天津地鐵盾構施工對地表沉降影響的風險評估及精細化控制研究

路　平， 鄭　剛, 張穩軍， 雷華陽

(1. 天津大學建筑工程學院， 天津　300072； 2. 天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室， 天津　300072)

?

天津地鐵盾構施工對地表沉降影響的風險評估及精細化控制研究

路平1, 2， 鄭剛1, 2, 張穩軍1, 2， 雷華陽1, 2

(1. 天津大學建筑工程學院， 天津300072； 2. 天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室， 天津300072)

摘要：目前我國城市地鐵建設中對地表變形的要求愈加嚴格，僅依靠工程經驗已很難實現。結合天津地鐵天津站—建國道站盾構區間試驗段的現場監測結果，對掘進過程中盾殼摩擦力、刀盤扭矩、掌子面壓力和注漿壓力等盾構掘進參數對地表沉降影響進行參數化模擬分析，并針對盾構掘進參數的波動造成的地表沉降計算結果進行風險損失等級的可拓法風險評估，基于風險損失評估結果以及盾構掘進參數實測結果進行統計分析得到風險失效概率，從而計算出各致險因子的風險值并提出相應的精細化控制措施。結果表明： 1)該隧道試驗段致險因子按風險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)在該區間后續下穿高速鐵路的盾構掘進過程中，針對風險值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動制定精細化的風險控制措施，最終使地表沉降穩定在5.1 mm，滿足了鐵路運營的要求。

關鍵詞：天津地鐵； 盾構隧道； 參數化分析； 地表沉降； 可拓法； 風險評估

0引言

截至2014年，我國已有36個城市的軌道交通規劃獲得批準并開工建設，盾構法作為城市地鐵修建的重要工法也得到了廣泛的應用；但盾構工程建設中也受到了周圍環境的限制與施工控制技術的挑戰，如下穿高速鐵路時路基沉降的要求不能超過6 mm，故需要采取精細化到毫米級的控制措施，而不能僅僅依靠工程經驗。

針對盾構施工對周圍環境影響的問題，國內外學者對此開展了許多參數敏感性研究。比如： T. Kasper等[1-2]對盾構掘進過程中土體、注漿體的物理力學性質、覆土厚度、掌子面壓力和注漿壓力等進行了參數化分析；沈建奇[3]針對盾構在施工過程中的宏觀穩態特性以及刀盤切削土體的動態特性，提出了盾構掘進過程的精細化數值模擬方法，實現了對盾構法施工關鍵參數的預測及對各參數相互關系的分析；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速度時，針對雙線隧道對凍土地層變形影響進行了研究；徐澤民等[5]描述了天津地鐵3號線下穿歷史風貌建筑時由于盾殼摩擦過大導致該建筑物產生較大沉降的事故。

另一方面，針對盾構隧道風險管理與控制的研究工作也在不斷完善。比如： 2004年，國際隧道協會發布了《隧道風險管理指南》[6]，為隧道工程的風險管理提供了系統的方法與標準；黃宏偉等[7-8]對地鐵隧道工程的風險評估與管理方面進行了研究，提出了基于地鐵建設與運營不同階段的風險評估與控制方法，并開發了風險管理軟件；安永林[9]、彭立敏等[10-11]對隧道瓦斯突出、塌方、鄰近結構物施工的隧道圍巖變形安全性能等進行了風險評估，運用突變理論和可拓學理論等開展了應用研究；2012—2014年，我國相繼頒布實施《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》[12]和《城市軌道交通工程監測技術規范》[13]，標志著我國對地下工程風險管理與控制的研究具備了可靠的標準化保障。

但目前在針對盾構工程各個階段對地表沉降影響的研究中，無論對計算結果還是監測結果的評價與控制，人為因素的影響仍占較大比重，且往往停留在對工程整體風險等級的綜合評價?？赏胤ㄗ鳛榭赏貙W的主要應用之一，為解決實際工程中的評估問題提供了新的客觀途徑，可以結合現有規范并基于工程計算結果進行更精確的風險評估，盡可能地降低主觀因素的干擾，從而對每個致險因子的影響進行定量的描述與排序，制定出更有針對性的預防控制措施，降低工程風險。此外，盾構隧道由于賦存環境不同，其風險評估具有地域差異性，需結合典型地區具體工程建設的特點與需求，這方面研究工作尚存不足。

