盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

閻向林

(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)

近年來，我國(guó)城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展伴隨著大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，例如鐵路建設(shè)和城市地下空間開發(fā)，隧道建設(shè)是城市地下空間開發(fā)中的重要內(nèi)容[1-3]。不同水文與地質(zhì)構(gòu)造組成的復(fù)合地層給城市地下空間開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于隧道工程其特有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、施工隱蔽性和施工組織設(shè)計(jì)的綜合性，使得隧道施工周期長(zhǎng)、造價(jià)高、施工技術(shù)要求高以及施工過程中不可控風(fēng)險(xiǎn)因素眾多[4-5]。若沒有合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和有效的施工管理措施，將會(huì)大大增加隧道工程的施工風(fēng)險(xiǎn)。重大的風(fēng)險(xiǎn)事故將給施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。地下空間開發(fā)中遇到的地層具有一定的區(qū)域特征，例如珠三角地區(qū)，一般使用盾構(gòu)法施工，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀具、刀盤磨損嚴(yán)重的情況，以及地面坍塌、隧道涌水等事故。隨著城市地下空間開發(fā)力度的增大，超大直徑的盾構(gòu)機(jī)逐漸運(yùn)用到隧道施工過程中，其具有機(jī)械化程度高、施工效率高等優(yōu)勢(shì)，但施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評(píng)估有助于降低施工風(fēng)險(xiǎn)，防止事故的發(fā)生，確保地下空間開發(fā)高效有序地進(jìn)行。為了降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和提高施工效率，許多專家學(xué)者提出了不同的模型，可以大致分為2種，即定性評(píng)估與定量分析。郭發(fā)蔚等[6]以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，提出了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估方法。黃萍等[7]運(yùn)用層次分析法，構(gòu)建了管廊盾構(gòu)施工的動(dòng)態(tài)事故樹模型。張歡等[8]針對(duì)鐵路隧道工程的施工特點(diǎn)，提出了基于數(shù)據(jù)聚類的隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。安永林等[9]基于可拓評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)估模型。王天瑜等[10]基于可拓學(xué)物元理論，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道開挖面塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估模型。姜偉等[11]運(yùn)用層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了盾構(gòu)掘進(jìn)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型。以上模型主要依靠專家評(píng)估，使得評(píng)估結(jié)果具有一定主觀性。劉穎彬等[12]以雙圓隧道為工程背景，總結(jié)分析了盾構(gòu)下穿對(duì)雙圓隧道變形的影響，為隧道施工過程中風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的制定提供了參考價(jià)值。柳程柱等[13]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道上方管線在施工過程中產(chǎn)生的沉降進(jìn)行了模擬分析。本文基于云模型，依托隧道工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。該模型將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效融合，使評(píng)估結(jié)果更具可靠性，符合工程實(shí)際情況，可以有效降低盾構(gòu)隧道施工事故的發(fā)生和提高施工安全管理水平。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本隧道工程位于珠海市，施工里程為DK 35+550～DK37+700。隧道為雙洞單行線，其中單線隧道長(zhǎng)2.15 km。隧道管片的厚度為0.4m，寬度為1.8m，凈空為8.0m。管片外徑為8.8m，內(nèi)徑為8m。盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成。盾構(gòu)管片整個(gè)環(huán)面設(shè)置凹凸槽，內(nèi)外側(cè)分別設(shè)置嵌縫槽和彈性密封墊。襯砌環(huán)的環(huán)縫與縱縫均使用斜螺栓連接，其中環(huán)向連接螺栓有14個(gè)，縱向連接螺栓為19個(gè)。為了滿足實(shí)際工程施工糾偏的要求，采用通用環(huán)管片。本隧道區(qū)間分為左線與右線2個(gè)部分，其中左線部分的線路起點(diǎn)在三灶東站，線路在DK36+000處變坡，然后以3.2‰的縱坡上行，坡長(zhǎng)1.650 km；在DK37+650處變坡，以2‰的縱坡下行至珠海機(jī)場(chǎng)站。而右線部分與左線部分的起點(diǎn)一樣，在YDK36+000處變坡后上行，坡長(zhǎng)為1.65 km；然后在YDK37+650處變坡后下行，在YDK38+294.429處與左線完成并線，坡長(zhǎng)為0.644 km。該隧道工程采用多工法聯(lián)合施工，其中有礦山法、明挖法和盾構(gòu)法。根據(jù)工程地質(zhì)情況，盾構(gòu)法施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。本文研究的區(qū)間段為盾構(gòu)法施工區(qū)段。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道盾構(gòu)施工段位于海積平原區(qū)，地表為機(jī)場(chǎng)大道，道路填高3～10m，成分以黏土夾砂為主，局部夾碎石。隧道的洞頂埋深0.00～16.00m。人工填土層、海陸相沉積的粉質(zhì)黏土、淤泥、粉砂黏土和粗砂為主要的地層類型。人工填土層厚度在4.6m左右。粉質(zhì)黏土呈褐黃色，具有一定的可塑性，夾雜著粗砂和淤泥，地層穩(wěn)定性差，平均埋深與厚度分別為13.78m和6.14m。淤泥呈現(xiàn)灰色-深灰色狀態(tài)，具有流塑性，平均埋深與厚度為15.16m和3.71m。粉砂與粗砂呈現(xiàn)褐黃色與灰白色，狀態(tài)為稍密到中密，飽和態(tài)，粉砂的平均埋深與厚度分別為5.43m和5.67m，粗砂的平均埋深與厚度分別為21.92m和2.88m。下浮基巖為花崗巖，呈肉紅色，處于全風(fēng)化到弱風(fēng)化的階段。全風(fēng)化花崗巖的巖芯呈現(xiàn)砂土狀；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的巖芯呈塊狀機(jī)短柱，其裂隙節(jié)理發(fā)育；弱風(fēng)化的花崗巖為硬質(zhì)巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，但裂隙節(jié)理發(fā)育。該段隧道洞身主要位于軟土環(huán)境中，為可塑性黏土與流塑性淤泥，局部處于砂土和全風(fēng)化花崗巖地層中。洞底主要位于粉質(zhì)黏土與黏土中，該黏土具有一定的可塑性，局部位于具有一定流塑性的淤泥、砂土和全風(fēng)化花崗巖地層中。圖1為隧道穿越的地質(zhì)剖面圖(部分)。隧道洞身所處的圍巖具有軟弱、易變形的特點(diǎn)，盾構(gòu)隧道施工過程中，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以防止盾構(gòu)隧道事故的發(fā)生。盾構(gòu)法施工的工程段地下水埋深在0.7～2.8m，具有氯鹽侵蝕性，砂層及全風(fēng)化花崗巖地層含水量豐富，在隧道施工過程中需要做好防涌水措施。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)斷面Fig.1 Geologicalprofile of construction site

