巖溶?侵蝕地質(zhì)下隧道管片上浮影響因素研究

劉敦文，周唱曉，鐘愛軍，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 長沙 410083；2. 衡陽市城市建設(shè)投資有限公司，湖南 衡陽 421000)

為了及時排除過江隧道盾構(gòu)掘進時管片上浮的安全隱患，保證隧道施工安全和質(zhì)量?；诤怅柡辖紫娼淼拦芷┕嵗紤]過江隧道施工區(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)隧道安全評價方法；建立一套影響盾構(gòu)隧道管片上浮的評價指標(biāo)體系，并通過云模型算法得出綜合評價數(shù)字特征并生成云滴圖。計算結(jié)果表明：基于云模型的安全評價方法能量化管片施工的定性評價標(biāo)準；采用云模型的評價方法能降低評價標(biāo)準的主觀性，在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，能為隧道施工過程解決管片上浮提供一定的對策和參考。

管片上??；云模型；盾構(gòu)施工；巖溶?侵蝕地質(zhì)

衡陽市合江套湘江隧道是國內(nèi)首條穿越溶蝕地層、含硫酸鹽等腐蝕性地層的過江盾構(gòu)隧道，地層透水性強且與湘江連通，同時受注漿壓力等影響，管片上浮問題相比于一般盾構(gòu)隧道更加嚴重。目前，針對盾構(gòu)隧道的管片上浮問題研究較多，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)場試驗段，分析不同單一因素對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理，針對某一主要影響因素進行分析[5]；但實際上，隧道施工過程中管片及其周邊圍巖、附屬設(shè)施和施工擾動都會引起管片上浮，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，具有一定的隨機性和模糊性，無法準確可靠地進行評價[6]。既有研究中，針對溶巖?侵蝕耦合作用下的地質(zhì)條件的研究鮮見，亟待開展在此類地質(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，通過云模型和安全評價方法，建立針對巖溶?侵蝕特殊地質(zhì)條件的管片上浮影響因素并進行掌握；基于實際工程現(xiàn)場驗證，得出合理的盾構(gòu)隧道管片上浮評價結(jié)果，以期針對造成管片上浮的風(fēng)險指標(biāo)提出針對性的措施建議。

1 云模型基本理論

云模型是由我國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)上通過賦予樣本點以隨機確定度來刻畫概念中的隨機性、模糊性及其關(guān)聯(lián)性。通過特定算法形成數(shù)字特征表示的某個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個數(shù)字特征來整體表征云模型，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性，是定性概念在論域空間中可接受的范圍，且熵值越大，認知越不準確；超熵He，表示熵的不確定度量，由熵的隨機性和模糊性共同決定。根據(jù)云模型概念，隧道施工評語等級及評語云參數(shù)可由式(1)確定。

其中：max和min分別為對應(yīng)等級標(biāo)準的最大、最小邊界值；根據(jù)變量的模糊閾度進行調(diào)整的常數(shù)，本文取1。

1.3 云模型的計算

云模型中2個關(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，其過程如圖1所示，將定性語言轉(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，為方差生成一個正態(tài)隨機數(shù)En′；

2) 以為期望值，為方差生成一個正態(tài)隨機數(shù)；

4) 得出云滴(,)；

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

2 盾構(gòu)隧道管片上浮云模型體系

2.1 評價指標(biāo)體系及權(quán)重的確定

根據(jù)衡陽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?？紤]到以上特殊條件，結(jié)合既有管片上浮影響因素，選取安全評價指標(biāo)，并根據(jù)層次分析法建立遞階的安全評價指標(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指標(biāo)，再將各一級指標(biāo)分別繼續(xù)劃分，得出15個子指標(biāo)，以此類推，最終構(gòu)建管片上浮指標(biāo)評價體系。其中，地下水及土層中SO42?離子含量較高且對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕主要也來源于腐蝕介質(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)評價體系

表1 管片上浮影響因素指標(biāo)權(quán)重

基于圖2指標(biāo)評價體系，采用層次分析法確定評價指標(biāo)體系各因子的權(quán)重。通過專家評分對各一級指標(biāo)以及二級指標(biāo)建立相應(yīng)的判斷矩陣，然后利用Matlab計算指標(biāo)權(quán)重，并進行歸一化處理。結(jié)果如表1所示。

