泥水盾构隧道施工地表变形影响因素的灰关联度分析

泥水盾构隧道施工地表变形影响因素的灰关联度分析

沈平欢

沈平欢上海交通大学

摘要：近年来，随着泥水盾构隧道的大量兴建，其施工诱发地表变位控制的理论及方法成为亟待研究的课题。论文在介绍灰关联分析基本原理与方法的基础上，结合上海长江隧道工程，采用灰关联分析方法,对泥水盾构隧道施工中主要因素对地表变形影响的关联度进行了计算分析，明确了其间的主次关系，据以为施工参数优化匹配提供了指导和借鉴。

关键词：泥水盾构隧道；地表变形；灰关联分析

1引言

泥水平衡盾构工法以其技术先进、安全可靠等优点,近年来已经得到了广泛的使用,特别是在地质条件复杂，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工的工程中,更能体现它独有的优越性[1]。随着泥水盾构隧道的大量兴建，泥水盾构施工中越来越多的出现穿越地表建（构）筑物的情况，使得针对施工环境保护，即泥水盾构隧道施工诱发的地表变位控制的理论及方法成为亟待研究的课题。

2灰关联分析的基本原理与方法

虽然众多学者对泥水盾构隧道施工诱发地表变形的诸多影响因素进行了研究，但均未研究这些影响因素的主次关系。而明确这些影响因素的主次关系，对制定相关措施以控制泥水盾构隧道施工诱发的地表变形具有指导意义。

由于地表变形影响因素繁杂，且数据离散性很大，很难对这些数据进行数理统计处理，从而找出主要的影响因素；数理统计中回归分析、方差分析等方法，对信息不完全、关系不明确、内涵不明晰的体系也不能找到规律性的结果。灰色理论方法可对有限的、表面无规律的数据进行处理，从而找到系统本身具有的特征[4]。

灰色关联是指事物之间的不确定关联或系统因子之间、因子对主行为之间的不确定关联。灰色关联分析的基本任务是基于行为因子序列的微观或宏观几何接近，分析和确定因子之间的影响程度或因子对主行为的贡献测度。

灰关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近，相应序列之间关联度就越大，反之就越小。灰关联分析法就是通过计算系统特征变量数据序列与相关因素变量数据序列之间的关联度，建立灰关联矩阵，利用优势分析原则，得出各影响因素的优劣顺序，以确定主要影响因素[3][5]。

其计算方法如下：

3算例分析

上海长江隧道是连接浦东、长兴岛的交通枢纽工程和重要的地下生命线工程，其南起浦东五好沟，北至崇明长兴岛，共设东线（上行线）和西线（下行线）两条隧道，单线全长约8.9km。隧道采用两台迄今世界上直径最大（D=15.43m）的超大型泥水加压盾构平行施工，其建成后将是世界上直径最大的盾构隧道。

在长兴岛陆域段，两台超大型泥水盾构将先后穿越民房地段，这些民房基础及结构刚度差，有些老民房的承重墙和横梁在盾构穿越前已出现了轻微结构损伤现象。同时，由于盾构穿越土层为灵敏度高的饱和软土，上覆土层浅（10.7～12.6m）且开挖面上下土性差别较大（上部为②3层砂质粉土、下部为④层灰色淤泥质粘土）。盾构推进极易导致地层的过大扰动，引起隧道周围地表发生大的位移和变形，从而危及穿越民房结构安全。

为确保盾构施工不对穿越民房构成不良影响，拟针对穿越民房段前“试验段”开展研究，据以制定民房段施工匹配参数，减少盾构推进对地层的扰动。同时，鉴于地表变形影响因素繁多，为了明确其中主要影响因素及施工参数，拟依据试验段盾构施工采集参数及地表沉降监测数据，计算泥水压力P、泥水密度ρ、偏差流量Δq、推进速率v和注浆率n等施工参数对比表变形参数Smax灰关联度。

表1施工参数与地表变形参数统计表

经过计算，各参数对Smax影响的灰关联度如表2所示。可以看出，6个参数对Smax的影响排序为：注浆填充率>泥水压力>推进速率>偏差流量>泥水密度。

表2灰关联度计算结果

可见，注浆量、泥水压力、推进速率对隧道地表变形影响较大，而偏差流量、泥水密度等参数对地表变形的影响相对较小。

根据以上结果，对过民房段注浆压力、泥水压力、推进速率等施工参数进行了重点控制。

通过对试验段地表沉降值和注浆量进行对比分析（见图1），制定民房段注浆量为30m3，注浆压力略大于泥水压力。本次采用了适当增加注浆量和注浆压力的方式，使地层发生少量上抬，减少最终地表沉降。

图3地表沉降与注浆量的关系

考虑到房屋超载，本次泥水压力按“静止土压力+水压力+20kPa”设置（约为0.25MPa），使切口前方产生微量隆起，以减小土体的后期沉降。同时，保证切口水压的稳定，避免压力波动过大，以减少对土体的扰动。

推进速率方面，宜优化工序衔接，快速通过，尽量减少对地层的扰动。此外，由于开挖面上部土层为砂质粉土地层，为避免泥浆渗透导致的泥水压力损失及波动，也应适当快速推进。“试验段”试推表明，盾构推进速控制在35～40mm/min比较合理。

通过采取以上措施，最终民房段累计最大地表沉降值为22mm，地层损失率约为3‰，盾构施工未对穿越民房结构构成显著损害，说明以上采用灰关联分析手段的科学性、合理性。

4结语

近年来，随着泥水盾构隧道的大量兴建，其施工诱发地表变位控制的理论及方法成为亟待研究的课题。泥水盾构隧道地表变形影响因素错综复杂，而明确这些影响因素的主次关系，抓住主要矛盾，对主要影响因素进行重点控制，无疑为解决问题的科学思路。

论文介绍了灰关联分析基本原理与方法，在此基础上，针对上海长江隧道地表变形的主要影响因素进行了非关联分析，明确了各影响因素的主次关系，据以为制定民房段施工措施提供了指导，确保了穿越民房结构安全。

因此，采用灰关联分析手段来进行泥水盾构隧道地表变形优化控制具有科学性、合理性，因而具有推广、应用价值。

参考文献

[1]李昀,张子新.泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究[J].地下空间与工程学报，2007,3（4）：720-725

[2]曲永玲.城市地下工程地面变形神经网络模型研究[D].南京：南京工业大学硕士学位论文，2005

[3]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉：华中科技大学出版社,2005

[4]李艳春,孟岩,周骊巍，等.沥青混合料空隙率影响因素的灰关联分析[J].中国公路学报,2007,20(1):30-34

[5]刘思峰，党耀国，方志耕，等.灰色系统理论及其应用[M].北京：科学出版社,2004.