獅子洋隧道盾構(gòu)對接方案的模糊判斷法

王連山，奚正平

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009;3.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中各種綜合問題日益突出，而模糊數(shù)學(xué)的出現(xiàn)與發(fā)展對許多領(lǐng)域，尤其是對工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了極大的影響［1］。與經(jīng)典數(shù)學(xué)相比，模糊數(shù)學(xué)在分析復(fù)雜工程問題時(shí)更加顯示其優(yōu)越性，因而近幾年發(fā)展非常迅速。模糊數(shù)學(xué)起源于1965年，由美國加利福尼亞州立大學(xué)的扎德教授創(chuàng)立［2］，解決了實(shí)際工程中無法精確計(jì)算或分析的問題。

在工程施工中，經(jīng)常面臨施工方案選擇問題。對于不確定的質(zhì)量、安全、工期、費(fèi)用等影響因素，作為建設(shè)單位或施工企業(yè)，通常通過費(fèi)用比較或工期比較進(jìn)行選擇，而方案比較中對技術(shù)可行性、施工復(fù)雜程度和安全可靠性等問題，一般只能進(jìn)行定性分析。為使方案選擇評(píng)價(jià)時(shí)盡可能定量化，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)能解決該類問題。黃建光［3］應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對軌道交通設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得到設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)等級(jí)。馮玉坤［4］、趙彬［5］等人應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)模型對房屋建筑工程的造價(jià)估算進(jìn)行研究。邵良杉等［6］對煤礦巷道工程造價(jià)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型研究，采用模糊數(shù)學(xué)中的貼近度等方法，得到擬建工程的造價(jià)。在盾構(gòu)隧道施工中，盾構(gòu)對接方案的選擇一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行比選。本文采用模糊數(shù)學(xué)判斷法對廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道盾構(gòu)對接方案進(jìn)行定量分析，為今后施工方案定量分析及最優(yōu)選擇提供參考。

1 模糊判斷法原理

用以確定使受控系統(tǒng)的給定性能指標(biāo)取極大或極小值的最優(yōu)控制方法，是最優(yōu)控制理論的核心。在工程領(lǐng)域中，最優(yōu)選擇問題也可采用極大值原理所提供的方法和原則來確定。模糊優(yōu)化方法與普通優(yōu)化方法的要求相同，仍然是尋求一個(gè)控制方案，滿足給定的約束條件，使目標(biāo)函數(shù)為最優(yōu)值;其區(qū)別僅在于模糊優(yōu)化方法中包含模糊因素。普通優(yōu)化可以歸結(jié)為求解一個(gè)普通數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，模糊規(guī)劃則可歸結(jié)為求解一個(gè)模糊數(shù)學(xué)規(guī)劃(Fuzzy Mathematical Programming)問題，包含控制變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，其中控制變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件可能都是模糊的，也可能某一方面是模糊的，而其他方面是清晰的。

假設(shè)f:X→R是有界函數(shù)，C∈F(X)，考慮f在C約束下的最大值問題，求解意味著既要最大限度地滿足約束，又要最大限度地達(dá)到理想目標(biāo)，為此定義目標(biāo)函數(shù)f:X→R是有界函數(shù)，C∈F(X)是模糊約束，令D=C∩Mf;Mf是函數(shù)f的無條件模糊優(yōu)越集，稱D為f在C約束下的條件模糊優(yōu)越集，稱f(D)為f在C約束下的條件模糊極大值，它們的隸屬函數(shù)分別為

求解目標(biāo)函數(shù)f(x)在模糊約束C下的條件極大值的3個(gè)步驟:

1)求無條件模糊優(yōu)越集Mf;

2)求條件模糊優(yōu)越集D=C∩Mf;

3)求條件最佳決策，即選擇x*，使

式中:x*是所求的條件極大點(diǎn);f(x*)是在模糊約束C下的條件極大值。

采用上述模糊判斷法原理，可對土木工程施工方案的決策進(jìn)行定量分析。對于盾構(gòu)對接方案，目前僅日本在東京灣采用了機(jī)械對接技術(shù)，而我國對接技術(shù)尚處于空白狀態(tài)。現(xiàn)通過項(xiàng)目工程調(diào)研，采用模糊判斷法對廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道盾構(gòu)對接施工方案進(jìn)行分析和比較。

2 獅子洋隧道盾構(gòu)對接方案

獅子洋隧道位于廣深港鐵路客運(yùn)專線東涌站至虎門站區(qū)間，為全線控制性工程。隧道采用雙孔單線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)速度為200 km/h及以上，最小曲線半徑7 000 m，最大坡度20‰。盾構(gòu)掘進(jìn)通過粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、粗砂、全風(fēng)化至弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粉砂巖和細(xì)砂巖等多種復(fù)合地層，地下水豐富，與珠江水有一定的水力聯(lián)系，具弱承壓水頭，強(qiáng)承壓水占41%。

