师启蒙,雷 军,邝利军,张树光,于广明

(1.青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033;2.中国建筑第五工程局 广州市 510000;3.桂林理工大学 桂林市 541000)

0 引言

目前,盾构法作为一种快速、高效、安全、环保的施工方法,已广泛应用于地下工程建设。但是,复杂多变的地质条件对盾构隧道工程建设提出了新的要求,为了实现盾构法技术的地质环境适应性,我国开始引入复合盾构施工技术,在盾构隧道施工过程中展开了新型盾构研制及盾构掘进配套技术的研究。我国复合盾构施工技术尚处于初步发展阶段,还存在一系列关键技术问题亟待解决,其中最关键的问题就是复合地层中盾构机能否与围岩相协调,为解决这一关键问题,文章引入协同学理论对此展开了研究。协同学理论已广泛应用于经济、教育、环境、航空管理等各种领域,薛耀文等[1]应用协同学理论,构建了高校内外部创新协同模型,运用多所高校数据对高校协同创新复合系统协同发展状况进行测度;为合理评价水资源配置方案的优劣,雷洪成等[2]应用协同学原理,根据序参量和有序度的概念,建立了由经济、社会、生态三个子系统组成的复杂系统协调度评价模型;张兆宁等[3]基于系统科学和协同学理论,通过“人、机、环、管”四个层面分析军民航空管系统融合的影响因素,在灰色关联分析基础上,结合协同度评价模型建立了军民航空管系统融合度评价模型;王峰等[4]应用系统学理论与协同学理论,构建了省域“能源-经济-环境”系统发展评价指标体系与协调度评价模型,对我国省域3E系统协调度的时间与空间差异、动态演化趋势进行了研究与预测;夏业领等[5]分析了科技创新与产业升级协同发展的机理,建立了科技创新产业升级复合系统协同度评价模型,并应用实际案例对协同度模型进行了验证。协同学理论已经在众多领域得到了应用,但是结合以往的研究发现,盾构施工的研究大都针对单一的盾构掘进性能预测或是围岩稳定性分析,鲜少有人对“机-岩”复杂系统进行协同性研究,因此,文章借鉴协同学和系统学研究理论,在对盾构机系统、围岩系统有序度评价体系的研究基础上,建立了双模(TBM-EPB)盾构施工过程中“机-岩”的协同关系测度模型,选取深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站区间隧道施工过程为研究案例,分析其盾构机系统、围岩系统关联现状,计算双模(TBM-EPB)盾构“机-岩”复杂系统协同度,并分析其协同演化过程。

1 双模盾构施工系统协同的基本原理

1.1 双模盾构施工系统的子系统

双模盾构隧道施工系统是由相互制约的各部分子系统协同合作而成。作为双模盾构施工过程“机-岩-环境”相互作用的主体,盾构机、围岩和周围环境可定义为双模盾构隧道施工系统的子系统。协同学认为子系统相互作用和协作才使系统发展演变,应用协同论方法,可以找出影响系统变化的控制因素,通过分析双模盾构施工复杂系统的各影响因素,可以充分发挥复合地层条件下双模盾构施工优点,发挥盾构机子系统、围岩子系统和环境子系统的协同作用,实现掘进速度高、刀具磨损小、岩体稳定与施工安全的工程目标。

1.2 双模盾构施工系统的序参量

(1)盾构机子系统序参量的确定:从分析盾构施工掘进效率(掘进速度高、刀具磨损小)的角度,选择盾构机的日进尺和换刀数量作为盾构机子系统的序参量。

(2)围岩子系统序参量的确定:从分析围岩稳定性的角度,选择开挖扰动后围岩拱顶的位移值、净空收敛值、拱底的位移值作为围岩子系统的序参量。

(3)环境子系统序参量的确定:从分析周围环境稳定性的角度,选择开挖后地表沉降值作为环境子系统的序参量。

双模盾构施工系统能否有序取决于系统中的序参量是否协同,也就是说取决于盾构机子系统、围岩子系统与环境子系统的序参量是否能发生协同作用,协同作用程度高,则有序化程度高,产生的效果将最终达到系统协调状态,并向有序方向演化;协同作用程度低,所产生的负作用力会破坏盾构机、围岩子系统与环境子系统间的协调,导致内部损耗,并促使系统向不协调状态演化,掘进速度降低、刀具磨损量增大、围岩变形严重、地表沉降量超限,对施工过程造成严重的不良后果。

2 双模盾构施工系统协调性评价模型

双模盾构施工系统协同是指组成系统的各要素在发展过程中彼此和谐一致,这种和谐一致的程度就是双模盾构施工系统协调度。协同的作用及协调的程度决定了双模盾构施工系统由无序走向有序的趋势。