1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

在復(fù)雜地層中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤其重要。在隧道施工過程中，運(yùn)用恰當(dāng)合理的模型對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將降低隧道施工事故的發(fā)生并提高施工效率。盾構(gòu)掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估影響因素眾多，結(jié)合實(shí)際工程概況，選取總推力、刀盤扭矩、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、土壓力、泡沫注入量、泡沫注入壓力和注漿壓力等7個(gè)施工參數(shù)。圖2是施工參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由圖可知刀盤扭矩、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、土壓力、泡沫注入量和注漿壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小。刀盤扭矩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要在3 000～4 000 kN?m之間；泡沫注入壓力在150～350 kPa之間；注漿壓力維持在200～350 kPa之間；總推力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在16 000～24 000 kN之間，在480環(huán)后出現(xiàn)了突變，在500環(huán)管片時(shí)，總推力的監(jiān)測(cè)數(shù)值下降到12 000 kN。表1為盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，主要是最大值、最小值與平均值。在建立盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型前，需根據(jù)實(shí)際工程概況與施工經(jīng)驗(yàn)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為5個(gè)等級(jí)，如表2所示。例如總推力被劃分為5個(gè)區(qū)間，分別為[5 000,10 000]，[10 000,15 000]，[15 000,20 000]，[20 000,25 000]和[25 000,30 000]。

