天津地鐵盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及精細(xì)化控制研究

路　平， 鄭　剛, 張穩(wěn)軍， 雷華陽

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院， 天津　300072； 2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津　300072)

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天津地鐵盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及精細(xì)化控制研究

路平1, 2， 鄭剛1, 2, 張穩(wěn)軍1, 2， 雷華陽1, 2

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院， 天津300072； 2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津300072)

摘要：目前我國城市地鐵建設(shè)中對(duì)地表變形的要求愈加嚴(yán)格，僅依靠工程經(jīng)驗(yàn)已很難實(shí)現(xiàn)。結(jié)合天津地鐵天津站—建國道站盾構(gòu)區(qū)間試驗(yàn)段的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對(duì)掘進(jìn)過程中盾殼摩擦力、刀盤扭矩、掌子面壓力和注漿壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降影響進(jìn)行參數(shù)化模擬分析，并針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)造成的地表沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的可拓法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，基于風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估結(jié)果以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到風(fēng)險(xiǎn)失效概率，從而計(jì)算出各致險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)值并提出相應(yīng)的精細(xì)化控制措施。結(jié)果表明： 1)該隧道試驗(yàn)段致險(xiǎn)因子按風(fēng)險(xiǎn)值從大到小依次為盾殼摩擦力、注漿壓力、掌子面壓力、刀盤扭矩； 2)在該區(qū)間后續(xù)下穿高速鐵路的盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動(dòng)制定精細(xì)化的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，最終使地表沉降穩(wěn)定在5.1 mm，滿足了鐵路運(yùn)營的要求。

關(guān)鍵詞：天津地鐵； 盾構(gòu)隧道； 參數(shù)化分析； 地表沉降； 可拓法； 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

0引言

截至2014年，我國已有36個(gè)城市的軌道交通規(guī)劃獲得批準(zhǔn)并開工建設(shè)，盾構(gòu)法作為城市地鐵修建的重要工法也得到了廣泛的應(yīng)用；但盾構(gòu)工程建設(shè)中也受到了周圍環(huán)境的限制與施工控制技術(shù)的挑戰(zhàn)，如下穿高速鐵路時(shí)路基沉降的要求不能超過6 mm，故需要采取精細(xì)化到毫米級(jí)的控制措施，而不能僅僅依靠工程經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境影響的問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了許多參數(shù)敏感性研究。比如： T. Kasper等[1-2]對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體、注漿體的物理力學(xué)性質(zhì)、覆土厚度、掌子面壓力和注漿壓力等進(jìn)行了參數(shù)化分析；沈建奇[3]針對(duì)盾構(gòu)在施工過程中的宏觀穩(wěn)態(tài)特性以及刀盤切削土體的動(dòng)態(tài)特性，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)過程的精細(xì)化數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)法施工關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測及對(duì)各參數(shù)相互關(guān)系的分析；R.Hasanpour等[4]利用有限差分法考慮不同千斤頂頂推力作用以及不同掘進(jìn)速度時(shí)，針對(duì)雙線隧道對(duì)凍土地層變形影響進(jìn)行了研究；徐澤民等[5]描述了天津地鐵3號(hào)線下穿歷史風(fēng)貌建筑時(shí)由于盾殼摩擦過大導(dǎo)致該建筑物產(chǎn)生較大沉降的事故。

另一方面，針對(duì)盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)管理與控制的研究工作也在不斷完善。比如： 2004年，國際隧道協(xié)會(huì)發(fā)布了《隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南》[6]，為隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)管理提供了系統(tǒng)的方法與標(biāo)準(zhǔn)；黃宏偉等[7-8]對(duì)地鐵隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理方面進(jìn)行了研究，提出了基于地鐵建設(shè)與運(yùn)營不同階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制方法，并開發(fā)了風(fēng)險(xiǎn)管理軟件；安永林[9]、彭立敏等[10-11]對(duì)隧道瓦斯突出、塌方、鄰近結(jié)構(gòu)物施工的隧道圍巖變形安全性能等進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，運(yùn)用突變理論和可拓學(xué)理論等開展了應(yīng)用研究；2012—2014年，我國相繼頒布實(shí)施《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[12]和《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[13]，標(biāo)志著我國對(duì)地下工程風(fēng)險(xiǎn)管理與控制的研究具備了可靠的標(biāo)準(zhǔn)化保障。

