基于模糊層次分析法的巖溶區土壓平衡盾構適應性評價

張志龍， 趙金鵬， 趙庚亮， 曹承福， 譚忠盛*， 姚 嵐

(1.中鐵交通投資集團有限公司， 南寧 530021； 2.北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

近年來，隨著社會發展和城市化進程加快，盾構法以其安全高效、施工便捷以及對周邊地層和環境影響較小等優點，成為了修建城市地鐵隧道的主要工法[1-2]。選擇適合各種地層條件的盾構機是隧道工程規劃中的重要部分。如果機器類型不適合地層條件，可能會造成重大延誤，對盾構司機造成傷害，并最終可能導致項目停止。因此，針對特殊地層進行盾構機適應性的評價至關重要[3]。

在中國南方地區，巖溶地層非常普遍，盾構在巖溶地層中掘進時，往往由于對盾構的適應性分析不夠，極易導致盾構施工中斷，從而不得不變更設計，進而產生浪費資源、增加建造成本的不利后果。因此，為確保巖溶地層條件下地鐵建設過程中盾構能夠順利推進，進一步降低盾構隧道的施工風險，建立巖溶區土壓平衡盾構適應性評價體系具有重大意義。對于復合地層盾構施工，中外學者開展了大量研究。針對砂卵石地層，通過對土壓平衡盾構的刀盤刀具進行適應性改造設計，對推力、扭矩、土倉壓力和注漿壓力等參數進行優化，結合現場配比試驗對注漿系統進行優化升級，可以大大提高盾構的適應性[4-5]；在砂性地層中，通過對盾構刀盤、螺旋輸送器、閘門、盾尾注漿殼及加泥設備等關鍵部位進行適應性改造，采用理論推導、室內磨損試驗及離散元數值模擬的方法對切刀的磨損規律進行分析，用以指導工程實踐，取得了良好效果[6-7]；在復合地層中，結合理論分析、數值模擬、現場實驗手段對復合土層土壓平衡盾構及刀盤刀具選型開展詳細討論，同時根據盾構詳細配置參數、刀盤和刀具配置、配備的輔助工法等因素進行了土壓平衡盾構的適應性評價[8-10]。目前，中外學者已經針對土壓平衡盾構的適應性進行了一定的研究，但很少涉及巖溶地層，且大部分都是定性分析，并沒有通過科學的系統論方法對盾構機適應性進行評價，因此，針對巖溶地層盾構機的適應性做出定量評價十分必要。

基于此，現依托南寧地鐵4號線2標盾構工程，采用模糊層次分析方法研究巖溶區盾構適應性，分析盾構適應性評價指標，確定評價指標的隸屬函數，從而構造巖溶盾構適應性評價模型，并對南寧地鐵4號線2標3臺盾構機進行評價，可為類似工程提供借鑒。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法(fuzzy-analytical hierarchy process，F-AHP)是一種定量與定性相結合的系統分析方法[11]，為量化評價指標和挑選最優方案提供了依據，在諸多領域有著廣泛的應用[12-14]。模糊層次分析法流程圖如圖1所示。

2 巖溶區土壓平衡盾構適應性評價方法

2.1 評價指標

在調研和專家建議的基礎上初步選取了巖溶區土壓平衡盾構適應性評價指標，包含4項大類指標，22項小類指標，如圖2所示。

由圖2可知，巖溶區土壓平衡盾構適應性初選評價指標體系較大，考慮的因素涉及工程各個方面，但真正對巖溶區土壓平衡適應性具有決定性影響的因素有限。如果將全部初選指標納入最終的適應性評價體系對綜合評價極有可能產生不利影響，增加不必要的影響因素，進而使得評價結果失去理論意義和實用價值。因此，為了準確、客觀、實用地評價巖溶區土壓平衡盾構適應性，運用層次分析法對初選評價指標進行篩選，明確各指標的主次順序，進而形成合理的評價指標體系。層次分析法對盾構設計和施工、地層條件及周邊環境等方面的評價指標比選的計算結果如表1～表4所示。

根據表1～表3的權重比較結果，若采用全部的評價指標則顯得評價指標體系過于繁雜，不能夠充分發揮模糊綜合評判方法的優點，因此，根據評價指標權重選取了對評價結果影響較大的指標作為最終的評價指標，如圖3所示。

