基于協同學的雙模盾構TBM-EPB施工復合系統協同性評價模型研究

師啟蒙,雷 軍,鄺利軍,張樹光,于廣明

(1.青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033;2.中國建筑第五工程局 廣州市 510000;3.桂林理工大學 桂林市 541000)

0 引言

目前,盾構法作為一種快速、高效、安全、環保的施工方法,已廣泛應用于地下工程建設。但是,復雜多變的地質條件對盾構隧道工程建設提出了新的要求,為了實現盾構法技術的地質環境適應性,我國開始引入復合盾構施工技術,在盾構隧道施工過程中展開了新型盾構研制及盾構掘進配套技術的研究。我國復合盾構施工技術尚處于初步發展階段,還存在一系列關鍵技術問題亟待解決,其中最關鍵的問題就是復合地層中盾構機能否與圍巖相協調,為解決這一關鍵問題,文章引入協同學理論對此展開了研究。協同學理論已廣泛應用于經濟、教育、環境、航空管理等各種領域,薛耀文等[1]應用協同學理論,構建了高校內外部創新協同模型,運用多所高校數據對高校協同創新復合系統協同發展狀況進行測度;為合理評價水資源配置方案的優劣,雷洪成等[2]應用協同學原理,根據序參量和有序度的概念,建立了由經濟、社會、生態三個子系統組成的復雜系統協調度評價模型;張兆寧等[3]基于系統科學和協同學理論,通過“人、機、環、管”四個層面分析軍民航空管系統融合的影響因素,在灰色關聯分析基礎上,結合協同度評價模型建立了軍民航空管系統融合度評價模型;王峰等[4]應用系統學理論與協同學理論,構建了省域“能源-經濟-環境”系統發展評價指標體系與協調度評價模型,對我國省域3E系統協調度的時間與空間差異、動態演化趨勢進行了研究與預測;夏業領等[5]分析了科技創新與產業升級協同發展的機理,建立了科技創新產業升級復合系統協同度評價模型,并應用實際案例對協同度模型進行了驗證。協同學理論已經在眾多領域得到了應用,但是結合以往的研究發現,盾構施工的研究大都針對單一的盾構掘進性能預測或是圍巖穩定性分析,鮮少有人對“機-巖”復雜系統進行協同性研究,因此,文章借鑒協同學和系統學研究理論,在對盾構機系統、圍巖系統有序度評價體系的研究基礎上,建立了雙模(TBM-EPB)盾構施工過程中“機-巖”的協同關系測度模型,選取深圳地鐵13號線留仙洞站—白芒站區間隧道施工過程為研究案例,分析其盾構機系統、圍巖系統關聯現狀,計算雙模(TBM-EPB)盾構“機-巖”復雜系統協同度,并分析其協同演化過程。

1 雙模盾構施工系統協同的基本原理

1.1 雙模盾構施工系統的子系統

雙模盾構隧道施工系統是由相互制約的各部分子系統協同合作而成。作為雙模盾構施工過程“機-巖-環境”相互作用的主體,盾構機、圍巖和周圍環境可定義為雙模盾構隧道施工系統的子系統。協同學認為子系統相互作用和協作才使系統發展演變,應用協同論方法,可以找出影響系統變化的控制因素,通過分析雙模盾構施工復雜系統的各影響因素,可以充分發揮復合地層條件下雙模盾構施工優點,發揮盾構機子系統、圍巖子系統和環境子系統的協同作用,實現掘進速度高、刀具磨損小、巖體穩定與施工安全的工程目標。

1.2 雙模盾構施工系統的序參量

(1)盾構機子系統序參量的確定:從分析盾構施工掘進效率(掘進速度高、刀具磨損小)的角度,選擇盾構機的日進尺和換刀數量作為盾構機子系統的序參量。

(2)圍巖子系統序參量的確定:從分析圍巖穩定性的角度,選擇開挖擾動后圍巖拱頂的位移值、凈空收斂值、拱底的位移值作為圍巖子系統的序參量。

(3)環境子系統序參量的確定:從分析周圍環境穩定性的角度,選擇開挖后地表沉降值作為環境子系統的序參量。

雙模盾構施工系統能否有序取決于系統中的序參量是否協同,也就是說取決于盾構機子系統、圍巖子系統與環境子系統的序參量是否能發生協同作用,協同作用程度高,則有序化程度高,產生的效果將最終達到系統協調狀態,并向有序方向演化;協同作用程度低,所產生的負作用力會破壞盾構機、圍巖子系統與環境子系統間的協調,導致內部損耗,并促使系統向不協調狀態演化,掘進速度降低、刀具磨損量增大、圍巖變形嚴重、地表沉降量超限,對施工過程造成嚴重的不良后果。

2 雙模盾構施工系統協調性評價模型

雙模盾構施工系統協同是指組成系統的各要素在發展過程中彼此和諧一致,這種和諧一致的程度就是雙模盾構施工系統協調度。協同的作用及協調的程度決定了雙模盾構施工系統由無序走向有序的趨勢。

