盾構始發與到達設計與施工決策分析系統研制

朱世友，李元海，林志斌

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

0 引言

隨著城市交通的迅速發展，盾構法以其特有的優勢在地鐵建設中得到了廣泛的運用。盾構始發和到達施工是盾構法的一個主要風險集中點，目前，國內外對該階段的設計與施工都非常重視，通常采用地層加固、專門密封防水措施、制定專項施工組織、加強檢查和監測等方法來保證施工安全，但工程事故仍然時有發生，如上海地鐵4號線6標段的管片吊機事故［1］，沈陽地鐵某區間的涌砂、冒漿和掌子面坍塌事故［2］，深圳地鐵5號線寶華站南到達端頭地層的加固體失效事故［3］等。

分析這些事故原因，除部分因為地下工程的復雜性和可控性較差外，主要還是因為對工程的認識不足，采取的技術方案不當、措施不得力等原因，為此付出了巨大的代價，小事故影響工期、造價，大事故造成人員傷亡、盾構機和主體結構損毀等。這反映了一種現實情況，盾構始發和到達施工技術并不復雜，但不同的技術措施所帶來的施工問題和技術風險沒有得到深入認知，而且很多僥幸事例又模糊了這種認知;因此，需要根據工程實例、經驗結合理論對這種風險進行分析研究，制定一些設計和施工技術標準。現階段，國內盾構法的工程經驗和實例很多，而相關系統研究都只針對盾構法掘進過程中的地層變位決策［4－5］或盾構法本身的施工輔助決策［6］，還沒有關于盾構始發與到達這一項的研究。

因此，研究盾構始發和到達施工決策系統，對盾構始發和到達階段的標準化設計施工、風險分析和評估，有利于提高盾構施工的效率，保障工程后續施工以及日后運營安全。本文采用理論分析結合工程實際的方法，研究開發盾構始發與到達施工決策分析系統。

1 盾構始發與到達施工決策方法

盾構始發與到達施工決策的主要內容包括端頭地層的穩定性分析、端頭地層加固方法選擇、端頭地層合理加固范圍確定、施工風險分析與評價和施工流程的標準化施工組織設計等。盾構始發與到達施工決策系統對以上幾項內容實現決策的方法流程如圖1所示。

圖1 盾構始發與到達施工決策方法流程圖Fig.1 Flowchart of decision-making method of shield launching and arrival

首先，由用戶輸入盾構始發與到達工程的相關工程資料，包括工程概況、工程地質條件、水文地質條件和周邊環境條件;然后，系統根據這些輸入的基礎資料，從宏觀上根據各類土抗剪強度的高低及其變化特征以估計端頭地層的穩定性;接著，系統再憑地層穩定性判斷結果和已輸入的工程資料，由設計得出的端頭地層加固方案推理機推理得到該工程的適用加固方法，同時由加固方案風險基準庫中給出這些適用加固方法存在的風險以及相應的規避措施;然后，用戶需要輸入采用這些加固方法加固后的地層相關參數，系統就會對每種加固方法進行合理的加固范圍確定;而后，用戶需要考慮各加固方法存在的風險、加固范圍以及造價來選擇，系統就會采用專家調查法和層次分析法來對該工程進行風險評價和風險評估，得到該工程的風險等級以及各項風險因素影響權系數;最后，用戶只需對始發施工或到達流程中的一些內容進行簡單選擇(如選擇基座的類型、洞門防水密封方式)后，系統就會自動生成始發到達的標準化施工組織。當系統對以上內容決策完畢之后，系統保存以上決策結果后，一起輸出到用戶指定的Word文檔中。

