基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的盾構(gòu)隧道管片滲漏水風(fēng)險評估

王曉睿,肖榮邦,許曉光,張 昭

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450045;2.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司,河南 鄭州 450014;3.上海隧道工程有限公司,河南 鄭州 450003)

近年來地鐵飛速發(fā)展,據(jù)交通運輸部軌道交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計,截至2023年2月共有54個城市 (不含港澳臺)開通運營城市地鐵軌道,交通線路291條,運營里程9 628.2 km。在長期運營過程中,盾構(gòu)隧道管片滲漏水現(xiàn)象頻繁發(fā)生,且不同水文地質(zhì)條件下均有分布。管片滲漏水不僅會影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車安全,還會加速設(shè)備腐蝕,導(dǎo)致設(shè)備故障和壽命縮短,影響地面建筑和地下管線系統(tǒng)。因此,深入探究隧道管片滲漏水影響因素及其風(fēng)險等級是提高隧道運營安全,減少滲漏水情況發(fā)生的關(guān)鍵。

關(guān)于隧道管片滲漏水的特點及原因分析,李岳、代顯奇[1,2]研究得出盾構(gòu)隧道管片滲漏水部位集中在環(huán)縫處,且施工和運營兩個階段都會導(dǎo)致管片滲漏水的情況發(fā)生。在隧道管片滲漏水風(fēng)險評價和病害研究方面,陳君等[3]提出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全性能只依靠單項指標(biāo)是存在局限性的。楊春山等[4]在對滲漏水病害研究的基礎(chǔ)上,提出將復(fù)雜的問題簡單化,依據(jù)因素間互相影響和隸屬關(guān)系進(jìn)行層次劃分,建立相關(guān)層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行評價分析。在研究方法的選擇上,王密田等[5]基于運營期隧道病害成因復(fù)雜和襯砌變形采集困難的基礎(chǔ)上提出可基于灰色關(guān)聯(lián)度和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法。Li等[6]考慮到隧道狀況評估的復(fù)雜性,提出能測量隧道困境的數(shù)學(xué)組合模型TSI,為建立運營期隧道病害致災(zāi)風(fēng)險評估模型提供了新思路。

從國內(nèi)外針對盾構(gòu)管片滲漏水研究內(nèi)容不難看出,影響滲漏水的原因不是簡單的一個或兩個因素造成的,而是多因素、復(fù)雜且具有長時效過程。但相關(guān)研究存在局限性,大多數(shù)人只聚焦于線性的滲漏水關(guān)系,忽略滲漏因素之間的耦合關(guān)系,且因為施工期的因素復(fù)雜性,多數(shù)研究的重點在運營期間,導(dǎo)致滲漏水的研究具有間斷性。在前人研究的基礎(chǔ)上,充分考慮盾構(gòu)隧道建設(shè)運營的整個周期,建立滲漏水因素多維度關(guān)聯(lián)耦合的網(wǎng)絡(luò)層次分析模型(ANP),科學(xué)量化盾構(gòu)隧道管片滲漏水的影響因素,同時確定各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重比例,以期對管片滲漏水風(fēng)險控制和防治提供依據(jù)。

1 隧道管片滲漏水情況及原因分析

鄭州自2013年開通地鐵以來共有運營線路10條,運營里程235.2 km,在運營過程中,存在大量滲漏水現(xiàn)象,盾構(gòu)隧道管片滲漏水是鄭州地鐵滲漏水的主要內(nèi)容之一。經(jīng)過對鄭州地鐵5號線沙口路站-月季公園站盾構(gòu)隧道區(qū)間的實地調(diào)研和管片滲漏水情況的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)滲漏水病害多處于縱向和環(huán)向的接縫處、手孔區(qū)以及環(huán)梁等區(qū)域[7],如圖1所示,滲漏點位統(tǒng)計見表1所示。

表1 滲漏點位統(tǒng)計表

圖1 盾構(gòu)隧道滲漏位置圖

由表1可知,拼接縫滲漏水比例高達(dá)75%,為盾構(gòu)隧道主要滲漏水點,螺栓孔為次要漏水點。環(huán)梁處漏水點占10%,隧道兩個洞門均有滲漏水現(xiàn)象發(fā)生。

