(píng)價(jià)主觀性，能對(duì)盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)準(zhǔn)確地評(píng)估，可為相似工程實(shí)踐提供參考[5].

1 工程背景

某市地鐵工程標(biāo)段區(qū)間，盾構(gòu)下穿構(gòu)筑物沉降控制為本區(qū)間施工控制的重點(diǎn)，須確保鐵路正常運(yùn)行，對(duì)盾構(gòu)機(jī)沉降控制及地表沉降等要求較高.具體需要下穿如鐵路、高層住宅、橋樁，以及航道等重要設(shè)施，周邊條件復(fù)雜，沿線風(fēng)險(xiǎn)源較多，施工控制難度高，對(duì)盾構(gòu)功能要求高；為了減小泥水壓力的波動(dòng)，本區(qū)間采用氣壓復(fù)合模式間接控制型泥水盾構(gòu)，該機(jī)械擁有良好的泥水壓力調(diào)整功能.

區(qū)間采用單洞雙線雙層襯砌方案，設(shè)計(jì)參數(shù)為：管片內(nèi)徑10.8 m，管片外徑11.8 m，管片環(huán)寬2.0 m，管片厚度50 cm，楔形量60 mm，錯(cuò)縫拼裝，盾構(gòu)隧道管片采用C60、P12鋼筋混凝土，管片8分塊，1塊封頂塊，2塊鄰接塊，5塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成.二次襯砌厚度30 cm，采用C50、P12現(xiàn)澆鋼筋混凝土（摻聚丙烯纖維）.

盾構(gòu)施工過程主要風(fēng)險(xiǎn)為：盾構(gòu)機(jī)下穿既有鐵路線12條股道，區(qū)間隧道在其下方穿過，區(qū)間埋深17.2 m，穿越鐵路長度范圍67 m，下穿過程中會(huì)因掘進(jìn)參數(shù)等相關(guān)原因，導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降或隆起情況.

嚴(yán)格將地表沉降控制在規(guī)定的范圍（-30～10 mm），是保證能夠順利安全穿越構(gòu)筑物的關(guān)鍵.同時(shí)，確保路基沉降控制在規(guī)定范圍內(nèi)，不能影響其上鐵路的安全.2019年地表沉降變化較大的監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線見圖1.地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC-05-01累計(jì)變化量最大，為-9.46 mm.

圖1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降量 Fig.1 surface settlement at different monitoring points

根據(jù)地勘報(bào)告，地質(zhì)參數(shù)列于表1.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù) Tab.1 physical and mechanical indexes of soil layers

2 模型構(gòu)建

2.1 五元聯(lián)系數(shù)模型

為分析問題，確定一組集對(duì)（R，U），將盾構(gòu)下穿既有鐵路風(fēng)險(xiǎn)分為五級(jí)，等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集R={等級(jí)Ⅰ（極低風(fēng)險(xiǎn)），等級(jí)Ⅱ（低風(fēng)險(xiǎn)），等級(jí)Ⅲ（中等風(fēng)險(xiǎn)），等級(jí)Ⅳ（高風(fēng)險(xiǎn)），等級(jí)Ⅴ（極高風(fēng)險(xiǎn)）}，參考《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》[6]和《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[7]；根據(jù)集對(duì)分析原理將標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系度公式推廣，將其中的差異性細(xì)分為偏同差異性、偏中差異性和偏反差異性[5]，表達(dá)式為

通常寫為

式中，μ∈ [-1，1]，且 ?a，b，c，d，e∈[ 0，1]，a+b+c+d+e=1，S+P1+P2+P3+Q=N；i[0∈，1]；j[0∈，0]，j為中性標(biāo)記，不作j=0解；k[∈-1，0]；l=-1.

實(shí)際應(yīng)用中，為便于評(píng)價(jià)對(duì)象U的安全狀況，將五元聯(lián)系數(shù)與安全狀態(tài)的級(jí)別分別對(duì)應(yīng)，即a、b、c、d、e分別代表狀態(tài)安全、較安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)、極危險(xiǎn)[8].