2 施工決策系統的總體功能設計

由于盾構始發與到達施工決策系統開發的主要目的是為新建工程提供風險分析和相關決策，因此該系統應實現以下功能。

2.1 數據庫的管理

此功能包括對工程案例知識庫、標準知識庫、工程數據庫實現新建、編輯、更新、查詢和統計等。

2.2 決策分析

1)基于知識庫的工程類比分析。系統根據用戶指定的相似條件在現有工程案例知識庫中自動搜索得到與新建工程相似的工程案例。

2)端頭地層穩定評價。根據具體工程的地質和水文條件以及相應的工程信息，系統自動對端頭地層進行穩定性評價。

3)加固方案推理。根據穩定性評價結果、具體工程水文地質條件以及相應的工程信息，系統能夠自行推理得到適合該工程的端頭加固方案。

4)加固范圍確能。對新建工程進行合理加固范圍的確定，滿足施工穩定要求。

5)造價估算。對盾構始發和到達工程的造價進行估算。

6)風險評估。對具體工程的各項風險評判內容進行不同時間段的評估，預測其風險等級，同時根據風險等級給出不同的規避措施。

7)風險分析。對具體工程潛在的致險因素進行分析，得到各致險因素的權系數，從而在施工中可以權衡輕重，合理選擇一些預防措施。

8)施工組織設計。根據具體工程地質水文條件以及相應的工程信息，系統能夠自行推理創建適合該工程的標準化施工組織設計文檔。

2.3 輔助功能

1)數據交換。本系統和外界系統進行數據的交換，如具體工程信息的導入、導出等。

2)報表繪制。對具體工程及其分析結果進行報表自動生成、繪制和打印輸出。

根據上述系統功能需求，系統總體功能框架結構如圖2所示。

圖2 系統總體功能設計圖Fig.2 General structure of system functions

3 盾構始發與到達施工決策問題分析

3.1 工程案例數據庫創建

盾構始發與到達施工決策系統的基礎是一個包含多個工程的工程案例數據庫。為此，通過搜集盾構始發和到達工程實例及相關事故資料;然后將每個工程按基本工程概況、地質條件、周邊環境狀況、施工組織、事故狀況、監測數據、工程圖境等9項進行分類信息提取、保存(如圖3所示)，保存模板分為綜合信息Word文檔、表格信息Excel文檔、圖像信息文件夾文檔三類;再將每個工程的“三類文檔”內容錄入到盾構始發與到達施工決策系統中，從而生成多個工程數據表，構成案例數據庫中的一部分;當所有工程錄入系統完畢后，就初步形成一個由多個工程構成的案例數據庫，為盾構始發與到達工程類比分析、風險分析與輔助方案決策提供了基礎數據支撐。

圖3 工程案例數據表內容Fig.3 Database of engineering cases

3.2 風險分析方法

本系統采用專家調查法和層次分析法對新建工程進行風險評價和評估。其中，專家調查法主要用于進行各工況的風險評估，分析過程主要包括2個步驟:1)確定風險評價標準，本系統風險評價標準參照建設部的《地鐵及地下工程建設風險管理指南》［7］確定，同時，根據不同風險發生的概率和風險事故損失等級，建立風險分級評估矩陣，不同風險需采用不同風險管理和控制措施、不同等級風險的接受準則和相應控制對策;2)利用專家調查法進行各工況風險評價，聘請業內一些工程經驗豐富的專家對風險進行辨識所得出的各工況風險發生概率和風險損失等級進行評價。

層次分析法主要用來計算各工況致險因素權系數。根據問題的性質和要達到的總目標，將問題分解為不同組成因素，并按照因素間的相互關聯影響以及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結構模型［8］，如圖4所示。并最終把系統分析歸結為最底層(供決策的方案、措施等)相對于最高層(總目標)的相對重要性權值的確定或相對優劣次序的排序問題。

圖4 盾構始發與到達風險評估層次分析結構總圖Fig.4 Hierarchy analysis structure of risk assessment for shield launching and arrival

3.3 施工組織設計標準化方法

盾構始發與到達施工組織設計標準化的方法是:首先確定盾構始發與到達施工組織的主要設計項，然后將各主要設計項的內容進一步分解，最后將各分解項的靜態內容與動態內容整合，得到一個始發或到達工程的標準施工組織設計說明書。