盾構(gòu)隧道管片滲漏水問題的發(fā)生,一部分與施工期復(fù)雜的施工狀況有關(guān),另一部分則可能因為運營過程中,多種荷載耦合作用,導(dǎo)致接頭的防水能力減弱,產(chǎn)生滲漏水現(xiàn)象。張文靜[8]對隧道運營期間滲漏水風(fēng)險進(jìn)行分析,確定出滲漏水的6種狀態(tài),并提出滲漏水的病害是多因素之間相互影響導(dǎo)致。

通過研究鄭州地鐵盾構(gòu)管片滲漏水的特點,查閱盾構(gòu)隧道滲漏水相關(guān)資料,分析后發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道管片滲漏原因眾多,涉及面甚廣,管片接縫滲漏水發(fā)生原因比較復(fù)雜,包括人員自身問題、施工問題、地質(zhì)環(huán)境的變化、方案、材料、內(nèi)部壓力、外部荷載等諸多影響因素。若單一的考慮施工期或運營期的某個因素是不準(zhǔn)確的[9],基于因素間相互影響,利用多因素的網(wǎng)絡(luò)層次理論,構(gòu)建盾構(gòu)管片滲漏水評價體系。

2 隧道管片滲漏水風(fēng)險指標(biāo)因素

在文獻(xiàn)調(diào)研、專家問訊、結(jié)合相關(guān)施工人員經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,將5號線隧道區(qū)間盾構(gòu)隧道滲漏水總結(jié)出5個主要影響因素:人員、施工組織、施工技術(shù)、地質(zhì)環(huán)境、材料劣化。在此基礎(chǔ)上完成管片滲漏水風(fēng)險指標(biāo)提取和風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建。

2.1 人員對管片滲漏水的影響

盾構(gòu)隧道建設(shè)包含運輸、盾構(gòu)、拼裝、注漿及后期防護(hù)等一系列過程,這需要項目組的各級人員共同努力,他們作為貫穿盾構(gòu)隧道建設(shè)和運營周期的建設(shè)和維護(hù)者,其施工的規(guī)范程度,操作是否得當(dāng)深深影響著盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量。人員監(jiān)管、技術(shù)水平和器械使用情況都是影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量的重要因素。

2.2 施工組織對管片滲漏水的影響

在盾構(gòu)隧道項目建設(shè)之前,需要對即將要做的任務(wù)做出設(shè)計和規(guī)劃,詳細(xì)而又合理的施工組織方案必不可少,這其中包括防水設(shè)計、施工方案和組織規(guī)劃,任何一個環(huán)節(jié)的疏漏,都會直接或間接影響后續(xù)的工作內(nèi)容,從而導(dǎo)致管片滲漏水情況的發(fā)生。因此重視施工組織工作,研究其對管片滲漏水的影響程度,是合理構(gòu)建管片滲漏水風(fēng)險評價體系不可或缺的內(nèi)容。

2.3 施工技術(shù)對管片滲漏水的影響

在盾構(gòu)隧道建設(shè)和運營過程中,施工技術(shù)是保證其順利進(jìn)行的核心內(nèi)容[10]。盾構(gòu)隧道的建設(shè)相比明挖段使用混凝土澆筑而言,更加復(fù)雜和精密。止水帶粘貼狀態(tài),管片拼裝精度、同步注漿量多少[11]將會直接影響到管片的防水體系。而在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中,可能存在管片連接處螺栓預(yù)緊力不夠,從而導(dǎo)致接縫處張開,繼而發(fā)生管片滲漏水的情況。因此,施工技術(shù)是管片滲漏水影響因素研究必須考慮的因素之一。

2.4 地質(zhì)環(huán)境對管片滲漏水的影響

地質(zhì)環(huán)境的變化往往影響著盾構(gòu)隧道管片的自防水體系。若土層以軟土地基為基礎(chǔ),在振動荷載或過大的承載壓力下,就會發(fā)生沉降,從而使隧道管片產(chǎn)生上浮或下沉現(xiàn)象[12],致使接頭處產(chǎn)生張開、錯臺等問題。若周圍有河流,或地下滲流過多時,水壓變化會比較明顯,影響孔隙水壓,導(dǎo)致出現(xiàn)滲漏水[13-14]。同時化工廠所排廢水等酸性物質(zhì)會改變土壤酸堿度從而對管片、止水帶等產(chǎn)生腐蝕,從而破壞自防水體系。其他如地震、海嘯等不可預(yù)知的地質(zhì)環(huán)境因素,一旦發(fā)生后果非常嚴(yán)重,因此地質(zhì)環(huán)境變化的影響不可忽視。