但目前在針對(duì)盾構(gòu)工程各個(gè)階段對(duì)地表沉降影響的研究中，無論對(duì)計(jì)算結(jié)果還是監(jiān)測結(jié)果的評(píng)價(jià)與控制，人為因素的影響仍占較大比重，且往往停留在對(duì)工程整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)?？赏胤ㄗ鳛榭赏貙W(xué)的主要應(yīng)用之一，為解決實(shí)際工程中的評(píng)估問題提供了新的客觀途徑，可以結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范并基于工程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更精確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，盡可能地降低主觀因素的干擾，從而對(duì)每個(gè)致險(xiǎn)因子的影響進(jìn)行定量的描述與排序，制定出更有針對(duì)性的預(yù)防控制措施，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。此外，盾構(gòu)隧道由于賦存環(huán)境不同，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有地域差異性，需結(jié)合典型地區(qū)具體工程建設(shè)的特點(diǎn)與需求，這方面研究工作尚存不足。

本文將可拓法應(yīng)用于盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降影響的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以天津軟土地層深埋盾構(gòu)下穿鐵路為工程背景，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)化分析的沉降計(jì)算結(jié)果以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)對(duì)周圍地表沉降影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)損失、風(fēng)險(xiǎn)失效概率定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出精細(xì)化的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

1可拓法的基本原理

可拓學(xué)是由我國學(xué)者蔡文[14-15]開創(chuàng)的以物元為基本單位來描述事物可變性的原創(chuàng)性學(xué)科。其中，物元是通過以事物、特征以及事物關(guān)于該特征的量值所構(gòu)成的三元組，即R=(事物，特征，量值)?？赏丶系慕⑹菫榱搜芯繉?duì)象集中不屬于經(jīng)典子集而又能轉(zhuǎn)化得到該子集中的元素，并用關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小來衡量元素和集合的關(guān)系，分出不同的層次，使得經(jīng)典集合中的“屬于”、“不屬于”集合的定性描述發(fā)展成為定量描述元素具有性質(zhì)P的程度及其變化。關(guān)聯(lián)函數(shù)的基本公式為

(1)

式中:X0=[a,b]，X=[c,d]，X0?X0且無公共端點(diǎn)。可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)屬于(-∞,+∞)，擴(kuò)展了模糊集合隸屬函數(shù)只屬于[0,1]的運(yùn)用范圍，評(píng)判結(jié)果更精確[9-11]。

本文提出的基于參數(shù)化分析的計(jì)算結(jié)果采用可拓法進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先需對(duì)試驗(yàn)段的可靠的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使得對(duì)可影響計(jì)算結(jié)果的參數(shù)的評(píng)價(jià)更具有針對(duì)性，從而更合理地指導(dǎo)后續(xù)下穿高速鐵路的精細(xì)化施工?；趨?shù)化分析的可拓法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1　基于參數(shù)化分析的可拓法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

Fig. 1Risk assessment flowchart of extension method based on parametric analysis

2影響參數(shù)確定

2.1工程背景

天津地鐵2號(hào)線建國道站—天津站左線區(qū)間為深埋盾構(gòu)區(qū)間，期間第96—276環(huán)依次下穿鐵路機(jī)待線、津山線、津秦客專聯(lián)絡(luò)線、高速鐵路等鐵路群，如圖2(a)所示，對(duì)地表變形控制較為嚴(yán)格。該區(qū)間試驗(yàn)段下穿鐵路機(jī)待線(96—101環(huán))，隧道覆土厚度約18 m，地下水位埋深約1.8 m，盾構(gòu)斷面穿越地層主要為粉黏、粉砂，特別是隧道斷面底部較厚的⑦4粉砂層，其滲透系數(shù)較大。場地土層分布情況如圖2(b)所示，其修正劍橋模型參數(shù)為通過對(duì)該場地內(nèi)土體取樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)和固結(jié)回彈試驗(yàn)得出。

