李 健 王穎軼 衛(wèi)俊杰
1. 中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101399;2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240
強(qiáng)滲透富水地層盾構(gòu)隧道施工過程中,由于土體的穩(wěn)定性差,盾尾脫出后環(huán)狀空隙周邊土體極易產(chǎn)生局部坍落,使同步注漿效果難以計算和預(yù)測。同時,地下水滲流和對漿液的稀釋作用增加了漿液滲透擴(kuò)散的不確定性和施工質(zhì)量控制的難度,致使隧道結(jié)構(gòu)局部擠壓、錯臺甚至管片破裂等嚴(yán)重質(zhì)量事故問題頻發(fā)。人們結(jié)合工程建設(shè)需要,圍繞注漿滲透壓力、擴(kuò)散模式、管片受力、隧道結(jié)構(gòu)上浮及控制等進(jìn)行了大量有價值的研究[1-3],但由于工程地質(zhì)因素和施工條件的復(fù)雜性,研究結(jié)果難以滿足工程實際要求。近20年來,人們將數(shù)字化施工方法應(yīng)用于盾構(gòu)隧道工程,以現(xiàn)場監(jiān)測為主要技術(shù)手段,融合模型試驗、數(shù)值模擬等方法,逐步建立了類似于山嶺隧道信息化施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋控制盾構(gòu)施工質(zhì)量的盾構(gòu)隧道信息化施工方法,一定程度上緩解了施工參數(shù)非確定性帶來的施工安全隱患[4-9]。但迄今的盾構(gòu)隧道數(shù)字化施工方法存在以下不足:施工前初始施工參數(shù)選取缺乏理論依據(jù)和科學(xué)預(yù)測方法;盾構(gòu)機(jī)本體占據(jù)了新拼裝隧道80~120 m的軸向空間,實際工程中,隧道內(nèi)不具備及時進(jìn)行底部上浮、凈空收斂、壁后充填狀態(tài)等參數(shù)實時監(jiān)測的條件,無法實施管環(huán)拼裝完成后施工質(zhì)量控制效果的及時監(jiān)測和常規(guī)意義下的快速反饋施工。
本研究在建立盾構(gòu)同步注漿參數(shù)及其作用效果理論預(yù)測方法的基礎(chǔ)上,融合試推檢驗和盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)、第三方位移監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化方法,建立適應(yīng)工程特點的盾構(gòu)隧道數(shù)字化施工及安全控制方法。采用事前理論預(yù)測有效避免單純工程類比法存在的安全風(fēng)險,采用試驗檢驗確保初選施工方法和參數(shù)的適用性。同時,融合盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)和擾動位移第三方監(jiān)測結(jié)果反饋優(yōu)化后續(xù)施工方法和參數(shù),最大限度減少工程監(jiān)測檢測工作量,有效降低工程成本。
根據(jù)盾構(gòu)隧道施工技術(shù)環(huán)節(jié)和工藝特點,數(shù)字化施工系統(tǒng)由工程設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)解讀、注漿滲透理論預(yù)測模型、同步注漿初始參數(shù)比選與優(yōu)化、原位試驗、基于試驗結(jié)果的參數(shù)合理性評價、融合第三方檢測數(shù)據(jù)的后續(xù)工序快速反饋優(yōu)化等模塊和技術(shù)環(huán)節(jié)組成。數(shù)字化施工架構(gòu)及其邏輯關(guān)系如圖1所示。
圖1 數(shù)字化施工技術(shù)架構(gòu)及其邏輯關(guān)系概圖
