劉敦文，周唱曉，鐘愛(ài)軍，王立新

巖溶?侵蝕地質(zhì)下隧道管片上浮影響因素研究

劉敦文1，周唱曉1，鐘愛(ài)軍2，王立新2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 衡陽(yáng)市城市建設(shè)投資有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000)

為了及時(shí)排除過(guò)江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)管片上浮的安全隱患，保證隧道施工安全和質(zhì)量?；诤怅?yáng)合江套湘江隧道管片施工實(shí)例，考慮過(guò)江隧道施工區(qū)巖溶-侵蝕耦合作用下的特殊地形，并結(jié)合現(xiàn)有隧道施工時(shí)影響管片上浮的重要指標(biāo)，提出一種基于云模型理論的盾構(gòu)隧道安全評(píng)價(jià)方法；建立一套影響盾構(gòu)隧道管片上浮的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并通過(guò)云模型算法得出綜合評(píng)價(jià)數(shù)字特征并生成云滴圖。計(jì)算結(jié)果表明：基于云模型的安全評(píng)價(jià)方法能量化管片施工的定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；采用云模型的評(píng)價(jià)方法能降低評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的主觀性，在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，能為隧道施工過(guò)程解決管片上浮提供一定的對(duì)策和參考。

管片上浮；云模型；盾構(gòu)施工；巖溶?侵蝕地質(zhì)

衡陽(yáng)市合江套湘江隧道是國(guó)內(nèi)首條穿越溶蝕地層、含硫酸鹽等腐蝕性地層的過(guò)江盾構(gòu)隧道，地層透水性強(qiáng)且與湘江連通，同時(shí)受注漿壓力等影響，管片上浮問(wèn)題相比于一般盾構(gòu)隧道更加嚴(yán)重。目前，針對(duì)盾構(gòu)隧道的管片上浮問(wèn)題研究較多，并取得了一定成效，肖明清等[1]應(yīng)用有限元法，對(duì)地層材料力學(xué)性質(zhì)、注漿性質(zhì)等影響管道上浮的因素進(jìn)行分析；季昌等[2]建立盾構(gòu)施工參數(shù)以及同步注漿漿液配比的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，分析不同單一因素對(duì)施工期管片上浮的影響；謝錄科等[3]印證了在粉質(zhì)黏土地層條件下，控制管片局部上浮的決定性方法是控制壁厚同步注漿壓力；黃鐘暉等[4]基于盾構(gòu)隧道縱向等效梁模型厘清了影響管片上浮各因素的權(quán)重大小，并提出針對(duì)性的控制措施。然而，在盾構(gòu)隧道管片上浮方面的研究主要集中于研究管片上浮機(jī)理，針對(duì)某一主要影響因素進(jìn)行分析[5]；但實(shí)際上，隧道施工過(guò)程中管片及其周邊圍巖、附屬設(shè)施和施工擾動(dòng)都會(huì)引起管片上浮，各方面的共同作用形成了管片系統(tǒng)，而不是某些因素單方面能夠控制。因而，停留在傳統(tǒng)的定性判斷的基礎(chǔ)上，具有一定的隨機(jī)性和模糊性，無(wú)法準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。既有研究中，針對(duì)溶巖?侵蝕耦合作用下的地質(zhì)條件的研究鮮見(jiàn)，亟待開(kāi)展在此類(lèi)地質(zhì)條件下的管片上浮影響因素研究。本文在云模型理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)云模型和安全評(píng)價(jià)方法，建立針對(duì)巖溶?侵蝕特殊地質(zhì)條件的管片上浮影響因素并進(jìn)行掌握；基于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，得出合理的盾構(gòu)隧道管片上浮評(píng)價(jià)結(jié)果，以期針對(duì)造成管片上浮的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)提出針對(duì)性的措施建議。

1 云模型基本理論

云模型是由我國(guó)李德毅教授首次提出，該方法在結(jié)合概率論和模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上通過(guò)賦予樣本點(diǎn)以隨機(jī)確定度來(lái)刻畫(huà)概念中的隨機(jī)性、模糊性及其關(guān)聯(lián)性。通過(guò)特定算法形成數(shù)字特征表示的某個(gè)概念與其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)化模型完全集成在一起，從而構(gòu)成不確定性概念定性與定量的轉(zhuǎn)換[7]。