(a) 場地及監(jiān)測布置平面圖

(b) 土層及監(jiān)測布置剖面圖

2.2盾構(gòu)設(shè)備及參數(shù)

該區(qū)間采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)，長度為8.4 m，直徑為6.4 m，盾殼鋼板厚度為30 mm。該盾構(gòu)可用于管片直徑為6.2 m，長度為1.2 m的隧道施工。該區(qū)間試驗(yàn)段(21—177環(huán))的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果如圖3所示，分別表示了盾殼摩擦Ff、掌子面壓力pN、刀盤扭矩MT、注漿壓力pG的變化趨勢以及波動(dòng)范圍。

(a) 盾殼摩擦

(b) 掌子面壓力

(c) 刀盤扭矩

(d) 注漿壓力

3參數(shù)化分析

3.1分析模型

本文采用ABAQUS建立可考慮流固耦合的三維有限元模型(如圖4所示)，其模擬過程已在文獻(xiàn)[16]中詳細(xì)說明，故本文只進(jìn)行簡要介紹。模型土體的側(cè)向邊界和底層邊界約束了其法向位移，地下水位位于地表以下1.8 m，并在模型側(cè)面施加了孔壓邊界條件。模型中重點(diǎn)研究了土體的短期變形，即暫不考慮盾構(gòu)駛出計(jì)算域后土體長期固結(jié)的影響。

隧道襯砌(350 mm厚殼單元)采用0.75的抗彎剛度有效率來考慮工程中管片錯(cuò)縫安裝的影響，襯砌彈性模量和泊松比分別取25.9 GPa和0.2,厚度為0.03 m的盾構(gòu)機(jī)身也采用線彈性殼單元模擬。根據(jù)K. Komiya等[17]的研究，盾構(gòu)機(jī)身的彈性模量采用10倍鋼材的彈性模量(2 100 GPa)，泊松比取0.2，以此來將盾構(gòu)機(jī)身等效為剛體。盾尾注漿體的模擬采用等效均質(zhì)圓環(huán)法，注漿體彈性模量取500 MPa，泊松比取0.3[1]，這樣注漿體與周圍土體的接觸壓力即為盾尾注漿壓力pG[16]。

圖4　有限元模型示意圖

采用“剛度遷移法”來模擬盾構(gòu)向前推進(jìn)的過程，即盾構(gòu)一步一步“跳躍”式推進(jìn)[4]，推進(jìn)模擬中暫不考慮管片安裝與盾構(gòu)停機(jī)的影響。每次推進(jìn)長度為一環(huán)管片寬度(1.2 m)，盾構(gòu)中已安裝的管片距掌子面的距離為7.2 m。每次掘進(jìn)后掌子面壓力pN、盾殼摩擦力Ff和刀盤扭矩MT都根據(jù)該研究區(qū)段施工中監(jiān)測結(jié)果的取值范圍施加，其施加位置如圖5所示。模型中所采用的掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果及其模擬方法均已在文獻(xiàn)[16]詳細(xì)闡述，故只在此簡述。

圖5　盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)施加示意圖

盾殼摩擦力Ff為盾構(gòu)千斤頂總推頂力F與掌子面頂推力FN的差值。用于克服盾殼摩擦力的頂推力簡化成均布線荷載，沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向施加在盾構(gòu)機(jī)身千斤頂安裝位置(距掌子面4.8 m)的圓周上。面荷載pN沿深度呈梯形分布，作為掌子面壓力施加在隧道掌子面土體上。刀盤正面扭矩MT以刀盤正面切向切削力τ的形式施加在隧道掌子面上，每環(huán)推進(jìn)后切削力變化方向作用在掌子面土體上，以避免盾構(gòu)自身發(fā)生過大的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2計(jì)算結(jié)果