本文將可拓法應用于盾構掘進對地表沉降影響的風險評估，以天津軟土地層深埋盾構下穿鐵路為工程背景，結合盾構掘進參數化分析的沉降計算結果以及盾構掘進參數監測數據，針對掘進參數的波動對周圍地表沉降影響進行風險損失、風險失效概率定量的風險評估，并提出精細化的風險控制措施。

1可拓法的基本原理

可拓學是由我國學者蔡文[14-15]開創的以物元為基本單位來描述事物可變性的原創性學科。其中，物元是通過以事物、特征以及事物關于該特征的量值所構成的三元組，即R=(事物，特征，量值)?？赏丶系慕⑹菫榱搜芯繉ο蠹胁粚儆诮浀渥蛹帜苻D化得到該子集中的元素，并用關聯函數值的大小來衡量元素和集合的關系，分出不同的層次，使得經典集合中的“屬于”、“不屬于”集合的定性描述發展成為定量描述元素具有性質P的程度及其變化。關聯函數的基本公式為

(1)

式中:X0=[a,b]，X=[c,d]，X0?X0且無公共端點?？赏丶系年P聯函數屬于(-∞,+∞)，擴展了模糊集合隸屬函數只屬于[0,1]的運用范圍，評判結果更精確[9-11]。

本文提出的基于參數化分析的計算結果采用可拓法進行評價，首先需對試驗段的可靠的計算結果進行合理的風險評估，使得對可影響計算結果的參數的評價更具有針對性，從而更合理地指導后續下穿高速鐵路的精細化施工?；趨祷治龅目赏胤L險評估流程如圖1所示。

圖1　基于參數化分析的可拓法風險評估流程

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

2影響參數確定

2.1工程背景

天津地鐵2號線建國道站—天津站左線區間為深埋盾構區間，期間第96—276環依次下穿鐵路機待線、津山線、津秦客專聯絡線、高速鐵路等鐵路群，如圖2(a)所示，對地表變形控制較為嚴格。該區間試驗段下穿鐵路機待線(96—101環)，隧道覆土厚度約18 m，地下水位埋深約1.8 m，盾構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為通過對該場地內土體取樣進行室內直剪試驗和固結回彈試驗得出。

(a) 場地及監測布置平面圖

(b) 土層及監測布置剖面圖

2.2盾構設備及參數

該區間采用加泥式土壓平衡盾構，長度為8.4 m，直徑為6.4 m，盾殼鋼板厚度為30 mm。該盾構可用于管片直徑為6.2 m，長度為1.2 m的隧道施工。該區間試驗段(21—177環)的盾構掘進參數監測結果如圖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[16]中詳細說明，故本文只進行簡要介紹。模型土體的側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，并在模型側面施加了孔壓邊界條件。模型中重點研究了土體的短期變形，即暫不考慮盾構駛出計算域后土體長期固結的影響。

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的盾構機身也采用線彈性殼單元模擬。根據K. Komiya等[17]的研究，盾構機身的彈性模量采用10倍鋼材的彈性模量(2 100 GPa)，泊松比取0.2，以此來將盾構機身等效為剛體。盾尾注漿體的模擬采用等效均質圓環法，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”來模擬盾構向前推進的過程，即盾構一步一步“跳躍”式推進[4]，推進模擬中暫不考慮管片安裝與盾構停機的影響。每次推進長度為一環管片寬度(1.2 m)，盾構中已安裝的管片距掌子面的距離為7.2 m。每次掘進后掌子面壓力pN、盾殼摩擦力Ff和刀盤扭矩MT都根據該研究區段施工中監測結果的取值范圍施加，其施加位置如圖5所示。模型中所采用的掘進參數監測結果及其模擬方法均已在文獻[16]詳細闡述，故只在此簡述。

圖5　盾構掘進參數施加示意圖

盾殼摩擦力Ff為盾構千斤頂總推頂力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，沿盾構掘進方向施加在盾構機身千斤頂安裝位置(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，每環推進后切削力變化方向作用在掌子面土體上，以避免盾構自身發生過大的轉動。

3.2計算結果

3.2.1結果驗證

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)曲線的發展變化。圖中同一顏色的點和線分別代表同一施工時刻的實測和計算地表沉降值，可見計算結果和實測結果基本吻合。圖6(a)所示的沉降槽分布符合反向的Gaussian分布曲線，計算曲線和實測結果的反彎點分別位于隧道中心線旁10.3 m和9.0 m。計算和實測沉降槽在10月15日(盾尾剛脫出1 d)時有較大的偏差，這是由于偶然升高的二次注漿壓力暫時性地抑制了地表沉降的發展。圖6(b)所示的沉降槽曲線在X=30 m附近的區段產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律相符。綜上，可以驗證本文模擬方法得到的沉降計算結果是可靠的。

