陳軍、袁猛

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

0 引言

在工程中，可以將頂管施工作為一種不需要路段開挖或少量開挖，即可滿足工程質(zhì)量需求的道路管道埋設(shè)施工模式。施工時(shí)，在作業(yè)區(qū)內(nèi)借助頂進(jìn)儀器或設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的頂力，克服道路管道在土層中產(chǎn)生的摩擦力，按照預(yù)設(shè)的坡度，將管道頂進(jìn)土層中，將多余的土方使用機(jī)械運(yùn)走后,使用第二根管道繼續(xù)頂進(jìn)，借助中繼推力完成埋設(shè)施工。目前，此種施工方式已被廣泛應(yīng)用到不同道路的施工中，但隨著相關(guān)工作的持續(xù)推進(jìn)，逐漸發(fā)現(xiàn)頂管施工模式會(huì)在使用中出現(xiàn)路段沉降問(wèn)題。頂進(jìn)與埋設(shè)等施工行為會(huì)受到挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的開挖、擠壓等綜合作用力，產(chǎn)生對(duì)周圍土體的擾動(dòng)行為，當(dāng)擾動(dòng)作用力達(dá)到一定數(shù)值后，管道周圍的土體壓力將呈現(xiàn)釋放狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的土體應(yīng)力分布發(fā)生異常，從而誘發(fā)土層沉降。嚴(yán)重的道路沉降不僅會(huì)影響車輛駕駛員的駕駛體驗(yàn)感，還會(huì)威脅公路行車安全，因此需要對(duì)道路沉降進(jìn)行評(píng)價(jià)。但在進(jìn)行頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)的過(guò)程中，評(píng)價(jià)結(jié)果容易產(chǎn)生較大的誤差，不能保證施工的有效進(jìn)行。綜上所述，將引進(jìn)灰色理論，設(shè)計(jì)一種針對(duì)道路頂管施工的道路沉降評(píng)價(jià)方法，以此種方式及時(shí)掌握沉降區(qū)段，優(yōu)化道路施工。

1 基于灰色理論的道路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于灰色理論的道路沉降區(qū)段預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

在道路頂管施工結(jié)束后，較長(zhǎng)時(shí)間外界環(huán)境中不確定因素的變化，會(huì)引起施工道路發(fā)生沉降，由于不確定因素較多、已知因素較少，因此在評(píng)價(jià)道路沉降時(shí)引進(jìn)灰色理論，解決評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的信息不確定問(wèn)題。

將已知的道路工程數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，根據(jù)數(shù)據(jù)的序列排列方式對(duì)其進(jìn)行數(shù)組轉(zhuǎn)換，生成規(guī)范化的數(shù)列形式，根據(jù)已知數(shù)列建立一個(gè)微分方程，通過(guò)對(duì)方程的解析，即可構(gòu)建一個(gè)針對(duì)沉降區(qū)域道路的預(yù)測(cè)模型。假設(shè)的起始點(diǎn)表示為（1，1），對(duì)進(jìn)行白化描述，將其表示為下述計(jì)算公式（1）。

式（2）中：表示時(shí)間序列。根據(jù)公路頂管施工工期，對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行填充，以此方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降區(qū)段的建模。

1.2 建立公路頂管施工道路沉降層次化評(píng)價(jià)體系

考慮到公路頂管施工發(fā)生道路沉降的影響因素較多，因此需要在評(píng)價(jià)前提取可能造成道路沉降的指標(biāo)，建立一個(gè)層次化評(píng)價(jià)體系。公路頂管施工道路沉降層次化評(píng)價(jià)體系如圖1所示。

圖1 公路頂管施工道路沉降層次化評(píng)價(jià)體系

將已知信息導(dǎo)入評(píng)價(jià)體系中，結(jié)合不同工況，進(jìn)行設(shè)計(jì)內(nèi)容與施工組織方案進(jìn)行調(diào)整，為道路沉降評(píng)價(jià)提供參照。

1.3 基于評(píng)價(jià)矩陣的道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果量化

已知公路頂管施工道路沉降影響因素后，由專家系統(tǒng)進(jìn)行道路沉降影響因素的評(píng)分，參照重要性標(biāo)度法，進(jìn)行影響因素分?jǐn)?shù)賦值，得到一個(gè)針對(duì)頂管施工準(zhǔn)則層的比較矩陣。矩陣表達(dá)式（3）如下。

式（3）中：表示道路沉降評(píng)價(jià)矩陣；1 表示同等重要的影響因素；5 表示前者重要性顯著大于后者；8 表示后者重要性不大；9 表示后者幾乎不重要；4 前者重要性較大于后者；1/5、1/4、1/8、1/9 表示重要性判斷折中。根據(jù)對(duì)不同影響因素的賦值，進(jìn)行道路沉降評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性比對(duì)，比對(duì)公式（4）如下。