2.2 五元聯(lián)系數(shù)

設(shè)U={U1，U2，…，Un}為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素的樣本集，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[8]見表2，從既有鐵路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)兩方面形成共計(jì)13項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)，因素評(píng)價(jià)等級(jí)劃分依據(jù)見表3，對(duì)各項(xiàng)點(diǎn)檢查評(píng)定其安全狀態(tài).每一項(xiàng)點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生程度為

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) Tab.2 standard of safety evaluation indexes

表3 風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)等級(jí)劃分 Tab.3 gradation of risk factors

式中，N為檢查項(xiàng)點(diǎn)總數(shù)；μij為評(píng)估指標(biāo)；i為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j的項(xiàng)點(diǎn)數(shù).

分析對(duì)象U風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象U的綜合聯(lián)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

用矩陣形式的表達(dá)式為

式中，W為權(quán)系數(shù)向量；β為各個(gè)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)點(diǎn)數(shù)矩陣，且每行需經(jīng)過歸一化處理；E為聯(lián)系度系數(shù)矩陣.

2.3 指標(biāo)體系

給指標(biāo)賦權(quán)分主觀和客觀兩大類.主觀賦權(quán)法有層次分析法、二項(xiàng)系數(shù)法和德爾斐法等[9]，缺點(diǎn)就是決策或評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀隨意性，對(duì)指標(biāo)權(quán)重的波動(dòng)影響較大，可能會(huì)出現(xiàn)完全相反的評(píng)價(jià)結(jié)果，徒增決策分析者偏見的影響，應(yīng)用中有很大限制.客觀賦權(quán)法其權(quán)重計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確科學(xué).本文采用粗糙集理論的決策表確定指標(biāo)權(quán)重，各級(jí)指標(biāo)詳見表4.

表4 盾構(gòu)下穿既有鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)各級(jí)指標(biāo) Tab.4 different levels of shield tunnel under-passing existing railway risk

3 實(shí)例分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

現(xiàn)以某市地鐵區(qū)段盾構(gòu)施工工程為例，大盾構(gòu)下穿既有鐵路，防止地表沉降，除考慮既有運(yùn)營鐵路本身風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)其盾構(gòu)掘進(jìn)過程沉降風(fēng)險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行辨識(shí)，列出盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn).由于其采用泥水平衡盾構(gòu)，在盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制風(fēng)險(xiǎn)里相應(yīng)考慮了泥水艙壓力控制、泥水指標(biāo)控制的影響.

（1）泥水壓力控制

泥水壓力是建立泥水平衡的關(guān)鍵，合適的泥水質(zhì)量和泥水壓力對(duì)于開挖面穩(wěn)定至關(guān)重要，而開挖面失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致地面進(jìn)一步沉降.壓力設(shè)置過大或過小，切口前方土體可能發(fā)生隆起或沉降.由于盾構(gòu)始發(fā)端頭進(jìn)行了加固，切口環(huán)水壓設(shè)定不宜過高.初步設(shè)定值為1.0 kg/cm2，實(shí)際施工時(shí)作適當(dāng)調(diào)整.每環(huán)推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制切口環(huán)泥水壓力，減少其波動(dòng)，使切口正面土體保持穩(wěn)定狀態(tài)，以減少對(duì)土體擾動(dòng)程度.逐步增加泥水壓力，達(dá)到泥水平衡.

（2）推進(jìn)速度控制

嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，是規(guī)避盾構(gòu)超挖，減少地層損失的關(guān)鍵.在試掘進(jìn)段的掘進(jìn)速度要保持相對(duì)平穩(wěn)，并逐步增加到最大推進(jìn)速度.正常掘進(jìn)條件下，掘進(jìn)速度應(yīng)設(shè)定為20～40 mm/min.每環(huán)正常推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度值應(yīng)盡量保持恒定，減少波動(dòng)，避免速度選擇不合適對(duì)隧道周邊土體擾動(dòng)過大.同步注漿速度要與推進(jìn)速度相匹配.根據(jù)推進(jìn)速度的快慢調(diào)整注漿量，使同步注漿量與推進(jìn)速度相適應(yīng).

