基于灰色理论的顶管施工道路沉降评价方法

陈军、袁猛

（上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

0 引言

在工程中，可以将顶管施工作为一种不需要路段开挖或少量开挖，即可满足工程质量需求的道路管道埋设施工模式。施工时，在作业区内借助顶进仪器或设备运行时产生的顶力，克服道路管道在土层中产生的摩擦力，按照预设的坡度，将管道顶进土层中，将多余的土方使用机械运走后,使用第二根管道继续顶进，借助中继推力完成埋设施工。目前，此种施工方式已被广泛应用到不同道路的施工中，但随着相关工作的持续推进，逐渐发现顶管施工模式会在使用中出现路段沉降问题。顶进与埋设等施工行为会受到挖掘机作业时的开挖、挤压等综合作用力，产生对周围土体的扰动行为，当扰动作用力达到一定数值后，管道周围的土体压力将呈现释放状态，对应的土体应力分布发生异常，从而诱发土层沉降。严重的道路沉降不仅会影响车辆驾驶员的驾驶体验感，还会威胁公路行车安全，因此需要对道路沉降进行评价。但在进行顶管施工道路沉降评价的过程中，评价结果容易产生较大的误差，不能保证施工的有效进行。综上所述，将引进灰色理论，设计一种针对道路顶管施工的道路沉降评价方法，以此种方式及时掌握沉降区段，优化道路施工。

1 基于灰色理论的道路顶管施工道路沉降评价方法设计

1.1 基于灰色理论的道路沉降区段预测模型构建

在道路顶管施工结束后，较长时间外界环境中不确定因素的变化，会引起施工道路发生沉降，由于不确定因素较多、已知因素较少，因此在评价道路沉降时引进灰色理论，解决评价过程中存在的信息不确定问题。

将已知的道路工程数据进行离散化处理，根据数据的序列排列方式对其进行数组转换，生成规范化的数列形式，根据已知数列建立一个微分方程，通过对方程的解析，即可构建一个针对沉降区域道路的预测模型。假设的起始点表示为（1，1），对进行白化描述，将其表示为下述计算公式（1）。

式（2）中：表示时间序列。根据公路顶管施工工期，对时间序列进行填充，以此方式，实现对沉降区段的建模。

1.2 建立公路顶管施工道路沉降层次化评价体系

考虑到公路顶管施工发生道路沉降的影响因素较多，因此需要在评价前提取可能造成道路沉降的指标，建立一个层次化评价体系。公路顶管施工道路沉降层次化评价体系如图1所示。

图1 公路顶管施工道路沉降层次化评价体系

将已知信息导入评价体系中，结合不同工况，进行设计内容与施工组织方案进行调整，为道路沉降评价提供参照。

1.3 基于评价矩阵的道路沉降评价结果量化

已知公路顶管施工道路沉降影响因素后，由专家系统进行道路沉降影响因素的评分，参照重要性标度法，进行影响因素分数赋值，得到一个针对顶管施工准则层的比较矩阵。矩阵表达式（3）如下。

式（3）中：表示道路沉降评价矩阵；1 表示同等重要的影响因素；5 表示前者重要性显著大于后者；8 表示后者重要性不大；9 表示后者几乎不重要；4 前者重要性较大于后者；1/5、1/4、1/8、1/9 表示重要性判断折中。根据对不同影响因素的赋值，进行道路沉降评价。评价后，对结果进行一致性比对，比对公式（4）如下。

式（4）中：C表示评价结果一致性；表示评价结果最大特征值；表示评价矩阵阶数。当C计算结果=0时，证明评价结果与构造矩阵具备一致性，输出评价结果即可完成对顶管施工道路沉降的评价。

2 工程实例分析

为了证明设计方法的可行性，选择深圳市某雨污分流管道工程作为此次试验的工程实例，该区段公路工程所处的地理位置为市中心，为了降低施工对周边居民生活的影响，避免路段施工封闭对道路出行造成干预，在施工中所选的施工方法为顶管施工方法。

此次施工所选的顶管内径为2780.0mm，顶进管道的壁厚约为280.0mm，属于钢筋材质的混凝土圆形管道。为了保证评价结果的真实性与可靠性，采用土体采样的方式，对顶管施工区域进行土体采样，记录公路施工路段土层物理力学参数，如表1所示。

通过表1中数据的分析可以看出，此施工路段土体结构整体松软度较高，属于易发生沉降的区段。因此，选择此项目作为实例进行研究是十分可行的。

表1 公路施工路段土层物理力学参数

此次施工取两端管道进行顶进施工，预设埋设深度为12.87m，两个下深的管道分别为取水顶管和排水顶管，两个管道的长度分别为545.5m 与168.8m。

完成对现场作业环境的勘查与工程施工相关准备工作后，由专业施工人员在现场技术人员的指导下，按照标准进行施工。完成施工后，随机在埋设的管道上布置测点，根据已知信息与未知信息，采用提出的基于灰色理论的公路顶管施工道路沉降评价方法，圈定施工区域，并对公路顶管施工道路沉降区段构建道路沉降区段预测模型。根据施工现场可能诱发道路沉降的因素，建立公路顶管施工道路沉降层次化评价体系。在此基础上，构建道路沉降评价矩阵，采用对评价结果进行量化的方式，完成对施工区段沉降评价结果的量化。在该区域安排了8 个试验点分别为E1～E8，图2为本次雨污分流管道工程部分施工区域平面图。

图2 部分施工区域平面图

选择E1 测点作为试验点，记录实测沉降结果与设计评价方法量化得到的沉降结果，为了保证试验结果的直观性，将其绘制成折线图，E1 测点沉降结果如图3所示。

图3 E1 测点沉降结果

统计E1 测点的实测结果与评价结果，将已知数据代入下述计算公式，计算公路顶管施工道路沉降评价结果误差率，计算公式（5）如下。

式（5）中：表示道路沉降评价结果误差率；表示评价沉降值；表示实测沉降值。

按照上述计算公式，计算8 个测点沉降评价结果的误差率，计算沉降评价结果误差率，公路顶管施工道路沉降评价结果误差率对比如表2所示。

表2 公路顶管施工道路沉降评价结果误差率对比

从上述试验结果可以看出，相比传统方法，设计的基于灰色理论的公路顶管施工道路沉降评价方法，在实际应用中不仅可以实现对公路顶管施工点沉降值的精准预测，也可以降低沉降评价结果的误差率，保证对道路沉降评价的高精度。

3 结语

为了确保工程的高质量完成，提出了在公路工程建设中采用顶管施工代替传统开挖施工的作业模式。为了解决顶管施工中的沉降问题，从构建道路沉降区段预测模型、建立公路顶管施工道路沉降层次化评价体系、基于评价矩阵的道路沉降评价结果量化三个方面，对基于灰色理论的公路顶管施工道路沉降评价方法展开设计，并通过实例证明了设计的评价方法，不仅可以实现对公路顶管施工点沉降值的精准预测，也可以降低沉降评价结果的误差率，实现将误差率控制在1.0%以内。