徐文禮,王義盛
(中交隧道工程局,北京100100)
軌道交通13號(hào)線共有3條線(華中上行線、華中下行線和出場(chǎng)線)分別在磁浮墩柱P0182~P0185間以盾構(gòu)方式穿越。盾構(gòu)最大直徑6760mm,最大埋深17.9m,最小平曲線半徑為250m,盾構(gòu)離磁浮樁基最近為1.49m。由于施工面離磁浮樁基非常近,盾構(gòu)在推進(jìn)過程中,會(huì)使周圍土體產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致磁浮樁基、承臺(tái)、墩柱的變形,影響磁浮運(yùn)行安全。
3條隧道分3次以不同時(shí)間穿越,最先穿越的是上行線,1個(gè)月后進(jìn)行下行線穿越,時(shí)隔7個(gè)月后進(jìn)行出場(chǎng)線穿越。出場(chǎng)線在穿越磁浮處平面為250m半徑曲線,與磁浮樁基僅1.49m,墩柱受前2次盾構(gòu)穿越的疊加影響較大,工程風(fēng)險(xiǎn)巨大。
灰色系統(tǒng)理論提出了對(duì)各因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念,意圖通過一定的方法,去尋求系統(tǒng)中各因素之間的數(shù)值關(guān)系?;疑P(guān)聯(lián)度分析對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量,非常適合動(dòng)態(tài)歷程分析[2]。
對(duì)于2個(gè)系統(tǒng)之間的因素,其隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度,稱為關(guān)聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過程中,若2個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性,即同步變化程度較高,則稱二者關(guān)聯(lián)程度較高;反之,則較低。經(jīng)無量綱化處理后,按式(1)計(jì)算比較序列對(duì)于參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù):
式中,x0(k)為參考序列,xi(k)為比較序列,時(shí)間維度為n;ρ為分辨系數(shù),且 ρ∈[0,1]。
比較因子對(duì)于參考因子的關(guān)聯(lián)度按式(2)計(jì)算:
2.2.1 確定參考序列和比較序列
反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列,稱為參考數(shù)列,如墩柱沉降變形;影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列,稱為比較數(shù)列,如盾構(gòu)施工參數(shù)。
2.2.2 數(shù)據(jù)的無量綱化處理
由于系統(tǒng)中各因素的物理意義不同,數(shù)據(jù)的量綱也不同,不便于比較,或在比較時(shí)難以得到正確的結(jié)論,因此,一般需進(jìn)行無量綱化處理。
2.2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)
按式(2)計(jì)算各比較序列相對(duì)于參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù),組成關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。
2.2.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)度
對(duì)每個(gè)比較序列中的指標(biāo),計(jì)算時(shí)間維度上的關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值,即為該指標(biāo)相對(duì)于某一參考指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度。依次計(jì)算,可以得到關(guān)聯(lián)度矩陣。
2.2.5 關(guān)聯(lián)度排序
對(duì)于某一參考指標(biāo),不同評(píng)價(jià)指標(biāo)按關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序,就得出其影響因數(shù)。本文以均值法為主,同時(shí)用初值法和絕對(duì)關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行校核。
在施工過程中,根據(jù)3條隧道先后穿越的現(xiàn)狀,以及盾構(gòu)穿越不同建(構(gòu))筑物的情況,反復(fù)計(jì)算、論證,最終確定合理的施工參數(shù),最大限度降低對(duì)磁浮的影響。其總體思路為:通過13號(hào)線盾構(gòu)沿線經(jīng)過的重要構(gòu)筑物,如合流污水管線、中環(huán)高架橋以及地鐵16號(hào)線高架等,積累軟土地基穿越時(shí)控制變形的施工參數(shù)經(jīng)驗(yàn),為穿越磁浮做技術(shù)準(zhǔn)備。進(jìn)一步地在穿越磁浮時(shí),通過設(shè)置試驗(yàn)段和模擬段繼續(xù)探索研究控制磁浮變形的盾構(gòu)施工參數(shù),優(yōu)化出正式穿越磁浮的盾構(gòu)施工參數(shù),為正式穿越做準(zhǔn)備。本文的計(jì)算從穿越磁浮的試驗(yàn)段開始。