式（4）中：C表示評(píng)價(jià)結(jié)果一致性；表示評(píng)價(jià)結(jié)果最大特征值；表示評(píng)價(jià)矩陣階數(shù)。當(dāng)C計(jì)算結(jié)果=0時(shí)，證明評(píng)價(jià)結(jié)果與構(gòu)造矩陣具備一致性，輸出評(píng)價(jià)結(jié)果即可完成對(duì)頂管施工道路沉降的評(píng)價(jià)。

2 工程實(shí)例分析

為了證明設(shè)計(jì)方法的可行性，選擇深圳市某雨污分流管道工程作為此次試驗(yàn)的工程實(shí)例，該區(qū)段公路工程所處的地理位置為市中心，為了降低施工對(duì)周邊居民生活的影響，避免路段施工封閉對(duì)道路出行造成干預(yù)，在施工中所選的施工方法為頂管施工方法。

此次施工所選的頂管內(nèi)徑為2780.0mm，頂進(jìn)管道的壁厚約為280.0mm，屬于鋼筋材質(zhì)的混凝土圓形管道。為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用土體采樣的方式，對(duì)頂管施工區(qū)域進(jìn)行土體采樣，記錄公路施工路段土層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)的分析可以看出，此施工路段土體結(jié)構(gòu)整體松軟度較高，屬于易發(fā)生沉降的區(qū)段。因此，選擇此項(xiàng)目作為實(shí)例進(jìn)行研究是十分可行的。

表1 公路施工路段土層物理力學(xué)參數(shù)

此次施工取兩端管道進(jìn)行頂進(jìn)施工，預(yù)設(shè)埋設(shè)深度為12.87m，兩個(gè)下深的管道分別為取水頂管和排水頂管，兩個(gè)管道的長(zhǎng)度分別為545.5m 與168.8m。

完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的勘查與工程施工相關(guān)準(zhǔn)備工作后，由專業(yè)施工人員在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工。完成施工后，隨機(jī)在埋設(shè)的管道上布置測(cè)點(diǎn)，根據(jù)已知信息與未知信息，采用提出的基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)方法，圈定施工區(qū)域，并對(duì)公路頂管施工道路沉降區(qū)段構(gòu)建道路沉降區(qū)段預(yù)測(cè)模型。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)可能誘發(fā)道路沉降的因素，建立公路頂管施工道路沉降層次化評(píng)價(jià)體系。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建道路沉降評(píng)價(jià)矩陣，采用對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化的方式，完成對(duì)施工區(qū)段沉降評(píng)價(jià)結(jié)果的量化。在該區(qū)域安排了8 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別為E1～E8，圖2為本次雨污分流管道工程部分施工區(qū)域平面圖。

圖2 部分施工區(qū)域平面圖

選擇E1 測(cè)點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn)，記錄實(shí)測(cè)沉降結(jié)果與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法量化得到的沉降結(jié)果，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的直觀性，將其繪制成折線圖，E1 測(cè)點(diǎn)沉降結(jié)果如圖3所示。

圖3 E1 測(cè)點(diǎn)沉降結(jié)果

統(tǒng)計(jì)E1 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)結(jié)果，將已知數(shù)據(jù)代入下述計(jì)算公式，計(jì)算公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果誤差率，計(jì)算公式（5）如下。

式（5）中：表示道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果誤差率；表示評(píng)價(jià)沉降值；表示實(shí)測(cè)沉降值。

按照上述計(jì)算公式，計(jì)算8 個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差率，計(jì)算沉降評(píng)價(jià)結(jié)果誤差率，公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果誤差率對(duì)比如表2所示。

表2 公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果誤差率對(duì)比

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)方法，設(shè)計(jì)的基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)方法，在實(shí)際應(yīng)用中不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路頂管施工點(diǎn)沉降值的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，也可以降低沉降評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差率，保證對(duì)道路沉降評(píng)價(jià)的高精度。

3 結(jié)語(yǔ)

為了確保工程的高質(zhì)量完成，提出了在公路工程建設(shè)中采用頂管施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)開挖施工的作業(yè)模式。為了解決頂管施工中的沉降問(wèn)題，從構(gòu)建道路沉降區(qū)段預(yù)測(cè)模型、建立公路頂管施工道路沉降層次化評(píng)價(jià)體系、基于評(píng)價(jià)矩陣的道路沉降評(píng)價(jià)結(jié)果量化三個(gè)方面，對(duì)基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評(píng)價(jià)方法展開設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)例證明了設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路頂管施工點(diǎn)沉降值的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，也可以降低沉降評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差率，實(shí)現(xiàn)將誤差率控制在1.0%以內(nèi)。