1)確定盾構始發與到達施工組織的主要設計項，如圖5所示。

2)各主要設計項內容的進一步分解。

①地層穩定分析的分解。將地層穩定分析內容進一步分解為端頭地層地質狀況、各單層土層穩定性判斷及端頭地層綜合穩定性判斷。

②端頭地層加固分析的分解。將端頭地層加固分析內容進一步分解為端頭地層加固方案推理、可用加固方案風險分析、最終加固方案加固范圍計算、最終方

案風險控制措施以及最終加固方案施工控制措施。

圖5 盾構始發與到達施工組織的主要設計項Fig.5 Main design items of execution organization of shield launching and arrival

③始發施工流程設計的分解。將始發施工流程設計的內容進一步分解為盾構始發施工概述、盾構始發基座安裝定位、盾構機組裝與空載調試、盾構始發洞門鑿除、始發反力架安裝固定、洞門防水密封安裝、盾構始發導軌安裝、安裝負環管片和出洞后回填注漿。

④盾構始發與到達姿態控制的進一步分解。分解為盾構軸線偏差控制要求、盾構水平偏差和垂直偏差的控制和盾構偏轉角的控制3部分。

⑤到達施工流程設計的分解。將到達施工流程設計的內容進一步分解為盾構到達施工概述、盾構到達洞門鑿除、到達洞門密封安裝、盾構到達基座安裝、盾構到達導軌安裝、盾構到達段管片安裝。

⑥盾構到達密閉接收裝置的進一步分解。將盾構到達密閉接收裝置的內容進一步分解為到達段端頭處理、洞門混凝土鑿除及回筑、密閉接收裝置制作、密閉接收裝置安裝、填料及密閉試壓檢查。

3)各分解項的內容填充。根據內容隨工程的變化情況將施工組織設計內容分為“靜態”內容和“動態”內容2部分。進行各分解項填充時:首先，將各分解項的靜態內容和動態內容存儲在數據庫中，靜態內容可按文本格式直接存儲，動態內容則以動態參數代替動態變化內容后按靜態內容的方式進行存儲;然后，根據具體工程情況，提取該工程各分解項的動態內容和靜態內容，其中各分解項的靜態內容可直接提取，動態內容則要求用戶輸入相關數據，系統根據這些數據進行判斷、替代或計算后，將動態內容的動態參數變為靜態參數后再導出該項的動態內容(如當一個工程可供采用的加固方案有多種時，系統會要求用戶主觀選定其中的一種作為最終加固方案，然后系統才能對最終加固方案的風險控制措施項或加固范圍計算項進行標準設計;再如進行最終加固方案的加固范圍計算時，需要用戶輸入加固體的抗剪強度、抗彎強度等參數后，系統才能對最終加固方案的加固范圍進行計算分析并導出);最后，將提取出的各分解項的靜態內容與動態內容進行融合，得到一個具體工程的標準化施工組織設計說明文檔。

4 盾構始發與到達施工決策系統開發

盾構始發和到達施工決策系統的開發主要采用面向對象開發軟件Delphi結合SQL Server數據庫來實現。其中SQL Server數據庫主要用于存儲和輸出盾構始發與到達案例知識庫和標準知識庫的所有資料;Delphi軟件主要用于系統的界面設計，以及通過編程實現相關的功能。軟件系統界面設計如圖6所示，主要包括主菜單、工作空間管理器、工程顯示區和狀態欄等部分。

圖6 盾構始發和到達施工決策軟件系統界面Fig.6 User interface of decision-making of shield launching and arrival