2.1 双模盾构施工子系统有序度模型

将双模盾构施工系统表示为Si={S1,S2,S3}。其中:Si为第i个子系统,i=1,2,3(盾构机子系统、围岩子系统,环境子系统)。设Si在发展过程中的第j个序参量为xij(j≥1,且j∈N),且其值应在某一临界阈值区间,即αij≤xij≤βij,其中,αij和βij为双模盾构施工系统稳定的临界阈值。当序参量越大,有序度越高时,取式(1)进行计算;当序参量越小,有序度越高时,取式(2)进行计算。根据以上设定,双模盾构施工过程中各子系统的各序参量有序度为[6]:

(1)

(2)

采用线性加权求和法计算某一子系统的有序度,具体表达式见式(3):

(3)

式中:σj为子系统各序参量的权重值,采用熵值法确定指标权重。

2.2 双模盾构施工系统协同性评价模型协同度计算

假设在给定的某一初始时刻t0时,子系统有序度为,当复合系统发展演变到另一时刻t1时,盾构机子系统有序度为,式(4)为双模盾构施工系统的协同度[6]:

(4)

由式(4)可知,双模盾构施工系统的协调度θ∈[-1,1],当θ∈[-1,0]时,说明该系统正向无序方向发展,当θ∈[0,1]时,两子系统协同发展程度随数值的增大而增高,复合系统协同度等级划分标准[1,5]见表1。

表1 复合系统协同度等级划分标准

2.3 序参量阈值的确定

序参量最理想和最不理想的数值称为临界阈值,合理确定临界阈值是判断各序参量有序程度的关键所在。目前关于双模盾构施工各序参量阈值确定的研究相对较少,因此,文章依据工程经验,探讨各序参量阈值的确定,并采用熵权法对其权重值进行确定,各序参量的阈值与权重取值如表2所示。表2中所有的位移值均是绝对值,下文同。

表2 各序参量的阈值与权重取值

2.4 数据获取

基于协同学的基本原理,结合深圳地铁13号线双模盾构施工工程右线的实测数据,TBM、EPB两种模式下分别选取掘进距离为300环的数据作为协同度计算样本,以20环为一组数据的盾构机子系统序参量、围岩子系统序参量与环境子系统序参量。其中,隧道洞内测点布置如图1所示,按照施工方案的要求,拱顶沉降监测点沿隧道掘进方向每10m设置一个监测点。

图1 各监测点布置示意图

表3为TBM施工模式和EPB施工模式下的部分样本数据。

表3 TBM/EPB施工模式下双模盾构施工系统序参量数据

2.5 计算结果及分析

(1)从表4可以看出,双模(TBM-EPB)盾构施工模式下,三个子系统的有序度都保持正值,说明各子系统均朝着有序的方向发展,复合系统均未出现不协同的情况,这说明双模盾构施工技术与深圳地区的复合地层具有较强的适应性。

表4 子系统有序度及复合系统协调度

(2)从图2可以比较直观地看出,TBM模式协调度相对于EPB模式较高,基本能达到良好协同甚至有些区间段能达到优质协同水平,而由于EPB模式段地层较软弱,围岩的变形与地表沉降较大,大都稳定于基本协同水平。

图2 TBM/EPB施工模式下复合系统协调度

(3)从表4和图2可以看出,虽然双模盾构施工系统未出现不协同的情况,但距达到优质协同水平还有一定的差距,通过查阅协同度较低区间段的地质水文资料发现,孤石、断层破碎带、涌水或漏水严重地带会降低复合系统的协同度。

3 结论与展望

双模盾构施工过程中盾构机、围岩与周围环境协同发展将产生1+1+1>3的的整体协同效应,促使整个复合系统朝着掘进效率高、围岩稳定和施工安全的方向发展。文章综合考虑了内部子系统的运行状况,提供了一种对复合系统实施基于协同发展效果的度量准则或评价标准,并以深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站区间隧道施工相关数据为样本,基于复合系统协同度模型实证分析了施工过程中盾构机-围岩-环境复合系统的整体协同度。主要结论如下:

(1)双模(TBM-EPB)盾构施工模式下,复合系统均未出现不协同的情况,这说明双模盾构施工技术与深圳地区的复合地层具有较强的适应性。

(2)由于EPB模式段地层较软弱,围岩的变形与地表沉降较大,协调度相对于TBM模式段较低。

(3)虽然双模盾构施工系统未出现不协同的情况,但距达到优质协同水平还有一定的差距。

研究发现该复合系统还有很大的发展空间,具体而言,保证处理好隧道施工过程中的极端不利条件,在施工中对前方地层进行超前测,然后根据不同隧道地质情况采取不同的注浆处理方式,对土仓压力、同步注浆、二次注浆、姿态控制和壁后填充等控制性指标控制性指标进行调整,充分考虑地层条件,以最合理的盾构机械参数达到盾构机、围岩与环境子系统的协同。