如圖1所示,根據(jù)已知工程地質(zhì)條件及盾構(gòu)隧道設(shè)計技術(shù)資料,設(shè)定施工計劃、確定施工指標(biāo)體系,初選同步注漿方法和參數(shù)并預(yù)測注漿作用效果。同時,考慮盾構(gòu)同步注漿滲透特性及其作用效果的不確定性問題,隨施工過程設(shè)置管片受力、隧道結(jié)構(gòu)收斂位移、同步注漿漿液擴(kuò)散及注漿充填效果、環(huán)境變化等監(jiān)測,獲得實時多源監(jiān)測數(shù)據(jù)。進(jìn)行系統(tǒng)性反饋分析和后續(xù)工藝、參數(shù)的合理性評價,并通過對后續(xù)工程及區(qū)域地質(zhì)參數(shù)的差異性評價,優(yōu)化完善后續(xù)施工方案及同步注漿參數(shù)。實現(xiàn)盾構(gòu)隧道工程設(shè)計、理論預(yù)測、施工、監(jiān)測反饋、后續(xù)工序優(yōu)化、風(fēng)險預(yù)控等閉環(huán)施工管理。
根據(jù)本文數(shù)字化施工原理和技術(shù)特點,施工工藝流程包括主體技術(shù)環(huán)節(jié)控制下的宏觀工藝流程以及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)內(nèi)的具體實施流程。
1)數(shù)字化施工方法涵蓋盾構(gòu)隧道同步注漿的設(shè)計、參數(shù)選擇、施工、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)反饋分析、施工方法和參數(shù)合理性分析與優(yōu)化全過程。從宏觀層面上構(gòu)建施工方案初步比選、監(jiān)測反饋分析、擾動位移時空效應(yīng)分析、施工方法及參數(shù)動態(tài)優(yōu)化、三維可視化管理一體化閉環(huán)預(yù)控施工方法。
2)在施工方案及其參數(shù)初步比選階段,通過非牛頓流體在土體中的滲透特性的理論研究成果,初選同步注漿方法和參數(shù)并預(yù)測注漿作用效果,使施工組織設(shè)計方案更加科學(xué)和精準(zhǔn)。
3)管片安裝前,選擇典型位置管片預(yù)先安裝高精度壓力傳感器,獲得注漿施工過程漿液及土體對隧道結(jié)構(gòu)的作用力。管片拼裝完成后,安裝隧道結(jié)構(gòu)收斂位移實時監(jiān)測系統(tǒng),獲得施工過程隧道收斂位移的實時信息。同步注漿漿液凝固后,采用全波場等無損檢測方法,沿隧道軸向典型位置設(shè)置測線進(jìn)行檢測,獲得漿液滲透距離、環(huán)形間隙充填狀態(tài)信息。
4)根據(jù)實測獲得的多源數(shù)據(jù)(充填狀態(tài)、漿液滲透狀態(tài)、管片受力分布狀態(tài)、隧道結(jié)構(gòu)收斂位移及其空間分布狀態(tài)),結(jié)合設(shè)計要求的技術(shù)指標(biāo)、施工參數(shù),設(shè)定目標(biāo)控制函數(shù),采用Nelder-Mead算法,對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算,取得更加符合工程實際的優(yōu)化施工方案和技術(shù)參數(shù)。
5)實現(xiàn)基于理論預(yù)測、監(jiān)測檢測反饋分析、分時段工藝及參數(shù)優(yōu)化的閉環(huán)反饋數(shù)字化微擾動同步注漿施工。
將同步注漿漿液視為非牛頓流體,根據(jù)非牛頓流體在土體中的滲透特性,對隧道任意斷面,沿任意θ方向取單位橫斷面積的表征流體柱狀結(jié)構(gòu),柱狀結(jié)構(gòu)模型反映了土體空隙狀態(tài)分布、注漿漿液滲透等共同性能。假設(shè):
① 模型結(jié)構(gòu)中存在n組滲流孔隙通道,其滲透流動特性可簡化為等效的單個滲流柱狀單元。
② 漿液在柱狀結(jié)構(gòu)模型中的塑性黏度、屈服應(yīng)力不受地層及施工因素影響。
③ 漿液與土體之間的剪應(yīng)力均勻分布。
④ 注漿影響區(qū)域內(nèi)土體可處理為各向同性介質(zhì)。
沿隧道徑向取一維局部坐標(biāo)S,建立同步注漿漿液滲透量計算模型如圖2[10]所示。
圖2 滲透注漿量計算模型
圖2中,How為地下水位與隧道軸心的高差,Pw(θ)為微元體所受的地下水壓力。
