盾构始发与到达设计与施工决策分析系统研制

朱世友，李元海，林志斌

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133;2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

0 引言

随着城市交通的迅速发展，盾构法以其特有的优势在地铁建设中得到了广泛的运用。盾构始发和到达施工是盾构法的一个主要风险集中点，目前，国内外对该阶段的设计与施工都非常重视，通常采用地层加固、专门密封防水措施、制定专项施工组织、加强检查和监测等方法来保证施工安全，但工程事故仍然时有发生，如上海地铁4号线6标段的管片吊机事故［1］，沈阳地铁某区间的涌砂、冒浆和掌子面坍塌事故［2］，深圳地铁5号线宝华站南到达端头地层的加固体失效事故［3］等。

分析这些事故原因，除部分因为地下工程的复杂性和可控性较差外，主要还是因为对工程的认识不足，采取的技术方案不当、措施不得力等原因，为此付出了巨大的代价，小事故影响工期、造价，大事故造成人员伤亡、盾构机和主体结构损毁等。这反映了一种现实情况，盾构始发和到达施工技术并不复杂，但不同的技术措施所带来的施工问题和技术风险没有得到深入认知，而且很多侥幸事例又模糊了这种认知;因此，需要根据工程实例、经验结合理论对这种风险进行分析研究，制定一些设计和施工技术标准。现阶段，国内盾构法的工程经验和实例很多，而相关系统研究都只针对盾构法掘进过程中的地层变位决策［4－5］或盾构法本身的施工辅助决策［6］，还没有关于盾构始发与到达这一项的研究。

因此，研究盾构始发和到达施工决策系统，对盾构始发和到达阶段的标准化设计施工、风险分析和评估，有利于提高盾构施工的效率，保障工程后续施工以及日后运营安全。本文采用理论分析结合工程实际的方法，研究开发盾构始发与到达施工决策分析系统。

1 盾构始发与到达施工决策方法

盾构始发与到达施工决策的主要内容包括端头地层的稳定性分析、端头地层加固方法选择、端头地层合理加固范围确定、施工风险分析与评价和施工流程的标准化施工组织设计等。盾构始发与到达施工决策系统对以上几项内容实现决策的方法流程如图1所示。

图1 盾构始发与到达施工决策方法流程图Fig.1 Flowchart of decision-making method of shield launching and arrival

首先，由用户输入盾构始发与到达工程的相关工程资料，包括工程概况、工程地质条件、水文地质条件和周边环境条件;然后，系统根据这些输入的基础资料，从宏观上根据各类土抗剪强度的高低及其变化特征以估计端头地层的稳定性;接着，系统再凭地层稳定性判断结果和已输入的工程资料，由设计得出的端头地层加固方案推理机推理得到该工程的适用加固方法，同时由加固方案风险基准库中给出这些适用加固方法存在的风险以及相应的规避措施;然后，用户需要输入采用这些加固方法加固后的地层相关参数，系统就会对每种加固方法进行合理的加固范围确定;而后，用户需要考虑各加固方法存在的风险、加固范围以及造价来选择，系统就会采用专家调查法和层次分析法来对该工程进行风险评价和风险评估，得到该工程的风险等级以及各项风险因素影响权系数;最后，用户只需对始发施工或到达流程中的一些内容进行简单选择(如选择基座的类型、洞门防水密封方式)后，系统就会自动生成始发到达的标准化施工组织。当系统对以上内容决策完毕之后，系统保存以上决策结果后，一起输出到用户指定的Word文档中。

