基于網絡層次分析法的盾構隧道管片滲漏水風險評估

王曉睿,肖榮邦,許曉光,張 昭

(1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院,河南 鄭州 450045;2.鄭州地鐵集團有限公司建設分公司,河南 鄭州 450014;3.上海隧道工程有限公司,河南 鄭州 450003)

近年來地鐵飛速發展,據交通運輸部軌道交通數據統計,截至2023年2月共有54個城市 (不含港澳臺)開通運營城市地鐵軌道,交通線路291條,運營里程9 628.2 km。在長期運營過程中,盾構隧道管片滲漏水現象頻繁發生,且不同水文地質條件下均有分布。管片滲漏水不僅會影響隧道結構穩定和行車安全,還會加速設備腐蝕,導致設備故障和壽命縮短,影響地面建筑和地下管線系統。因此,深入探究隧道管片滲漏水影響因素及其風險等級是提高隧道運營安全,減少滲漏水情況發生的關鍵。

關于隧道管片滲漏水的特點及原因分析,李岳、代顯奇[1,2]研究得出盾構隧道管片滲漏水部位集中在環縫處,且施工和運營兩個階段都會導致管片滲漏水的情況發生。在隧道管片滲漏水風險評價和病害研究方面,陳君等[3]提出盾構隧道結構安全性能只依靠單項指標是存在局限性的。楊春山等[4]在對滲漏水病害研究的基礎上,提出將復雜的問題簡單化,依據因素間互相影響和隸屬關系進行層次劃分,建立相關層次結構模型進行評價分析。在研究方法的選擇上,王密田等[5]基于運營期隧道病害成因復雜和襯砌變形采集困難的基礎上提出可基于灰色關聯度和貝葉斯網絡等方法。Li等[6]考慮到隧道狀況評估的復雜性,提出能測量隧道困境的數學組合模型TSI,為建立運營期隧道病害致災風險評估模型提供了新思路。

從國內外針對盾構管片滲漏水研究內容不難看出,影響滲漏水的原因不是簡單的一個或兩個因素造成的,而是多因素、復雜且具有長時效過程。但相關研究存在局限性,大多數人只聚焦于線性的滲漏水關系,忽略滲漏因素之間的耦合關系,且因為施工期的因素復雜性,多數研究的重點在運營期間,導致滲漏水的研究具有間斷性。在前人研究的基礎上,充分考慮盾構隧道建設運營的整個周期,建立滲漏水因素多維度關聯耦合的網絡層次分析模型(ANP),科學量化盾構隧道管片滲漏水的影響因素,同時確定各風險指標的權重比例,以期對管片滲漏水風險控制和防治提供依據。

1 隧道管片滲漏水情況及原因分析

鄭州自2013年開通地鐵以來共有運營線路10條,運營里程235.2 km,在運營過程中,存在大量滲漏水現象,盾構隧道管片滲漏水是鄭州地鐵滲漏水的主要內容之一。經過對鄭州地鐵5號線沙口路站-月季公園站盾構隧道區間的實地調研和管片滲漏水情況的統計分析,發現滲漏水病害多處于縱向和環向的接縫處、手孔區以及環梁等區域[7],如圖1所示,滲漏點位統計見表1所示。

表1 滲漏點位統計表

圖1 盾構隧道滲漏位置圖

由表1可知,拼接縫滲漏水比例高達75%,為盾構隧道主要滲漏水點,螺栓孔為次要漏水點。環梁處漏水點占10%,隧道兩個洞門均有滲漏水現象發生。

盾構隧道管片滲漏水問題的發生,一部分與施工期復雜的施工狀況有關,另一部分則可能因為運營過程中,多種荷載耦合作用,導致接頭的防水能力減弱,產生滲漏水現象。張文靜[8]對隧道運營期間滲漏水風險進行分析,確定出滲漏水的6種狀態,并提出滲漏水的病害是多因素之間相互影響導致。

通過研究鄭州地鐵盾構管片滲漏水的特點,查閱盾構隧道滲漏水相關資料,分析后發現盾構隧道管片滲漏原因眾多,涉及面甚廣,管片接縫滲漏水發生原因比較復雜,包括人員自身問題、施工問題、地質環境的變化、方案、材料、內部壓力、外部荷載等諸多影響因素。若單一的考慮施工期或運營期的某個因素是不準確的[9],基于因素間相互影響,利用多因素的網絡層次理論,構建盾構管片滲漏水評價體系。

2 隧道管片滲漏水風險指標因素

在文獻調研、專家問訊、結合相關施工人員經驗的基礎上,將5號線隧道區間盾構隧道滲漏水總結出5個主要影響因素:人員、施工組織、施工技術、地質環境、材料劣化。在此基礎上完成管片滲漏水風險指標提取和風險指標體系構建。