假定沿隧道軸向注漿滲透作用及漿液分布狀態(tài)相同,取單位長度隧道為研究對象。過隧道軸心取極坐標(biāo)(ρ,θ)。同時,dθ為簡便起見對應(yīng)于的虛擬滲流柱狀結(jié)構(gòu)取一維動態(tài)坐標(biāo)S。
隧道斷面內(nèi)任意方向漿液滲透距離的理論解如式(1)所示[10]。
根據(jù)式(1),可以方便地分別計算出不同孔隙比土體、不同黏稠度漿液、不同注漿壓力等條件下漿液滲透擴(kuò)散距離,預(yù)測相應(yīng)模擬計算條件下漿液充填狀態(tài)、擾動范圍及可能帶來的環(huán)境影響。
考慮到盾構(gòu)管片壁后受力監(jiān)測難度較大、實施成本較高,本研究采用基于工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的差異性選擇試驗段設(shè)置監(jiān)測,以地層工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相近時(差異性影響可以忽略不計),選取1個試驗段布置監(jiān)測即可。當(dāng)后續(xù)工程及區(qū)域工程地質(zhì)參數(shù)差異性不能忽略時,重新考慮設(shè)置必要的監(jiān)測以獲得可靠的數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)序列包括2個方面:隧道管片壁后受力、底板豎向位移、凈空收斂和充填狀態(tài)等隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險控制參數(shù);盾構(gòu)姿態(tài)和同步注漿壓力等施工參數(shù)。前者通過設(shè)置實時監(jiān)測獲得,后者主要通過盾構(gòu)及數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動讀取。
對非線性反饋分析中的誤差泛函求解極小化問題,為了保證問題的收斂或求解過程穩(wěn)定,以及提高收斂速度,需對迭代步長和方向作出引導(dǎo),稱優(yōu)化。非線性優(yōu)化算法本身無法判斷此極小是否就是反問題的解,但卻能提供逼近真實值的解答。通常,優(yōu)化反演問題可表示為式(2):
即在一定的約束條件下,求解目標(biāo)函數(shù)最小值的問題,式中,X=[x1x2…xm]T,hi(X)和gj(X)分別是第i個等式和第j個不等式約束條件,m為待反演的參數(shù)個數(shù)。
對于盾構(gòu)隧道施工控制問題,實質(zhì)是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指標(biāo)約束條件下的施工參數(shù)反演優(yōu)化問題。如上所述,本文將盾構(gòu)施工劃分為初期試驗階段和后續(xù)推進(jìn)階段,分別采用差異性監(jiān)測反饋控制方法:試驗階段采用隧道上浮位移、凈空收斂作為控制性指標(biāo)體系,融合盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)和同步注漿充填效果無損檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化施工;后續(xù)推進(jìn)階段在場地?zé)o明顯差異性條件下,采用隧道上浮位移、凈空收斂和盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)作為控制性指標(biāo),實時正常推進(jìn)狀態(tài)下的數(shù)字化施工。取指標(biāo)體系容許值分別為{[Ud],[Us], [Vij], [P(X)]}(分別為底板豎向位移、隧道凈空收斂、盾構(gòu)姿態(tài)偏差、充填狀態(tài)概率密度等容許值)。對應(yīng)于任意時間tk,定義相應(yīng)指標(biāo)的偏差函數(shù)為式(3):
當(dāng)任意點監(jiān)測值大于容許值時,控制系統(tǒng)自動給出預(yù)警提示。當(dāng)各監(jiān)測值小于相應(yīng)指標(biāo)容許值時,各力學(xué)參數(shù)取值在允許范圍內(nèi),采用線性規(guī)劃法優(yōu)化施工參數(shù)(同步注漿壓力、注漿量、盾構(gòu)推進(jìn)速度等),即〔式(5)〕:
綜上所述,基于理論預(yù)測模型的同步注漿數(shù)字化施工方法的核心是在盾構(gòu)隧道施工設(shè)計初步方案的基礎(chǔ)上,形成以理論預(yù)測、原位監(jiān)測反饋、基于監(jiān)測結(jié)果的同步注漿方法和技術(shù)參數(shù)比選優(yōu)化、后續(xù)施工效果的預(yù)測、三維實時可視化管理,施工方法和參數(shù)優(yōu)化等一體化閉環(huán)控制數(shù)字化同步注漿施工方法。根據(jù)上述數(shù)字化施工總體流程圖及相關(guān)子系統(tǒng)實施流程,實施過程中具體施工控制流程如圖3所示。
圖3 施工控制流程示意
結(jié)合南通地鐵1號線工程,將研究成果示范性應(yīng)用于盤香路—太平路站區(qū)間隧道,隧道區(qū)間長798.7 m,區(qū)段隧道左右線采用盾構(gòu)法施工,線間距為17 m。工程區(qū)域20.0 m深度范圍內(nèi)的土層分布為②粉砂夾黏質(zhì)粉土、③1粉砂夾砂質(zhì)粉土、③2粉砂、④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑤1粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑥粉砂,地質(zhì)及水文地質(zhì)復(fù)雜。
盾構(gòu)隧道基本參數(shù)和同步注漿漿液的技術(shù)性能指標(biāo)如下:盾構(gòu)隧道區(qū)間埋深15.8~20.6 m,盾構(gòu)外徑6 000 mm,管片厚度350 mm,管片寬度1 200 mm,同步注漿液密度≥18 kN/m3、泌水率≤5%、坍落度12~16 cm、20 h屈服強(qiáng)度0.8 kPa、7 d抗壓強(qiáng)度150 kPa、28 d抗壓強(qiáng)度1 000 kPa。
根據(jù)工程經(jīng)驗,依托工程的地質(zhì)條件和隧道埋深,合理的注漿壓力范圍為200~600 kPa。取注漿壓力200、300、400、500、600 kPa,利用式(1)計算獲得對應(yīng)注漿壓力條件下漿液滲透擴(kuò)散距離沿隧道斷面分布并作壓力參數(shù)合理性分析如圖4所示。
圖4 不同注漿壓力條件下漿液在隧道斷面分布狀態(tài)
圖4中橫坐標(biāo)為隧道斷面方位角,0位于隧道底部鉛錘方向并以逆時針方向為正。自下而上曲線分別對應(yīng)200~600 kPa注漿壓力條件下漿液擴(kuò)散范圍。結(jié)果可見,任意注漿壓力條件下,漿液滲透擴(kuò)散距離的最大值位移隧道底部、最小值位于隧道頂部。對于本工程案例而言,當(dāng)注漿壓力為200 kPa時,隧道頂部漿液滲透距離約為1 m(圖中黑色圓點對應(yīng)值),如果存在其他不確定因素影響,注漿充填狀態(tài)將存在不密實或脫空風(fēng)險;當(dāng)注漿壓力等于600 kPa時,隧道底部漿液擴(kuò)散距離將達(dá)到21.47 m(圖中紅色圓點對應(yīng)值),將造成漿液浪費和隧道底部上浮位移增大。隧道斷面內(nèi),合理的漿液滲透擴(kuò)散范圍如圖4中的灰色陰影區(qū)域所示。
因此,對于本工程而言,合理的注漿壓力應(yīng)控制在200~400 kPa范圍內(nèi),以確保隧道頂部不產(chǎn)生脫空又能有效控制注漿量。
3.3.1 隧道結(jié)構(gòu)收斂位移監(jiān)測
試驗段隧道內(nèi)部設(shè)置底板上浮及凈空收斂多點高精度激光監(jiān)測。具體為:盾構(gòu)出洞后,設(shè)置1個監(jiān)測試驗段,此后每個工程地質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)差異顯著的區(qū)間分別設(shè)置1個監(jiān)測區(qū)間;監(jiān)測區(qū)間內(nèi)每管環(huán)設(shè)置1個監(jiān)測斷面,斷面內(nèi)測點可采用頂部和兩幫布置(圖5)。
圖5 隧道變形監(jiān)測點布置示意
3.3.2 同步注漿漿液滲透及分布狀態(tài)檢測