隧道全長10.8 km，分為 SDⅡ、SDⅢ2個(gè)標(biāo)段，分左右線相向推進(jìn)，在江中對接。襯砌管片采用鋼筋混凝土平板形管片，通用楔形環(huán)雙面楔形(楔形量24 mm)，管片厚500 mm，采用“7+1”分塊模式，環(huán)寬2.0 m。

隧道采用4臺(tái)直徑11.18 m氣壓調(diào)節(jié)式泥水平衡盾構(gòu)，水深26.6 m，設(shè)計(jì)水壓達(dá)0.67 MPa。為確定合理的盾構(gòu)對接施工方案，補(bǔ)充勘察了對接區(qū)域的地質(zhì)情況。對接區(qū)域巖性為泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度 10～25 MPa，滲透系數(shù)0.21 m/d。根據(jù)對接區(qū)域地質(zhì)情況，采用離心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了圍巖強(qiáng)度在10 MPa、巖體厚度為2.5 m、壓力為0.3 MPa情況下巖墻的穩(wěn)定性。模擬實(shí)驗(yàn)顯示，巖墻具有一定的穩(wěn)定性［7］。

盾構(gòu)對接目前有土木對接與機(jī)械對接2種方式［8］。日本東京灣隧道采用了機(jī)械對接方式［9］。根據(jù)獅子洋隧道對接區(qū)域地質(zhì)補(bǔ)充勘探情況，對接方案既可選擇機(jī)械對接，也可選擇土木對接。

3 方案分析

盾構(gòu)在海底對接施工中具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。對接方案是否合理直接影響工程成敗。如果對接不成功，將造成隧道涌水、海底坍塌、隧道被淹等工程事故。對接方案的比較如下:

1)機(jī)械對接。機(jī)械式盾構(gòu)對接法通過在2臺(tái)盾構(gòu)的前緣設(shè)置對接裝置，有效解決對接難題。雖然機(jī)械式對接施工對設(shè)備要求高，但是對接不需要進(jìn)行地層加固，或僅需要進(jìn)行小范圍的地層加固即可，因此施工質(zhì)量高、操作簡單、風(fēng)險(xiǎn)低、安全性高，但由于設(shè)備的特殊設(shè)計(jì)與加工，設(shè)備費(fèi)用引起的施工成本較高。另外，采用機(jī)械式盾構(gòu)對接方案時(shí)，需要對貫通精度及盾構(gòu)姿態(tài)有很好地控制，以保證成功對接。

2)土木地層加固對接。此方案對施工設(shè)備制造的相關(guān)要求低，使設(shè)備的制造工藝簡化，對工程施工更加有利，在獅子洋隧道施工圖設(shè)計(jì)中即采用此對接方案。制造商沿中盾圓周方向均勻布置了22個(gè)超前注漿孔(傾角13°，孔徑100 mm)，該孔既可用于超前注漿，又可利用注漿管作為超前支護(hù)。施工圖設(shè)計(jì)分別在左、右線DIK38+250～+100、DIK38+500～+550段對接，對接處為泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖地層，滲透性高，水壓在0.7 MPa左右。如果采用該對接方案，施工質(zhì)量一般，風(fēng)險(xiǎn)性一般(帷幕注漿的可靠性決定了隧道涌水涌泥的風(fēng)險(xiǎn))，施工安全性較高(采用超前錨桿預(yù)支護(hù)作為輔助施工措施)，計(jì)劃工期5個(gè)月。

3)土木直接掘進(jìn)對接。土木直接掘進(jìn)對接是在2臺(tái)盾構(gòu)相向掘進(jìn)相抵后，開倉將2臺(tái)盾構(gòu)的切口環(huán)采用聯(lián)接鋼板焊接聯(lián)通成整體，在盾殼的保護(hù)下，拆除盾殼內(nèi)部設(shè)備構(gòu)件，再施工鋼筋混凝土襯砌的施工方法［10］。采用土木直接掘進(jìn)對接，設(shè)備可直接采用常規(guī)設(shè)備。與機(jī)械對接、土木地層加固對接一樣，采用土木直接掘進(jìn)對接，盾殼需要設(shè)計(jì)為雙盾殼，不需要地層加固。采用土木直接掘進(jìn)對接，施工安全與質(zhì)量一般，但操作簡單，且在這3種方案中成本最低。但是，采用土木直接掘進(jìn)對接，需要對接區(qū)域的地層具有強(qiáng)穩(wěn)定性及弱透水性。地質(zhì)勘察顯示，DK37+800～+850段主要為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂地層;離心模型實(shí)驗(yàn)研究顯示，該段圍巖具有一定的穩(wěn)定性，滲透系數(shù)0.21 m/d，滿足土木直接掘進(jìn)對接要求。采用土木直接掘進(jìn)對接，可節(jié)約地層加固時(shí)間，工期可提前1個(gè)月左右。