1.1 云模型的定義

1.2 云模型的數(shù)字特征

用3個(gè)數(shù)字特征來(lái)整體表征云模型，分別為期望Ex(Expected value)、熵En(Entropy)以及超熵He( Hyper entropy)，記作U( Ex，En，He) 。其中，期望Ex指云滴在論域空間中分布的期望，最能表示定性概念；En表示定性概念的隨機(jī)性，是定性概念在論域空間中可接受的范圍，且熵值越大，認(rèn)知越不準(zhǔn)確；超熵He，表示熵的不確定度量，由熵的隨機(jī)性和模糊性共同決定。根據(jù)云模型概念，隧道施工評(píng)語(yǔ)等級(jí)及評(píng)語(yǔ)云參數(shù)可由式(1)確定。

其中：max和min分別為對(duì)應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最大、最小邊界值；根據(jù)變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整的常數(shù)，本文取1。

1.3 云模型的計(jì)算

云模型中2個(gè)關(guān)鍵算法是正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。本文采用正向正態(tài)云發(fā)生器，用FCG表示，其過(guò)程如圖1所示，將定性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為變量數(shù)據(jù)間，量化定性概念[9]。

圖1 正向云發(fā)生器

具體算法步驟如下：

1) 以為期望值，為方差生成一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′；

2) 以為期望值，為方差生成一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)；

4) 得出云滴(,)；

5) 重復(fù)1~4步驟，將產(chǎn)生的個(gè)云滴繪制成云滴圖，即生成云模型。

2 盾構(gòu)隧道管片上浮云模型體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重的確定

根據(jù)衡陽(yáng)市合江套湘江隧道的施工地勘資料，由于所在地區(qū)的局部地段有溶蝕、空洞等不良地質(zhì)體，而且穿越區(qū)域地下水及土層均含有較高腐蝕性離子。考慮到以上特殊條件，結(jié)合既有管片上浮影響因素，選取安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)層次分析法建立遞階的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

其指標(biāo)體系如下。首先將地質(zhì)水文、管片、盾構(gòu)施工工法、同步注漿工藝劃分為一級(jí)指標(biāo)，再將各一級(jí)指標(biāo)分別繼續(xù)劃分，得出15個(gè)子指標(biāo)，以此類(lèi)推，最終構(gòu)建管片上浮指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。其中，地下水及土層中SO42?離子含量較高且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕主要也來(lái)源于腐蝕介質(zhì)SO42?離子，所以本文中的底層指標(biāo)V13和V14主要測(cè)量地下水及土層中SO42?離子含量?？v向剛度有效率V21參考了管片材料及厚度、接頭剛度、管片拼裝方式及拼裝工藝等因素[4, 10?11]，載荷釋放系數(shù)V41則為漿液類(lèi)型(配合比)的體現(xiàn)[1, 12?13]。具體劃分指標(biāo)如圖2所示。

圖2 管片上浮影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

表1 管片上浮影響因素指標(biāo)權(quán)重

基于圖2指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各因子的權(quán)重。通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分對(duì)各一級(jí)指標(biāo)以及二級(jí)指標(biāo)建立相應(yīng)的判斷矩陣，然后利用Matlab計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行歸一化處理。結(jié)果如表1所示。

2.2 建立標(biāo)準(zhǔn)云評(píng)價(jià)模型

管片上浮評(píng)價(jià)指標(biāo)中，部分因素可以進(jìn)行定性的分析，用模糊的定性詞語(yǔ)集表示，采用專(zhuān)家打分法進(jìn)行評(píng)定。另一些因素則根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021—2009，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG-D70—2004和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTG-C20—2011等相應(yīng)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行具體的量化，得出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表2。同時(shí)，根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)，建立統(tǒng)一的管道上浮影響因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分為A(優(yōu)，80-100)，B(良，60-80)，C(中，30-60)，D(次，0-30)4個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)，并根據(jù)式(1)將評(píng)分語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語(yǔ)云模型，其數(shù)字特征為：(90，3.333，1)，(70，3.333，1)，(45，5，1)和(15，5，1)。

