基于灰色理論的頂管施工道路沉降評價方法

陳軍、袁猛

（上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

0 引言

在工程中，可以將頂管施工作為一種不需要路段開挖或少量開挖，即可滿足工程質(zhì)量需求的道路管道埋設施工模式。施工時，在作業(yè)區(qū)內(nèi)借助頂進儀器或設備運行時產(chǎn)生的頂力，克服道路管道在土層中產(chǎn)生的摩擦力，按照預設的坡度，將管道頂進土層中，將多余的土方使用機械運走后,使用第二根管道繼續(xù)頂進，借助中繼推力完成埋設施工。目前，此種施工方式已被廣泛應用到不同道路的施工中，但隨著相關工作的持續(xù)推進，逐漸發(fā)現(xiàn)頂管施工模式會在使用中出現(xiàn)路段沉降問題。頂進與埋設等施工行為會受到挖掘機作業(yè)時的開挖、擠壓等綜合作用力，產(chǎn)生對周圍土體的擾動行為，當擾動作用力達到一定數(shù)值后，管道周圍的土體壓力將呈現(xiàn)釋放狀態(tài)，對應的土體應力分布發(fā)生異常，從而誘發(fā)土層沉降。嚴重的道路沉降不僅會影響車輛駕駛員的駕駛體驗感，還會威脅公路行車安全，因此需要對道路沉降進行評價。但在進行頂管施工道路沉降評價的過程中，評價結(jié)果容易產(chǎn)生較大的誤差，不能保證施工的有效進行。綜上所述，將引進灰色理論，設計一種針對道路頂管施工的道路沉降評價方法，以此種方式及時掌握沉降區(qū)段，優(yōu)化道路施工。

1 基于灰色理論的道路頂管施工道路沉降評價方法設計

1.1 基于灰色理論的道路沉降區(qū)段預測模型構建

在道路頂管施工結(jié)束后，較長時間外界環(huán)境中不確定因素的變化，會引起施工道路發(fā)生沉降，由于不確定因素較多、已知因素較少，因此在評價道路沉降時引進灰色理論，解決評價過程中存在的信息不確定問題。

將已知的道路工程數(shù)據(jù)進行離散化處理，根據(jù)數(shù)據(jù)的序列排列方式對其進行數(shù)組轉(zhuǎn)換，生成規(guī)范化的數(shù)列形式，根據(jù)已知數(shù)列建立一個微分方程，通過對方程的解析，即可構建一個針對沉降區(qū)域道路的預測模型。假設的起始點表示為（1，1），對進行白化描述，將其表示為下述計算公式（1）。

式（2）中：表示時間序列。根據(jù)公路頂管施工工期，對時間序列進行填充，以此方式，實現(xiàn)對沉降區(qū)段的建模。

1.2 建立公路頂管施工道路沉降層次化評價體系

考慮到公路頂管施工發(fā)生道路沉降的影響因素較多，因此需要在評價前提取可能造成道路沉降的指標，建立一個層次化評價體系。公路頂管施工道路沉降層次化評價體系如圖1所示。

圖1 公路頂管施工道路沉降層次化評價體系

將已知信息導入評價體系中，結(jié)合不同工況，進行設計內(nèi)容與施工組織方案進行調(diào)整，為道路沉降評價提供參照。

1.3 基于評價矩陣的道路沉降評價結(jié)果量化

已知公路頂管施工道路沉降影響因素后，由專家系統(tǒng)進行道路沉降影響因素的評分，參照重要性標度法，進行影響因素分數(shù)賦值，得到一個針對頂管施工準則層的比較矩陣。矩陣表達式（3）如下。

式（3）中：表示道路沉降評價矩陣；1 表示同等重要的影響因素；5 表示前者重要性顯著大于后者；8 表示后者重要性不大；9 表示后者幾乎不重要；4 前者重要性較大于后者；1/5、1/4、1/8、1/9 表示重要性判斷折中。根據(jù)對不同影響因素的賦值，進行道路沉降評價。評價后，對結(jié)果進行一致性比對，比對公式（4）如下。

