岩溶−侵蚀地质下隧道管片上浮影响因素研究

刘敦文，周唱晓，钟爱军，王立新

岩溶−侵蚀地质下隧道管片上浮影响因素研究

刘敦文1，周唱晓1，钟爱军2，王立新2

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2. 衡阳市城市建设投资有限公司，湖南 衡阳 421000)

为了及时排除过江隧道盾构掘进时管片上浮的安全隐患，保证隧道施工安全和质量。基于衡阳合江套湘江隧道管片施工实例，考虑过江隧道施工区岩溶-侵蚀耦合作用下的特殊地形，并结合现有隧道施工时影响管片上浮的重要指标，提出一种基于云模型理论的盾构隧道安全评价方法；建立一套影响盾构隧道管片上浮的评价指标体系，并通过云模型算法得出综合评价数字特征并生成云滴图。计算结果表明：基于云模型的安全评价方法能量化管片施工的定性评价标准；采用云模型的评价方法能降低评价标准的主观性，在现有规范的基础上，能为隧道施工过程解决管片上浮提供一定的对策和参考。

管片上浮；云模型；盾构施工；岩溶−侵蚀地质

衡阳市合江套湘江隧道是国内首条穿越溶蚀地层、含硫酸盐等腐蚀性地层的过江盾构隧道，地层透水性强且与湘江连通，同时受注浆压力等影响，管片上浮问题相比于一般盾构隧道更加严重。目前，针对盾构隧道的管片上浮问题研究较多，并取得了一定成效，肖明清等[1]应用有限元法，对地层材料力学性质、注浆性质等影响管道上浮的因素进行分析；季昌等[2]建立盾构施工参数以及同步注浆浆液配比的现场试验段，分析不同单一因素对施工期管片上浮的影响；谢录科等[3]印证了在粉质黏土地层条件下，控制管片局部上浮的决定性方法是控制壁厚同步注浆压力；黄钟晖等[4]基于盾构隧道纵向等效梁模型厘清了影响管片上浮各因素的权重大小，并提出针对性的控制措施。然而，在盾构隧道管片上浮方面的研究主要集中于研究管片上浮机理，针对某一主要影响因素进行分析[5]；但实际上，隧道施工过程中管片及其周边围岩、附属设施和施工扰动都会引起管片上浮，各方面的共同作用形成了管片系统，而不是某些因素单方面能够控制。因而，停留在传统的定性判断的基础上，具有一定的随机性和模糊性，无法准确可靠地进行评价[6]。既有研究中，针对溶岩−侵蚀耦合作用下的地质条件的研究鲜见，亟待开展在此类地质条件下的管片上浮影响因素研究。本文在云模型理论的基础上，通过云模型和安全评价方法，建立针对岩溶−侵蚀特殊地质条件的管片上浮影响因素并进行掌握；基于实际工程现场验证，得出合理的盾构隧道管片上浮评价结果，以期针对造成管片上浮的风险指标提出针对性的措施建议。

1 云模型基本理论

云模型是由我国李德毅教授首次提出，该方法在结合概率论和模糊数学理论的基础上通过赋予样本点以随机确定度来刻画概念中的随机性、模糊性及其关联性。通过特定算法形成数字特征表示的某个概念与其定量表示之间的不确定性转化模型完全集成在一起，从而构成不确定性概念定性与定量的转换[7]。

1.1 云模型的定义

1.2 云模型的数字特征

用3个数字特征来整体表征云模型，分别为期望Ex(Expected value)、熵En(Entropy)以及超熵He( Hyper entropy)，记作U( Ex，En，He) 。其中，期望Ex指云滴在论域空间中分布的期望，最能表示定性概念；En表示定性概念的随机性，是定性概念在论域空间中可接受的范围，且熵值越大，认知越不准确；超熵He，表示熵的不确定度量，由熵的随机性和模糊性共同决定。根据云模型概念，隧道施工评语等级及评语云参数可由式(1)确定。

