基于協(xié)同學(xué)的雙模盾構(gòu)TBM-EPB施工復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同性評(píng)價(jià)模型研究

師啟蒙,雷 軍,鄺利軍,張樹(shù)光,于廣明

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033;2.中國(guó)建筑第五工程局 廣州市 510000;3.桂林理工大學(xué) 桂林市 541000)

0 引言

目前,盾構(gòu)法作為一種快速、高效、安全、環(huán)保的施工方法,已廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)。但是,復(fù)雜多變的地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)隧道工程建設(shè)提出了新的要求,為了實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)法技術(shù)的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性,我國(guó)開(kāi)始引入復(fù)合盾構(gòu)施工技術(shù),在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中展開(kāi)了新型盾構(gòu)研制及盾構(gòu)掘進(jìn)配套技術(shù)的研究。我國(guó)復(fù)合盾構(gòu)施工技術(shù)尚處于初步發(fā)展階段,還存在一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決,其中最關(guān)鍵的問(wèn)題就是復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)能否與圍巖相協(xié)調(diào),為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題,文章引入?yún)f(xié)同學(xué)理論對(duì)此展開(kāi)了研究。協(xié)同學(xué)理論已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、教育、環(huán)境、航空管理等各種領(lǐng)域,薛耀文等[1]應(yīng)用協(xié)同學(xué)理論,構(gòu)建了高校內(nèi)外部創(chuàng)新協(xié)同模型,運(yùn)用多所高校數(shù)據(jù)對(duì)高校協(xié)同創(chuàng)新復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行測(cè)度;為合理評(píng)價(jià)水資源配置方案的優(yōu)劣,雷洪成等[2]應(yīng)用協(xié)同學(xué)原理,根據(jù)序參量和有序度的概念,建立了由經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)三個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)模型;張兆寧等[3]基于系統(tǒng)科學(xué)和協(xié)同學(xué)理論,通過(guò)“人、機(jī)、環(huán)、管”四個(gè)層面分析軍民航空管系統(tǒng)融合的影響因素,在灰色關(guān)聯(lián)分析基礎(chǔ)上,結(jié)合協(xié)同度評(píng)價(jià)模型建立了軍民航空管系統(tǒng)融合度評(píng)價(jià)模型;王峰等[4]應(yīng)用系統(tǒng)學(xué)理論與協(xié)同學(xué)理論,構(gòu)建了省域“能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境”系統(tǒng)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)模型,對(duì)我國(guó)省域3E系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的時(shí)間與空間差異、動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)進(jìn)行了研究與預(yù)測(cè);夏業(yè)領(lǐng)等[5]分析了科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)協(xié)同發(fā)展的機(jī)理,建立了科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)升級(jí)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度評(píng)價(jià)模型,并應(yīng)用實(shí)際案例對(duì)協(xié)同度模型進(jìn)行了驗(yàn)證。協(xié)同學(xué)理論已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,但是結(jié)合以往的研究發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)施工的研究大都針對(duì)單一的盾構(gòu)掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)或是圍巖穩(wěn)定性分析,鮮少有人對(duì)“機(jī)-巖”復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同性研究,因此,文章借鑒協(xié)同學(xué)和系統(tǒng)學(xué)研究理論,在對(duì)盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)、圍巖系統(tǒng)有序度評(píng)價(jià)體系的研究基礎(chǔ)上,建立了雙模(TBM-EPB)盾構(gòu)施工過(guò)程中“機(jī)-巖”的協(xié)同關(guān)系測(cè)度模型,選取深圳地鐵13號(hào)線(xiàn)留仙洞站—白芒站區(qū)間隧道施工過(guò)程為研究案例,分析其盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)、圍巖系統(tǒng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)狀,計(jì)算雙模(TBM-EPB)盾構(gòu)“機(jī)-巖”復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同度,并分析其協(xié)同演化過(guò)程。

1 雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)協(xié)同的基本原理

1.1 雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)的子系統(tǒng)

雙模盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)是由相互制約的各部分子系統(tǒng)協(xié)同合作而成。作為雙模盾構(gòu)施工過(guò)程“機(jī)-巖-環(huán)境”相互作用的主體,盾構(gòu)機(jī)、圍巖和周?chē)h(huán)境可定義為雙模盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)的子系統(tǒng)。協(xié)同學(xué)認(rèn)為子系統(tǒng)相互作用和協(xié)作才使系統(tǒng)發(fā)展演變,應(yīng)用協(xié)同論方法,可以找出影響系統(tǒng)變化的控制因素,通過(guò)分析雙模盾構(gòu)施工復(fù)雜系統(tǒng)的各影響因素,可以充分發(fā)揮復(fù)合地層條件下雙模盾構(gòu)施工優(yōu)點(diǎn),發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)、圍巖子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)速度高、刀具磨損小、巖體穩(wěn)定與施工安全的工程目標(biāo)。