2.5 材料劣化對管片滲漏水的影響

在管片運輸和拼裝過程中,容易導(dǎo)致邊角處所受應(yīng)力較大,從而出現(xiàn)管片角部破碎、開裂等情況[15]。同時密封止水條在過大的應(yīng)力作用下、會產(chǎn)生蠕變及應(yīng)力松馳等現(xiàn)象,止水能力下降。在預(yù)緊螺栓時,未安裝防水墊或是防水墊損壞,則會直接導(dǎo)致螺栓孔處發(fā)生滲漏水。因此,材料自身性能或結(jié)構(gòu)劣化,也是整個風(fēng)險評價的重要內(nèi)容。盾構(gòu)管片滲漏水風(fēng)險因素指標(biāo)如表2所示。

表2 盾構(gòu)管片滲漏水風(fēng)險指標(biāo)

3 基于ANP的模型構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)層次分析法 (ANP)[16]是層次分析法 (AHP) 的擴(kuò)展,考慮到該評價體系中的指標(biāo)之間存在相互關(guān)聯(lián)、相互影響的關(guān)系[17],本文采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)對接縫滲漏水評價體系進(jìn)行定量研究,進(jìn)一步確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。該方法研究過程中充分考慮了指標(biāo)間的反饋性和相互作用,能準(zhǔn)確反映內(nèi)部元素間的依存關(guān)系并定量化評價系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系[18],已被應(yīng)用于各領(lǐng)域的評價研究之中。

3.1 ANP模型的建模思路

ANP模型結(jié)構(gòu)分為兩層,由控制層和網(wǎng)絡(luò)層組成,如圖2所示,分別反映相關(guān)目標(biāo)實現(xiàn)的評判標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)。首先是構(gòu)造控制層次,將決策目標(biāo)界定,再構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)層次,要歸類確定每一個元素,分析其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相互影響關(guān)系,并通過調(diào)查分析,建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)體系。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

3.2 超矩陣建立

(1) 建立超矩陣。

在決策目標(biāo)和決策準(zhǔn)則確定之后,確定控制層元素有B1,B2,…,Bm,網(wǎng)絡(luò)層有元素集C1,C2,…,Cn,Ci有元素Ci1,Ci2,…,Cin,i=1,2,…,n。將控制層中的元素Cp作為準(zhǔn)則,同時將Cj中的元素Cj1作為次準(zhǔn)則,然后進(jìn)行互相之間的標(biāo)度比較,由此構(gòu)建判斷矩陣,從而得到歸一特征向量(wi1,wi2,…,win)T,也稱為網(wǎng)絡(luò)元素排序向量,在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行一致性檢驗。經(jīng)過上述步驟,可以得到相對于其他元素的排序向量,構(gòu)造超矩陣記為:

超矩陣Wij的列向量為Cij中的元素Ci1,Ci2,…,Cin,若元素組Cj中的元素與Ci中的元素之間不會互相影響,則超矩陣Wij=0,由此,最終可以在準(zhǔn)則Cp下得到超矩陣Wo。其他控制層元素的超矩陣,也可以用此方法計算求得:

(2)構(gòu)建加權(quán)超矩陣。

3.3 軟件選擇及ANP的建模過程

yaanp軟件是yaahp軟件的升級版,是一種常用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次分析法輔助應(yīng)用軟件,可利用網(wǎng)絡(luò)分析法和層級分析法對決策活動提供模式建立、運算和支持大數(shù)據(jù)分析。而常用的SD軟件對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu),模型數(shù)據(jù)較多的情況,往往不夠準(zhǔn)確,并且分析效率低。故在此前提下,采用yannp軟件進(jìn)行ANP模型的分析計算。

根據(jù)盾構(gòu)隧道施工和運營情況,結(jié)合鄭州地鐵隧道管片區(qū)間滲漏水的特點[19],得出風(fēng)險指標(biāo)間的相互影響關(guān)系。分析各指標(biāo)間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出盾構(gòu)隧道管片滲漏水風(fēng)險評價的ANP網(wǎng)絡(luò)層次模型,再通過yaanp軟件構(gòu)建盾構(gòu)管片滲漏水風(fēng)險因素單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)建模如圖3所示。

圖3 yaanp軟件下盾構(gòu)管片滲漏水ANP模型

4 基于ANP的算例分析和權(quán)重確定

4.1 標(biāo)度判斷標(biāo)準(zhǔn)