表2 掘進(jìn)參數(shù)等級(jí)劃分Tab le 2 Classification of influential factors

圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 M easured data of influential factors

2 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法

本文以珠海市三灶隧道項(xiàng)目為依托，結(jié)合云模型理論，提出盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

從盾構(gòu)機(jī)中搜集的數(shù)據(jù)具有大小不一、單位不同的特點(diǎn)，如表1所示。在建立盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型時(shí)，需要對(duì)不同影響因素的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如式(1)：

表1 盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristic ofmeasured data concerning on influential factors

其中：x(j,norm)為第j個(gè)影響因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的歸一化值；xj,m為第j個(gè)影響因素的實(shí)測(cè)值；Cj,min和Cj,max分別為掘進(jìn)參數(shù)等級(jí)劃分的最小值和最大值。例如，總推力的實(shí)測(cè)值為8 000 kN，則歸一化后的值為(8 000～5 000)/(30 000～5 000)=0.12。

由于每個(gè)影響因素對(duì)模型評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)度不一樣，為考慮這種差異性，本文運(yùn)用式(2)確定每個(gè)因素的權(quán)重：

其中：ηj為第j個(gè)影響因素的權(quán)重；x(j,norm)為第j個(gè)影響因素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的歸一化值。

2.2 云模型

云模型用語(yǔ)言變量來實(shí)現(xiàn)模型定性與定量之間的轉(zhuǎn)換[14-16]，在地下空間開發(fā)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、圖像識(shí)別和模糊控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[17-20]。云模型用3個(gè)特征參數(shù)，即期望(Ex)、熵值(En)和超熵(He)表征產(chǎn)生云滴的隨機(jī)性。將云模型與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了定量數(shù)據(jù)和定性概念之間的相互轉(zhuǎn)換。

云模型發(fā)生器分為正向正態(tài)云發(fā)生器和反向正態(tài)云發(fā)生器。本文采用正向正態(tài)云模型發(fā)生器，在正態(tài)云發(fā)生器中，其中云定義滿足以下條件[14]：

其中：xi是產(chǎn)生的正態(tài)隨機(jī)數(shù)，期望和方差分別為Ex和En2；′是產(chǎn)生的正態(tài)隨機(jī)數(shù)，期望和方差分別為En和He2。xi的隸屬度由式(4)確定：

其中：φ(xi)是xi的隸屬度函數(shù)。

在本文中，云模型中3個(gè)特征參數(shù)期望(Ex)，熵值(En)和超熵(He)由式(5)確定：

其中：Exij和Enij分別為第j個(gè)影響因素的第i個(gè)區(qū)間(歸一化后)的期望和熵值。例如，總推力的5個(gè)區(qū)間，分別為[5 000,10 000]，[10 000,15 000]，[15 000,20 000]，[20 000,25 000]和[25 000,30 000]，歸一化后為[0,0.2]，[0.2,0.4]，[0.4,0.6]，[0.6,0.8]和[0.8,1.0]，則總推力在各個(gè)區(qū)間的Exij和Enij分 別 為0.1，0.3，0.5，0.7，0.9和0.667，0.667，0.667，0.667，0.667。

將性質(zhì)相同的子云合成為父云。其中，父云(Ex,En,He)由n個(gè)子云Cn(Exj,Enj,Hej)合成，子云合成父云的方法如式(6)：

其中：子云Cn(Exj,Enj,Hej)由每個(gè)影響因素的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，ηj為第j個(gè)影響因素的權(quán)重。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

在通過子云合成父云后，父云為待識(shí)別云U(Ex,En,He)，需要通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云和待識(shí)別云之間的相似度，進(jìn)而確定盾構(gòu)掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，具體步驟如下[21]。

步驟1：以待識(shí)別云的數(shù)字特征為基礎(chǔ)，產(chǎn)生以期望和方差分別為En和He2的隨機(jī)數(shù)En′i，以期望和方差分別為Ex和的隨機(jī)數(shù)xi。