2.1 雙模盾構施工子系統有序度模型

將雙模盾構施工系統表示為Si={S1,S2,S3}。其中:Si為第i個子系統,i=1,2,3(盾構機子系統、圍巖子系統,環境子系統)。設Si在發展過程中的第j個序參量為xij(j≥1,且j∈N),且其值應在某一臨界閾值區間,即αij≤xij≤βij,其中,αij和βij為雙模盾構施工系統穩定的臨界閾值。當序參量越大,有序度越高時,取式(1)進行計算;當序參量越小,有序度越高時,取式(2)進行計算。根據以上設定,雙模盾構施工過程中各子系統的各序參量有序度為[6]:

(1)

(2)

采用線性加權求和法計算某一子系統的有序度,具體表達式見式(3):

(3)

式中:σj為子系統各序參量的權重值,采用熵值法確定指標權重。

2.2 雙模盾構施工系統協同性評價模型協同度計算

假設在給定的某一初始時刻t0時,子系統有序度為,當復合系統發展演變到另一時刻t1時,盾構機子系統有序度為,式(4)為雙模盾構施工系統的協同度[6]:

(4)

由式(4)可知,雙模盾構施工系統的協調度θ∈[-1,1],當θ∈[-1,0]時,說明該系統正向無序方向發展,當θ∈[0,1]時,兩子系統協同發展程度隨數值的增大而增高,復合系統協同度等級劃分標準[1,5]見表1。

表1 復合系統協同度等級劃分標準

2.3 序參量閾值的確定

序參量最理想和最不理想的數值稱為臨界閾值,合理確定臨界閾值是判斷各序參量有序程度的關鍵所在。目前關于雙模盾構施工各序參量閾值確定的研究相對較少,因此,文章依據工程經驗,探討各序參量閾值的確定,并采用熵權法對其權重值進行確定,各序參量的閾值與權重取值如表2所示。表2中所有的位移值均是絕對值,下文同。

表2 各序參量的閾值與權重取值

2.4 數據獲取

基于協同學的基本原理,結合深圳地鐵13號線雙模盾構施工工程右線的實測數據,TBM、EPB兩種模式下分別選取掘進距離為300環的數據作為協同度計算樣本,以20環為一組數據的盾構機子系統序參量、圍巖子系統序參量與環境子系統序參量。其中,隧道洞內測點布置如圖1所示,按照施工方案的要求,拱頂沉降監測點沿隧道掘進方向每10m設置一個監測點。

圖1 各監測點布置示意圖

表3為TBM施工模式和EPB施工模式下的部分樣本數據。

表3 TBM/EPB施工模式下雙模盾構施工系統序參量數據

2.5 計算結果及分析

(1)從表4可以看出,雙模(TBM-EPB)盾構施工模式下,三個子系統的有序度都保持正值,說明各子系統均朝著有序的方向發展,復合系統均未出現不協同的情況,這說明雙模盾構施工技術與深圳地區的復合地層具有較強的適應性。

表4 子系統有序度及復合系統協調度

(2)從圖2可以比較直觀地看出,TBM模式協調度相對于EPB模式較高,基本能達到良好協同甚至有些區間段能達到優質協同水平,而由于EPB模式段地層較軟弱,圍巖的變形與地表沉降較大,大都穩定于基本協同水平。

圖2 TBM/EPB施工模式下復合系統協調度

(3)從表4和圖2可以看出,雖然雙模盾構施工系統未出現不協同的情況,但距達到優質協同水平還有一定的差距,通過查閱協同度較低區間段的地質水文資料發現,孤石、斷層破碎帶、涌水或漏水嚴重地帶會降低復合系統的協同度。

3 結論與展望

雙模盾構施工過程中盾構機、圍巖與周圍環境協同發展將產生1+1+1>3的的整體協同效應,促使整個復合系統朝著掘進效率高、圍巖穩定和施工安全的方向發展。文章綜合考慮了內部子系統的運行狀況,提供了一種對復合系統實施基于協同發展效果的度量準則或評價標準,并以深圳地鐵13號線留仙洞站—白芒站區間隧道施工相關數據為樣本,基于復合系統協同度模型實證分析了施工過程中盾構機-圍巖-環境復合系統的整體協同度。主要結論如下:

(1)雙模(TBM-EPB)盾構施工模式下,復合系統均未出現不協同的情況,這說明雙模盾構施工技術與深圳地區的復合地層具有較強的適應性。

(2)由于EPB模式段地層較軟弱,圍巖的變形與地表沉降較大,協調度相對于TBM模式段較低。

(3)雖然雙模盾構施工系統未出現不協同的情況,但距達到優質協同水平還有一定的差距。

研究發現該復合系統還有很大的發展空間,具體而言,保證處理好隧道施工過程中的極端不利條件,在施工中對前方地層進行超前測,然后根據不同隧道地質情況采取不同的注漿處理方式,對土倉壓力、同步注漿、二次注漿、姿態控制和壁后填充等控制性指標控制性指標進行調整,充分考慮地層條件,以最合理的盾構機械參數達到盾構機、圍巖與環境子系統的協同。