1)主菜單。包括系統中能夠實現的全部功能，如文件、編輯、查詢、風險評估、方案決策、報表、知識庫、工具、幫助幾類子菜單以及一個快捷工具欄等。

2)工作空間管理器。工作空間管理器位于整個界面的左側，是用戶管理具體工程項目的輔助工具，可對具體工程及其子項進行查詢、編輯、刪除等操作。

3)工程顯示區。工程顯示區主要用于顯示一個具體工程的相關信息，包括工程概況、地質條件、周邊環境、施工設計等。

4)狀態欄。狀態欄主要用于標識用戶的當前選擇項以及顯示一個工程從一個數據庫拷貝或轉移到另一個數據庫時的進度情況。

4.1 端頭加固方案推理

1)端頭加固方案推理機構建。通過查閱相關工程資料，對各工程采用的端頭加固方案進行歸納總結，確定了盾構始發到達工程中可能用到的22種加固方案，同時對這22種方案各自的適用條件和不適用條件進行理論分析研究，構建得到了端頭加固方案推理機。

2)端頭加固方案推理。當用戶輸入相關參數(隧道外徑和埋深信息、工程地質條件和水文地質條件、周邊環境狀況等)后，系統就可以根據端頭加固方案推理機進行加固方案推理，推理結果包括不宜采用的加固方法、允許采用的加固方法和建議加固方法等，如圖7所示。

圖7 端頭加固方法推理Fig.7 Inference of end soil reinforcement method

4.2 端頭地層合理加固范圍確定

“端頭合理加固范圍確定”這一功能的主要目的是對用戶選定的加固方案確定合理的加固范圍，從而保證地層加固效果的同時又降低工程造價。當用戶需要確定一個工程最合理的端頭加固方案合理加固范圍時，首先需要選擇一種加固方法并輸入相關參數，然后系統就會自動計算出加固體的合理加固厚度、洞周加固寬度、洞周上下部加固高度等，并將計算分析過程和計算結果顯示出來，如圖8所示。

圖8 端頭加固土體范圍確定Fig.8 Determination of end soil reinforcement range

4.3 風險分析與評估

風險分析與評估的主要功能是確定各個風險影響因子的重要性權重系數及相應的風險等級，進而決定采用何種風險規避措施，達到降低工程風險的目的。風險評估采用專家調查法，通過專家對“發生概率”和“損失后果”這2項內容進行打分后，系統會根據這2項內容，對照風險基準表，自動判別出該風險項的風險等級，并顯示在“風險等級”這一欄中，如圖9所示。

風險分析采用層次分析法，用于確定各個風險影響因子的重要性權系數，其需要通過專家進行打分后才能得到分析結果，如圖10所示。

圖9 風險評估界面Fig.9 User interface of risk assessment

圖10 “風險分析”結果Fig.10 “Risk analysis”result

4.4 標準施工組織設計

“標準施工組織生成”的軟件界面如圖11所示。其中“端頭加固方案推理”、“加固方案風險分析”、“合理加固范圍”、“反力架位置確定”和“反力架支撐驗算”這幾項內容都可由軟件自動分析計算;而盾構始發基座型式、洞門密封型式和負環管片型式則需要用戶進行簡單選擇。各項內容選擇完畢后，系統就會將該工程的靜態內容和動態內容進行標準化組合后，保存到用戶指定的Word文檔中。

圖11 “標準施工組織設計”界面Fig.11 User interface of“Standard execution organization design”

5 結論及建議

5.1 結論

1)通過對盾構始發和到達風險的影響因素研究，并結合工程經驗認識，提出了盾構始發和到達的風險分類(地層加固風險、機械或支撐系統風險、盾構安裝或掘進控制風險);并以此為基礎，研究了不同加固方案下盾構始發與到達施工存在的風險問題，提出了相應的風險控制措施，可為工程風險控制提供有價值的參考。

2)通過對端頭地層穩定性的研究，提出了端頭地層穩定性分析與判別方法，并以此為基礎，根據不同工程地層的土質、水文、環境條件及其保護等級，構建了始發與到達加固知識庫，為盾構始發與到達加固方案決策奠定了基礎。

3)基于盾構始發與到達工程案例的搜集、整理和歸類，建立了一個包含100項工程的工程案例數據庫，各項工程都包含工程概況、地質條件、環境狀況、加固方案、風險狀況、監測數據和圖像等，為決策系統提供了數據支撐，并為今后工程積累了寶貴的資料。