式（4）中：C表示評價結(jié)果一致性；表示評價結(jié)果最大特征值；表示評價矩陣階數(shù)。當C計算結(jié)果=0時，證明評價結(jié)果與構造矩陣具備一致性，輸出評價結(jié)果即可完成對頂管施工道路沉降的評價。

2 工程實例分析

為了證明設計方法的可行性，選擇深圳市某雨污分流管道工程作為此次試驗的工程實例，該區(qū)段公路工程所處的地理位置為市中心，為了降低施工對周邊居民生活的影響，避免路段施工封閉對道路出行造成干預，在施工中所選的施工方法為頂管施工方法。

此次施工所選的頂管內(nèi)徑為2780.0mm，頂進管道的壁厚約為280.0mm，屬于鋼筋材質(zhì)的混凝土圓形管道。為了保證評價結(jié)果的真實性與可靠性，采用土體采樣的方式，對頂管施工區(qū)域進行土體采樣，記錄公路施工路段土層物理力學參數(shù)，如表1所示。

通過表1中數(shù)據(jù)的分析可以看出，此施工路段土體結(jié)構整體松軟度較高，屬于易發(fā)生沉降的區(qū)段。因此，選擇此項目作為實例進行研究是十分可行的。

表1 公路施工路段土層物理力學參數(shù)

此次施工取兩端管道進行頂進施工，預設埋設深度為12.87m，兩個下深的管道分別為取水頂管和排水頂管，兩個管道的長度分別為545.5m 與168.8m。

完成對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的勘查與工程施工相關準備工作后，由專業(yè)施工人員在現(xiàn)場技術人員的指導下，按照標準進行施工。完成施工后，隨機在埋設的管道上布置測點，根據(jù)已知信息與未知信息，采用提出的基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評價方法，圈定施工區(qū)域，并對公路頂管施工道路沉降區(qū)段構建道路沉降區(qū)段預測模型。根據(jù)施工現(xiàn)場可能誘發(fā)道路沉降的因素，建立公路頂管施工道路沉降層次化評價體系。在此基礎上，構建道路沉降評價矩陣，采用對評價結(jié)果進行量化的方式，完成對施工區(qū)段沉降評價結(jié)果的量化。在該區(qū)域安排了8 個試驗點分別為E1～E8，圖2為本次雨污分流管道工程部分施工區(qū)域平面圖。

圖2 部分施工區(qū)域平面圖

選擇E1 測點作為試驗點，記錄實測沉降結(jié)果與設計評價方法量化得到的沉降結(jié)果，為了保證試驗結(jié)果的直觀性，將其繪制成折線圖，E1 測點沉降結(jié)果如圖3所示。

圖3 E1 測點沉降結(jié)果

統(tǒng)計E1 測點的實測結(jié)果與評價結(jié)果，將已知數(shù)據(jù)代入下述計算公式，計算公路頂管施工道路沉降評價結(jié)果誤差率，計算公式（5）如下。

式（5）中：表示道路沉降評價結(jié)果誤差率；表示評價沉降值；表示實測沉降值。

按照上述計算公式，計算8 個測點沉降評價結(jié)果的誤差率，計算沉降評價結(jié)果誤差率，公路頂管施工道路沉降評價結(jié)果誤差率對比如表2所示。

表2 公路頂管施工道路沉降評價結(jié)果誤差率對比

從上述試驗結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)方法，設計的基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評價方法，在實際應用中不僅可以實現(xiàn)對公路頂管施工點沉降值的精準預測，也可以降低沉降評價結(jié)果的誤差率，保證對道路沉降評價的高精度。

3 結(jié)語

為了確保工程的高質(zhì)量完成，提出了在公路工程建設中采用頂管施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)開挖施工的作業(yè)模式。為了解決頂管施工中的沉降問題，從構建道路沉降區(qū)段預測模型、建立公路頂管施工道路沉降層次化評價體系、基于評價矩陣的道路沉降評價結(jié)果量化三個方面，對基于灰色理論的公路頂管施工道路沉降評價方法展開設計，并通過實例證明了設計的評價方法，不僅可以實現(xiàn)對公路頂管施工點沉降值的精準預測，也可以降低沉降評價結(jié)果的誤差率，實現(xiàn)將誤差率控制在1.0%以內(nèi)。