3.2.1結(jié)果驗(yàn)證

圖6顯示了地表橫向沉降槽(ST1-9，X=36 m)和縱向沉降槽(SL1-5，Y=40 m)曲線的發(fā)展變化。圖中同一顏色的點(diǎn)和線分別代表同一施工時(shí)刻的實(shí)測和計(jì)算地表沉降值，可見計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果基本吻合。圖6(a)所示的沉降槽分布符合反向的Gaussian分布曲線，計(jì)算曲線和實(shí)測結(jié)果的反彎點(diǎn)分別位于隧道中心線旁10.3 m和9.0 m。計(jì)算和實(shí)測沉降槽在10月15日(盾尾剛脫出1 d)時(shí)有較大的偏差，這是由于偶然升高的二次注漿壓力暫時(shí)性地抑制了地表沉降的發(fā)展。圖6(b)所示的沉降槽曲線在X=30 m附近的區(qū)段產(chǎn)生了一定程度的反彎，這與J. N. Franzius等[18]描述的縱向沉降槽規(guī)律相符。綜上，可以驗(yàn)證本文模擬方法得到的沉降計(jì)算結(jié)果是可靠的。

(a) 橫向沉降槽

(b) 縱向沉降槽

3.2.2參數(shù)化分析計(jì)算

實(shí)際盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，各個(gè)盾構(gòu)力學(xué)掘進(jìn)參數(shù)不是恒定不變的，均在一定的取值范圍內(nèi)波動(dòng)，該取值范圍的確定可以通過對(duì)圖3實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得到，并將每個(gè)取值范圍內(nèi)等分成5個(gè)等級(jí)。本文以該盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)在各自取值范圍內(nèi)變化進(jìn)行了參數(shù)化分析，假定其中一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，其余參數(shù)保持不變(共20組工況)，以此研究盾構(gòu)力學(xué)掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)地表土體沉降的影響，并將盾尾脫出后4 d的計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1　參數(shù)化分析中的地表沉降變化

從表1可以看出，盾殼摩擦力在其取值范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)地表沉降影響的變化幅度最大，刀盤扭矩影響最小。這主要是因?yàn)椋?1)盾殼摩擦力的作用面大小(盾殼側(cè)壁面積176.9 m2)比掌子面壓力和刀盤扭矩的作用面(掌子面面積32.2 m2)大4倍，故盾殼摩擦力的影響更易傳遞到地表； 2)掌子面壓力和注漿壓力參數(shù)自身的相對(duì)波動(dòng)范圍遠(yuǎn)小于盾殼摩擦力； 3)掘進(jìn)過程中刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行而逐環(huán)交替的，從而抵消了一部分刀盤扭矩產(chǎn)生的影響。

4基于參數(shù)化分析結(jié)果的可拓法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估

4.1.1風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)評(píng)估

所謂風(fēng)險(xiǎn)損失，是風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后產(chǎn)生的一系列影響。本文暫不考慮盾構(gòu)掘進(jìn)造成的經(jīng)濟(jì)損失、傷亡損失和工期損失，只研究了最直接影響，即地表沉降超過允許限值，或占用了地表沉降的安全儲(chǔ)備[19]。這就需要對(duì)由各掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)損失的等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，本文采用可拓法進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法可以把是與非的定性描述發(fā)展為定量描述，并通過建立多指標(biāo)的評(píng)估模型，來完整評(píng)價(jià)事物?；谏衔膶?duì)該區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的參數(shù)化分析得到的地表沉降結(jié)果，將該方法引入盾構(gòu)掘進(jìn)過程的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)評(píng)估中，具體如下。

4.1.1.1確定經(jīng)典域與節(jié)域——沉降分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

綜合天津軟土地區(qū)盾構(gòu)實(shí)際施工中對(duì)地表沉降的控制效果以及參考《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[13]關(guān)于盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)對(duì)地表沉降影響程度的界定，將地表沉降的損失等級(jí)分成5種等級(jí)，得到經(jīng)典域

(2)

式中： j =1，2，…m(損失等級(jí)級(jí)數(shù)，m = 5，分別對(duì)應(yīng)于規(guī)范[12]中的E，D，…A級(jí))； i=1，2，…n(掘進(jìn)參數(shù)編號(hào)，n=4)； c1、c2、c3、c4表示影響損失等級(jí)的因素，即出現(xiàn)波動(dòng)的各掘進(jìn)參數(shù)，依次為盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、盾尾注漿壓力； aij和bij分別表示由于第i個(gè)參數(shù)出現(xiàn)第j級(jí)損失等級(jí)時(shí)地表沉降的下限與上限值，各經(jīng)典域具體如式(3)—(7)。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

該盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)損失的節(jié)域Rp，即每個(gè)因素ci波動(dòng)產(chǎn)生地表沉降的全部的可能取值范圍(其中包括由于因素ci波動(dòng)引起其他因素波動(dòng)導(dǎo)致的次生地表沉降等)，故

(8)

4.1.1.2確定待評(píng)物元——沉降計(jì)算值

由上述有限元參數(shù)化分析計(jì)算，現(xiàn)有待評(píng)價(jià)“產(chǎn)品”建國道站—天津站區(qū)間地表沉降損失p，當(dāng)各參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的地表最大沉降計(jì)算值vi(盾尾脫出后4d)分別為v1= 8.8mm、v2= 7.6mm、v3= 7.4mm、v4= 7.9mm，表示成待評(píng)價(jià)物元

(9)

4.1.1.3確定參數(shù)權(quán)重

確定各參數(shù)影響權(quán)重的方法有很多，但大多都帶有一定的主觀性或太復(fù)雜不便于實(shí)際操作。本文采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法確定各參數(shù)影響的權(quán)重，該方法考慮的權(quán)重是相對(duì)具體沉降計(jì)算值與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)變化的，而不是絕對(duì)的，見式(10)，從而更具客觀合理性。

(10)

根據(jù)本工程中vi∈Vip(節(jié)域)，故有

(11)

因?yàn)楸竟こ讨袇?shù)ci對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)落入的損失級(jí)別越大，該參數(shù)需被賦予的權(quán)重越大，故取式(12)。

(12)

故對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中每個(gè)參數(shù)ci的權(quán)重

(13)

由式(12)—(13)計(jì)算得到，盾殼摩擦力的權(quán)重a1為0.313，掌子面壓力的權(quán)重a2為0.270，刀盤扭矩的權(quán)重a3為0.135，盾尾注漿壓力的權(quán)重a4為0.281。

4.1.1.4確定關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

首先，根據(jù)式(1)定義，為了定量地描述每一個(gè)沉降計(jì)算值vi所屬風(fēng)險(xiǎn)損失特征的程度及其變化，其關(guān)聯(lián)函數(shù)見式(14)。

(14)

式中：

(15)

(16)

(17)

式(17)中aip、bip分別為節(jié)域中對(duì)應(yīng)的上、下限，由式(14)—(17)計(jì)算本隧道施工地表沉降關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，然后根據(jù)式(18)計(jì)算隧道施工地表沉降風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。

(18)

經(jīng)計(jì)算可知，待評(píng)價(jià)隧道施工地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)關(guān)聯(lián)度依次為K1(p) = 0.196 7，K2(p)=0.303 3，K3(p)=-0.196 7，K4(p)=-0.598 3，K5(p)=-0.732 2。

4.1.1.5評(píng)估工程綜合風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)

該隧道地表沉降損失p的K2(p)最大，即j0= 2。根據(jù)規(guī)范[12]，建國道站—天津站區(qū)間隧道地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)為“D級(jí)，需要考慮的”。為了進(jìn)一步定量評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)，定義式(19)。

(19)

則有風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)變量特征值

即建國道站—天津站區(qū)間盾構(gòu)施工地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)變量特征值j*= 1.95，表明該隧道施工4個(gè)參數(shù)都有出現(xiàn)波動(dòng)的可能時(shí)，其風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)屬于E級(jí)偏向D級(jí)。

4.1.1.6評(píng)估單一參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)

以上通過可拓法的應(yīng)用可以得到工程綜合風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)，但在實(shí)際工程中為了更有針對(duì)性地指導(dǎo)施工，盡可能規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，也需要對(duì)單一參數(shù)(致險(xiǎn)因子)的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)及其損失變量特征值進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。