表2 等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 云評(píng)價(jià)模型的生成

用一維逆向正態(tài)云發(fā)生器對(duì)專(zhuān)家打分的結(jié)果進(jìn)行處理，從而將定量數(shù)值的打分結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ愿拍?。設(shè)進(jìn)行打分的有位專(zhuān)家，為第(1，2，…，)個(gè)專(zhuān)家對(duì)某個(gè)因素打分的數(shù)值。根據(jù)式(2)求出該因素的云模型特征數(shù)字，及；將二級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化得到對(duì)應(yīng)指標(biāo)云模型特征數(shù)字，及；通過(guò)式(3)將各二級(jí)指標(biāo)評(píng)語(yǔ)云(子云)轉(zhuǎn)化為4個(gè)一級(jí)因素評(píng)語(yǔ)綜合云(父云)，進(jìn)而得出管片上浮影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)的整體云模型，將其同標(biāo)準(zhǔn)云共同轉(zhuǎn)化為云滴圖。根據(jù)式(4)計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)云對(duì)各等級(jí)確定度，將結(jié)果與生成的綜合云滴進(jìn)行比較，客觀判斷其準(zhǔn)確性。

3 工程實(shí)例分析

依托衡陽(yáng)市合江套湘江隧道工程，該隧道是國(guó)內(nèi)首條穿越溶蝕地層、硫酸鹽等腐蝕性地層的盾構(gòu)隧道，隧道呈北西?南東向?？紤]到施工區(qū)水文地質(zhì)及周邊建設(shè)環(huán)境異常復(fù)雜，本文選隧道里程KN4+320~KN4+850盾構(gòu)段進(jìn)行評(píng)價(jià)。該地段主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，局部為第四系沖洪積圓礫層。主要處于粉質(zhì)黏土、圓礫及強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖，呈現(xiàn)典型的“上軟下硬”現(xiàn)象，施工中刀具磨損嚴(yán)重。隧道穿越含可溶性鹽類(lèi)的溶蝕空洞段，地層透水性強(qiáng)且與湘江連通，長(zhǎng)期處于含較高硫酸鹽、氯離子等有腐蝕作用的地下水及土層中，同時(shí)受到注漿壓力等影響，盾構(gòu)隧道管片容易出現(xiàn)上浮。根據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行取值，由于隧道位于富水地層條件下，引起管片上浮的主要原因是水浮力的作用，故采用瞬凝漿液同步注漿，對(duì)應(yīng)載荷釋放系數(shù)為0.1。另外，V13和V14為施工段測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值，具體取值見(jiàn)表3。其余定性因素由專(zhuān)家打分完成，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 管道上浮影響因素指標(biāo)數(shù)值

表4 專(zhuān)家打分結(jié)果

3.1 特征數(shù)字計(jì)算

根據(jù)式(1)計(jì)算得出各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的特征數(shù)字，并將其進(jìn)行歸一化，得出標(biāo)準(zhǔn)云模型特征數(shù)字，見(jiàn)表5。其余各因素根據(jù)專(zhuān)家打分結(jié)果，使用逆向云發(fā)生器計(jì)算式(2)，求得各評(píng)價(jià)因素的云模型數(shù)字特征，見(jiàn)表5。

根據(jù)式(3)求得4個(gè)一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)云模型特征數(shù)字如下：V1=(65.436, 5.267, 1.834)，V2=(68.311, 3.7622, 1)，V3=(69.646, 5.767, 1.361)和V4=(82.713, 3.5321, 1)。綜合4個(gè)一級(jí)影響因素的云數(shù)字特征，得出管片上浮影響因素綜合云數(shù)字特征V=(73.929, 4.354, 1.229)。

3.2 云模型生成

通過(guò)Matlab 2015a工具生成管道上浮影響因素綜合云滴圖，并與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語(yǔ)云進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。其中橫坐標(biāo)代表與定性概念相對(duì)應(yīng)的量化值，縱坐標(biāo)值為定性概念的定量值的隸屬度。

