狮子洋隧道盾构对接方案的模糊判断法

王连山，奚正平

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001;2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009;3.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

0 引言

随着我国经济和城市建设的快速发展，基础设施工程建设中各种综合问题日益突出，而模糊数学的出现与发展对许多领域，尤其是对工程技术领域产生了极大的影响［1］。与经典数学相比，模糊数学在分析复杂工程问题时更加显示其优越性，因而近几年发展非常迅速。模糊数学起源于1965年，由美国加利福尼亚州立大学的扎德教授创立［2］，解决了实际工程中无法精确计算或分析的问题。

在工程施工中，经常面临施工方案选择问题。对于不确定的质量、安全、工期、费用等影响因素，作为建设单位或施工企业，通常通过费用比较或工期比较进行选择，而方案比较中对技术可行性、施工复杂程度和安全可靠性等问题，一般只能进行定性分析。为使方案选择评价时尽可能定量化，运用模糊数学能解决该类问题。黄建光［3］应用模糊综合评价模型对轨道交通设计方案进行评价，并得到设计方案的评价等级。冯玉坤［4］、赵彬［5］等人应用模糊数学模型对房屋建筑工程的造价估算进行研究。邵良杉等［6］对煤矿巷道工程造价进行数学模型研究，采用模糊数学中的贴近度等方法，得到拟建工程的造价。在盾构隧道施工中，盾构对接方案的选择一般是根据经验法进行比选。本文采用模糊数学判断法对广深港客运专线狮子洋隧道盾构对接方案进行定量分析，为今后施工方案定量分析及最优选择提供参考。

1 模糊判断法原理

用以确定使受控系统的给定性能指标取极大或极小值的最优控制方法，是最优控制理论的核心。在工程领域中，最优选择问题也可采用极大值原理所提供的方法和原则来确定。模糊优化方法与普通优化方法的要求相同，仍然是寻求一个控制方案，满足给定的约束条件，使目标函数为最优值;其区别仅在于模糊优化方法中包含模糊因素。普通优化可以归结为求解一个普通数学规划问题，模糊规划则可归结为求解一个模糊数学规划(Fuzzy Mathematical Programming)问题，包含控制变量、目标函数和约束条件，其中控制变量、目标函数和约束条件可能都是模糊的，也可能某一方面是模糊的，而其他方面是清晰的。

假设f:X→R是有界函数，C∈F(X)，考虑f在C约束下的最大值问题，求解意味着既要最大限度地满足约束，又要最大限度地达到理想目标，为此定义目标函数f:X→R是有界函数，C∈F(X)是模糊约束，令D=C∩Mf;Mf是函数f的无条件模糊优越集，称D为f在C约束下的条件模糊优越集，称f(D)为f在C约束下的条件模糊极大值，它们的隶属函数分别为

求解目标函数f(x)在模糊约束C下的条件极大值的3个步骤:

1)求无条件模糊优越集Mf;

2)求条件模糊优越集D=C∩Mf;

3)求条件最佳决策，即选择x*，使

式中:x*是所求的条件极大点;f(x*)是在模糊约束C下的条件极大值。

采用上述模糊判断法原理，可对土木工程施工方案的决策进行定量分析。对于盾构对接方案，目前仅日本在东京湾采用了机械对接技术，而我国对接技术尚处于空白状态。现通过项目工程调研，采用模糊判断法对广深港客运专线狮子洋隧道盾构对接施工方案进行分析和比较。

2 狮子洋隧道盾构对接方案

狮子洋隧道位于广深港铁路客运专线东涌站至虎门站区间，为全线控制性工程。隧道采用双孔单线结构，设计速度为200 km/h及以上，最小曲线半径7 000 m，最大坡度20‰。盾构掘进通过粉质黏土、淤泥质黏土、细砂、中砂、粗砂、全风化至弱风化泥质砂岩、粉砂岩和细砂岩等多种复合地层，地下水丰富，与珠江水有一定的水力联系，具弱承压水头，强承压水占41%。

隧道全长10.8 km，分为 SDⅡ、SDⅢ2个标段，分左右线相向推进，在江中对接。衬砌管片采用钢筋混凝土平板形管片，通用楔形环双面楔形(楔形量24 mm)，管片厚500 mm，采用“7+1”分块模式，环宽2.0 m。

隧道采用4台直径11.18 m气压调节式泥水平衡盾构，水深26.6 m，设计水压达0.67 MPa。为确定合理的盾构对接施工方案，补充勘察了对接区域的地质情况。对接区域岩性为泥质粉砂岩，强度 10～25 MPa，渗透系数0.21 m/d。根据对接区域地质情况，采用离心实验模型模拟了围岩强度在10 MPa、岩体厚度为2.5 m、压力为0.3 MPa情况下岩墙的稳定性。模拟实验显示，岩墙具有一定的稳定性［7］。

盾构对接目前有土木对接与机械对接2种方式［8］。日本东京湾隧道采用了机械对接方式［9］。根据狮子洋隧道对接区域地质补充勘探情况，对接方案既可选择机械对接，也可选择土木对接。

3 方案分析

盾构在海底对接施工中具有一定的风险性。对接方案是否合理直接影响工程成败。如果对接不成功，将造成隧道涌水、海底坍塌、隧道被淹等工程事故。对接方案的比较如下:

1)机械对接。机械式盾构对接法通过在2台盾构的前缘设置对接装置，有效解决对接难题。虽然机械式对接施工对设备要求高，但是对接不需要进行地层加固，或仅需要进行小范围的地层加固即可，因此施工质量高、操作简单、风险低、安全性高，但由于设备的特殊设计与加工，设备费用引起的施工成本较高。另外，采用机械式盾构对接方案时，需要对贯通精度及盾构姿态有很好地控制，以保证成功对接。