當(dāng)該盾構(gòu)隧道施工中4個(gè)參數(shù)其中只有1個(gè)出現(xiàn)波動(dòng)(n=1)，即待評(píng)價(jià)物元R=[ p，c1，v1](這里c1依次表示盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力其中1個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù))時(shí)，按照4.1.1.4節(jié)可以得到，地表沉降的單一參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)依次為“需要考慮的”(K2(p) = 0.38)、“需要考慮的”(K2(p) =0.26)、“可忽略的”(K1(p) = 0.26)、“需要考慮的”(K2(p) = 0.29)。

可見，當(dāng)只有1個(gè)參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，刀盤扭矩對(duì)隧道施工地表沉降產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)最小。此外，根據(jù)式(3)—(7)，通過對(duì)單一參數(shù)盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力出現(xiàn)波動(dòng)進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)評(píng)估，得到相應(yīng)地表沉降上限值，即允許沉降值[δ]依次為15、15、10、15mm。

類似地，可以得到該隧道施工中4個(gè)參數(shù)其中只有1個(gè)出現(xiàn)波動(dòng)(n=1)，即待評(píng)價(jià)物元R=[ p，c1，v1](c1依次表示盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力其中1個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo))時(shí)，地表沉降風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)變量特征值j*依次為2.02、1.91、1.89、1.94。

4.1.2風(fēng)險(xiǎn)損失變量特征值評(píng)估

地表最大沉降增幅Δδmax，i與其參數(shù)相對(duì)波動(dòng)區(qū)間長度ΔLi的比值Mi反映了地表沉降對(duì)各參數(shù)的敏感程度，即

(20)

式中: δmax，i和δmin，i分別為由第i個(gè)參數(shù)波動(dòng)引起地表沉降值的上限與下限，Lmax，i和Lmin，i分別為第i個(gè)參數(shù)波動(dòng)的上限與下限(監(jiān)測值)，Ln，i為第i個(gè)參數(shù)的任一監(jiān)測值，N為監(jiān)測值總個(gè)數(shù)(N=157，如圖3所示)。

比如，掘進(jìn)過程中盾殼摩擦力Ff在6 000～15 600kN出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)(ΔL1=74.1%)，地表最大沉降變化幅值Δδmax，1約3.4mm(5.4～8.8mm)，比值M1=4.58為各參數(shù)中最大(見表2)，表示地表沉降最容易受到盾殼摩擦力Ff出現(xiàn)波動(dòng)的影響。這也說明，一旦風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，盾殼摩擦力對(duì)風(fēng)險(xiǎn)損失影響的程度最大。于是定義各參數(shù)的重要性系數(shù)

。　(21)

建國道站—天津站區(qū)間盾構(gòu)在施工過程中，盡管地表沉降均沒有超過允許上限值[δ]，但最直接的風(fēng)險(xiǎn)損失就是占用了地表沉降的安全儲(chǔ)備。綜上，定義風(fēng)險(xiǎn)損失變量特征值

(22)

式中： [δ]i為第i個(gè)參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)評(píng)估后而得到的地表允許沉降值，由4.1.1.6節(jié)得到[δ]i依次取值為15、15、10、15mm，從而計(jì)算各單一參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)損失變量特征值(見表2)。結(jié)果表明該盾構(gòu)隧道在施工過程中單一參數(shù)盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)損失變量特征值c*依次為2.79、1.52、0.05、2.30。

4.2風(fēng)險(xiǎn)失效概率評(píng)估

第i個(gè)掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)后引起的地表最大沉降δmax，i越接近于地表允許沉降值[δ]i，風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率越高;當(dāng)δmax，i= [δ]i時(shí)，意味著盾掘進(jìn)參數(shù)一旦使地表沉降達(dá)到δmax，i，事故即發(fā)生[19]。故利用式(23)—(24)定義了風(fēng)險(xiǎn)失效概率的簡化計(jì)算方法。

(23)

(24)

式中： [δ]i為通過對(duì)第i個(gè)參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估而得到的地表允許沉降值；Ni為第i個(gè)參數(shù)使地表沉降達(dá)到δmax，i的監(jiān)測值個(gè)數(shù)；N為第i個(gè)參數(shù)的全部監(jiān)測值個(gè)數(shù)。每個(gè)參數(shù)波動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)失效概率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　風(fēng)險(xiǎn)失效概率