表5 管片上浮影響因素指標(biāo)數(shù)字特征

圖3 管道上浮影響因素綜合評(píng)價(jià)云滴圖

由圖3可知，綜合評(píng)價(jià)云滴(紅色部分)大部分位于“良”和“優(yōu)”之間，根據(jù)式(4)得出綜合云數(shù)字特征對(duì)各等級(jí)的隸屬度且由結(jié)果可知，X對(duì)應(yīng)數(shù)值為良時(shí)取值最大，與綜合評(píng)價(jià)云的結(jié)果一致。由此推斷，該管片上浮危害控制水平為良好，與實(shí)際工程比較，結(jié)果較一致。

由一級(jí)影響因素云數(shù)字特征可知，溶巖-侵蝕耦合作用下的地質(zhì)條件是影響管道上浮得分較低的指標(biāo)，需要針對(duì)該特殊地形對(duì)隧道管道進(jìn)行專(zhuān)業(yè)施工，防止管片上浮。如：對(duì)管道外層涂抹防腐材料防止腐蝕侵蝕。同時(shí)，盾構(gòu)施工工藝和同步注漿所占權(quán)重較大，可通過(guò)提高其安全質(zhì)量來(lái)降低對(duì)管道上浮的影響。如：控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度及軸線偏差、對(duì)盾尾空隙進(jìn)行快速注漿，在管道連接處增加縱向螺栓數(shù)或加設(shè)剪力銷(xiāo)，加大抗剪能力等[14]。

4 結(jié)論

1) 依據(jù)隧道施工區(qū)溶巖?侵蝕耦合地形的特殊性，在管道施工質(zhì)量安全評(píng)價(jià)研究文獻(xiàn)和現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用云模型和規(guī)范相結(jié)合的方法最終得出一套合理的、適用于過(guò)江隧道管片上浮影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得出一套適用于過(guò)江隧道管片上浮影響因素評(píng)價(jià)的等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 采用云模型對(duì)隧道管片上浮影響因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，將管片上浮影響因素的不確定性和隨機(jī)性轉(zhuǎn)化為定量數(shù)值，使評(píng)價(jià)結(jié)果具有準(zhǔn)確性和可行性。在為管道上浮影響因素提供了一種新的評(píng)價(jià)方法的同時(shí)，為管道施工方案提供了一定的借鑒和建議，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

3) 本文采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)適合巖溶-侵蝕耦合地區(qū)，選取了地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜程度較低的盾構(gòu)開(kāi)挖段，而對(duì)于整體復(fù)雜多變的管片施工段上浮影響因素的確定仍具有一定不足。著重于研究施工期影響管片上浮的指標(biāo)，對(duì)于后期運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控需進(jìn)一步加強(qiáng)。

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(編輯 陽(yáng)麗霞)

Study on the influencing factors of river tunnel segment floating in karst-erosion geology

LIU Dunwen1, ZHOU Changxiao1,ZHONG Aijun2, WANG Lixin2

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central south University, Changsha 410083, China; 2. Hengyang City Construction Investment Co. Ltd, Hengyang 421000, China)

This paper aimed at promptly eliminating the security risks of segment floating when the crossed river tunnel shield tunneling, thereby ensuring the safety and quality of tunnel construction. The special terrain under the coupled with karst-erosion in the crossed river tunnel construction area was considered, and the important influencing indicators of segment floating on the existing tunnel construction were combined. A method was proposed for the evaluation of shield tunnel safety based on cloud model theory. A set of evaluation index system was established which affects the floating segment of the shield tunnel. Based on the cloud model algorithm, a comprehensive evaluation of digital features was obtained and cloud drops were generated. Calculation results prove that: (1) Security evaluation method based on loud model can quantify the qualitative evaluation criteria of segment construction; (2) The evaluation method of cloud model can reduce the subjectivity of evaluation criteria. On the basis of existing norms, the proposed method can provide some countermeasures and reference for the construction of the tunnel.

floating segment; cloud model; shield construction; karst-eroded geology

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.020

TU714

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 2055 ? 07

2017?05?25

中南大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016zzts459)

劉敦文(1971?)，男，湖南衡陽(yáng)人，教授，博士，從事巖土工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)研究；E?mail：liudunwen@163.com