(a) 橫向沉降槽

(b) 縱向沉降槽

3.2.2參數化分析計算

實際盾構在掘進過程中，各個盾構力學掘進參數不是恒定不變的，均在一定的取值范圍內波動，該取值范圍的確定可以通過對圖3實測數據的統計得到，并將每個取值范圍內等分成5個等級。本文以該盾構區間掘進參數在各自取值范圍內變化進行了參數化分析，假定其中一個參數變化時，其余參數保持不變(共20組工況)，以此研究盾構力學掘進參數變化對地表土體沉降的影響，并將盾尾脫出后4 d的計算結果列于表1。

表1　參數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波動對地表沉降影響的變化幅度最大，刀盤扭矩影響最小。這主要是因為： 1)盾殼摩擦力的作用面大小(盾殼側壁面積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自身的相對波動范圍遠小于盾殼摩擦力； 3)掘進過程中刀盤的轉動方向是隨著盾構掘進的進行而逐環交替的，從而抵消了一部分刀盤扭矩產生的影響。

4基于參數化分析結果的可拓法風險評估

4.1風險損失評估

4.1.1風險損失等級評估

所謂風險損失，是風險事故發生后產生的一系列影響。本文暫不考慮盾構掘進造成的經濟損失、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備[19]。這就需要對由各掘進參數波動產生的風險損失的等級進行評估，本文采用可拓法進行評價，該方法可以把是與非的定性描述發展為定量描述，并通過建立多指標的評估模型，來完整評價事物。基于上文對該區間盾構掘進的參數化分析得到的地表沉降結果，將該方法引入盾構掘進過程的風險損失等級評估中，具體如下。

4.1.1.1確定經典域與節域——沉降分級標準

綜合天津軟土地區盾構實際施工中對地表沉降的控制效果以及參考《城市軌道交通工程監測技術規范》[13]關于盾構下穿鐵路時對地表沉降影響程度的界定，將地表沉降的損失等級分成5種等級，得到經典域

(2)

式中： j =1，2，…m(損失等級級數，m = 5，分別對應于規范[12]中的E，D，…A級)； i=1，2，…n(掘進參數編號，n=4)； c1、c2、c3、c4表示影響損失等級的因素，即出現波動的各掘進參數，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個參數出現第j級損失等級時地表沉降的下限與上限值，各經典域具體如式(3)—(7)。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

該盾構隧道風險損失的節域Rp，即每個因素ci波動產生地表沉降的全部的可能取值范圍(其中包括由于因素ci波動引起其他因素波動導致的次生地表沉降等)，故

(8)

4.1.1.2確定待評物元——沉降計算值

由上述有限元參數化分析計算，現有待評價“產品”建國道站—天津站區間地表沉降損失p，當各參數出現波動時的地表最大沉降計算值vi(盾尾脫出后4d)分別為v1= 8.8mm、v2= 7.6mm、v3= 7.4mm、v4= 7.9mm，表示成待評價物元

(9)

4.1.1.3確定參數權重

確定各參數影響權重的方法有很多，但大多都帶有一定的主觀性或太復雜不便于實際操作。本文采用簡單關聯函數法確定各參數影響的權重，該方法考慮的權重是相對具體沉降計算值與分級標準變化的，而不是絕對的，見式(10)，從而更具客觀合理性。

(10)

根據本工程中vi∈Vip(節域)，故有

(11)

因為本工程中參數ci對應的數據落入的損失級別越大，該參數需被賦予的權重越大，故取式(12)。

(12)

故對盾構掘進中每個參數ci的權重

(13)

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

4.1.1.4確定關于各風險損失等級的關聯度

首先，根據式(1)定義，為了定量地描述每一個沉降計算值vi所屬風險損失特征的程度及其變化，其關聯函數見式(14)。

(14)

式中：

(15)

(16)

(17)

式(17)中aip、bip分別為節域中對應的上、下限，由式(14)—(17)計算本隧道施工地表沉降關于各風險損失等級的關聯函數，然后根據式(18)計算隧道施工地表沉降風險損失等級j的關聯度。

(18)

經計算可知，待評價隧道施工地表沉降的風險損失等級關聯度依次為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評估工程綜合風險損失等級