在Yannp軟件內(nèi),可基于評價指標(biāo)間依存關(guān)系的分析,構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣,再根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖妼σ蛩亻g的重要程度進(jìn)行標(biāo)度評判。專家成員由設(shè)計人員、項目高工、行業(yè)專家組成,決策運算采用常見的9分標(biāo)度法,如表3 所示。

表3 標(biāo)度參考表

4.2 權(quán)重比例

在標(biāo)度值確定后,依據(jù)yaanp軟件計算得到各指標(biāo)因素權(quán)重,如表4所示。

表4 各指標(biāo)權(quán)重占比

對5號線隧道區(qū)間管片滲漏水的評價結(jié)果進(jìn)行分析:一級指標(biāo)的權(quán)重比例大小關(guān)系為,人員(0.381 221)>施工組織(0.286 122)>施工技術(shù)(0.184 501)>材料劣化(0.097 502)>地質(zhì)環(huán)境(0.050 656),五個因素逐漸對盾構(gòu)隧道管片滲漏水的影響比重減小、人員作為隧道區(qū)間施工周期中重要的一環(huán),其施工行為與盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量緊密相關(guān)。二級指標(biāo)中監(jiān)管不到位(0.218 136)>防水設(shè)計不合理(0.182 231)>技術(shù)缺乏(0.142 380)>止水條粘貼不好(0.103 146)>施工方案不合理(0.073 805),監(jiān)管和技術(shù)缺乏是人員對管片滲漏水影響的主要內(nèi)容,影響著人員的權(quán)重占比。止水條粘貼不好在整個施工技術(shù)排名靠后的情況下仍在二級指標(biāo)中排名第四,其重要程度可見一斑。

人員因素和施工組織因素占比都超過了20%,分別占比為38.12%、28.61%,這表明人員因素和施工組織因素在重要程度上,都占有絕對優(yōu)勢。這是由于施工人員的行為受施工組織的約束,而施工組織的合理性又直接影響施工人員的施工質(zhì)量,兩者密不可分,是盾構(gòu)隧道管片滲漏水風(fēng)險影響因素的核心內(nèi)容。同時人員因素中監(jiān)管問題又是重中之重,監(jiān)管的嚴(yán)格程度往往代表著施工質(zhì)量的水平。在施工組織因素中,防水方案合理性因素占比達(dá)到63.7%,且在二級因素中排名第二,防水設(shè)計作為管片自防水體系的核心內(nèi)容,完善好防水方案就很大程度上避免了盾構(gòu)隧道管片滲漏水的可能性。

地質(zhì)環(huán)境權(quán)重占比為5.06%,雖然也對盾構(gòu)隧道管片滲漏水有影響,但其影響比重不高,歸其原因是地質(zhì)環(huán)境的變化是一種長期的疊加過程,不如前幾個影響因素的直接性,且一般來說,沒有頻繁的地質(zhì)活動或深度的人為影響,地質(zhì)環(huán)境的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。

5 結(jié) 論

通過研究分析鄭州地鐵5號線盾構(gòu)隧道滲漏水實際,結(jié)合專家經(jīng)驗和文獻(xiàn)研究,總結(jié)盾構(gòu)管片滲漏水風(fēng)險影響因素指標(biāo)體系,確定5個一級指標(biāo)17個二級指標(biāo)。同時運用網(wǎng)絡(luò)層次分析法對相關(guān)風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行量化研究。在此基礎(chǔ)上確定了各風(fēng)險因素指標(biāo)的權(quán)重比例。結(jié)論如下:

(1) 盾構(gòu)隧道管片滲漏水ANP風(fēng)險評價模型符合實際,通過將各風(fēng)險因素指標(biāo)定量化,得出了各風(fēng)險因素對管片滲漏水的影響程度。

(2) 一級指標(biāo)中人員是管片滲漏水的最主要影響因素。二級指標(biāo)中止水帶的狀態(tài)在一級指標(biāo)比例不占優(yōu)的情況下仍排名前列,是施工中值得關(guān)注的問題。

(3) 此評價體系具有現(xiàn)實意義,一方面從整體性的角度分析了沙口路區(qū)間盾構(gòu)管片滲漏水出現(xiàn)的原因,另一方面對其管片滲漏水的防護(hù)措施和管片滲漏水的綜合治理提供了參考。