2 施工决策系统的总体功能设计

由于盾构始发与到达施工决策系统开发的主要目的是为新建工程提供风险分析和相关决策，因此该系统应实现以下功能。

2.1 数据库的管理

此功能包括对工程案例知识库、标准知识库、工程数据库实现新建、编辑、更新、查询和统计等。

2.2 决策分析

1)基于知识库的工程类比分析。系统根据用户指定的相似条件在现有工程案例知识库中自动搜索得到与新建工程相似的工程案例。

2)端头地层稳定评价。根据具体工程的地质和水文条件以及相应的工程信息，系统自动对端头地层进行稳定性评价。

3)加固方案推理。根据稳定性评价结果、具体工程水文地质条件以及相应的工程信息，系统能够自行推理得到适合该工程的端头加固方案。

4)加固范围确能。对新建工程进行合理加固范围的确定，满足施工稳定要求。

5)造价估算。对盾构始发和到达工程的造价进行估算。

6)风险评估。对具体工程的各项风险评判内容进行不同时间段的评估，预测其风险等级，同时根据风险等级给出不同的规避措施。

7)风险分析。对具体工程潜在的致险因素进行分析，得到各致险因素的权系数，从而在施工中可以权衡轻重，合理选择一些预防措施。

8)施工组织设计。根据具体工程地质水文条件以及相应的工程信息，系统能够自行推理创建适合该工程的标准化施工组织设计文档。

2.3 辅助功能

1)数据交换。本系统和外界系统进行数据的交换，如具体工程信息的导入、导出等。

2)报表绘制。对具体工程及其分析结果进行报表自动生成、绘制和打印输出。

根据上述系统功能需求，系统总体功能框架结构如图2所示。

图2 系统总体功能设计图Fig.2 General structure of system functions

3 盾构始发与到达施工决策问题分析

3.1 工程案例数据库创建

盾构始发与到达施工决策系统的基础是一个包含多个工程的工程案例数据库。为此，通过搜集盾构始发和到达工程实例及相关事故资料;然后将每个工程按基本工程概况、地质条件、周边环境状况、施工组织、事故状况、监测数据、工程图境等9项进行分类信息提取、保存(如图3所示)，保存模板分为综合信息Word文档、表格信息Excel文档、图像信息文件夹文档三类;再将每个工程的“三类文档”内容录入到盾构始发与到达施工决策系统中，从而生成多个工程数据表，构成案例数据库中的一部分;当所有工程录入系统完毕后，就初步形成一个由多个工程构成的案例数据库，为盾构始发与到达工程类比分析、风险分析与辅助方案决策提供了基础数据支撑。

图3 工程案例数据表内容Fig.3 Database of engineering cases

3.2 风险分析方法

本系统采用专家调查法和层次分析法对新建工程进行风险评价和评估。其中，专家调查法主要用于进行各工况的风险评估，分析过程主要包括2个步骤:1)确定风险评价标准，本系统风险评价标准参照建设部的《地铁及地下工程建设风险管理指南》［7］确定，同时，根据不同风险发生的概率和风险事故损失等级，建立风险分级评估矩阵，不同风险需采用不同风险管理和控制措施、不同等级风险的接受准则和相应控制对策;2)利用专家调查法进行各工况风险评价，聘请业内一些工程经验丰富的专家对风险进行辨识所得出的各工况风险发生概率和风险损失等级进行评价。

层次分析法主要用来计算各工况致险因素权系数。根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型［8］，如图4所示。并最终把系统分析归结为最底层(供决策的方案、措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。

图4 盾构始发与到达风险评估层次分析结构总图Fig.4 Hierarchy analysis structure of risk assessment for shield launching and arrival

3.3 施工组织设计标准化方法

盾构始发与到达施工组织设计标准化的方法是:首先确定盾构始发与到达施工组织的主要设计项，然后将各主要设计项的内容进一步分解，最后将各分解项的静态内容与动态内容整合，得到一个始发或到达工程的标准施工组织设计说明书。

1)确定盾构始发与到达施工组织的主要设计项，如图5所示。

2)各主要设计项内容的进一步分解。

①地层稳定分析的分解。将地层稳定分析内容进一步分解为端头地层地质状况、各单层土层稳定性判断及端头地层综合稳定性判断。

②端头地层加固分析的分解。将端头地层加固分析内容进一步分解为端头地层加固方案推理、可用加固方案风险分析、最终加固方案加固范围计算、最终方

案风险控制措施以及最终加固方案施工控制措施。

图5 盾构始发与到达施工组织的主要设计项Fig.5 Main design items of execution organization of shield launching and arrival