根據(jù)規(guī)范[12]，針對(duì)該待評(píng)價(jià)隧道，其盾殼摩擦力出現(xiàn)波動(dòng)引起的失效概率為1.12%，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)失效概率等級(jí)為2級(jí)“可能的”。類似地，掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力出現(xiàn)波動(dòng)引起的失效概率等級(jí)依次為3級(jí)“偶爾的”、2級(jí)“可能的”、3級(jí)“偶爾的”。

當(dāng)然，上述風(fēng)險(xiǎn)失效概率是基于所依托的實(shí)際工程資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的。在該工程中，采用了PLC控制系統(tǒng)后，由掌子面壓力引起的風(fēng)險(xiǎn)失效概率得到了有效的控制(0.65%)。在此前提下，掘進(jìn)參數(shù)的失效概率分析才得到上述結(jié)果。

4.3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)估

4.3.1定性評(píng)估

根據(jù)規(guī)范[12]，可以得到盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)定性的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見表4。盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降的綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，其接受準(zhǔn)則為“可接受的”，需要工程建設(shè)方引起重視，并采取合適的風(fēng)險(xiǎn)防范監(jiān)控措施?？刂品桨概c處置原則： 宜加強(qiáng)日常管理與監(jiān)測；宜實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理，可采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施[12]。

表4　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)

4.3.2定量評(píng)估

圖7表明該盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)施工時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)值最大的致險(xiǎn)因子是盾殼摩擦力(3.13%)，其余致險(xiǎn)因子按風(fēng)險(xiǎn)值從大到小依次為盾尾注漿壓力(1.54%)、土艙壓力(0.98%)、刀盤正面扭矩(0.12%)。故在此區(qū)間后續(xù)下穿高速鐵路的盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，宜針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動(dòng)對(duì)地表沉降的潛在風(fēng)險(xiǎn)制定精細(xì)化控制措施。

5精細(xì)化控制

以上參數(shù)化分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是基于工程實(shí)例進(jìn)行的，包括致險(xiǎn)因子的排序均是基于工程計(jì)算結(jié)果分析而得到的。在該工程中，各項(xiàng)參數(shù)控制均在正常范圍之內(nèi)，特別是掌子面壓力。在此前提下，參數(shù)化分析和風(fēng)險(xiǎn)分析才得到上述結(jié)論。如果各項(xiàng)參數(shù)均產(chǎn)生超過正常值范圍的偏差，則情況要復(fù)雜得多。工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)掘進(jìn)施工參數(shù)偏差超過正常范圍時(shí)，掌子面壓力對(duì)沉降的影響也十分敏感。對(duì)這種更為復(fù)雜的情形，還需專門分析。故以下僅基于該工程的參數(shù)化分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果提出了相應(yīng)的精細(xì)化控制技術(shù)措施。

圖7　各掘進(jìn)參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)值比較

Fig. 7Comparison and contrast among every shield boring parameters in terms of value-at-risk

針對(duì)工程現(xiàn)場掘進(jìn)地層存在變異性，如局部細(xì)砂等，容易造成盾殼摩擦力的波動(dòng)，施工方采用如圖8所示的通過中盾盾殼的徑向孔注入膨潤土潤滑作為預(yù)防措施。此外，也采取適當(dāng)提高注漿壓力并輔以二次注漿作為地表沉降過大的控制措施。

圖8　徑向孔注入膨潤土

當(dāng)采用風(fēng)險(xiǎn)控制措施后，該區(qū)間盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)下穿高速鐵路(254—276環(huán))時(shí)地表沉降時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9　下穿高速鐵路地表沉降時(shí)程曲線

Fig. 9Time-history curve of ground surface settlement when shield boring underneath high-speed railway