2.2 建立評價指標體系

綜合評價土壓平衡盾構在巖溶地區掘進效果的相關影響指標，依據模糊綜合評價法組建評價體系的原則，提出巖溶地層土壓平衡盾構掘進效果的適應性評價指標體系如圖3所示。

2.3 確定評價指標隸屬函數

巖溶區土壓平衡盾構適應性的各項指標存在著不可公度性。為了解決評價指標公度性問題，需對評價指標進行量化，對評價指標進行量化研究是采用模糊數學方法構建隸屬函數。

圖1 模糊層次分析法流程圖Fig.1 Flow chart of F-AHP process

圖2 巖溶區土壓平衡盾構適應性初選評價指標Fig.2 Preliminary selection of evaluation indexes for adaptability of EPB shield in karst area

表1 巖溶區土壓平衡盾構適應性評價指標權重

表2 巖溶區土壓平衡盾構施工層面指標權重

當某一評價指標不滿足巖溶區土壓平衡盾構適應標準時，將其評價指標權重量化值為0，即設定其隸屬函數值為0，當某一評價指標滿足巖溶區土壓平衡盾構適應標準時，其評價指標權重量化值為

表3 巖溶區土壓平衡盾構地層層面指標權重

1，各評價指標與土壓平衡盾構之間的適應程度就可以用[0,1]的某個數值表示，確定具體的隸屬度函數值采用線性關系。

2.3.1 總推力設計

盾構總推力Fj的計算公式為[15]

(1)

式(1)中：Pj為經驗系數，取700～1 200 kN/m2；D為盾構機外徑，m。

以廣西南寧軌道交通4號線中鐵裝備334#、335#輻條面板式盾構機(D=6.28 m)作為評價對象，結合式(1)，若土壓平衡盾構機滿足適應性應達到的總推力Fj為21 465～36 797 kN，盾構能夠能達到的總推力越大，說明動力越強，越能滿足巖溶地層的掘進要求。因此，提出巖溶區盾構總推力的評價標準如表5所示，其適應性隸屬函數如圖4所示。

表4 巖溶區土壓平衡盾構設計層面指標權重

圖3 巖溶區土壓平衡盾構適應性評價指標體系Fig.3 Index system of karst area adaptability evaluation about EPB shield

表5 巖溶區土壓平衡盾構總推力設計評價標準

圖4 總推力和刀盤扭矩隸屬度函數Fig.4 Membership function of shield total thrust design

2.3.2 刀盤扭矩設計

一般來說，巖質越硬，盾構機就越需要較大的扭矩開挖隧道。巖溶區地層經常面臨軟硬巖交替分布的情況，甚至出現上軟下硬復合地層。因此，為了更好的適應巖溶地層，盾構機一定要有足夠的扭矩儲備。刀盤扭矩計算公式為[15]

T=αD3

(2)

式(2)中：T為刀盤扭矩，kN·m；α為扭矩系數，土壓平衡盾構取經驗值為15～23。

根據式(2)，以廣西南寧軌道交通4號線中鐵裝備334#、335#輻條面板式盾構機為研究對象，計算其需要的刀盤扭矩，得到T為3 662～5 615 kN·m。

建立巖溶區盾構機刀盤扭矩評價標準(表6)，其適應性隸屬函數如圖5所示。

表6 巖溶區土壓平衡盾構刀盤扭矩設計評價標準

圖5 刀盤扭矩設計隸屬函數Fig.5 Membership function of cutter head torque design

2.3.3 刀盤渣土改良裝置設計

刀盤渣土改良裝置主要是指刀盤內側面部有渣土改良的注入裝置以及攪拌棒。注入裝置的位置分布在刀盤中心軸部和外周部，刀盤中心軸部包含一個注入口，刀盤外周部的注入口與盾構機直徑有關，其數量分布如表7[16]所示。

以廣西南寧軌道交通4號線中鐵裝備334#、335#輻條面板式盾構機為研究對象，根據表7，提出刀盤渣土改良配置設計評價標準(表8)，其適應性隸屬函數如圖6所示。

表7 刀盤外周部渣土改良注入口數量與盾構機直徑關系[16]

表8 刀盤渣土改良裝置設計評價標準

圖6 刀盤渣土改良裝置隸屬函數Fig.6 Membership function of cutterhead residue improvement device

2.3.4 刀具選型設計

刀具是盾構機用來切削土體的主要部件，刀具的選型以及其與地層的匹配性非常重要，選型不合理可能造成刀具的較大磨損，增加施工成本。巖溶地層中一般伴隨著軟巖和硬巖地層，因此刀具的選擇應盡可能地兼顧軟硬兩種地層。以刀具種類為依據，提出盾構刀具選型設計評價標準(表9)，其適應性隸屬函數如圖7所示。