③始发施工流程设计的分解。将始发施工流程设计的内容进一步分解为盾构始发施工概述、盾构始发基座安装定位、盾构机组装与空载调试、盾构始发洞门凿除、始发反力架安装固定、洞门防水密封安装、盾构始发导轨安装、安装负环管片和出洞后回填注浆。

④盾构始发与到达姿态控制的进一步分解。分解为盾构轴线偏差控制要求、盾构水平偏差和垂直偏差的控制和盾构偏转角的控制3部分。

⑤到达施工流程设计的分解。将到达施工流程设计的内容进一步分解为盾构到达施工概述、盾构到达洞门凿除、到达洞门密封安装、盾构到达基座安装、盾构到达导轨安装、盾构到达段管片安装。

⑥盾构到达密闭接收装置的进一步分解。将盾构到达密闭接收装置的内容进一步分解为到达段端头处理、洞门混凝土凿除及回筑、密闭接收装置制作、密闭接收装置安装、填料及密闭试压检查。

3)各分解项的内容填充。根据内容随工程的变化情况将施工组织设计内容分为“静态”内容和“动态”内容2部分。进行各分解项填充时:首先，将各分解项的静态内容和动态内容存储在数据库中，静态内容可按文本格式直接存储，动态内容则以动态参数代替动态变化内容后按静态内容的方式进行存储;然后，根据具体工程情况，提取该工程各分解项的动态内容和静态内容，其中各分解项的静态内容可直接提取，动态内容则要求用户输入相关数据，系统根据这些数据进行判断、替代或计算后，将动态内容的动态参数变为静态参数后再导出该项的动态内容(如当一个工程可供采用的加固方案有多种时，系统会要求用户主观选定其中的一种作为最终加固方案，然后系统才能对最终加固方案的风险控制措施项或加固范围计算项进行标准设计;再如进行最终加固方案的加固范围计算时，需要用户输入加固体的抗剪强度、抗弯强度等参数后，系统才能对最终加固方案的加固范围进行计算分析并导出);最后，将提取出的各分解项的静态内容与动态内容进行融合，得到一个具体工程的标准化施工组织设计说明文档。

4 盾构始发与到达施工决策系统开发

盾构始发和到达施工决策系统的开发主要采用面向对象开发软件Delphi结合SQL Server数据库来实现。其中SQL Server数据库主要用于存储和输出盾构始发与到达案例知识库和标准知识库的所有资料;Delphi软件主要用于系统的界面设计，以及通过编程实现相关的功能。软件系统界面设计如图6所示，主要包括主菜单、工作空间管理器、工程显示区和状态栏等部分。

图6 盾构始发和到达施工决策软件系统界面Fig.6 User interface of decision-making of shield launching and arrival

1)主菜单。包括系统中能够实现的全部功能，如文件、编辑、查询、风险评估、方案决策、报表、知识库、工具、帮助几类子菜单以及一个快捷工具栏等。

2)工作空间管理器。工作空间管理器位于整个界面的左侧，是用户管理具体工程项目的辅助工具，可对具体工程及其子项进行查询、编辑、删除等操作。

3)工程显示区。工程显示区主要用于显示一个具体工程的相关信息，包括工程概况、地质条件、周边环境、施工设计等。

4)状态栏。状态栏主要用于标识用户的当前选择项以及显示一个工程从一个数据库拷贝或转移到另一个数据库时的进度情况。

4.1 端头加固方案推理

1)端头加固方案推理机构建。通过查阅相关工程资料，对各工程采用的端头加固方案进行归纳总结，确定了盾构始发到达工程中可能用到的22种加固方案，同时对这22种方案各自的适用条件和不适用条件进行理论分析研究，构建得到了端头加固方案推理机。

2)端头加固方案推理。当用户输入相关参数(隧道外径和埋深信息、工程地质条件和水文地质条件、周边环境状况等)后，系统就可以根据端头加固方案推理机进行加固方案推理，推理结果包括不宜采用的加固方法、允许采用的加固方法和建议加固方法等，如图7所示。