從上述方案比較來看，3種方案各有利弊。為了對上述3種方案進(jìn)行定量分析，應(yīng)用模糊約束下的條件極值來求解，將設(shè)備、地層加固、安全與質(zhì)量等對施工有影響的因素作為模糊約束條件，把造價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)，即 X={x1(機(jī)械對接)，x2(土木地層加固對接)，x3(土木直接掘進(jìn)對接)}。方案比較見表1。

表1 方案評(píng)價(jià)表Table 1 Program evaluation table

將真值語言轉(zhuǎn)化為各模糊約束集Ci∈F(X)(i=1，2，3，4，5)的隸屬度對應(yīng)關(guān)系。對 C1，C2，Mf而言，對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 C1，C2，Mf真值語言對應(yīng)隸屬度關(guān)系Table 2 Membership relation of true value language of C1，C2and Mf

對C3，C4而言，對應(yīng)關(guān)系見表3。

隸屬度真值語言轉(zhuǎn)化后見表4。

表4 真值語言與隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化表Table 4 Conversion between true value language and membership function

計(jì)算模糊判決集

4 直接掘進(jìn)對接方案控制措施及效果

4.1 控制措施

盾構(gòu)直接掘進(jìn)對接是在不采取任何地層加固措施、設(shè)備不具有機(jī)械對接裝置的情況下，2臺(tái)相向掘進(jìn)的盾構(gòu)直接掘進(jìn)對接。因此，在施工中應(yīng)做好以下控制措施:

1)提前準(zhǔn)備好30 mm厚環(huán)形分塊鋼板，并在地面試拼接。盾構(gòu)對接后，對刀盤對接處的盾構(gòu)外殼切口環(huán)縫隙，采用準(zhǔn)備好的環(huán)形鋼板聯(lián)接，使2臺(tái)盾構(gòu)的外殼形成整體;

2)備好排水泵，發(fā)現(xiàn)漏水及時(shí)抽排;

3)做好地層監(jiān)控，采用海底聲納等設(shè)備監(jiān)測海底地層變化;

4)相向盾構(gòu)掘進(jìn)相距50 m時(shí)，建立通信聯(lián)系，及時(shí)通報(bào)盾構(gòu)所處的空間位置;

5)通過盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，減少盾構(gòu)對接誤差;

6)開倉前注意觀察液位變化情況，發(fā)現(xiàn)液位變化較快時(shí)，應(yīng)做好壓力控制。

4.2 施工效果

2010年12月8日，獅子洋隧道左線2臺(tái)盾構(gòu)順利對接。對接點(diǎn)圍巖相對穩(wěn)定，安全性較好，掌子面殘留的碴土很少;相向?qū)泳绕矫嫫?8.5 mm，高程偏差19.6 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的貫通誤差在±50 mm以內(nèi)的要求。現(xiàn)場刀盾對接見圖1，設(shè)備拆除見圖2，盾構(gòu)外殼縫隙焊接見圖3。

繼左線成功對接之后，2011年3月11日，獅子洋隧道右線也成功采用直接掘進(jìn)對接方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)對接。

獅子洋隧道左、右線2次順利對接是國內(nèi)首次采用盾構(gòu)法施工對接技術(shù)，開創(chuàng)了盾構(gòu)地下直接掘進(jìn)對接先河。

圖1 刀盤對接Fig.1 Shield docking

圖2 設(shè)備拆除Fig.2 Removal of equipment

圖3 盾構(gòu)外殼縫隙焊接Fig.3 Welding of shield shell gap

與原設(shè)計(jì)土木地層加固對接方案相比，采用土木直接掘進(jìn)對接施工方案，施工工期節(jié)約20 d之多，節(jié)約小導(dǎo)管及地層加固注漿等施工成本約107萬元。

5 結(jié)論與體會(huì)

在獅子洋隧道對接方案選擇過程中，采用模糊判斷法解決了施工方案選擇的量化確定問題，算法簡單，便于理解。采用模糊判斷法存在的問題是不能將所有影響因素都納入計(jì)算系統(tǒng)(否則計(jì)算量過大)，因此存在計(jì)算精確度偏差。

今后在類似施工方案選擇時(shí)，可將施工方案的影響因素進(jìn)一步細(xì)化，例如增加地質(zhì)因素、人員因素等，以提高計(jì)算精確度。

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