圖7 刀具選型隸屬函數Fig.7 Membership function of tool selection

表9 刀具選型設計評價標準

2.3.5 螺旋輸送機出渣能力

已知廣西南寧軌道交通4號線中鐵裝備334#、335#輻條面板式盾構機的設計直徑為6.28 m，則刀盤面積S的計算公式為

(3)

由式(3)得S=30.97 m2。

復合式盾構機連續推進的理論最大切削量為

Q1=Stotalv

(4)

式(4)中：Q1為最大切削量，Q1=148.68 m3/h；Stotal為盾構隧道開挖總面積；v為盾構機支持的最大掘進速度，v=80 mm/min。

盾構機切削的土體會產生一定的蓬松，再加上膨潤土的影響，導致渣土體積膨脹，取最大膨脹系數2.1，螺旋輸送機需要運送土量的計算公式為[17]

Q2=2.1Q1

(5)

由式(5)得Q2=312.23 m3/h。

螺旋輸送機出土能力越大，越能夠滿足巖溶區盾構機掘進的要求。因此，提出螺旋輸送機出渣量設計評價標準(表10)，其適應性隸屬函數如圖8所示。

表10 螺旋輸送機出渣能力評價標準

圖8 螺旋輸送機出渣量隸屬函數Fig.8 Membership function of slag discharge of screw conveyor

2.3.6 超前加固設計

巖溶地層中分布較多空洞，盾構掘進中易產生載頭等問題，具有超前加固能力的盾構機更能夠適應巖溶地層。經過專家咨詢及資料調研[18]，盾體上部周邊、前盾隔板可設有4～12個超前注漿孔，在必要時可對開挖面前方進行超前地質加固。因此，提出超前加固能力設計評價標準(表11)，其適應性隸屬函數如圖9所示。

表11 超前加固設計評價標準

圖9 超前加固能力隸屬函數Fig.9 Membership function of advance reinforcement capacity

2.3.7 掘進速度

土壓平衡盾構機在軟、硬地層中掘進速度如表12所示，提出掘進速度評價標準(表13)，其適應性隸屬函數如圖10所示。

表12 軟、硬地層土壓平衡盾構掘進速度

表13 掘進速度評價標準

圖10 掘進速度隸屬函數Fig.10 Membership function of tunneling speed

2.3.8 刀盤轉速

本工程采用土壓平衡盾構掘進施工，主要通過地層有黏土、粉質黏土、含礫黏土和石灰巖。根據清龍區間左線盾構隧道施工實時監控資料，刀盤轉速最大值和最小值分別為1.6、0.8 r/min。結合調研及專家咨詢[19]，不同地層刀盤轉速如表14所示。提出刀盤轉速評價標準(表15)，其適應性隸屬函數如圖11所示。

表14 不同地層刀盤轉速

表15 刀盤轉速評價標準

2.3.9 土倉壓力

通過地勘資料可知，研究區域所含盾構隧道埋深均處于3.5～23.5 m，穿越地層主要為黏土、粉質黏土以及石灰巖層，各地層參數如表16所示。水位基本上位于隧道上方0～8 m處。

按照相關規范計算水土壓力[20]，構建土倉壓力評價標準(表17)，其適應性隸屬函數如圖12所示。

圖11 刀盤轉速隸屬函數Fig.11 Membership function of cutter head speed

表16 地層物理力學參數

表17 土倉壓力評價標準

圖12 土倉壓力隸屬函數Fig.12 Membership function of silo pressure

2.3.10 注漿壓力

根據中外注漿壓力相關研究結果[21]，地層劈裂壓力(最高允許注漿壓力)的計算公式為

Pf=σ3+(0.9lnR+0.73)qu

(6)

(7)

式中：Pf為地層劈裂壓力，Pf取值為152.35～669.68 kPa；R為隧道埋深和洞徑相關參數，R取值為2.11～8.48；H為隧道埋深；σ3為覆土重量；qu為圍巖單軸抗壓強度。

在城市地鐵盾構隧道施工過程中一般采用同步注漿方式填補襯砌外空隙，注漿壓力的合理范圍在200～500 kPa，通過計算得出的注漿壓力較為合理。提出注漿壓力評價標準(表18)，其適應性隸屬函數如圖13所示。

表18 注漿壓力評價標準

圖13 注漿壓力隸屬函數Fig.13 Membership function of grouting pressure

2.3.11 軟硬不均地層

盾構穿越巖溶地層，經常會遇到軟硬不均地層。通過定義地層復合比這一概念對軟硬不均地層進行量化描述，以隧道斷面內硬巖所占比例表示，其表達式為[22]

β=h1/D×100%

(8)