4)基于SQL Server數據庫，研制出盾構始發與到達施工決策系統，功能包括案例數據庫創建、編輯、更新、查詢、統計、分析及加固參數計算、加固方案推理、造價估算及標準化施組設計等，有助于盾構工程設計與施工方案的科學決策。

5.2 建議

1)“專家調查法”和“層次分析法”是目前風險分析和評估中最常用的方法，但這2種方法都需要專家來進行主觀打分或賦值，一定程度上限制了其使用范圍，下一步研究中，可在此基礎上，增加一種較為客觀的風險分析方法來對盾構始發到達工程風險進行客觀評價。

2)由于盾構始發與到達工程案例涉及到的數據種類和數量大，本文案例數據庫僅設計了一部分數據庫結構來存儲其中的關鍵數據;隨著時間的推移，會有大量新的工程案例不斷涌現，同時工程的數據需求也可能發生改變，因此需對軟件系統中的工程案例數據庫進行進一步完善和擴充。

3)本文建立的是一個運行在單機桌面環境下的盾構始發與到達設計和施工決策輔助系統，下一步研究應建立一個基于互聯網的盾構始發與到達設計和施工決策系統，同時增加方案的經濟分析功能，以實現工程案例數據庫信息遠程共享與更好的科學決策分析。

［1］ 田華軍，宋藝宏，王澤武.地鐵盾構隧道施工安全及事故分析［J］.現代城市軌道交通，2009(5):53－55.(TIAN Huajun，SONG Yihong，WANG Zewu.The subway shield tunnel construction safety and accident analysis［J］.Modern Urban Rail Transit，2009(5):53 －55.(in Chinese))

［2］ 晏立忠.沈陽地鐵某區間盾構始發脫困施工技術［J］.浙江建筑，2009，26(9):46 －49.(YAN Lizhong.Technology of relieving a shield from trapping at beginning construction which is applied in a subway construction district of shenyang city［J］.Zhejiang Construction，2009，26(9):46 －49.(in Chinese))

［3］ 孟海峰，劉江濤，李世君.土壓平衡盾構富水粉砂地層進、出洞常見問題分析［J］.隧道建設，2011，31(S2):57 －61.(MENG Haifeng，LIU Jiangtao，LI Shijun.Common issues of launching and arriving for Earth Pressure Balance shield tunneling in water-rich and silty strata［J］.Tunnel Construction，2011，31(S2):57 －61 .(in Chinese))

［4］ 李守巨，曹麗娟.盾構機掘進過程中的決策支持系統［J］.信息技術，2011(10):39 －46.(LI Shouju，CAO Lijuan.Decision support system in shield tunneling［J］.Information Technology，2011(10):39 －46.(in Chinese))

［5］ 張書豐，姜志強，孫樹林.盾構施工引起地層變位的實時決策系統設計［J］.巖土力學，2008，29(7):1843－1847.(ZHANG Shufeng，JIANG Zhiqiang ，SUN Shulin.Development of real time decision-making system for ground deformation due to shield tunneling［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(7):1843 －1847.(in Chinese))

［6］ 周文波.盾構法隧道施工智能化輔助決策系統的研制與應用［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(S1):2412－2417.(ZHOU Wenbo.Smart decision-making aided system to shield tunneling project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(S1):2412 － 2417.(in Chinese))

［7］ 中華人民共和國建設部.地鐵及地下工程建設風險管理指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.(The people’s Republic of China Ministry of Construction.Guideline of risk management for construction of subway and underground works［M］.Beijing:China Architecture and Building Press，2007.(in Chinese))

［8］ 杜棟，龐慶華，吳炎.現代綜合評價方法與案例精選［M］.北京:清華大學出版社，2008:11 － 20.(DU Dong，PANG Qinghua，WU Yan.Modern comprehensive evaluation method and case selected［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2008:11 －20.(in Chinese))