（3）掘削量控制

掘削量是確保開挖面穩(wěn)定的另一參數(shù).隨著盾構(gòu)不斷出土，切口及其附近區(qū)域處土體的受力狀態(tài)也不斷發(fā)生變化.因土體所受應(yīng)力狀態(tài)不同，形成了盾構(gòu)切口前方不同的土體位移量和位移方向.在不同的超載情況下，切口前方土體可能發(fā)生隆起或沉降.

（4）泥水指標(biāo)控制

泥水性能指標(biāo)選定后，必須根據(jù)地表隆陷監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整.泥漿性能較差，不能保證開挖面土體穩(wěn)定，致使地表變形過大.此外，泥水監(jiān)控是一個(gè)時(shí)變過程，檢驗(yàn)?zāi)嗨浔仁欠窈侠淼臉?biāo)準(zhǔn)是開挖面穩(wěn)定情況、流體輸送狀態(tài)及地面沉降.

（5）同步注漿控制

同步注漿技術(shù)是控制地層變形、地面沉降的重要措施，注漿工作不及時(shí)或注漿壓力不合理，都會(huì)誘發(fā)地表沉降，必須隨著盾構(gòu)的推進(jìn)及時(shí)充分地充填盾殼外徑與管片外徑之間的建筑空隙.并且，不合理的同步注漿漿液參數(shù)及配比，也會(huì)使盾構(gòu)隧道產(chǎn)生過大上浮.同步注漿量和注漿壓力要根據(jù)推進(jìn)速度、出碴量適當(dāng)做出調(diào)整.

（6）盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)姿態(tài)控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致軸線偏差過大和隧道上浮過大.當(dāng)軸線偏差超過一定限界時(shí)就會(huì)使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小，使管片局部受力惡化，并造成地層損失增大而使地表沉降加大.盡量避免盾構(gòu)機(jī)走“蛇”形，以減少對(duì)地層的擾動(dòng).密切注意盾構(gòu)表面與隧道間的不均勻摩擦阻力，以及切口環(huán)切削地層時(shí)的不同阻力，防止形成偏差.減緩掘進(jìn)速度，使刀盤上下部位掘進(jìn)的瞬間受力盡量相同，減少盾構(gòu)機(jī)的仰俯現(xiàn)象.

（7）刀盤扭矩控制

推進(jìn)過程中應(yīng)保護(hù)好刀盤、刀具，防止刀具的非正常磨損，盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具造成非正常損壞會(huì)造成隧道周邊土體擾動(dòng)過大.

進(jìn)洞接收前應(yīng)密切關(guān)注刀盤扭矩變化，當(dāng)?shù)侗P扭矩明顯上升時(shí)，說明已頂攏咬合樁，應(yīng)立即停止掘進(jìn).

（8）總推力控制

嚴(yán)格控制盾構(gòu)總推力，防止推力過大，頂裂管片引起進(jìn)水事故.總推力過大過小分別致地面產(chǎn)生隆起或沉降.

（9）二次補(bǔ)漿控制

二次補(bǔ)漿同樣是防止盾構(gòu)掘進(jìn)帶來的地層損失的舉措.同步注漿后使管片背后環(huán)形空隙得到填充，多數(shù)地段的地層變形沉降得到控制.在局部地段，同步漿液凝固過程中，可能存在局部不均勻、漿液的凝固收縮和漿液的稀釋流失，造成地表沉降，需進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿.

（10）刀盤轉(zhuǎn)速控制

為保護(hù)刀盤，在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.8～2.0 r/min.盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞之前，逐漸降低刀盤轉(zhuǎn)速，盡量減小刀盤對(duì)地層的擾動(dòng).在停機(jī)前2環(huán)，控制刀盤轉(zhuǎn)速不大于0.75 r/min.

3.2 指標(biāo)體系的確定

為準(zhǔn)確評(píng)估盾構(gòu)下穿鐵路的風(fēng)險(xiǎn)程度，從盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)兩方面構(gòu)建了盾構(gòu)下穿既有鐵路評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表4.本文以盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制因素的決策表系統(tǒng)舉例說明，選取13組風(fēng)險(xiǎn)巡查數(shù)據(jù)（O1～O13）作為信息對(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，運(yùn)用粗糙集軟件（ROSETTA）離散化得到{1，2，3，4，5}，分別對(duì)應(yīng)安全等級(jí){安全，較安全，較危險(xiǎn)，危險(xiǎn)，極危險(xiǎn)}[10]，見表5.依次計(jì)算決策屬性相對(duì)于各條件屬性的依賴度和各屬性重要度，結(jié)果見表6.