該隧道地表沉降損失p的K2(p)最大，即j0= 2。根據規范[12]，建國道站—天津站區間隧道地表沉降的風險損失等級為“D級，需要考慮的”。為了進一步定量評估風險損失等級，定義式(19)。

(19)

則有風險損失等級變量特征值

即建國道站—天津站區間盾構施工地表沉降的風險損失等級變量特征值j*= 1.95，表明該隧道施工4個參數都有出現波動的可能時，其風險損失等級屬于E級偏向D級。

4.1.1.6評估單一參數風險損失等級

以上通過可拓法的應用可以得到工程綜合風險損失等級，但在實際工程中為了更有針對性地指導施工，盡可能規避風險，也需要對單一參數(致險因子)的風險損失等級及其損失變量特征值進行計算評價。

當該盾構隧道施工中4個參數其中只有1個出現波動(n=1)，即待評價物元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個評價參數)時，按照4.1.1.4節可以得到，地表沉降的單一參數風險損失等級依次為“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，當只有1個參數出現波動時，刀盤扭矩對隧道施工地表沉降產生的風險損失等級最小。此外，根據式(3)—(7)，通過對單一參數盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力出現波動進行的風險損失等級評估，得到相應地表沉降上限值，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個參數其中只有1個出現波動(n=1)，即待評價物元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個評價指標)時，地表沉降風險損失等級變量特征值j*依次為2.02、1.91、1.89、1.94。

4.1.2風險損失變量特征值評估

地表最大沉降增幅Δδmax，i與其參數相對波動區間長度ΔLi的比值Mi反映了地表沉降對各參數的敏感程度，即

(20)

式中: δmax，i和δmin，i分別為由第i個參數波動引起地表沉降值的上限與下限，Lmax，i和Lmin，i分別為第i個參數波動的上限與下限(監測值)，Ln，i為第i個參數的任一監測值，N為監測值總個數(N=157，如圖3所示)。

比如，掘進過程中盾殼摩擦力Ff在6 000～15 600kN出現波動時(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出現波動的影響。這也說明，一旦風險發生，盾殼摩擦力對風險損失影響的程度最大。于是定義各參數的重要性系數

。　(21)

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

(22)

式中： [δ]i為第i個參數出現波動進行風險損失等級評估后而得到的地表允許沉降值，由4.1.1.6節得到[δ]i依次取值為15、15、10、15mm，從而計算各單一參數風險損失變量特征值(見表2)。結果表明該盾構隧道在施工過程中單一參數盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力對應的風險損失變量特征值c*依次為2.79、1.52、0.05、2.30。

4.2風險失效概率評估

第i個掘進參數出現波動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，風險事故發生的概率越高;當δmax，i= [δ]i時，意味著盾掘進參數一旦使地表沉降達到δmax，i，事故即發生[19]。故利用式(23)—(24)定義了風險失效概率的簡化計算方法。

(23)

(24)

式中： [δ]i為通過對第i個參數出現波動進行的風險損失評估而得到的地表允許沉降值；Ni為第i個參數使地表沉降達到δmax，i的監測值個數；N為第i個參數的全部監測值個數。每個參數波動產生的風險失效概率計算結果見表3。

表3　風險失效概率

根據規范[12]，針對該待評價隧道，其盾殼摩擦力出現波動引起的失效概率為1.12%，相應的風險失效概率等級為2級“可能的”。類似地，掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力出現波動引起的失效概率等級依次為3級“偶爾的”、2級“可能的”、3級“偶爾的”。

當然，上述風險失效概率是基于所依托的實際工程資料進行統計分析得到的。在該工程中，采用了PLC控制系統后，由掌子面壓力引起的風險失效概率得到了有效的控制(0.65%)。在此前提下，掘進參數的失效概率分析才得到上述結果。

4.3風險等級綜合評估

4.3.1定性評估

根據規范[12]，可以得到盾構掘進參數定性的風險等級和綜合風險等級，見表4。盾構掘進地表沉降的綜合風險等級為Ⅲ級，其接受準則為“可接受的”，需要工程建設方引起重視，并采取合適的風險防范監控措施?？刂品桨概c處置原則： 宜加強日常管理與監測；宜實施風險管理，可采取風險處理措施[12]。

表4　風險等級綜合評價

4.3.2定量評估

圖7表明該盾構隧道在掘進施工時，風險值最大的致險因子是盾殼摩擦力(3.13%)，其余致險因子按風險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%)。故在此區間后續下穿高速鐵路的盾構在掘進過程中，宜針對風險值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動對地表沉降的潛在風險制定精細化控制措施。