其中：max和min分别为对应等级标准的最大、最小边界值；根据变量的模糊阈度进行调整的常数，本文取1。

1.3 云模型的计算

云模型中2个关键算法是正向云发生器和逆向云发生器。本文采用正向正态云发生器，用FCG表示，其过程如图1所示，将定性语言转化为变量数据间，量化定性概念[9]。

图1 正向云发生器

具体算法步骤如下：

1) 以为期望值，为方差生成一个正态随机数En′；

2) 以为期望值，为方差生成一个正态随机数；

4) 得出云滴(,)；

5) 重复1~4步骤，将产生的个云滴绘制成云滴图，即生成云模型。

2 盾构隧道管片上浮云模型体系

2.1 评价指标体系及权重的确定

根据衡阳市合江套湘江隧道的施工地勘资料，由于所在地区的局部地段有溶蚀、空洞等不良地质体，而且穿越区域地下水及土层均含有较高腐蚀性离子。考虑到以上特殊条件，结合既有管片上浮影响因素，选取安全评价指标，并根据层次分析法建立递阶的安全评价指标体系。

其指标体系如下。首先将地质水文、管片、盾构施工工法、同步注浆工艺划分为一级指标，再将各一级指标分别继续划分，得出15个子指标，以此类推，最终构建管片上浮指标评价体系。其中，地下水及土层中SO42−离子含量较高且对混凝土结构的腐蚀主要也来源于腐蚀介质SO42−离子，所以本文中的底层指标V13和V14主要测量地下水及土层中SO42−离子含量。纵向刚度有效率V21参考了管片材料及厚度、接头刚度、管片拼装方式及拼装工艺等因素[4, 10−11]，载荷释放系数V41则为浆液类型(配合比)的体现[1, 12−13]。具体划分指标如图2所示。

图2 管片上浮影响因素指标评价体系

表1 管片上浮影响因素指标权重

基于图2指标评价体系，采用层次分析法确定评价指标体系各因子的权重。通过专家评分对各一级指标以及二级指标建立相应的判断矩阵，然后利用Matlab计算指标权重，并进行归一化处理。结果如表1所示。

2.2 建立标准云评价模型

管片上浮评价指标中，部分因素可以进行定性的分析，用模糊的定性词语集表示，采用专家打分法进行评定。另一些因素则根据《岩土工程勘察规范》GB50021—2009，《公路隧道设计规范》JTG-D70—2004和《公路工程地质勘察规范》JTG-C20—2011等相应规范及相关文献进行具体的量化，得出定量的评价结果，见表2。同时，根据专家意见，建立统一的管道上浮影响因素评价标准，分为A(优，80-100)，B(良，60-80)，C(中，30-60)，D(次，0-30)4个评语等级，并根据式(1)将评分语言转换为标准评语云模型，其数字特征为：(90，3.333，1)，(70，3.333，1)，(45，5，1)和(15，5，1)。

表2 等级分类标准

2.3 云评价模型的生成

用一维逆向正态云发生器对专家打分的结果进行处理，从而将定量数值的打分结果转变为定性概念。设进行打分的有位专家，为第(1，2，…，)个专家对某个因素打分的数值。根据式(2)求出该因素的云模型特征数字，及；将二级指标数据标准化得到对应指标云模型特征数字，及；通过式(3)将各二级指标评语云(子云)转化为4个一级因素评语综合云(父云)，进而得出管片上浮影响因素指标评价的整体云模型，将其同标准云共同转化为云滴图。根据式(4)计算出综合评价云对各等级确定度，将结果与生成的综合云滴进行比较，客观判断其准确性。