表5 數(shù)據(jù)預(yù)處理后的決策表系統(tǒng) Tab.5 system of decision table system after data preprocessing

表6 屬性重要性及指標(biāo)權(quán)重 Tab.6 importance of attributes and index weight

同理，求得既有鐵路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的二級(jí)指標(biāo)項(xiàng)點(diǎn)檢查結(jié)果，詳見表7.

3.3 聯(lián)系數(shù)確定

以某地鐵盾構(gòu)隧道施工為例，確定“泥水壓力控制U10”的聯(lián)系數(shù).據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)報(bào)告共檢查項(xiàng)點(diǎn)數(shù)30處，其中，安全26處（完全符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求），較安全4處（每環(huán)推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制切口泥水壓波動(dòng)范圍時(shí)不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)），未發(fā)現(xiàn)安全狀態(tài)為較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和極危險(xiǎn)的項(xiàng)點(diǎn).二級(jí)指標(biāo)“泥水壓力控制U10”的聯(lián)系數(shù)為

以此類推，可求解其余指標(biāo)，詳見表7.

表7 盾構(gòu)下穿既有鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系 Tab.7 risk assessment index system of shield tunneling under existing railway construction

3.4 盾構(gòu)下穿既有鐵路風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系數(shù)分析模型

（1）一級(jí)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

一級(jí)指標(biāo)“盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)”U1的各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)向量為

由式（5）可得盾構(gòu)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系數(shù)μ1為

經(jīng)計(jì)算，求得

同理，既有鐵路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)系數(shù)為

（2）總指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

由表4可知，各一級(jí)指標(biāo)的權(quán)向量為

盾構(gòu)下穿鐵路總指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)為

根據(jù)文獻(xiàn)[8]結(jié)論中提供的聯(lián)系數(shù)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系表，從“最極端情況”角度對(duì)各聯(lián)系分量系數(shù)取值，即在五元聯(lián)系數(shù)中，取i=j=0，k=l=-1.經(jīng)計(jì)算可知，一級(jí)指標(biāo)層各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次為：盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)中等風(fēng)險(xiǎn)，既有鐵路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn).某地鐵盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營鐵路總指標(biāo)聯(lián)系數(shù)對(duì)應(yīng)的總體風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn).由不確定勢(shì)shi（H）=a/b＞1，說明本施工風(fēng)險(xiǎn)具有下降趨勢(shì)，即向安全方向發(fā)展.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本鐵路為貨運(yùn)鐵路，重要性分類為重要設(shè)施.隧道下穿該處鐵路，隧道主要位于中風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖，上覆巖土體較厚，屬不接近重要設(shè)施，考慮到大盾構(gòu)隧道施工，故上調(diào)一級(jí)，即在原評(píng)估等級(jí)結(jié)果Ⅰ級(jí)上調(diào)至Ⅱ級(jí).證明該方法可以有效評(píng)估施工風(fēng)險(xiǎn)，具有可操作性.分析上述評(píng)估結(jié)果，區(qū)間隧道下穿既有運(yùn)營鐵路線各風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均在中等以下，本工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作到位，及時(shí)采取了必要的控制措施，風(fēng)險(xiǎn)得到了有效地控制.

4 結(jié)論

（1）針對(duì)泥水平衡盾構(gòu)工藝風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)分析，建立了盾構(gòu)下穿既有鐵路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型.

（2）運(yùn)用粗糙集（RS）決策表計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并與集對(duì)分析有機(jī)結(jié)合，規(guī)避了個(gè)人主觀臆斷的缺陷，評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度更高.

（3）結(jié)合某地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的實(shí)證計(jì)算表明，與工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果相一致，驗(yàn)證了所建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的合理性和可行性，對(duì)類似穿越工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有借鑒意義.利用部分聯(lián)系數(shù)進(jìn)一步確定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展走勢(shì)，做到靜動(dòng)態(tài)分析.