5精細化控制

以上參數化分析以及風險評估是基于工程實例進行的，包括致險因子的排序均是基于工程計算結果分析而得到的。在該工程中，各項參數控制均在正常范圍之內，特別是掌子面壓力。在此前提下，參數化分析和風險分析才得到上述結論。如果各項參數均產生超過正常值范圍的偏差，則情況要復雜得多。工程經驗表明，當掘進施工參數偏差超過正常范圍時，掌子面壓力對沉降的影響也十分敏感。對這種更為復雜的情形，還需專門分析。故以下僅基于該工程的參數化分析及風險評估結果提出了相應的精細化控制技術措施。

圖7　各掘進參數的風險值比較

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

針對工程現場掘進地層存在變異性，如局部細砂等，容易造成盾殼摩擦力的波動，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防措施。此外，也采取適當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

當采用風險控制措施后，該區間盾構繼續掘進下穿高速鐵路(254—276環)時地表沉降時程曲線如圖9所示。

圖9　下穿高速鐵路地表沉降時程曲線

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

由圖9可知，從盾構刀盤到達前15環開始地表出現隆起，盾構通過階段由于膨潤土的注入大大降低了對周圍土體的擾動，該階段地表幾乎沒有出現沉降，直至盾尾脫出5環后地表才表現出明顯的沉降趨勢，施工方加強了對該部位的二次注漿?，F該區域沉降逐漸趨于穩定，累計沉降5.1 mm，滿足鐵路部門的安全運輸要求，也表明提出的風險控制措施是合理和有效的。

6結論與討論

本文以天津地鐵天津站—建國道站深埋盾構工程為依托，針對盾構掘進過程中盾殼摩擦力、刀盤扭矩、掌子面壓力和注漿壓力等盾構掘進參數對周圍地表沉降影響進行了參數化計算分析，并基于地表沉降的計算結果進行了風險損失等級的可拓法風險評估，提出了風險值的定量評估方法與相應的精細化控制措施，得出如下結論。

1)基于參數化計算結果的可拓法可以用于合理、定量地評估盾構掘進地表沉降風險損失模型?；诙軜嬀蜻M參數的波動，該隧道的風險損失等級為“需要考慮的”，風險損失等級變量特征值j*= 1.95，表明該隧道施工4個參數都有出現波動時其風險損失等級屬于E級偏向D級。盾構盾殼摩擦力、掌子面壓力、刀盤扭矩、注漿壓力之中只有1個出現波動時，地表沉降的風險損失變量特征值c*依次為2.79、1.52、0.05、2.30。

2)風險失效概率是通過對盾構掘進參數實測結果以及風險損失評估結果進行統計分析得到的。該隧道盾殼摩擦力和刀盤扭矩出現波動導致的風險失效概率等級為“可能的”，掌子面壓力和注漿壓力出現波動引起的失效概率等級為“偶爾的”。本文參數化分析以及風險評估是基于工程實例進行的，分析中采用的是成層土，這對結果會產生一定的不確定性。對不同單一土層的參數化分析尚需進一步研究。

3)以盾構掘進參數波動為致險因子，以地表沉降控制為目標進行定量風險分析，得出該區間致險因子按風險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。在該區間后續下穿高鐵的盾構掘進過程中，針對風險值較大的盾殼摩擦力、注漿壓力波動制定了精細化風險控制措施并取得了良好的效果，從而為類似工程中達到地表“毫米級”的變形控制要求提供了一定的參考與指導。

參考文獻(References)：

[1]Kasper T, Meschke G. A numerical study of the effect of soil and grout material properties and cover depth in shield tunnelling [J]. Computers and Geotechnics, 2006, 33(4): 234-247.

[2]Kasper T, Meschke G. On the influence of face pressure, grouting pressure and TBM design in soft ground tunnelling [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21(2): 160-171.

[3]沈建奇. 盾構掘進過程數值模擬方法研究及應用 [D]. 上海: 上海交通大學, 2009. (SHEN Jianqi. Research and application on numerical simulation method for shield tunneling [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2009. (in Chinese))

[4]Hasanpour R, Rostami J, ünver B. 3D finite difference model for simulation of double shield TBM tunneling in squeezing grounds [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40: 109-126.