2)土木地层加固对接。此方案对施工设备制造的相关要求低，使设备的制造工艺简化，对工程施工更加有利，在狮子洋隧道施工图设计中即采用此对接方案。制造商沿中盾圆周方向均匀布置了22个超前注浆孔(倾角13°，孔径100 mm)，该孔既可用于超前注浆，又可利用注浆管作为超前支护。施工图设计分别在左、右线DIK38+250～+100、DIK38+500～+550段对接，对接处为泥质粉砂岩和细砂岩地层，渗透性高，水压在0.7 MPa左右。如果采用该对接方案，施工质量一般，风险性一般(帷幕注浆的可靠性决定了隧道涌水涌泥的风险)，施工安全性较高(采用超前锚杆预支护作为辅助施工措施)，计划工期5个月。

3)土木直接掘进对接。土木直接掘进对接是在2台盾构相向掘进相抵后，开仓将2台盾构的切口环采用联接钢板焊接联通成整体，在盾壳的保护下，拆除盾壳内部设备构件，再施工钢筋混凝土衬砌的施工方法［10］。采用土木直接掘进对接，设备可直接采用常规设备。与机械对接、土木地层加固对接一样，采用土木直接掘进对接，盾壳需要设计为双盾壳，不需要地层加固。采用土木直接掘进对接，施工安全与质量一般，但操作简单，且在这3种方案中成本最低。但是，采用土木直接掘进对接，需要对接区域的地层具有强稳定性及弱透水性。地质勘察显示，DK37+800～+850段主要为弱风化泥质粉砂地层;离心模型实验研究显示，该段围岩具有一定的稳定性，渗透系数0.21 m/d，满足土木直接掘进对接要求。采用土木直接掘进对接，可节约地层加固时间，工期可提前1个月左右。

从上述方案比较来看，3种方案各有利弊。为了对上述3种方案进行定量分析，应用模糊约束下的条件极值来求解，将设备、地层加固、安全与质量等对施工有影响的因素作为模糊约束条件，把造价作为目标函数，即 X={x1(机械对接)，x2(土木地层加固对接)，x3(土木直接掘进对接)}。方案比较见表1。

表1 方案评价表Table 1 Program evaluation table

将真值语言转化为各模糊约束集Ci∈F(X)(i=1，2，3，4，5)的隶属度对应关系。对 C1，C2，Mf而言，对应关系见表2。

表2 C1，C2，Mf真值语言对应隶属度关系Table 2 Membership relation of true value language of C1，C2and Mf

对C3，C4而言，对应关系见表3。

隶属度真值语言转化后见表4。

表4 真值语言与隶属度函数转化表Table 4 Conversion between true value language and membership function

计算模糊判决集

4 直接掘进对接方案控制措施及效果

4.1 控制措施

盾构直接掘进对接是在不采取任何地层加固措施、设备不具有机械对接装置的情况下，2台相向掘进的盾构直接掘进对接。因此，在施工中应做好以下控制措施:

1)提前准备好30 mm厚环形分块钢板，并在地面试拼接。盾构对接后，对刀盘对接处的盾构外壳切口环缝隙，采用准备好的环形钢板联接，使2台盾构的外壳形成整体;

2)备好排水泵，发现漏水及时抽排;

3)做好地层监控，采用海底声纳等设备监测海底地层变化;

4)相向盾构掘进相距50 m时，建立通信联系，及时通报盾构所处的空间位置;

5)通过盾构姿态调整，减少盾构对接误差;

6)开仓前注意观察液位变化情况，发现液位变化较快时，应做好压力控制。

4.2 施工效果

2010年12月8日，狮子洋隧道左线2台盾构顺利对接。对接点围岩相对稳定，安全性较好，掌子面残留的碴土很少;相向对接精度平面偏差28.5 mm，高程偏差19.6 mm，满足设计规定的贯通误差在±50 mm以内的要求。现场刀盾对接见图1，设备拆除见图2，盾构外壳缝隙焊接见图3。

继左线成功对接之后，2011年3月11日，狮子洋隧道右线也成功采用直接掘进对接方式实现盾构对接。

狮子洋隧道左、右线2次顺利对接是国内首次采用盾构法施工对接技术，开创了盾构地下直接掘进对接先河。

图1 刀盘对接Fig.1 Shield docking

图2 设备拆除Fig.2 Removal of equipment

图3 盾构外壳缝隙焊接Fig.3 Welding of shield shell gap

与原设计土木地层加固对接方案相比，采用土木直接掘进对接施工方案，施工工期节约20 d之多，节约小导管及地层加固注浆等施工成本约107万元。

5 结论与体会

在狮子洋隧道对接方案选择过程中，采用模糊判断法解决了施工方案选择的量化确定问题，算法简单，便于理解。采用模糊判断法存在的问题是不能将所有影响因素都纳入计算系统(否则计算量过大)，因此存在计算精确度偏差。

今后在类似施工方案选择时，可将施工方案的影响因素进一步细化，例如增加地质因素、人员因素等，以提高计算精确度。

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［8］ 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.

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［10］ 洪开荣.高速铁路水下盾构隧道结构力学特征及掘进与对接技术研究［D］.北京:北京交通大学土木建筑工程学院，2011.(HONG Kairong.Study of the structural and mechanical performance of underwater shield-bored high speed railway tunnels and the boring and docking technologies［D］.Beijing:School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2011.(in Chinese))