3 工程实例分析

依托衡阳市合江套湘江隧道工程，该隧道是国内首条穿越溶蚀地层、硫酸盐等腐蚀性地层的盾构隧道，隧道呈北西−南东向。考虑到施工区水文地质及周边建设环境异常复杂，本文选隧道里程KN4+320~KN4+850盾构段进行评价。该地段主要为强风化粉砂质泥岩，局部为第四系冲洪积圆砾层。主要处于粉质黏土、圆砾及强风化粉质泥岩，呈现典型的“上软下硬”现象，施工中刀具磨损严重。隧道穿越含可溶性盐类的溶蚀空洞段，地层透水性强且与湘江连通，长期处于含较高硫酸盐、氯离子等有腐蚀作用的地下水及土层中，同时受到注浆压力等影响，盾构隧道管片容易出现上浮。根据工程实际情况对各二级指标进行取值，由于隧道位于富水地层条件下，引起管片上浮的主要原因是水浮力的作用，故采用瞬凝浆液同步注浆，对应载荷释放系数为0.1。另外，V13和V14为施工段测试点数据平均值，具体取值见表3。其余定性因素由专家打分完成，结果见表4。

表3 管道上浮影响因素指标数值

表4 专家打分结果

3.1 特征数字计算

根据式(1)计算得出各指标对应的特征数字，并将其进行归一化，得出标准云模型特征数字，见表5。其余各因素根据专家打分结果，使用逆向云发生器计算式(2)，求得各评价因素的云模型数字特征，见表5。

根据式(3)求得4个一级指标评价云模型特征数字如下：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)。综合4个一级影响因素的云数字特征，得出管片上浮影响因素综合云数字特征V=(73.929, 4.354, 1.229)。

3.2 云模型生成

通过Matlab 2015a工具生成管道上浮影响因素综合云滴图，并与标准评语云进行比较，结果如图3所示。其中横坐标代表与定性概念相对应的量化值，纵坐标值为定性概念的定量值的隶属度。

表5 管片上浮影响因素指标数字特征

图3 管道上浮影响因素综合评价云滴图

由图3可知，综合评价云滴(红色部分)大部分位于“良”和“优”之间，根据式(4)得出综合云数字特征对各等级的隶属度且由结果可知，X对应数值为良时取值最大，与综合评价云的结果一致。由此推断，该管片上浮危害控制水平为良好，与实际工程比较，结果较一致。

由一级影响因素云数字特征可知，溶岩-侵蚀耦合作用下的地质条件是影响管道上浮得分较低的指标，需要针对该特殊地形对隧道管道进行专业施工，防止管片上浮。如：对管道外层涂抹防腐材料防止腐蚀侵蚀。同时，盾构施工工艺和同步注浆所占权重较大，可通过提高其安全质量来降低对管道上浮的影响。如：控制盾构机掘进速度及轴线偏差、对盾尾空隙进行快速注浆，在管道连接处增加纵向螺栓数或加设剪力销，加大抗剪能力等[14]。

4 结论

1) 依据隧道施工区溶岩−侵蚀耦合地形的特殊性，在管道施工质量安全评价研究文献和现有规范的基础上，采用云模型和规范相结合的方法最终得出一套合理的、适用于过江隧道管片上浮影响因素评价指标体系，得出一套适用于过江隧道管片上浮影响因素评价的等级分类标准。

2) 采用云模型对隧道管片上浮影响因素进行分析评价，将管片上浮影响因素的不确定性和随机性转化为定量数值，使评价结果具有准确性和可行性。在为管道上浮影响因素提供了一种新的评价方法的同时，为管道施工方案提供了一定的借鉴和建议，具有一定的理论意义和实用价值。

3) 本文采用的评价指标适合岩溶-侵蚀耦合地区，选取了地质相对复杂程度较低的盾构开挖段，而对于整体复杂多变的管片施工段上浮影响因素的确定仍具有一定不足。着重于研究施工期影响管片上浮的指标，对于后期运行数据监控需进一步加强。

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(编辑 阳丽霞)

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

中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016zzts459)

刘敦文(1971−)，男，湖南衡阳人，教授，博士，从事岩土工程灾害监测及安全评价研究；E−mail：liudunwen@163.com