為了檢驗初始注漿參數(shù)取值的合理性,盾構(gòu)推進(jìn)及注漿過程,沿隧道盾構(gòu)隧道斷面每30°方位設(shè)置物理探測(探地雷達(dá)或超聲波或全波場)測線,實時探測注漿漿液的滲透狀態(tài)(滲流特性、滲透深度、加固區(qū)域空間分布等)。測區(qū)及測線布置如圖6所示。
圖6 注漿狀態(tài)檢測示例
3.3.3 基于監(jiān)測結(jié)果的參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化
因工程試驗段緊靠盾構(gòu)工作井,為避免滲漏漿及加固體失穩(wěn)風(fēng)險,采用初步注漿壓力60 kPa。隨盾構(gòu)推進(jìn),實測獲得隧道底部上浮位移和凈空收斂位移如圖7所示。
圖7位移監(jiān)測結(jié)果顯示,設(shè)定的注漿壓力和施工條件下,隧道凈空收斂控制在5.48~5.51 mm范圍內(nèi);隧道底板上浮位移在12.80~14.00 mm之間。僅從隧道結(jié)構(gòu)位移控制效果看,60 kPa的同步注漿壓力總體可行。
圖7 注漿作用下測點位移分布
為考察隧道管片壁后注漿充填狀態(tài),取3號測線全波場無損探測結(jié)果如圖8所示。
圖8 基于波形特征的充填程度及其空間定位
圖8結(jié)果顯示,隧道頂部一定程度上存在充填不密實狀態(tài)和局部脫空的現(xiàn)象,對隧道結(jié)構(gòu)的后期穩(wěn)定性存在風(fēng)險隱患。
根據(jù)圖8所示的隧道同步注漿充填狀態(tài)判斷,60 kPa的注漿壓力無法保證隧道注漿充填效果。同時,考慮圖4所示理論預(yù)測的合理注漿壓力范圍,對試驗段后續(xù)隧道同步注漿壓力作相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整,如圖9所示。
圖9 盾構(gòu)施工同步注漿壓力調(diào)整
圖中,1—32環(huán)為試驗段,33—40環(huán)為注漿壓力調(diào)整段,40環(huán)以后為注漿壓力調(diào)整后正常施工段?;疑幱安糠譃榘磮D4所示理論計算合理壓力范圍。調(diào)整后的同步注漿壓力至280 kPa左右(圖中點線所示的管片環(huán)號40—100環(huán))。參數(shù)調(diào)整后第三方監(jiān)測結(jié)果顯示,隧道底板上浮小于15 mm、收斂小于6 mm、相應(yīng)注漿量約為140%,取得了良好的壁后充填和擾動位移控制效果。
本文融合試推檢驗和盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)、第三方位移監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化方法,建立適應(yīng)工程特點的盾構(gòu)隧道數(shù)字化施工及安全控制方法并在南通地鐵工程中示范應(yīng)用,取得良好的技術(shù)效果。
1)采用事前理論預(yù)測可在工程技術(shù)指標(biāo)控制下,計算獲得盾構(gòu)同步注漿初始參數(shù),有效避免單純工程類比法存在的安全風(fēng)險。
2)考慮盾構(gòu)隧道施工過程無法及時設(shè)計結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的特點,采用設(shè)置試驗段的方法,確保初選施工方法和參數(shù)的適用性。
3)工程實踐表明,對于一定的漿液參數(shù)和工程條件下,注漿壓力存在對應(yīng)的合理取值區(qū)間,小于該區(qū)間的注漿壓力將存在盾尾環(huán)狀空隙充填缺陷和隧道長期穩(wěn)定的風(fēng)險隱患;大于該區(qū)間注漿壓力太多容易誘發(fā)地面冒漿和周邊環(huán)境的損害。
4)本文建立的基于理論預(yù)測模型、現(xiàn)場試推并融合工程類比的數(shù)字化施工方法,可獲得較高精度的初始施工參數(shù),有效把控施工參數(shù)的適用性,并依據(jù)工程及地質(zhì)條件差異性的類比有效預(yù)控后續(xù)工序的技術(shù)風(fēng)險。