1.2 雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)的序參量

(1)盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)序參量的確定:從分析盾構(gòu)施工掘進(jìn)效率(掘進(jìn)速度高、刀具磨損小)的角度,選擇盾構(gòu)機(jī)的日進(jìn)尺和換刀數(shù)量作為盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)的序參量。

(2)圍巖子系統(tǒng)序參量的確定:從分析圍巖穩(wěn)定性的角度,選擇開(kāi)挖擾動(dòng)后圍巖拱頂?shù)奈灰浦?、凈空收斂值、拱底的位移值作為圍巖子系統(tǒng)的序參量。

(3)環(huán)境子系統(tǒng)序參量的確定:從分析周?chē)h(huán)境穩(wěn)定性的角度,選擇開(kāi)挖后地表沉降值作為環(huán)境子系統(tǒng)的序參量。

雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)能否有序取決于系統(tǒng)中的序參量是否協(xié)同,也就是說(shuō)取決于盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)、圍巖子系統(tǒng)與環(huán)境子系統(tǒng)的序參量是否能發(fā)生協(xié)同作用,協(xié)同作用程度高,則有序化程度高,產(chǎn)生的效果將最終達(dá)到系統(tǒng)協(xié)調(diào)狀態(tài),并向有序方向演化;協(xié)同作用程度低,所產(chǎn)生的負(fù)作用力會(huì)破壞盾構(gòu)機(jī)、圍巖子系統(tǒng)與環(huán)境子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào),導(dǎo)致內(nèi)部損耗,并促使系統(tǒng)向不協(xié)調(diào)狀態(tài)演化,掘進(jìn)速度降低、刀具磨損量增大、圍巖變形嚴(yán)重、地表沉降量超限,對(duì)施工過(guò)程造成嚴(yán)重的不良后果。

2 雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)模型

雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)協(xié)同是指組成系統(tǒng)的各要素在發(fā)展過(guò)程中彼此和諧一致,這種和諧一致的程度就是雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)協(xié)調(diào)度。協(xié)同的作用及協(xié)調(diào)的程度決定了雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)由無(wú)序走向有序的趨勢(shì)。

2.1 雙模盾構(gòu)施工子系統(tǒng)有序度模型

將雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)表示為Si={S1,S2,S3}。其中:Si為第i個(gè)子系統(tǒng),i=1,2,3(盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)、圍巖子系統(tǒng),環(huán)境子系統(tǒng))。設(shè)Si在發(fā)展過(guò)程中的第j個(gè)序參量為xij(j≥1,且j∈N),且其值應(yīng)在某一臨界閾值區(qū)間,即αij≤xij≤βij,其中,αij和βij為雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界閾值。當(dāng)序參量越大,有序度越高時(shí),取式(1)進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)序參量越小,有序度越高時(shí),取式(2)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)以上設(shè)定,雙模盾構(gòu)施工過(guò)程中各子系統(tǒng)的各序參量有序度為[6]:

(1)

(2)

采用線(xiàn)性加權(quán)求和法計(jì)算某一子系統(tǒng)的有序度,具體表達(dá)式見(jiàn)式(3):

(3)

式中:σj為子系統(tǒng)各序參量的權(quán)重值,采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重。

2.2 雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)協(xié)同性評(píng)價(jià)模型協(xié)同度計(jì)算

假設(shè)在給定的某一初始時(shí)刻t0時(shí),子系統(tǒng)有序度為,當(dāng)復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展演變到另一時(shí)刻t1時(shí),盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)有序度為,式(4)為雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)的協(xié)同度[6]:

(4)

由式(4)可知,雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度θ∈[-1,1],當(dāng)θ∈[-1,0]時(shí),說(shuō)明該系統(tǒng)正向無(wú)序方向發(fā)展,當(dāng)θ∈[0,1]時(shí),兩子系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展程度隨數(shù)值的增大而增高,復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[1,5]見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 序參量閾值的確定

序參量最理想和最不理想的數(shù)值稱(chēng)為臨界閾值,合理確定臨界閾值是判斷各序參量有序程度的關(guān)鍵所在。目前關(guān)于雙模盾構(gòu)施工各序參量閾值確定的研究相對(duì)較少,因此,文章依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),探討各序參量閾值的確定,并采用熵權(quán)法對(duì)其權(quán)重值進(jìn)行確定,各序參量的閾值與權(quán)重取值如表2所示。表2中所有的位移值均是絕對(duì)值,下文同。