2.1 人員對管片滲漏水的影響

盾構隧道建設包含運輸、盾構、拼裝、注漿及后期防護等一系列過程,這需要項目組的各級人員共同努力,他們作為貫穿盾構隧道建設和運營周期的建設和維護者,其施工的規范程度,操作是否得當深深影響著盾構隧道的施工質量。人員監管、技術水平和器械使用情況都是影響盾構隧道施工質量的重要因素。

2.2 施工組織對管片滲漏水的影響

在盾構隧道項目建設之前,需要對即將要做的任務做出設計和規劃,詳細而又合理的施工組織方案必不可少,這其中包括防水設計、施工方案和組織規劃,任何一個環節的疏漏,都會直接或間接影響后續的工作內容,從而導致管片滲漏水情況的發生。因此重視施工組織工作,研究其對管片滲漏水的影響程度,是合理構建管片滲漏水風險評價體系不可或缺的內容。

2.3 施工技術對管片滲漏水的影響

在盾構隧道建設和運營過程中,施工技術是保證其順利進行的核心內容[10]。盾構隧道的建設相比明挖段使用混凝土澆筑而言,更加復雜和精密。止水帶粘貼狀態,管片拼裝精度、同步注漿量多少[11]將會直接影響到管片的防水體系。而在盾構機掘進過程中,可能存在管片連接處螺栓預緊力不夠,從而導致接縫處張開,繼而發生管片滲漏水的情況。因此,施工技術是管片滲漏水影響因素研究必須考慮的因素之一。

2.4 地質環境對管片滲漏水的影響

地質環境的變化往往影響著盾構隧道管片的自防水體系。若土層以軟土地基為基礎,在振動荷載或過大的承載壓力下,就會發生沉降,從而使隧道管片產生上浮或下沉現象[12],致使接頭處產生張開、錯臺等問題。若周圍有河流,或地下滲流過多時,水壓變化會比較明顯,影響孔隙水壓,導致出現滲漏水[13-14]。同時化工廠所排廢水等酸性物質會改變土壤酸堿度從而對管片、止水帶等產生腐蝕,從而破壞自防水體系。其他如地震、海嘯等不可預知的地質環境因素,一旦發生后果非常嚴重,因此地質環境變化的影響不可忽視。

2.5 材料劣化對管片滲漏水的影響

在管片運輸和拼裝過程中,容易導致邊角處所受應力較大,從而出現管片角部破碎、開裂等情況[15]。同時密封止水條在過大的應力作用下、會產生蠕變及應力松馳等現象,止水能力下降。在預緊螺栓時,未安裝防水墊或是防水墊損壞,則會直接導致螺栓孔處發生滲漏水。因此,材料自身性能或結構劣化,也是整個風險評價的重要內容。盾構管片滲漏水風險因素指標如表2所示。

表2 盾構管片滲漏水風險指標

3 基于ANP的模型構建

網絡層次分析法 (ANP)[16]是層次分析法 (AHP) 的擴展,考慮到該評價體系中的指標之間存在相互關聯、相互影響的關系[17],本文采用網絡層次分析法(ANP)對接縫滲漏水評價體系進行定量研究,進一步確定各評價指標的權重。該方法研究過程中充分考慮了指標間的反饋性和相互作用,能準確反映內部元素間的依存關系并定量化評價系統內部聯系[18],已被應用于各領域的評價研究之中。

3.1 ANP模型的建模思路

ANP模型結構分為兩層,由控制層和網絡層組成,如圖2所示,分別反映相關目標實現的評判標準和網絡化結構的評價指標。首先是構造控制層次,將決策目標界定,再構造網絡層次,要歸類確定每一個元素,分析其網絡結構和相互影響關系,并通過調查分析,建立網絡結構的評價指標體系。

圖2 網絡層次結構

3.2 超矩陣建立

(1) 建立超矩陣。

在決策目標和決策準則確定之后,確定控制層元素有B1,B2,…,Bm,網絡層有元素集C1,C2,…,Cn,Ci有元素Ci1,Ci2,…,Cin,i=1,2,…,n。將控制層中的元素Cp作為準則,同時將Cj中的元素Cj1作為次準則,然后進行互相之間的標度比較,由此構建判斷矩陣,從而得到歸一特征向量(wi1,wi2,…,win)T,也稱為網絡元素排序向量,在前者的基礎上進行一致性檢驗。經過上述步驟,可以得到相對于其他元素的排序向量,構造超矩陣記為:

超矩陣Wij的列向量為Cij中的元素Ci1,Ci2,…,Cin,若元素組Cj中的元素與Ci中的元素之間不會互相影響,則超矩陣Wij=0,由此,最終可以在準則Cp下得到超矩陣Wo。其他控制層元素的超矩陣,也可以用此方法計算求得:

(2)構建加權超矩陣。

3.3 軟件選擇及ANP的建模過程

yaanp軟件是yaahp軟件的升級版,是一種常用的計算機網絡層次分析法輔助應用軟件,可利用網絡分析法和層級分析法對決策活動提供模式建立、運算和支持大數據分析。而常用的SD軟件對于復雜的網絡層次結構,模型數據較多的情況,往往不夠準確,并且分析效率低。故在此前提下,采用yannp軟件進行ANP模型的分析計算。

根據盾構隧道施工和運營情況,結合鄭州地鐵隧道管片區間滲漏水的特點[19],得出風險指標間的相互影響關系。分析各指標間的關系,在此基礎上構建出盾構隧道管片滲漏水風險評價的ANP網絡層次模型,再通過yaanp軟件構建盾構管片滲漏水風險因素單網絡結構模型。結構建模如圖3所示。

圖3 yaanp軟件下盾構管片滲漏水ANP模型

4 基于ANP的算例分析和權重確定

4.1 標度判斷標準

在Yannp軟件內,可基于評價指標間依存關系的分析,構建相應的判斷矩陣,再根據相關領域專家的意見對因素間的重要程度進行標度評判。專家成員由設計人員、項目高工、行業專家組成,決策運算采用常見的9分標度法,如表3 所示。

表3 標度參考表

4.2 權重比例

在標度值確定后,依據yaanp軟件計算得到各指標因素權重,如表4所示。

表4 各指標權重占比

對5號線隧道區間管片滲漏水的評價結果進行分析:一級指標的權重比例大小關系為,人員(0.381 221)>施工組織(0.286 122)>施工技術(0.184 501)>材料劣化(0.097 502)>地質環境(0.050 656),五個因素逐漸對盾構隧道管片滲漏水的影響比重減小、人員作為隧道區間施工周期中重要的一環,其施工行為與盾構隧道工程質量緊密相關。二級指標中監管不到位(0.218 136)>防水設計不合理(0.182 231)>技術缺乏(0.142 380)>止水條粘貼不好(0.103 146)>施工方案不合理(0.073 805),監管和技術缺乏是人員對管片滲漏水影響的主要內容,影響著人員的權重占比。止水條粘貼不好在整個施工技術排名靠后的情況下仍在二級指標中排名第四,其重要程度可見一斑。

人員因素和施工組織因素占比都超過了20%,分別占比為38.12%、28.61%,這表明人員因素和施工組織因素在重要程度上,都占有絕對優勢。這是由于施工人員的行為受施工組織的約束,而施工組織的合理性又直接影響施工人員的施工質量,兩者密不可分,是盾構隧道管片滲漏水風險影響因素的核心內容。同時人員因素中監管問題又是重中之重,監管的嚴格程度往往代表著施工質量的水平。在施工組織因素中,防水方案合理性因素占比達到63.7%,且在二級因素中排名第二,防水設計作為管片自防水體系的核心內容,完善好防水方案就很大程度上避免了盾構隧道管片滲漏水的可能性。

地質環境權重占比為5.06%,雖然也對盾構隧道管片滲漏水有影響,但其影響比重不高,歸其原因是地質環境的變化是一種長期的疊加過程,不如前幾個影響因素的直接性,且一般來說,沒有頻繁的地質活動或深度的人為影響,地質環境的狀態是比較穩定的。

5 結 論

通過研究分析鄭州地鐵5號線盾構隧道滲漏水實際,結合專家經驗和文獻研究,總結盾構管片滲漏水風險影響因素指標體系,確定5個一級指標17個二級指標。同時運用網絡層次分析法對相關風險指標進行量化研究。在此基礎上確定了各風險因素指標的權重比例。結論如下:

(1) 盾構隧道管片滲漏水ANP風險評價模型符合實際,通過將各風險因素指標定量化,得出了各風險因素對管片滲漏水的影響程度。

(2) 一級指標中人員是管片滲漏水的最主要影響因素。二級指標中止水帶的狀態在一級指標比例不占優的情況下仍排名前列,是施工中值得關注的問題。

(3) 此評價體系具有現實意義,一方面從整體性的角度分析了沙口路區間盾構管片滲漏水出現的原因,另一方面對其管片滲漏水的防護措施和管片滲漏水的綜合治理提供了參考。