步驟2：用公式(4)計(jì)算隨機(jī)數(shù)xi的隸屬度，云滴的數(shù)量設(shè)置為1 000。

步驟3：計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云與待識(shí)別云之間的相似度，其計(jì)算方法如式(7)：

步驟4：歸一化標(biāo)準(zhǔn)云與待識(shí)別云之間的相似度，其中歸一化后的相似度在某一等級(jí)的最大值即為該盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算方法如式(8)和式(9)：

其中：?i(Li)為歸一化后第i等級(jí)的相似度。

3 案例結(jié)果分析

圖3為標(biāo)準(zhǔn)云模型的示意圖，一共有5級(jí)，與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)劃分的等級(jí)一致。為了驗(yàn)證所提出模型的有效性，本文選取盾構(gòu)隧道第17環(huán)管片安裝時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集為例。當(dāng)?shù)?7環(huán)管片進(jìn)行安裝與拼接時(shí)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集為{總推力，刀盤扭矩，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，土壓力，泡沫注入量，泡沫注入壓力，注漿壓力}={18 300,3 400,10.6,60,72,1.8,2.4}。將數(shù)據(jù)集按式(1)歸一化得到{0.532,0.567,0.530,0.240,0.180,0.300,0.600}。由式(2)得到每個(gè)影響因素的權(quán)重為{0.180,0.192,0.180,0.081,0.061,0.102,0.203}。由式(3)～式(6)可得第17環(huán)管片數(shù)據(jù)集的父云為(Ex,En,He)=(0.615 0，0.066 7，0.005 0)，合成的父云即為待識(shí)別云。圖4為標(biāo)準(zhǔn)云與第17環(huán)管片的待識(shí)別云。在此種情況下，難以確定具體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。用式(7)～式(9)計(jì)算歸一化后標(biāo)準(zhǔn)云與待識(shí)別云在每個(gè)等級(jí)的相似度。圖5是管片第11環(huán)～20環(huán)的相似度評(píng)估結(jié)果。通過圖5可知，第17環(huán)管片在第4等級(jí)的相似度最大，因此該管片的盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4級(jí)。其他管片(10～20)的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均可通過圖5確定。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)云圖Fig.3 Standard cloudmodel

圖4 標(biāo)準(zhǔn)云與17環(huán)管片的待識(shí)別云Fig.4 Standard cloud and the identified cloud of seventeenth segmentof the tunnel

圖5 標(biāo)準(zhǔn)云與待識(shí)別云在每個(gè)等級(jí)的相似度Fig.5 Sim ilarity degree in each levelbetween standard and identified cloud

通過運(yùn)用本文提出的盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，可以得到土壓平衡盾構(gòu)機(jī)安裝500環(huán)管片的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)每一環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，在安裝前100環(huán)管片時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)出現(xiàn)4級(jí)和5級(jí)，為較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；在100環(huán)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)開始下降；到200環(huán)后，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)基本集中在1級(jí)和2級(jí)，表明盾構(gòu)掘進(jìn)處于一種較為安全的狀態(tài)。這與實(shí)際情況相符，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)初始階段，地層中孤石較多，地層相對(duì)較復(fù)雜，管片安裝與施工風(fēng)險(xiǎn)較大；在盾構(gòu)掘進(jìn)后期，地層較為簡(jiǎn)單，主要為黏土、淤泥等，盾構(gòu)管片安裝風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)每一環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)安全狀態(tài)等級(jí)Fig.6 Risk levels resultsof each segmentof the tunnel

4 結(jié)論

1)基于云模型理論建立了盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云與待識(shí)別云的相似度得出隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，評(píng)估結(jié)果對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義，具有可靠性與可操作性。

2)根據(jù)隧道工程施工情況，將影響因素劃分為5個(gè)等級(jí)并確定了7個(gè)影響因素。以珠海市某隧道工程為案例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況相符合，驗(yàn)證了模型的有效性。評(píng)估結(jié)果可為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)事故提供一定參考價(jià)值。