表2 各序參量的閾值與權(quán)重取值

2.4 數(shù)據(jù)獲取

基于協(xié)同學(xué)的基本原理,結(jié)合深圳地鐵13號(hào)線(xiàn)雙模盾構(gòu)施工工程右線(xiàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),TBM、EPB兩種模式下分別選取掘進(jìn)距離為300環(huán)的數(shù)據(jù)作為協(xié)同度計(jì)算樣本,以20環(huán)為一組數(shù)據(jù)的盾構(gòu)機(jī)子系統(tǒng)序參量、圍巖子系統(tǒng)序參量與環(huán)境子系統(tǒng)序參量。其中,隧道洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,按照施工方案的要求,拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿隧道掘進(jìn)方向每10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表3為T(mén)BM施工模式和EPB施工模式下的部分樣本數(shù)據(jù)。

表3 TBM/EPB施工模式下雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)序參量數(shù)據(jù)

2.5 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)從表4可以看出,雙模(TBM-EPB)盾構(gòu)施工模式下,三個(gè)子系統(tǒng)的有序度都保持正值,說(shuō)明各子系統(tǒng)均朝著有序的方向發(fā)展,復(fù)合系統(tǒng)均未出現(xiàn)不協(xié)同的情況,這說(shuō)明雙模盾構(gòu)施工技術(shù)與深圳地區(qū)的復(fù)合地層具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

表4 子系統(tǒng)有序度及復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度

(2)從圖2可以比較直觀(guān)地看出,TBM模式協(xié)調(diào)度相對(duì)于EPB模式較高,基本能達(dá)到良好協(xié)同甚至有些區(qū)間段能達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)同水平,而由于EPB模式段地層較軟弱,圍巖的變形與地表沉降較大,大都穩(wěn)定于基本協(xié)同水平。

圖2 TBM/EPB施工模式下復(fù)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)度

(3)從表4和圖2可以看出,雖然雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)未出現(xiàn)不協(xié)同的情況,但距達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)同水平還有一定的差距,通過(guò)查閱協(xié)同度較低區(qū)間段的地質(zhì)水文資料發(fā)現(xiàn),孤石、斷層破碎帶、涌水或漏水嚴(yán)重地帶會(huì)降低復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度。

3 結(jié)論與展望

雙模盾構(gòu)施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)、圍巖與周?chē)h(huán)境協(xié)同發(fā)展將產(chǎn)生1+1+1>3的的整體協(xié)同效應(yīng),促使整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)朝著掘進(jìn)效率高、圍巖穩(wěn)定和施工安全的方向發(fā)展。文章綜合考慮了內(nèi)部子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,提供了一種對(duì)復(fù)合系統(tǒng)實(shí)施基于協(xié)同發(fā)展效果的度量準(zhǔn)則或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并以深圳地鐵13號(hào)線(xiàn)留仙洞站—白芒站區(qū)間隧道施工相關(guān)數(shù)據(jù)為樣本,基于復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度模型實(shí)證分析了施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)-圍巖-環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的整體協(xié)同度。主要結(jié)論如下:

(1)雙模(TBM-EPB)盾構(gòu)施工模式下,復(fù)合系統(tǒng)均未出現(xiàn)不協(xié)同的情況,這說(shuō)明雙模盾構(gòu)施工技術(shù)與深圳地區(qū)的復(fù)合地層具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

(2)由于EPB模式段地層較軟弱,圍巖的變形與地表沉降較大,協(xié)調(diào)度相對(duì)于TBM模式段較低。

(3)雖然雙模盾構(gòu)施工系統(tǒng)未出現(xiàn)不協(xié)同的情況,但距達(dá)到優(yōu)質(zhì)協(xié)同水平還有一定的差距。

研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間,具體而言,保證處理好隧道施工過(guò)程中的極端不利條件,在施工中對(duì)前方地層進(jìn)行超前測(cè),然后根據(jù)不同隧道地質(zhì)情況采取不同的注漿處理方式,對(duì)土倉(cāng)壓力、同步注漿、二次注漿、姿態(tài)控制和壁后填充等控制性指標(biāo)控制性指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,充分考慮地層條件,以最合理的盾構(gòu)機(jī)械參數(shù)達(dá)到盾構(gòu)機(jī)、圍巖與環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)同。