由圖9可知，從盾構(gòu)刀盤到達(dá)前15環(huán)開始地表出現(xiàn)隆起，盾構(gòu)通過階段由于膨潤土的注入大大降低了對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，該階段地表幾乎沒有出現(xiàn)沉降，直至盾尾脫出5環(huán)后地表才表現(xiàn)出明顯的沉降趨勢，施工方加強(qiáng)了對(duì)該部位的二次注漿?，F(xiàn)該區(qū)域沉降逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降5.1 mm，滿足鐵路部門的安全運(yùn)輸要求，也表明提出的風(fēng)險(xiǎn)控制措施是合理和有效的。

6結(jié)論與討論

本文以天津地鐵天津站—建國道站深埋盾構(gòu)工程為依托，針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾殼摩擦力、刀盤扭矩、掌子面壓力和注漿壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)周圍地表沉降影響進(jìn)行了參數(shù)化計(jì)算分析，并基于地表沉降的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的可拓法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出了風(fēng)險(xiǎn)值的定量評(píng)估方法與相應(yīng)的精細(xì)化控制措施，得出如下結(jié)論。

1)基于參數(shù)化計(jì)算結(jié)果的可拓法可以用于合理、定量地評(píng)估盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降風(fēng)險(xiǎn)損失模型。基于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的波動(dòng)，該隧道的風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)為“需要考慮的”，風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)變量特征值j*= 1.95，表明該隧道施工4個(gè)參數(shù)都有出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)其風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)屬于E級(jí)偏向D級(jí)。盾構(gòu)盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力之中只有1個(gè)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)損失變量特征值c*依次為2.79、1.52、0.05、2.30。

2)風(fēng)險(xiǎn)失效概率是通過對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測結(jié)果以及風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的。該隧道盾殼摩擦力和刀盤扭矩出現(xiàn)波動(dòng)導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)失效概率等級(jí)為“可能的”，掌子面壓力和注漿壓力出現(xiàn)波動(dòng)引起的失效概率等級(jí)為“偶爾的”。本文參數(shù)化分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是基于工程實(shí)例進(jìn)行的，分析中采用的是成層土，這對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的不確定性。對(duì)不同單一土層的參數(shù)化分析尚需進(jìn)一步研究。

3)以盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)為致險(xiǎn)因子，以地表沉降控制為目標(biāo)進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析，得出該區(qū)間致險(xiǎn)因子按風(fēng)險(xiǎn)值從大到小依次為盾殼摩擦力、注漿壓力、掌子面壓力、刀盤扭矩。在該區(qū)間后續(xù)下穿高鐵的盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動(dòng)制定了精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)控制措施并取得了良好的效果，從而為類似工程中達(dá)到地表“毫米級(jí)”的變形控制要求提供了一定的參考與指導(dǎo)。

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Study on Risk Assessment and Fined Control of Influence of Shield Tunneling on Ground Surface Settlement: A Case Study on Tianjin Metro

LU Ping1, 2, ZHENG Gang1, 2, ZHANG Wenjun1, 2, LEI Huayang1, 2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China；2.KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:The requirements on ground surface deformation in the construction of Metro in urban areas are strict. The influence of shield boring parameters of Tianjin Station Station-Jianguodao Station section of Tianjin Metro, such as shield friction, cutterhead torque, working face pressure and grouting pressure, on ground surface settlement is numerically simulated. The risk assessment based on extension method is made on risk failure grade of calculation results of ground surface settlement under different shield boring parameters. The risk failure rate is obtained based on analyzing on the assessment results of risk failure and measured data of shield boring parameters; and then the risk value of every risk factor is calculated and relative fined control technology is proposed. The results show that: 1) The order of risk factors of the test section based on value-at-risk are shield friction, grouting pressure, working face pressure and cutterhead torque. 2) The final ground surface settlement of 5.1 mm can meet the requirements by using fined control technologies.

Keywords:Tianjin Metro; shield tunnel; parametric analysis;ground surface settlement; extension method; risk assessment

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)02-0170-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.008

作者簡介：第一 路平(1986—)，男，河北唐山人，2015年畢業(yè)于天津大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，講師，主要從事巖土工程以及地下工程的科研與教學(xué)工作。E-mail： paul19866612@126.com。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010CB732106)

收稿日期：2015-08-20; 修回日期: 2015-09-20