根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物時(shí),通常利用控制地層損失率控制周圍構(gòu)筑物變形[3]。通過對(duì)上海地鐵13號(hào)線盾構(gòu)穿越磁浮的綜合技術(shù)監(jiān)護(hù)的實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)對(duì)于淺土層基礎(chǔ)的建(構(gòu))筑物,利用地層損失率控制變形是有效的,但對(duì)于深樁基礎(chǔ)的建(構(gòu))筑物,通過地層損失率控制變形往往效果不好,地表變形控制好了,但往往深樁基礎(chǔ)變形較大。
在盾構(gòu)穿越磁浮前的模擬段和試驗(yàn)段期間,對(duì)磁浮墩柱的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將這些變形數(shù)據(jù)與施工參數(shù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算(見表1),土壓、注漿量控制基本穩(wěn)定后,得到變形與施工參數(shù)的關(guān)聯(lián)度排序,據(jù)此可以有針對(duì)性地進(jìn)行施工參數(shù)探索、優(yōu)化,從中找到正式穿越時(shí)的施工參數(shù),從而達(dá)到主動(dòng)控制變形的目的?;疑到y(tǒng)理論的引入,對(duì)施工時(shí)主動(dòng)控制磁浮墩柱變形具有重要意義,本文對(duì)此進(jìn)行了嘗試,并收到了一定成效。
表1 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算
3.2.1 試驗(yàn)段關(guān)聯(lián)度計(jì)算
對(duì)試驗(yàn)段1的某一組地表沉降點(diǎn)的沉降值和施工參數(shù)進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算。分別用初值法、均值法、絕對(duì)關(guān)聯(lián)度和斜率關(guān)聯(lián)度對(duì)以上2組數(shù)據(jù)進(jìn)行了灰色關(guān)系度計(jì)算(計(jì)算結(jié)果略),綜合比較多種方法,得到影響地表點(diǎn)變形的施工參數(shù)排序?yàn)椋簉13>r14>r5>r4>r2>r9>r12>r3……排在最前面的為最敏感參數(shù),以此類推,排在最后的為最不敏感參數(shù)。
3.2.2 模擬段關(guān)聯(lián)度計(jì)算
為了模擬磁浮墩柱的沉降變形,在模擬段布置了深層土體監(jiān)測(cè)點(diǎn),用于模擬墩柱的變形。同樣對(duì)深層土體TF21~TF24的沉降和水平位移進(jìn)行了計(jì)算,施工參數(shù)關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋?/p>
3.2.3 正式穿越時(shí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算
綜合分析P0182~P0184 A、B軌墩柱的沉降值與施工參數(shù)的關(guān)聯(lián)度矩陣,其排序如下:
3.2.4 敏感度分析及綜合評(píng)價(jià)
在通過試驗(yàn)段推進(jìn)參數(shù)基本確定的前提下,土壓、注漿量控制基本穩(wěn)定后各施工參數(shù)的敏感度綜合評(píng)價(jià)如下:
1)由上述關(guān)聯(lián)度排序可知,各施工參數(shù)對(duì)墩柱和地表點(diǎn)的敏感度是不同的,由此可通過控制施工參數(shù)來控制沉降變形;
2)在對(duì)強(qiáng)電纜溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算時(shí),其施工參數(shù)敏感度排序與墩柱具有一致性,表明施工參數(shù)對(duì)深樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形影響敏感度是一致的(強(qiáng)電纜溝建造在磁浮承臺(tái)上);
3)由于墩柱變形可能向上浮起,對(duì)于方向不一致有正有負(fù)的數(shù)據(jù),應(yīng)先進(jìn)行預(yù)處理,這樣計(jì)算的結(jié)果更貼近于實(shí)際;
4)上述施工參數(shù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系不是普遍適用的規(guī)律,僅適用于此處地基基礎(chǔ)情形和施工工況。
3.2.5 初步結(jié)論和工程驗(yàn)證
根據(jù)上述關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果進(jìn)行施工參數(shù)優(yōu)化,合理調(diào)整施工參數(shù),使墩柱變形在允許范圍內(nèi)波動(dòng),保證了磁浮的安全運(yùn)行,圖1給出了墩柱P0182A~P0185A從2016年11月31日~2018年5月9日的變形曲線,可見,墩柱變形最終收斂在允許范圍內(nèi)。
圖1 墩柱沉降變形長(zhǎng)期變化曲線
通過對(duì)上海地鐵13號(hào)線盾構(gòu)穿越軟土地層中建(構(gòu))筑物群的變形控制關(guān)鍵技術(shù)的研究,特別引入灰色理論,計(jì)算了墩柱變形量與盾構(gòu)施工參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而調(diào)節(jié)關(guān)鍵施工參數(shù),有效控制了磁浮結(jié)構(gòu)設(shè)施的變形,收到了較好效果。實(shí)踐證明,灰色理論在計(jì)算關(guān)聯(lián)度應(yīng)用上,結(jié)合其他多種監(jiān)測(cè)手段和綜合分析方法,能有效控制盾構(gòu)施工對(duì)周圍建(構(gòu))筑物的變形,保證了上海磁浮示范線的安全運(yùn)行。這一方法在后續(xù)類似工程中具有一定的參考作用。