式(8)中：β為地層復合比；h1為硬巖層厚度。

提出軟硬不均地層評價標準(表19)，其適應性隸屬函數如圖14所示。

表19 軟硬不均地層評價標準

圖14 軟硬不均程度隸屬函數Fig.14 Membership function of soft and hard unevenness

2.3.12 巖溶地層

以遇洞隙率作為巖溶地層發育程度的評價標準(表20)[23]，其適應性隸屬函數如圖15所示。

表20 軟硬不均地層評價標準[23]

圖15 巖溶發育程度隸屬函數Fig.15 Membership function of karst development degree

2.4 評價指標權重確定

2.4.1 層次單排序評價

各評價指標的比較判斷矩陣是根據咨詢行業內專家及開展研討會對評價指標打分的方式最終確定的，進而得到評價指標的單層比較判斷矩陣并計算了相應權重，結果如表21～表24所示。

表21 目標層—準則層判斷矩陣C-P

表22 “盾構設計”對指標層的判斷矩陣P1-u

表23 “盾構施工”對指標層的判斷矩陣P2-u

表24 “地層條件”對指標層的判斷矩陣P3-u

由表21～表24可知，各評價指標比較判斷矩陣一致性比值CR均小于0.1，可得評價指標單層次比較通過一致性檢驗，評價指標權重較為合理。

2.4.2 層次總排序評價

根據表21～表24計算得到各評價指標權重總排序，結果如表25所示。

表25 評價指標權重總排序

由表25可得，u的總排序一致性比率CR=0.061 3(CR<0.1)，說明其一致性良好。因此，影響巖溶區土壓平衡盾構適應程度的12個評價指標總排序依次為盾構總推力、巖溶地層、刀具選型布置、軟硬不均地層、超前加固設計、掘進速度、刀盤扭矩、土倉壓力、刀盤渣土改良裝置、螺旋輸送機出渣能力、刀盤轉速、注漿壓力。

2.4.3 評價分級標準

分析中外各種地層隧道盾構應用現狀，結合其他評價標準分級的劃分方法[24-25]，擬定巖溶區土壓平衡盾構適應程度分為5個等級(表26)，即

Q={Q1,Q2,Q3,Q4,Q5}={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}

(9)

式(9)中：Ⅰ為極適應；Ⅱ、Ⅲ為適應；Ⅳ為不適應；Ⅴ為極不適應。

表26 巖溶區土壓平衡盾構適應度分級

3 南寧地鐵4號線2標區間隧道土壓平衡盾構適應性評價

3.1 評價指標數據

通過對研究工程區域盾構隧道進行現場調研，收集巖溶區土壓平衡盾構機適應程度評價指標數據如表27所示。

表27 南寧軌道交通4號線2標盾構隧道土壓平衡盾構 適應性評價指標數據

3.2 盾構機適應性評價

前文已經確定了巖溶區盾構適應性評價指標，提出了相應的評價體系，對南寧巖溶地層土壓平衡盾構適應性進行評價。

(1)良良區間(左線)：

(10)

式(9)中：R1為盾構機的評價矩陣，下同。

(2)體良區間(左線)：

(11)

(3)清龍區間(左線)：

(12)

式中：B1為良良區間(左線)盾構機的適應度；A為巖溶區盾構各評價指標權重；B2為體良區間盾構機(左線)的適應度；B3為清龍區間盾構機(左線)的適應度。

基于所提出的巖溶區土壓平衡盾構適應性評價體系，通過模糊數學方法計算可知，良良區間左線土壓平衡盾構適應度為0.88，高度適應；良良區間左線土壓平衡盾構適應度為0.75，中度適應；良良區間左線土壓平衡盾構適應度為0.93，極適應。通過以上分析可知，良良區間和清龍區間盾構適應性最好，主要是因為這兩個盾構機是完全針對巖溶地質進行建造的，具有較好的巖溶地層適應性；而體良區間的海瑞克盾構機雖然進行了部分針對性改造，但屬于舊設備、改造能力有限，因此適應性較差。

4 結論

采用模糊綜合評價方法對巖溶區土壓平衡盾構機適應程度進行了研究，調研并確定了巖溶區土壓平衡盾構機評價指標，結合理論分析，提出了巖溶區土壓平衡盾構評價指標體系及其適應度函數，建立了巖溶區土壓平衡盾構適應性評價體系，提出了適應性評價分級標準，依托南寧軌道交通4號線良良區間(左線)、體良區間(左線)和清龍區間(左線)對盾構機的適應進行評價，結果表明，經過針對性改造的清龍區間盾構機對巖溶地層的適應性最好，良良區間次之，體良區間一般，評價結果與實際情況相符，可為今后類似工程提供借鑒和指導。