[5]徐澤民, 鄭剛, 韓慶華，等.地鐵隧道下穿歷史風貌建筑影響的實測與分析[J]. 巖土工程學報，2013，35(2)： 364-374. (XU Zemin, ZHENG Gang, HAN Qinghua,et al. Field monitoring and analysis of effects of Metro tunnels under historic buildings[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(2): 364-374. (in Chinese))

[6]Eskesen S D, Tengborg P, Kampmann J, et al. Guidelines for tunnelling risk management: International tunnelling association, working group No. 2 [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(3): 217-237.

[7]黃宏偉, 曾明, 陳亮, 等. 基于風險數據庫的盾構隧道施工風險管理軟件: (TRM1.0)開發 [J]. 地下空間與工程學報, 2006, 2(1): 36-41. (HUANG Hongwei, ZENG Ming, CHEN Liang, et al. Risk management software: (TRM 1.0) based on risk database for shield [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(1): 36-41. (in Chinese))

[8]黃宏偉. 隧道及地下工程建設中的風險管理研究進展 [J]. 地下空間與工程學報, 2006, 2(1): 13-20.(HUANG Hongwei. State-of-the-art construction of the research on risk management in tunnel and underground works [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(1): 13-20.(in Chinese))

[9]安永林. 結合鄰近結構物變形控制的隧道施工風險評估研究 [D]. 長沙： 中南大學, 2009. (AN Yonglin. Study on tunnel construction risk evaluation considering deformation standard of neighboring structures[D]. Changsha: Central South University, 2009. (in Chinese))

[10]彭立敏, 安永林, 張運良, 等. 可拓法識別勘測階段隧道瓦斯突出的模型與實例[J]. 土木工程學報, 2008, 41(4): 81-85. (PENG Limin, AN Yonglin, ZHANG Yunliang, et al. Identification of gas burst in tunnel at the prospecting stage by using extension theory:A case study [J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(4): 81-85. (in Chinese))

[11]安永林, 彭立敏, 吳波, 等. 隧道坍方突發性事件風險可拓法綜合評估 [J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011, 42(2): 514-520. (AN Yonglin, PENG Limin, WU Bo, et al. Comprehensive extension assessment on tunnel collapse risk [J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2011, 42(2): 514-520. (in Chinese))

[12]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通地下工程建設風險管理規范: GB 50652—2011[S].北京： 中國建筑工業出版社， 2011.(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Code for risk management of underground works in urban rail transit: GB 50652—2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2011. (in Chinese))

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 城市軌道交通工程監測技術規范: GB 50911—2013[S].北京： 中國建筑工業出版社，2014. (Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Code for monitoring measurement of urban rail transit engineering： GB 50911—2013[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2014. (in Chinese))

[14]蔡文. 可拓學概述 [J]. 系統工程理論與實踐, 1998, 18(1): 77-84. (CAI Wen. Introduction of extenics [J]. System Engineering-Theory & Practice, 1998, 18(1): 77-84. (in Chinese))

[15]蔡文, 楊春燕, 林偉初. 可拓工程方法 [M]. 北京: 科學出版社,2000. (CAI Wen, YANG Chunyan, LIN Weichu. Extension engineering method[M]. Beijing: Science Press,2000. (in Chinese))

[16]ZHENG Gang, LU Ping, DIAO Yu. Advance speed-based parametric study of greenfield deformation induced by EPBM tunneling in soft ground [J]. Computers and Geotechnics, 2015, 65(1): 220-232.

[17]Komiya K, Soga K, Akagi H, et al.Finite element modelling of excavation and advancement processes of a shield tunnelling machine [J]. Soils and Foundations, 1999, 39(3): 37-52.

[18]Franzius J N, Potts D M, Burland J B. The influence of soil anisotropy and Ko on ground surface movements resulting from tunnel excavation [J]. Geotechnique, 2005, 55(3): 189-199.

[19]鄭剛, 路平, 曹劍然. 基于盾構機掘進參數對地表沉降影響敏感度的風險分析 [J]. 巖石力學與工程學報, 2015, 34(增刊1): 3604-3611. (ZHENG Gang, LU Ping, CAO Jianran. Risk analysis based on the parameters sensitivity analysis for ground settlement induced by shield tunneling [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(S1): 3604-3611. (in Chinese))

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：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：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年畢業于天津大學，巖土工程專業，博士，講師，主要從事巖土工程以及地下工程的科研與教學工作。E-mail： paul19866612@126.com。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2010CB732106)

收稿日期：2015-08-20; 修回日期: 2015-09-20