2.2 建立標(biāo)準云評價模型

管片上浮評價指標(biāo)中，部分因素可以進行定性的分析，用模糊的定性詞語集表示，采用專家打分法進行評定。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)文獻進行具體的量化，得出定量的評價結(jié)果，見表2。同時，根據(jù)專家意見，建立統(tǒng)一的管道上浮影響因素評價標(biāo)準，分為A(優(yōu)，80-100)，B(良，60-80)，C(中，30-60)，D(次，0-30)4個評語等級，并根據(jù)式(1)將評分語言轉(zhuǎn)換為標(biāo)準評語云模型，其數(shù)字特征為：(90，3.333，1)，(70，3.333，1)，(45，5，1)和(15，5，1)。

表2 等級分類標(biāo)準

2.3 云評價模型的生成

用一維逆向正態(tài)云發(fā)生器對專家打分的結(jié)果進行處理，從而將定量數(shù)值的打分結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ愿拍?。設(shè)進行打分的有位專家，為第(1，2，…，)個專家對某個因素打分的數(shù)值。根據(jù)式(2)求出該因素的云模型特征數(shù)字，及；將二級指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準化得到對應(yīng)指標(biāo)云模型特征數(shù)字，及；通過式(3)將各二級指標(biāo)評語云(子云)轉(zhuǎn)化為4個一級因素評語綜合云(父云)，進而得出管片上浮影響因素指標(biāo)評價的整體云模型，將其同標(biāo)準云共同轉(zhuǎn)化為云滴圖。根據(jù)式(4)計算出綜合評價云對各等級確定度，將結(jié)果與生成的綜合云滴進行比較，客觀判斷其準確性。

3 工程實例分析

依托衡陽市合江套湘江隧道工程，該隧道是國內(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。考慮到施工區(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)段進行評價。該地段主要為強風(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，施工中刀具磨損嚴重。隧道穿越含可溶性鹽類的溶蝕空洞段，地層透水性強且與湘江連通，長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)工程實際情況對各二級指標(biāo)進行取值，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，對應(yīng)載荷釋放系數(shù)為0.1。另外，V13和V14為施工段測試點數(shù)據(jù)平均值，具體取值見表3。其余定性因素由專家打分完成，結(jié)果見表4。

表3 管道上浮影響因素指標(biāo)數(shù)值

表4 專家打分結(jié)果

3.1 特征數(shù)字計算

根據(jù)式(1)計算得出各指標(biāo)對應(yīng)的特征數(shù)字，并將其進行歸一化，得出標(biāo)準云模型特征數(shù)字，見表5。其余各因素根據(jù)專家打分結(jié)果，使用逆向云發(fā)生器計算式(2)，求得各評價因素的云模型數(shù)字特征，見表5。

根據(jù)式(3)求得4個一級指標(biāo)評價云模型特征數(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個一級影響因素的云數(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Matlab 2015a工具生成管道上浮影響因素綜合云滴圖，并與標(biāo)準評語云進行比較，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價云滴圖

由圖3可知，綜合評價云滴(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)字特征對各等級的隸屬度且由結(jié)果可知，X對應(yīng)數(shù)值為良時取值最大，與綜合評價云的結(jié)果一致。由此推斷，該管片上浮危害控制水平為良好，與實際工程比較，結(jié)果較一致。

由一級影響因素云數(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)，需要針對該特殊地形對隧道管道進行專業(yè)施工，防止管片上浮。如：對管道外層涂抹防腐材料防止腐蝕侵蝕。同時，盾構(gòu)施工工藝和同步注漿所占權(quán)重較大，可通過提高其安全質(zhì)量來降低對管道上浮的影響。如：控制盾構(gòu)機掘進速度及軸線偏差、對盾尾空隙進行快速注漿，在管道連接處增加縱向螺栓數(shù)或加設(shè)剪力銷，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)量安全評價研究文獻和現(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、適用于過江隧道管片上浮影響因素評價指標(biāo)體系，得出一套適用于過江隧道管片上浮影響因素評價的等級分類標(biāo)準。

2) 采用云模型對隧道管片上浮影響因素進行分析評價，將管片上浮影響因素的不確定性和隨機性轉(zhuǎn)化為定量數(shù)值，使評價結(jié)果具有準確性和可行性。在為管道上浮影響因素提供了一種新的評價方法的同時，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用價值。

3) 本文采用的評價指標(biāo)適合巖溶-侵蝕耦合地區(qū)，選取了地質(zhì)相對復(fù)雜程度較低的盾構(gòu)開挖段，而對于整體復(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)，對于后期運行數(shù)據(jù)監(jiān)控需進一步加強。

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(編輯 陽麗霞)

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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2016zzts459)

劉敦文(1971?)，男，湖南衡陽人，教授，博士，從事巖土工程災(zāi)害監(jiān)測及安全評價研究；E?mail：liudunwen@163.com