图7 端头加固方法推理Fig.7 Inference of end soil reinforcement method

4.2 端头地层合理加固范围确定

“端头合理加固范围确定”这一功能的主要目的是对用户选定的加固方案确定合理的加固范围，从而保证地层加固效果的同时又降低工程造价。当用户需要确定一个工程最合理的端头加固方案合理加固范围时，首先需要选择一种加固方法并输入相关参数，然后系统就会自动计算出加固体的合理加固厚度、洞周加固宽度、洞周上下部加固高度等，并将计算分析过程和计算结果显示出来，如图8所示。

图8 端头加固土体范围确定Fig.8 Determination of end soil reinforcement range

4.3 风险分析与评估

风险分析与评估的主要功能是确定各个风险影响因子的重要性权重系数及相应的风险等级，进而决定采用何种风险规避措施，达到降低工程风险的目的。风险评估采用专家调查法，通过专家对“发生概率”和“损失后果”这2项内容进行打分后，系统会根据这2项内容，对照风险基准表，自动判别出该风险项的风险等级，并显示在“风险等级”这一栏中，如图9所示。

风险分析采用层次分析法，用于确定各个风险影响因子的重要性权系数，其需要通过专家进行打分后才能得到分析结果，如图10所示。

图9 风险评估界面Fig.9 User interface of risk assessment

图10 “风险分析”结果Fig.10 “Risk analysis”result

4.4 标准施工组织设计

“标准施工组织生成”的软件界面如图11所示。其中“端头加固方案推理”、“加固方案风险分析”、“合理加固范围”、“反力架位置确定”和“反力架支撑验算”这几项内容都可由软件自动分析计算;而盾构始发基座型式、洞门密封型式和负环管片型式则需要用户进行简单选择。各项内容选择完毕后，系统就会将该工程的静态内容和动态内容进行标准化组合后，保存到用户指定的Word文档中。

图11 “标准施工组织设计”界面Fig.11 User interface of“Standard execution organization design”

5 结论及建议

5.1 结论

1)通过对盾构始发和到达风险的影响因素研究，并结合工程经验认识，提出了盾构始发和到达的风险分类(地层加固风险、机械或支撑系统风险、盾构安装或掘进控制风险);并以此为基础，研究了不同加固方案下盾构始发与到达施工存在的风险问题，提出了相应的风险控制措施，可为工程风险控制提供有价值的参考。

2)通过对端头地层稳定性的研究，提出了端头地层稳定性分析与判别方法，并以此为基础，根据不同工程地层的土质、水文、环境条件及其保护等级，构建了始发与到达加固知识库，为盾构始发与到达加固方案决策奠定了基础。

3)基于盾构始发与到达工程案例的搜集、整理和归类，建立了一个包含100项工程的工程案例数据库，各项工程都包含工程概况、地质条件、环境状况、加固方案、风险状况、监测数据和图像等，为决策系统提供了数据支撑，并为今后工程积累了宝贵的资料。

4)基于SQL Server数据库，研制出盾构始发与到达施工决策系统，功能包括案例数据库创建、编辑、更新、查询、统计、分析及加固参数计算、加固方案推理、造价估算及标准化施组设计等，有助于盾构工程设计与施工方案的科学决策。

5.2 建议

1)“专家调查法”和“层次分析法”是目前风险分析和评估中最常用的方法，但这2种方法都需要专家来进行主观打分或赋值，一定程度上限制了其使用范围，下一步研究中，可在此基础上，增加一种较为客观的风险分析方法来对盾构始发到达工程风险进行客观评价。

2)由于盾构始发与到达工程案例涉及到的数据种类和数量大，本文案例数据库仅设计了一部分数据库结构来存储其中的关键数据;随着时间的推移，会有大量新的工程案例不断涌现，同时工程的数据需求也可能发生改变，因此需对软件系统中的工程案例数据库进行进一步完善和扩充。

3)本文建立的是一个运行在单机桌面环境下的盾构始发与到达设计和施工决策辅助系统，下一步研究应建立一个基于互联网的盾构始发与到达设计和施工决策系统，同时增加方案的经济分析功能，以实现工程案例数据库信息远程共享与更好的科学决策分析。

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